TORRE SOLAR
I.
CONCEPTO
La energía solar es aquella que aprovecha la radiación que nos llega desde el Sol en forma de luz para transformarla en calor o electricidad. La forma en que se hace esa transformación varía mucho dependiendo de la tecnología utilizada. Una torre solar es una gran chimenea elevada sobre una superficie acristalada, en ella el sol calienta el aire de la base, que sube a gran velocidad por el interior de la estructura activando una serie de aerogeneradores. No hay que confundirla con las placas solares, pues la energía que produce no proviene de paneles fotovoltaicos: su funcionamiento es más parecido al de los ahora tan extendidos parques eólicos, solo que el viento que las activa es en este caso el aire caliente ascendente. Estas particulares plantas energéticas aprovechan los rayos solares y los convierten en electricidad sirviéndose de la convección de aire, es decir, aprovechando el flujo producido por la diferencia de temperaturas de las diferentes masas de aire. La torre consigue también la generación nocturna de energía, máxime si se instalan en su suelo acumuladores de calor. Al mismo tiempo, parte de su área acristalada puede utilizarse como invernadero. Durante el día, la energía solar calienta la chimenea, esta a su vez calienta el aire que hay dentro de ella, y produce una corriente de aire ascendente dentro de la chimenea o torre. La succión que ésta crea en la base de la torre es utilizada para ventilación y enfriamiento del edificio subyacente. Existen proyectos para su instalación en EEUU, Australia, Canadá, India y España. En Manzanares, existió hasta 1989 un prototipo a baja escala que dio buenos resultados.
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II.
FUNCIONAMIENTO
Están compuestas de tres componentes principales a. La torre es el motor térmico de la tecnología de torre solar. En ella el calor es transformado en energía mecánica, basándose en el principio de que el aire caliente es más ligero y asciende. De este modo, cuanto mayor sea la torre, mayor será su tiro, y mayor cantidad de energía será capaz de producir. b. El “pabellón” capta la energía solar, y la transfiere al aire que se encuentra atrapado bajo el techo, o se almacena en un sistema de suelo térmico. El objetivo de esta cubierta es perder la menor cantidad de energía al ambiente. c. Las turbinas transforman el calor y la presión del aire en energía mecánica, que será transformada a eléctrica en un generador. Una Torre Solar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica. En su forma más sencilla, consiste en una chimenea pintada de negro. Durante el día, la energía solar calienta la chimenea, que a su vez calienta el aire que hay dentro de ella, creando una corriente de aire ascendente dentro de la chimenea (o torre). La succión que ésta crea en la base de la torre se puede utilizar para ventilar y enfriar el edificio subyacente. En la mayor parte del mundo, es más fácil aprovechar la energía del viento para producir una ventilación de este tipo, pero en días cálidos y sin viento la chimenea podría proporcionar ventilación cuando no sería posible producirla de otra forma. Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato. Este principio se ha propuesto para la generación de la energía eléctrica, usando un gran invernadero en la parte de abajo más que utilizando la calefacción de la chimenea solamente. Para que sea económicamente rentable construirla debe medir más de 1000 metros de alto.
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III.
DISEÑO DE LA PLANTA DE ENERGÍA a. Historia En los años ochenta estuvo en funcionamiento en Manzanares (Ciudad Real) un primer prototipo de 50 KW funcionando durante más de 15.000 horas. Fruto de estos ensayos son varios los proyectos que se están llevando a cabo a nivel mundial entre los que destacan una planta de 40 MW en Ciudad Real y otra de 100 MW en Australia con chimeneas de 750 y 1.000 metros respectivamente En 1903, el coronel español Isidoro Cabanyes diseñó la primera torre solar en la publicación La energía eléctrica. Uno de los primeros diseños de una central eléctrica basada en la torre solar fue creado en 1931 por un autor alemán, Hanns Günther. A principios de 1975, Roberto E. Lucier solicitó las patentes de la torre solar; entre 1978 y 1981 estas patentes, fueron concedidas en los Estados Unidos, Canadá, Australia e Israel. Más recientemente con Schlaich, Bergerman & Partner, bajo la dirección del Prof. Ing. Dr. alemán Jörg Schlaich, se construyó un modelo de trabajo a pequeña escala de una torre solar en 1982 en Manzanares, (España), a 150 kilómetros de sur de Madrid, que fue financiada completamente por el gobierno alemán. Esta central eléctrica funcionó satisfactoriamente durante aproximadamente 8 años y fue derribada por una tormenta en 1989. La torre tenía un diámetro de 10 metros y una altura de 195 metros, con un área de la colección (invernadero) de 46.000 m² que conseguía una producción máxima de energía de cerca de 50 kilovatios. En 2006 y 2007 Jonás Villarrubia, presenta una patente de utilidad española y europea de una torre solar denominada JVR, que disminuye el tamaño en altura, de 135 a 90 metros y utiliza el alma de una turbina de Gas modificada (eje central de la turbina: compresor, quemador y turbina) e instalada en su interior. Este tipo de torre solar deja de utilizar durante el día la zona de invernadero, siendo optativa para almacenar energía solar para utilizarla con otros medios: vapor de agua, etc. La energía que utiliza viene de un número determinado de helióstatos dependiendo estos de la potencia a desarrollar por la turbina y la energía que se pretende aplicar al alternador. El foco de los helióstatos se dirige a la parte trasparente (a una altura aproximada de 90 metros de la torre solar) que coincide con el quemador de la turbina instalada. Dentro de la torre, donde está situada la zona "alumbrada" por los helióstatos, en el quemador de turbina, sus paredes y un entramado de finos tubos son calentados con el fin de que al pasar el aire por este entramado, éste, se expanda y envíe esa energía cinética generada a la turbina. La energía aplicada al quemador de la torre por los helióstatos, al arranque de la turbina, es gradual con el fin de no deteriorarlo y fundirlo con un exceso de energía solar, que una vez iniciado su trabajo se aumenta gradualmente de forma fija u oscilante dependiendo de la energía solar necesaria para la energía a producir; oscilante si la energía solar es variable, pues en este caso los helióstatos, de forma automática mediante un circuito electrónico y sensores de temperatura instalados en la zona superior a la salida de la turbina, se abren o cierran con el fin de que la temperatura del quemador sea lo más fija y menos variable posible. Una vez la turbina en marcha, el aire que penetra por la base de la torre (en este caso sin pasar por la zona de invernadero), por toda su periferia y a una altura de 4 metros, con el fin de evitar grandes velocidades del aire y donde se pueden instalar también otras turbinas eólicas, es enfriado al pasar por unas láminas instaladas en su interior y por las que circula un fluido. El fin de estas laminas o placas es desecar el aire absorbiendo en lo posible su humedad que queda en forma de condensación en dichas laminas y que es dirigida, con la misma energía del aire al 3
ascender, al exterior donde puede ser aprovechada para los fines que hubiere lugar. Para el enfriamiento de las láminas refrigerantes se utiliza la energía del aire caliente residual. En la salida de la turbina, el aire caliente, es aprovechado por un calderín que calienta un fluido refrigerante, estos pasan a un condensador con el fin de enfriarlo y de ahí a las láminas del evaporador. b. Proyectos En la actualidad hay dos proyectos en marcha a nivel mundial, uno de 40 MW también en España, concretamente en Fuente del Fresno (Ciudad Real) que con un presupuesto de 240 millones de euros será construido por la empresa Campo 3 en colaboración con la empresa alemana Schlaich Bergermann y la participación de la Universidad de Castilla-La Mancha y el Ministerio de Medioambiente español. Es un proyecto novedoso en Europa que tiene prevista la construcción de una torre de 750 metros de altura, un campo de 350 hectáreas de las cuales 250 podrán ser utilizadas como invernaderos horto-frutículas y un coste de 250 millones de euros que proporcionará la energía que anualmente consumen 1.200.000 personas. El segundo proyecto en marcha es una planta de 200 MW de potencia y 700 GWh de producción anual que se construirá en el desierto de Nuevo Gales en Australia, dará electricidad para 200.000 hogares suponiendo un ahorro de emisiones de dióxido de carbono equivalente al ahorro de 700.000 barriles de petróleo y, por lo tanto, una reducción de emisiones de dióxido de carbono de 900.000 toneladas. El coste estimado de esta planta es de 380 millones de euros y la superficie acristalada será de 20 km2 con un diámetro de 5 km. La torre tendrá un kilómetro de diámetro en su base con un espesor de pared de 1 metro, la altura total será de 1 km y un espesor en la parte superior de 25 cm (el edificio más alto actualmente es la torre de comunicaciones de Toronto con 553 m). El sol calentará el aire y provocará viento con velocidades de 56 km/h que pasará a través de 32 turbinas situadas en la base de la torre con una potencia de 6,5 MW. El proyecto será llevado a cabo por la empresa Solarmissions Technologies y para la construcción serán necesarios 20 km2 de plástico o cristal y 400.000 metros cúbicos de hormigón. En la red podemos encontrar un video 3D muy indicativo del funcionamiento de la torre solar. El coste estimado de la electricidad generada es de 0,32 c€/kWh suponiendo una vida útil de la planta de 20 años y un interés del 12%, coste que se rebajaría a la 0,06c€/kWh con un tiempo de amortización de 40 años a un interés del 6%.
El proyecto de producción de energía solar Crescent Dunes consiste en la construcción de una planta de 165 metros altura y de 110 megavatios situada cerca de Tonopah, Nevada (Estados Unidos). Un acuerdo firmado con el Estado de Nevada determina que la planta venderá la totalidad de su producción, que proporcionará energía limpia y renovable de forma continua para unos 75.000 hogares. El proyecto de energía solar Crescent Dunes utilizará una tecnología de energía solar concentrada, con una torre central receptora y el avanzado sistema de la sal fundida (muy buena conductora del calor), desarrollado por Pratt Whitey y Rocke Tdyne, que forman parte de la United Technologies Corporation. Además, la planta de Tonopah aumentará la demanda de energías renovables, ya que la energía se podrá almacenar y la planta podrá proporcionar energía incluso por la noche. SolarReserve afirma que ésta será la planta de producción de energía solar más grande del mundo, aunque todavía falta la instalación de más de 10.000 espejos hasta que se ponga en funcionamiento a finales de 2013. En declaraciones al diario Business Green, Kevin Smith, director ejecutivo de la
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compañía, afirmó que “completar esta torre de producción solar es una pieza clave no sólo para SolarReserve y nuestra planta, sino también para la industria de energía solar en general”.
La financiación de la planta se cerró en septiembre del año pasado (cuando comenzó también la construcción), con un préstamo de 737 millones de dólares del Departamento de Energía, así como financiación privada por parte de SolarReserve, ACS Cobra y Banco Santander. SolarReserve calcula que el proyecto generará una inversión de más de 750 millones de dólares en el estado de Nevada. La construcción de la planta Tonopah Solar Energy dio empleo a más de 600 trabajadores, con un total de más de 4.300 empleos directos e indirectos creados en los 30 meses que duró la construcción. SolarReserve se comprometió a que el 90% de los empleos se reservaran a los residentes de Nevada. c. Características Durante la operación, los datos para la optimización fueron recogidos en una base de datos segundo a segundo. Estos datos se han concedido a EnviroMission y a SolarMission Technologies Inc. que planean desarrollar este concepto bajo el nombre de marca Solar Tower. A principios de 2005 comenzaron a recoger datos meteorológicos en una localización de Nueva Gales del Sur, Australia, para intentar erigir una central eléctrica con una torre solar completamente operacional en 2008. La máxima potencia eléctrica que puede desarrollar el diseño es de hasta 200 MW. La chimenea solar propuesta inicialmente debía medir 1 kilómetro de alto, y la base 7 kilómetros de diámetro, con una superficie de 38 km². La chimenea solar extraería así cerca del 0.5% de la energía solar (1 de kW/m²) que fuese irradiada en el área cubierta. Sin embargo, los informes actuales indican que debido a las mejoras en los materiales para la absorción de calor que pueden ser utilizados en el invernadero, la altura de la chimenea y el diámetro de la base podría verse reducido sustancialmente para incrementar así la eficiencia. Los subproductos más significativos de diseños propuestos son agua destilada (a partir del agua del océano o del agua del subsuelo) y en ciertos casos puede ser conveniente que algunos productos agrícolas crezcan bajo el perímetro externo del área del invernadero de la central eléctrica. Las explotaciones agrícolas incluyendo las frutas y verduras, así como los aceites esenciales medicinales y aromáticos hechos de hierbas y flores, las algas marinas y el plancton, todos se han considerado como cosechas convenientes para estos escenarios. La biomasa residual podría crear calor adicional durante el abono, al igual que algunas destilaciones, transformación de los alimentos y operaciones de fabricación. Otros subproductos pueden incluir el etanol y metano, biodiesel y toda clase de derivados de vegetales y plantas. d. Ventajas La ventaja de este sistema es que tienen muy pocas partes móviles, por lo que el coste de operación y mantenimiento es menor que para otras instalaciones. Además como el área bajo el 5
pabellón calienta tanto, se sigue produciendo una diferencia de temperatura aún durante la noche, por lo que se puede seguir generando energía. Por supuesto, no tanto como durante el día. Las torres solares son capaces de generar electricidad sin consecuencias ambientales negativas. Su generalización conseguiría una disminución del efecto invernadero. Estas instalaciones aprovechan tanto la radiación solar directa como la difusa, lo cual las hace aptas para zonas geográficas en las que el cielo está cubierto con frecuencia. Otra de sus ventajas es que el colector almacena la energía solar sin ningún coste adicional, ya que la tierra bajo de la cristalera absorbe el calor recibido durante el día y lo disipa en su interior durante la noche. Gracias a este fenómeno las torres solares seguirían produciendo electricidad durante la noche. Por otro lado, puesto que la estructura de estas instalaciones es simple y robusta, y las únicas piezas móviles son las turbinas y el generador, las tareas de mantenimiento requeridas son mínimas. Para la construcción de torres solares se precisa básicamente cemento y cristal, materiales corrientes y relativamente baratos. Tampoco hay necesidad de grandes inversiones en investigación y desarrollo o en sistemas de alta tecnología. Sin olvidar, claro, que el terreno bajo el techo de cristal se puede dedicar a cultivos que aprovechen el microclima que se crea en esa zona. Pese a todo, teniendo en cuenta la proporción de energía solar recogida en relación a la electricidad generada el rendimiento de una torre solar alcanza solamente un tres por ciento, los informes actuales apuntan que las mejoras en los materiales para la absorción de calor, la altura de la chimenea y el diámetro de la base podrían incrementar su eficacia. No obstante, para que sean realmente eficientes, se recomienda que estas plantas se radiquen en lugares con la alta radiación solar. La innovación tecnológica también ha llegado en forma de una nueva generación de centrales basadas en el concepto de las torres solares. Un ejemplo sería la investigación en montañas solares, que aprovecharían la orografía para aumentar el tiro de aire y así mejorar su rendimiento. También existe un modelo, el JVR, que añade como novedad una turbina de gas en el interior de la planta, permitiendo así rebajar hasta en un noventa por ciento la altura de la chimenea. Las ventajas de esta tecnología que combina la energía eólica, solar y geotérmica con respecto a cada una de ellas es que se puede utilizar en zonas desérticas de gran irradiación pero que no disponen de viento, que aprovecha toda la radiación solar (difusa y directa) no sólo la directa como hace la solar térmica de concentración y que aprovecha la capacidad de almacenamiento térmico que tiene el terreno bajo el acristalamiento, pudiéndose acumular energía sin necesidad de sistemas especiales para que la torre funcione también durante las 24 horas del día (para ello dispone de un sistema de tubos auxiliares por los que circula un fluido y calienta el aire por la noche). Por otra parte, no hay ningún consumo de agua y la ocupación de terreno es similar a cualquier otro sistema de generación de energía eléctrica con la ventaja de que además el terreno cubierto con el material transparente se puede utilizar como invernadero para producción agrícola. Como principal inconveniente su bajo rendimiento (entorno al 5%), pero como el combustible es gratuito (el sol) y la tecnología utilizada en su construcción es muy simple (plástico o cristal y una simple torre de hormigón), la electricidad generada resultará pronto competitiva. 6
e. Comparaciones Las torres solares conseguirán una mayor disminución del efecto invernadero produciendo solamente la electricidad sostenible verde limpia, nigún tipo de carbón o gas para generar electricidad puede competir con las credenciales de energía limpia de una torre solar.
Comparación entre diferentes chimeneas solares (proyectos en España 750m, Australia 1000m, Namibia 1500m). Imagen de KRÄTZIG & PARTNER Bochum Group on Solar Power Technologies.
IV.
OTRAS FUENTES DE CONVERSIÓN Hay más tecnologías capaces de convertir la energía solar en energía eléctrica. La chimenea solar es una parte del grupo termo-solar de tecnologías solares de conversión. Hay otros dos diseños que trabajan de la misma forma. El primer es el diseño espejos parabólicos y el otro es el espejo solar combinado con el motor de Stirling. De estas tecnologías el espejo solar/motor de Stirling, tiene el rendimiento energético más alto (el record actual es una eficacia en la conversión del 30% de energía solar). Las plantas solares parabólicas se han construido con eficacias del cerca de 20%. La torre solar tiene una eficacia de menos del de 2%. Sin embargo, debido a su mayor escala y simplicidad, la torre solar puede tener una eficacia económica cercana o superior a los otros métodos. La única estación existente de energía solar de Australia, estación White Cliffs Solar Power Station, fue construida originalmente usando tecnología solar parabólica que concentraban la luz calentando agua, pero ahora se han actualizado a energía fotovoltaica obteniendo casi dos veces la potencia eléctrica de los mismos espejos.
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V.
VI.
CONCLUSIÓN
Las Chimeneas Solares y las Torres de Energía producirán energía más barata, y pueden producir electricidad 24h/día, 7 días/7. Además, son complementarias de la eólica, de la fotovoltaica y de la solar térmica!!! Mira por ejemplo la tabla siguiente: para operar Chimeneas Solares no consumen agua, mientras que para plantas termo solar un montón de agua es necesaria como una "fuente fría" (Un motor térmico requiere de una fuente caliente que suministre la energía térmica y una fuente fría que la reciba). En el norte de África donde hay poca agua, puede ser un parámetro importante a tener en cuenta.
Las torres solares serán competitivas si se recupera el 80% de la energía térmica. En la actualidad existe una patente cuya memoria describe varias tuberías de gran diámetro dispuestas en serie donde la presión de un gas previamente presurizado (CO2 Ó Nitrógeno)va aumentando progresivamente hasta que es expansionado en el tramo final. El rendimiento en relación a la energía aportada- trabajo obtenido puede superar el 80%.
ANEXOS
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VII.
BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Torre_solar
http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2008/05/16/91984
http://www.torre-solar.es/
http://desenchufados.net/torre-solar-una-nueva-tecnologia-solar-termica/
http://www.torre-solar.es/wiki-chimenea-solar.php
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