La energía solar termoeléctrica en el planeta

Junto a la tecnología fotovoltaica, que he descrito con detalle en un libro de reciente publicación (“Energía solar. De la utopía a la esperanza”, Madrid, 2020, Ediciones Guillermo Escolar), hay otra fuente renovable que aprovecha la energía del Sol para producir electricidad, pero que no utiliza células solares: es la denominada energía solar termoeléctrica o energía termosolar, (en inglés se la conoce por Concentrated Solar Power) cuyo desarrollo es mucho más incipiente que el de la primera. En este artículo describo brevemente sus principios de funcionamiento y sus características esenciales.

1. Fundamentos de las centrales termosolares

Las centrales de generación de energía termosolar se basan en la utilización de espejos que concentran la radiación del Sol en un foco por el que circula agua u otro fluido para obtener vapor, que posteriormente se dirige hacia los álabes de una turbina para moverlos y producir así electricidad, siguiendo la bien conocida Ley de Faraday.

A grandes rasgos, una central termosolar consta de tres unidades principales:

1. Captadores solares, que son espejos que reflejan la luz del sol y la concentran en un determinado foco, convirtiendo la energía solar en energía térmica.
2. Un medio de almacenamiento del calor mediante vapor de agua o sales fundidas.
3. Un generador de energía eléctrica, que produce electricidad mediante una turbina accionada por el vapor obtenido en la conversión de la radiación solar en calor.

La siguiente imagen muestra un esquema de una central termosolar:

Como se aprecia en la imagen anterior, la central utiliza un gran campo de espejos planos denominados helióstatos para enfocar y concentrar la luz solar en un receptor situado en la parte superior de una torre. Un fluido se calienta en el receptor y se usa para obtener vapor que, a su vez, se utiliza en un generador de turbina convencional para producir electricidad. Algunas torres usan agua como fluido, mientras que otros diseños avanzados están experimentando con sales de nitrato fundida debido a sus superiores capacidades de almacenamiento del calor. Esa posibilidad de almacenar energía permite que el sistema continúe produciendo electricidad en días nublados o por la noche, es decir, esta tecnología permite almacenar la energía producida por un tiempo de unas pocas horas.

2. Ventajas e inconvenientes de la energía termosolar

A grandes rasgos y sin entrar en detalles pormenorizados, son tres las principales ventajas:

• Utiliza los mismos procedimientos de conversión de energía térmica que las fuentes convencionales: generar vapor de agua para mover una turbina eléctrica.
• Se puede integrar fácilmente en las infraestructuras energéticas ya existentes.
• Puede almacenar energía térmica por espacio de 10-15 horas. La capacidad de almacenamiento de las centrales termosolares es el factor determinante para la incorporación de dicha tecnología al mix energético en condiciones de igualdad con otras tecnologías renovables más maduras, como la fotovoltaica o la eólica. Gracias a esa capacidad de almacenamiento, la curva de producción de estas centrales se acopla perfectamente a la curva de la demanda eléctrica, lo que garantiza que mediante esta tecnología se puede garantizar el suministro continuado las 24 horas del día.

Frente a esto, también tiene inconvenientes de calado que frenan su expansión más acelerada:

• Necesita altos niveles de irradiación solar por espacios de tiempo muy prolongados, lo que limita su despliegue a países o regiones que cumplan estos requisitos.
• El coste de la electricidad producida es demasiado elevado en comparación con las otras renovables modernas (solar fotovoltaica y eólica) Por el momento, este es el principal factor que frena su desarrollo. Un estudio realizado por el Fraunhofer ISE demostró que, si bien se lograrán reducciones significativas de precios en los próximos años, el coste de la electricidad de origen termosolar seguirá siendo superior al de las otras fuentes renovables. Sólo en zonas con altos niveles de irradiación -por encima de 2000 kWh/m².año, típico del sur de Europa y norte de África- podrá ser competitiva. No obstante, su capacidad de almacenamiento a gran escala la hace una tecnología sumamente atractiva, con lo que podría llegar a compensar unos costes superiores.

3. La energía termosolar en el mundo en la actualidad

Hay instalaciones termosolares en los cinco continentes. En conjunto, a finales de 2019 había instalados un total de 6.2 GW de potencia, muy por debajo de la fotovoltaica, con 630 GW:

Reparto mundial de las instalaciones termosolares

España es el país con más instalaciones termosolares del mundo; en total, cincuenta centrales que suman 2.300 MW y es líder mundial de esta tecnología; en nuestro país, la generación termosolar satisface el 2% de la demanda total de electricidad, aproximadamente. La figura muestra la central Solúcar, que fue la primera central termosolar comercial de torre central y campo de helióstatos instalada en el mundo:

Solucar PS-20, en funcionamiento desde 2009

 Somos pioneros de esta tecnología, pero este dato apenas es conocido por la ciudadanía, como tantos otros logros de nuestra ciencia y de nuestra industria. Espero que esta situación cambie algún día.

4. ¿Tiene futuro la energía termosolar?

La energía termoeléctrica no ha podido competir comercialmente en el mundo con la fotovoltaica, al menos hasta la fecha.

Para que la energía termosolar sea competitiva, las eficiencias de conversión deben aumentar y el coste debe disminuir. Dado que las eficiencias de conversión de la energía térmica aumentan con un incremento de la temperatura −algo bien conocido gracias a la Segunda Ley de la Termodinámica−, la tendencia en la investigación es mejorar la tecnología de la torre del receptor central para aumentar las temperaturas de conversión a alrededor de 700º-800º C. Y dado que no es práctico usar vapor de agua a temperaturas tan elevadas, el objetivo actual es encontrar un sustituto para el vapor de agua y utilizar en su lugar sales fundidas como elemento de almacenamiento del calor.

En los concentradores de torre como los de la primera figura de este artículo, una mezcla de nitratos de sodio y potasio son calentados hasta alcanzar los 600-800ªC. Estas sales fundidas son luego almacenadas en unos depósitos aislados térmicamente en el suelo. A continuación, la forma de obtener electricidad es la habitual: las sales fundidas son derivadas hacia un intercambiador de calor que hace hervir el agua y este vapor a alta presión mueve una turbina que hace girar un alternador.

En los próximos años veremos un aumento de estas centrales en países muy soleados, aunque para alcanzar a la fotovoltaica se deberás reducir los costes de manera significativa.

Ignacio Mártil es Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física