Energía termosolar: cómo funciona y cuáles son sus ventajas

Junto con la energía solar fotovoltaica, existe otra tecnología renovable que aprovecha el Sol para producir electricidad: la energía solar termoeléctrica, termosolar o de concentración. Su principio de operación está basado en la utilización de espejos que concentran la radiación del Sol para obtener vapor de agua. Posteriormente, este se dirige hacia los álabes de una turbina para moverlos y producir así electricidad. Este es un fundamento similar al de las tecnologías basadas en combustibles fósiles o uranio, en el sentido de que lo que hace es mover las turbinas de un generador, pero sin quemar gas o fisionar uranio.

La capacidad de la energía solar de concentración de almacenaje puede proporcionar energía flexible y renovable. Además, 24 horas al día, 7 días a la semana, en regiones con excelentes recursos solares directos.

Historia de la energía termosolar

La idea de utilizar espejos para concentrar la radiación solar y así calentar un determinado objeto o un fluido no es nueva. El científico griego Arquímedes usó las propiedades reflectoras de escudos de bronce para incendiar las naves romanas que asediaban Siracusa en 212 a. C. en el transcurso de la segunda guerra púnica. Aunque hay dudas acerca de la veracidad de esta singular historia, la experiencia se ha recreado posteriormente con éxito, lo que prueba la eficacia de concentrar la luz solar para generar calor.

Aunque las primeras centrales termosolares comerciales modernas se construyeron en la década de 1980, la tecnología de la energía termosolar tiene una larga historia que se remonta a finales del siglo XIX, cuando se utilizó para alimentar la primera máquina de vapor solar. Dados los excelentes recursos solares de la región de Oriente Medio y Norte de África, no sorprende que los primeros sistemas cilindro-parabólicos se instalaron allí en 1912, cerca de El Cairo (Egipto). El sistema estaba diseñado para generar vapor para una bomba que suministraba 2.000 m3/h de agua para el riego. Cabe destacar que, incluso en 1912, la tecnología de las centrales termosolares era regionalmente competitiva con las instalaciones de carbón para generar vapor.

En la década de 1970, cuando Estados Unidos se convirtió en importador neto de energía, el Presidente Richard M. Nixon creó varios grupos de investigación para examinar el potencial de las nuevas tecnologías renovables para devolver a Estados Unidos a una situación de independencia energética. En 1972, el Consejo Federal de Ciencia y Tecnología llegó a la conclusión de que las tecnologías de generación de energía solar térmica podrían proporcionar el 20% de las necesidades energéticas del país en 2020. Dados los costes prohibitivos de la tecnología solar fotovoltaica en aquel momento, se asumió que toda la energía solar sería térmica. Tras la crisis del petróleo de 1973, el presupuesto federal estadounidense de investigación en energía termosolar se triplicó. Pero como los precios del petróleo bajaron en la década de 1980 y los recortes presupuestarios de la era Reagan redujeron la investigación y el desarrollo, el sector se estancó hasta principios de la década de 2000.

A principios del presente siglo, en España, tras la publicación del célebre Real Decreto 661/2007, unas generosas primas a la producción de energía eléctrica incentivaron a los promotores a poner en marcha proyectos de energía termosolar, convirtiendo a España en el líder mundial de esta tecnología en lo que hace a la cantidad de potencia instalada (2.300 MW), posición que mantiene en la actualidad. Sin embargo, el despliegue de nuevos proyectos se estancó cuando en 2008-2010 se recortaron esas primas, situación que, en lo que se refiere a la tecnología de la energía termosolar, no ha cambiado sustancialmente desde entonces.

¿Cómo funciona una central termosolar?

Como ya se ha dicho, las centrales de energía termosolar o energía solar de concentración se basan en la utilización de espejos que concentran la radiación directa del Sol sobre un receptor lleno de fluido, normalmente aceite térmico o sales fundidas. Este fluido, denominado fluido de transferencia de calor, conduce el calor a un intercambiador donde se utiliza para generar vapor de agua. A continuación, el vapor se dirige a presión a una turbina para mover sus álabes y producir energía eléctrica, siguiendo un procedimiento similar al empleado en las centrales térmicas convencionales. A grandes rasgos, una central de energía 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.

Tipos de centrales termosolares

Las centrales de energía termosolar son de cuatro tipos principales: concentradores lineales cilindro-parabólicos, concentradores con lentes de Fresnel, concentradores de torre y concentradores de espejo parabólico (concentradores Stirling). Los, fundamentos de los cuatro son:

• Concentradores lineales: su funcionamiento se basa en captar la energía del sol usando espejos rectangulares curvados en forma de U, orientados hacia el Sol; recogen la luz y la concentran en tubos que corren paralelos a lo largo de los espejos, situados en la línea focal de estos. La luz del Sol reflejada calienta un fluido que circula por los tubos. Ese fluido se utiliza posteriormente para obtener vapor de agua en un generador de turbina convencional que produce electricidad.
• Espejos de Fresnel: similares a los anteriores, el tubo receptor está situado por encima de varios espejos orientados con diferentes ángulos de manera que todos redirigen la radiación solar hacia el tubo.
• Espejo parabólico: hacen uso de un espejo circular similar a los platos que se emplean en las antenas parabólicas de captación de señales de televisión por satélite. La superficie del disco recibe la luz solar y la redirige concentrándola en un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y lo transfiere a un motor de émbolo, similar a los pistones de los motores de combustión interna. Este sistema utiliza el fluido calentado por el receptor para mover los pistones del motor y transformar la energía calorífica en energía mecánica. Posteriormente, la energía mecánica se utiliza para mover un generador y producir electricidad.
• Concentradores de torre: utilizan 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 generar 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.

Ventajas e inconvenientes de la energía termosolar

Sobre el papel, son varias las ventajas de esta tecnología, pero también tiene algunos inconvenientes:

Alta eficiencia energética

Este factor, esencial en cualquier central de producción de energía eléctrica, en el caso de la energía termosolar depende de diversos factores: capacidad de concentración de la radiación solar por los espejos reflectores, temperatura que alcanza el fluido de transferencia y área de los captadores. En los sistemas operativos actuales, la eficiencia está comprendida entre el 20% y el 40%, valores equiparables e incluso superiores a los del otro gran sistema de conversión de la energía solar en eléctrica, la energía solar fotovoltaica, cuyas eficiencias comerciales están comprendidas en el margen 18-26%. Los valores de la eficiencia de conversión de las centrales de energía de concentración pueden competir favorablemente también con las centrales de carbón o con las nucleares, cuyas eficiencias energéticas son del orden del 35%, aunque quedan por debajo de las centrales de ciclo combinado que emplean gas natural (45-50%).

Capacidad de almacenamiento de la energía producida

La capacidad de almacenamiento de la energía termosolar es, junto con la eficiencia energética, 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. Las centrales de energía termosolar pueden almacenar energía térmica por espacio de 10-15 horas, siendo este su factor clave. Gracias a esa capacidad, la curva de producción de la energía termosolar se acopla perfectamente a la curva de la demanda eléctrica, lo que garantiza que se puede garantizar el suministro continuado las 24 horas del día mediante esta tecnología. A finales de 2021, se estimaba que en todo el mundo había 23 GWh de almacenamiento de energía térmica producida en centrales termosolares, basado casi en su totalidad en tecnología de sales fundidas

Tecnología flexible

El auge de la energía eólica y la solar fotovoltaica ha puesto de manifiesto la necesidad de disponer de tecnologías renovables que puedan contribuir al funcionamiento flexible de los sistemas eléctricos para garantizar la fiabilidad del suministro de electricidad. Como es bien sabido, la energía eólica y la solar fotovoltaica son variables, lo que significa que su producción fluctúa en función de la disponibilidad de sol y viento, respectivamente. Las fluctuaciones en la producción de las energías renovables variables requieren una gestión cuidadosa y, si tienen un alto índice de penetración, podrían comprometer la fiabilidad de la red, si no se planifican adecuadamente, pudiendo provocar caídas de tensión y apagones.

La energía termosolar con almacenamiento de energía térmica ofrece una solución al permitir almacenar energía solar y volcar electricidad a la red con poca antelación para complementar las fluctuaciones en la producción de las renovables variables. El ejemplo más evidente de esto es cuando la producción fotovoltaica cae a última hora de la tarde y la energía termosolar con almacenamiento de energía térmica libera la energía almacenada para satisfacer la demanda. Pero la energía termosolar también puede hacer lo contrario, es decir, cuando la producción fotovoltaica alcanza su punto máximo, la energía termosolar puede dejar de volcar electricidad a la red y almacenar la energía en forma de calor, que puede utilizarse cuando se necesite, incluso por la noche. En este sentido, la energía termosolar y la fotovoltaica son perfectamente complementarias.

Necesidad de altos niveles de irradiación

Este es un inconveniente de calado de esta tecnología, ya que necesita altos niveles de irradiación solar por espacios de tiempo muy prolongados, lo que limita su despliegue únicamente a países o regiones que cumplan con estos requisitos. Esto hace que sólo en zonas con altos niveles de irradiación −por encima de 2.000 kWh/m2.año, típico del sur de Europa y norte de África−  las centrales de energía termosolar pueden ser desplegadas a costes competitivos.

Altos costes de la electricidad producida en centrales termosolares

Por el momento, este es el principal factor que frena su desarrollo. No obstante, dadas las tendencias observadas desde 2007, se espera que los precios de la electricidad obtenida con tecnología de la energía de concentración se sigan reduciendo en los próximos años si los despliegues siguen aumentando. Las nuevas centrales incorporarán mejoras tecnológicas, mejorarán las economías de escala y mejorarán las eficiencias tanto en la construcción como en el funcionamiento de estas centrales.

La energía termosolar en la actualidad

Cada vez más países utilizan energía termosolar con almacenamiento de energía térmica. En los últimos años, las centrales de energía de concentración se han desplegado principalmente en países de África y Asia, desplazando a las regiones originales de instalación de esta tecnología (Norteamérica y Europa). En línea con el desarrollo de otras tecnologías renovables, es probable que se desarrollen más proyectos de energía termosolar a medida que los costes sigan disminuyendo, pero sería bienvenida una mayor estabilidad en los marcos regulatorios para desarrollar la escala de despliegue necesaria para garantizar las reducciones de costes.

España es el país con más instalaciones de energía termosolar del mundo; en total, cincuenta centrales que suman 2.300 megavatios (MW) y es líder mundial de esta tecnología.

El futuro de la energía solar de concentración

Hasta la fecha, la energía termosolar no ha podido competir comercialmente en el mundo con la fotovoltaica. Para que la energía termosolar sea competitiva, las eficiencias de conversión deben aumentar y sobre todo, el coste de la electricidad producida 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 600-800ºC. Estas sales fundidas son luego almacenadas en unos depósitos aislados térmicamente en el suelo. La forma de obtener electricidad es la habitual: las sales fundidas son derivadas hacia un intercambiador de calor que produce vapor de agua, que al dirigirlo a alta presión hacia una turbina, produce energía eléctrica.

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