HybridKraft: centrales solares termodinámicas integradas con fotovoltaica para generar electricidad limpia a demanda tanto de día como de noche

Actualizado: 05/07/2024

El proyecto, dirigido por Fraunhofer ISE, tiene como objetivo mejorar el diseño y el rendimiento de una central eléctrica híbrida CSP-FV integrada tanto a nivel de componentes como de integración de sistemas.

¿Es posible aprovechar la energía solar, fuente no programable por excelencia, para producir energía de forma estable, eficiente y siempre disponible? La respuesta es sí, y una de las formas es mediante centrales solares termodinámicas o CSP (Concentrated Solar Power). Sobre el papel, estas plantas pueden generar electricidad limpia a demanda tanto de día como de noche, y también pueden incorporarse a instalaciones industriales para suministrar vapor a los ciclos de producción.

En la práctica, sin embargo, siguen presentando varios problemas, tanto porque la tecnología CSP es extremadamente cara como porque no es fácil hacer que el fluido caloportador mantenga la temperatura adecuada. Una solución podría venir de la integración de las centrales de concentración solar con la energía fotovoltaica.

En esta opción trabaja el proyecto alemán HybridKraft, liderado por las empresas John Cockerill, Frenell y BASF New Business, y el instituto de investigación Fraunhofer ISE. La iniciativa, financiada por el Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima, está construyendo un calentador eléctrico que utiliza el exceso de energía fotovoltaica para mantener las sales fundidas a temperaturas óptimas.

Centrales solares termodinámicas: el reto tecnológico.

Las centrales solares termodinámicas, ya sean de torre central, de colectores cilindro-parabólicos o de colectores lineales Fresnel, siguen todas un esquema básico. Utilizan lentes y espejos para concentrar los rayos solares en un receptor y calentar a altas temperaturas el fluido caloportador que circula por él. A continuación, este fluido (sales fundidas, aceites diatérmicos, vapor/agua o CO₂ supercrítico) se acumula o se dirige hacia el generador de vapor al que libera calor. El vapor producido acciona a su vez un turboalternador que produce electricidad.

Varios factores influyen en el rendimiento de estas centrales, pero dos en particular tienen un peso predominante: la temperatura que puede alcanzarse en el receptor (cuanto más alta sea, mayor será el rendimiento de la central) y la reducción de las pérdidas de calor por convección.

En cuanto a la temperatura, los mejores resultados se obtienen actualmente con sales fundidas, que son baratas, no tóxicas y tienen un impacto medioambiental limitado. En función de la mezcla utilizada, pueden alcanzarse temperaturas de funcionamiento del proceso de hasta 450-550°C. ¿El problema? Generalmente, por debajo de 270°C, las sales fundidas se vuelven demasiado viscosas para fluir en el circuito CSP; por debajo de 250°C, se solidifican, inutilizando el sistema. La solución más directa es encontrar mezclas con un punto de solidificación mucho más bajo, mejorando obviamente el aislamiento térmico del sistema de almacenamiento. Pero además, también se pueden prever sistemas que aumenten la temperatura de salida del fluido.

Centrales termosolares HybridKraft

El consorcio HybridKraft trabaja en la mejora del diseño y el rendimiento de una central híbrida integrada de energía solar térmica y fotovoltaica, tanto a nivel de componentes como de integración de sistemas. En concreto, está realizando un calentador eléctrico apto para potencias térmicas de 50 a 100 MWth, que utiliza el exceso de energía fotovoltaica para calentar la sal fundida de la central solar termodinámica. Los ingenieros de John Cockerill, con el apoyo de los científicos del Fraunhofer ISE, ya han desarrollado un prototipo con un tamaño de 1 MWth, que ahora se probará en una nueva instalación de ensayos del instituto alemán. A partir de los resultados y las simulaciones, se desarrollará un diseño de calentador eléctrico de gran capacidad que se estudiará en combinación con colectores Fresnel.

Básicamente, los colectores de calor Fresnel que utilizan sal fundida directamente en el tubo absorbedor pueden proporcionar calor hasta 545°C. Pero con ayuda de la energía fotovoltaica y un calentador se puede optimizar la temperatura de salida del fluido caloportador.

«Podemos utilizarla para aumentar la densidad de almacenamiento de la sal fundida y la temperatura de funcionamiento de la turbina y, por tanto, la eficiencia del sistema«, explica el director del proyecto, Shahab Rohani, del Fraunhofer ISE. «Pero también podemos reducir los costes de producción de CSP optimizando el tamaño del campo del colector Fresnel en función de la entrada de calor del calentador eléctrico«.

Tecnología ESTC, costes.

En la última década, el coste de la electricidad generada por ESTC ha bajado más de un 50% gracias a sistemas más eficientes y al mayor uso del almacenamiento de energía térmica. Pero los valores siguen siendo elevados. Según un estudio reciente, el coste nivelado de la electricidad (LCOE) de las centrales termodinámicas de torre solar ronda los 0,14 $/kWh, el de los sistemas de colectores cilindro-parabólicos lineales los 0,17 $/kWh y el de los sistemas de colectores Fresnel los 0,14 $/kWh. Uno de los principales objetivos de la industria es alcanzar un LCOE de 0,05 $/kWh para las centrales de carga base con al menos 12 horas de almacenamiento de energía térmica.

Un camino que parece factible gracias a la integración con la fotovoltaica. Un estudio reciente de Fraunhofer Chile Research calculó que una central híbrida fotovoltaica-termosolar con almacenamiento térmico de energía sería capaz de replicar la flexibilidad de las centrales de gas con un LCOE de 0,053 $/kWh.

Más información: fraunhofer.de