“CENTRAL TÉRMICA SOLAR EN EL PERÚ” Canales Soto Diego Andre Junes Geronimo Jesús Hugo Pacheco Aparcana Gustavo Augusto Pariona Clemente Jose Miguel Quintanilla Mayuri Cindy Meylin Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica I - RESUMEN La presente investigación tiene como objetivo analizar la incorporación de las Centrales Térmicas Solares en el parque generador del Perú y que puedan considerarse como una alternativa gestionable, y amigable con el medio ambiente. Inicialmente se sustentan las razones que justificarían la inclusión de este tipo de centrales, teniendo en consideración aspectos tales como el que con las nuevas tecnologías emergentes, las energías
renovables dejan de ser poco confiables e
inestables , específicamente las centrales termo solares, ya que con la aplicación de la tecnología de almacenamiento de sales fundidas, con este sistema de almacenamiento, permite continuar produciendo energía eléctrica durante 15 horas sin sol, quiere decir de noche o con tiempo nublado. Gracias a esta capacidad de almacenamiento, una fuente limpia como la energía solar se puede convertir en gestionable, al ser capaz de suministrar a la red en función de la demanda y con independencia de las condiciones climatológicas.
PALABRAS CLAVE: Central Solar, Almacenamiento en sales fundidas, Centrales solares de tipo torre central.
II- INTRODUCCION En el Perú, se vienen utilizando centrales termoeléctricas, tanto de diesel como de gas natural en ciclo simple, centrales hidroeléctricas, para abastecer la demanda de energía eléctrica en el Perú, en el presente trabajo nos centraremos en el estudio de la central térmica solar.
LA ENERGÍA SOLAR es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias. Pero posiblemente sus inconvenientes principales vengan por el lado económico y tecnológico. Para poder aprovechar a gran escala la energía solar es preciso utilizar sistemas de captación de grandes superficies por lo que la inversión inicial en un aprovechamiento de energía solar resulta aún muy elevada y costosa.
Los Sistemas de Aprovechamiento de la Energía Solar En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través de
dos
vías
basadas
en
principios
físicos
diferentes.
Por un lado la vía térmica. Los sistemas que adoptan esta vía absorben la energía solar y
la
transforman
en
calor.
Por otro lado, la vía fotovoltaica. Este permite la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante las llamadas "células solares" o "células fotovoltaicas". Dichas células hacen posible la producción de electricidad a partir de la radiación solar merced al efecto fotovoltaico, un efecto por el que se transforma directamente la energía luminosa en energía eléctrica y que se produce cuando la radiación solar entra en contacto con un material semiconductor cristalino. Los sistemas basados en la vía térmica también pueden hacer posible el aprovechamiento de la energía solar en forma de energía eléctrica, pero siguiendo un método que podríamos llamar "indirecto". En efecto, algunos de estos sistemas absorben la energía solar en forma de calor mediante un captor térmico y después la transforman en electricidad mediante una máquina termodinámica. La Vía Térmica Habitualmente, se suele dividir a los sistemas de aprovechamiento de energía solar por vía térmica en dos grupos.
La utilización de la energía solar a baja y media temperatura La utilización de energía solar a alta temperatura Los sistemas de aprovechamiento de energía solar a alta temperatura El aprovechamiento de energía solar, a alta temperatura, para producir electricidad mediante vía termodinámica se basa en principios análogos a los que pueden contemplarse en una central eléctrica convencional que quema carbón o petróleo. Se consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario (el fluido caloportador). Este fluido transmite el calor a un circuito secundario por el que circula un segundo fluido que, tras transformarse en vapor por la acción del calor, pone en marcha una turbina acoplada a un alternador. En algunos casos, es el propio fluido primario el que, convertido en vapor, acciona la turbina. Generalmente, todas estas instalaciones solares tienen incorporado un dispositivo que permite almacenar una cierta cantidad de energía en forma de calor para paliar en lo posible las fluctuaciones que puede
presentar
la
radiación
solar.
Hay diversos tipos de centrales solares basadas en este principio; según las Tecnologías de transformación solar termoeléctrica: Centrales de torre, Captadores cilindro parabólicos, Concentradores lineales Fresnel, Disco parabólico Stirling. No obstante, las más extendidas son las centrales solares termoeléctricas de receptor central. En ellas, la radiación solar incide en un "campo de heliostatos". Este es una amplia superficie cubierta de grandes espejos (heliostatos) que concentran la radiación
solar
captada
en
un
receptor.
Los sistemas más comunes de este tipo tienen el receptor instalado en una torre, por lo que reciben el nombre de centrales solares de tipo torre central. Los heliostatos constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante. Asimismo, tienen incorporados unos mecanismos que permiten que la superficie reflectante se mueva según dos ejes de giro, de modo que pueda captar de la mejor forma y en cada momento la radiación solar y concentrarla en el receptor instalado en la torre. Para mover los heliostatos, se utilizan medios electrónicos: cada espejo recibe periódicamente las órdenes que emite un programa incorporado a un ordenador central. El receptor tiene una serie de tubos por los que circula un fluido primario (agua, sodio, sales fundidas,
aire,..., depende de la instalación) que transmite la energía recibida a un fluido secundario que, convertido en vapor, acciona una turbina. III- MATERIALES Y METODOS: 1. ESTUDIO DE MERCADO: 1.1-Energía en el Perú Demanda de Energía La demanda de la energía en el Perú está creciendo, en promedio, a 9% por año, casi el equivalente a poner en línea una nueva planta de generación de energía de 500 MW cada año. En consecuencia, se ha estimado que desde el 2012 hasta el 2020 la capacidad de energía total requerida aumente a 6,140 MW, requiriendo inversiones en el rango de US$10,830 a US$13,320 millones, donde una parte de dicho monto deberá ser financiado por el sector financiero privado. El Ministerio de Energía y Minas (MINEM) ha fijado una meta de 33% para una parte de la energía renovable en la matriz energética al 20214. Asimismo, el gobierno tiene una meta de 15% en ahorro de energía para el periodo 2009-2018, relacionada a la demanda proyectada para el 2018 en los siguientes sectores: residencial, industrial, servicios, público y transporte. De acuerdo con los analistas especializados en energía, se espera que el precio de la energía se eleve en el futuro. En la actualidad, el Perú se encuentra experimentando precios artificialmente bajos para el gas natural, ya que el precio del lote actualmente en uso (Lote 88 del proyecto de Camisea) no incluye los costos incurridos por concepto de exploración, creando así distorsiones en el mercado además de barreras en la promoción e implementación de proyectos de energía renovable y eficiencia energética. Cuando las fuentes actuales se acaban (en aproximadamente 20-30 años a partir de 2011), el gas natural de otros lotes alcanzará un precio mucho más alto que incluya el costo total de exploración. Políticas y Marco de trabajo regulatorio El MINEM ha publicado una serie de dispositivos legales para promover la energía sostenible, creando un marco legal que apunte a dar seguridad a los inversionistas del sector. Las principales disposiciones son: Ley sobre la promoción de la inversión para la generación de electricidad mediante el uso de energías renovables (Decreto Legislativo 1002 de 2008): Establece la promoción de la energía renovable como una prioridad nacional y fija objetivos por la contribución porcentual de Recursos Energéticos Renovables (RER) al consumo doméstico total de electricidad, dando prioridad al despacho de energía renovable en el sistema, contratos
de compraventa de electricidad de hasta 15 años, y una tasa firme de extracción que es aplicable durante todo el periodo de vigencia de la concesión. Regulaciones para la generación de electricidad a partir de energías renovables (Decreto Supremo Nº 012-2011-EM): Regula las disposiciones del Decreto Legislativo Nº 1002 (antes descrito) y establece el procedimiento administrativo para los postores RER y para la adjudicación de concesiones en la generación de electricidad RER. Política energética nacional del Perú 2010-2040 (Decreto Supremo Nº 064-2010-EM): Establece los objetivos de la política energética, incluyendo el plan para contar con una matriz energética diversificada; promover la energía de fuentes renovables y eficiencia energética, así como también desarrollar un sector energético con impacto mínimo en el medio ambiente y bajas emisiones de carbono. Reglamento de la ley de promoción del uso eficiente de la energía (Decreto Supremo No. 053-2007-EM): Define un amplio rango de actividades, tales como (i) el aumento de la conciencia sobre el uso eficiente de la energía en los sectores público y privado, (ii) programas y actividades del sector para la eficiencia energética en los sectores: residencial, industrial, servicios, público y transporte, (iii) estándares y calificación de eficiencia energética, y (iv) difusión de prácticas de eficiencia energética. El plan referencial del uso eficiente de la energía 2009-2018 (Resolución Ministerial N° 46-2009-MEM/DM): Establece el 15% de ahorro de energía como objetivo para el periodo 2009-2018, relacionado con el escenario de la demanda proyectada de referencia al 2018, en los sectores: residencial, industrial, servicios, público y transporte. 1.2 - Energía Renovable en el Perú Los recursos energéticos renovables, tales como la energía solar, eólica, biomasa, hidráulica y otros, tienen un importante potencial en el Perú. No obstante, sólo el 4.7% del potencial de hidráulica, 0.65% del potencial eólico, 6.1% del potencial de biomasa, y menos del 1% del potencial solar están siendo explotados actualmente. Por lo tanto, existe un gran potencial para el incremento del uso de la energía renovable y para la disminución de la dependencia de combustibles fósiles (en el 2010, 56% de la generación de electricidad provenía de la energía hidráulica, y 44% del gas natural y derivados del petróleo). Al hacerlo, se diversificará la matriz energética y se contribuirá a la mitigación del cambio climático, para lo cual el Gobierno del Perú ha asumido compromisos internacionales.
La energía renovable podría desempeñar también un papel importante en el esfuerzo por cumplir con la demanda creciente de energía en el Perú, según se muestra en la tabla que aparece a continuación.
El Perú posee una experiencia limitada en cuanto al financiamiento de inversión en energía renovable. No obstante, las licitaciones de los RER fueron implementadas recientemente con éxito por el MINEM (ver resultados en la Tabla 2), lo cual permitió a las instituciones financieras locales, incluyendo al Scotiabank, Banco Interamericano de Finanzas (BIF) e Interbank, involucrarse en estas nuevas oportunidades de inversión.
2. TAMAÑO DE LA PLANTA: PLANTA TERMOSOLAR DE RECEPTOR CENTRAL DE 17 MW
3. LOCALIZACION: Departamento: Arequipa Provincia: Caylloma Distrito: La Joya Altitud: 1187 msnm MAPA MACRO-LOCALIZACION:
MAPA DE MICRO-LOCALIZACION:
4. DISPONIBILIDAD DEL COMBUSTIBLE: Radiación Anual (Fuente MINEM-Senamhi)
Grafico n°1 [1] 5. VIAS DE ACCESO Acceso por la carretera Panamericana Sur, y vías auxiliares. 6. CONECCION: En la barra de Repartición 138 kV.
7. RIESGO SISMICO:
Figura 1. Mapa de distribución de máximas intensidades sísmicas para el departamento de Arequipa (Fuente CERESIS)
8. INGENIERÍA DEL PROYECTO: PLANTA TERMOSOLAR DE RECEPTOR CENTRAL DE 17 MW 85 GWh/año, a lo que si se añade el 15% de hibridación de gas natural, resulta una producción eléctrica anual de 100 GWh/año. El campo solar de 185 Ha El receptor en una torre de 140 m de altura La isla de potencia y 2.647 heliostatos –cada uno de ellos de 120 m2- distribuidos en anillos concéntricos alrededor de la torre. Vida útil de 40 años.
ELEMENTOS DEL SISTEMA Los principales elementos de los que consta una central termosolar de receptor central son los siguientes: - El campo solar . Campo de helióstatos . Sistema de seguimiento solar . Torre y receptor central . Fluido de transferencia - Sistema de almacenamiento - Ciclo de vapor . Generador . Turbina . Condensador . Hibridación - Sistema de conversión a la red
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA: La energía solar por concentración emplea la radiación solar directa: concentra los rayos del sol mediante espejos en un punto por el que circula un fluido, sales fundidas, cuyo calor sirve a su vez para generar vapor de agua que mueve una turbina. En las plantas de torre central, los heliostatos (espejos planos) reflejan la radiación solar en un receptor situado en lo alto de una torre por el que circulan las sales. El sistema de sales fundidas, además de generar vapor, sirve también para almacenar el excedente de calor en tanques de sales de nitrato fundidas. En la torre las sales se empelan directamente como fluido de absorción calórica: circulan desde el tanque frío, mediante bombeo, hasta el receptor en lo alto de la torre, donde se calientan hasta alcanzar los 565°C y bajan así al intercambiador de calor, donde ceden ese calor al agua, generando vapor. En momentos de sobre-energía, en los que la radiación calórica recibida es más que suficiente para cubrir la demanda de la turbina, parte de esas sales se almacenan en un tanque caliente capaz de conservar el calor para utilizarlo en momentos de baja radiación solar, cuando no se recibe suficiente calor como para generar directamente. Las sales almacenadas se encargan entonces de suministrar ese calor y seguir generando vapor. Esta tecnología, al contrario de otras energías renovables, permite independizar completamente los procesos de “carga” del sistema de almacenamiento por medio de la utilización del receptor solar del sistema de descarga del almacenamiento para producir energía eléctrica. Podremos utilizar la energía almacenada para producir energía eléctrica a las horas en las que la demanda de electricidad es más alta, con independencia de que a esa hora el sol esté brillando sobre el campo solar o no. Los tanques de almacenamiento Existen dos grandes tanques de almacenamiento térmico con una capacidad de 800 MWh de energía, fabricados de acero inoxidable, para evitar su corrosión a consecuencia de las altas temperaturas y aislados térmicamente, lo que hace posible el almacenamiento de las sales en periodos de larga duración. Los dos tanques van están asentados sobre una base con arlita, material resistente a altas temperaturas.
Proceso clásico de ciclo Rankine Cuando se inicia el proceso de generación eléctrica, que incluye la seguridad del suministro y la gestión de la energía producida, deja de comportarse como una central solar y se convierte en una planta térmica. La conversión de la energía térmica en eléctrica sigue un proceso clásico de ciclo Rankine de vapor con extracciones intermedias, similar al empleado en una planta tradicional de carbón o biocombustible. Las sales calientes se envían a una batería de intercambiadores en la que, de forma gradual, se transfiere la energía térmica al agua para producir un vapor sobrecalentado de más de 100 bares de presión.
Siguiendo el proceso en el sentido del agua-vapor, el ciclo se inicia por el precalentado del vapor condensado por la evaporización y se continúa con el aumento de la entalpía hasta obtener el vapor sobrecalentado a muy alta temperatura. Este se manda a la turbina de alta presión, que trabaja a presiones equivalentes a más de 1.000 metros de columna de agua. El escape de la turbina de alta presión se sobrecalienta antes de pasarlo a la turbina de baja presión y, a continuación, se envía al condensador, que es donde se cierra el ciclo. Ese vapor que se turbina en dos etapas es el encargado de producir la electricidad.
Una vez fundidas, las sales se mantienen inalterables durante la vida útil de la planta. De ahí que no se contemple la necesidad de su reposición. En caso de que se decidiera el desmantelamiento una vez expirado el ciclo vital, su gestión no entrañaría ningún problema.
10. EVALUACION ECONOMICA: CALCULO DE COSTOS Potencia (kw): 17 000 kw Inversión (US$): 420 205 000 US$ Costo fijo de Operación y Mantenimiento es de un 1% de la inversión. Tasa de interés: 12% (Según Ley de Concesiones Eléctricas) Años de vida: 40 años Factor de Planta: fp (mide la capacidad de la potencia central) FP= 0.67 Inversión Anual US$/kW:
Inversion(U $$) Potencia( Kw)
Inv = Inv=
420 205 000 US$ 17 000 kw
Inv=24717.94US$/kW Costo Medio=Costo Fijo (U$$)/ (KW) + Costo Variable (U$$ /(Kwh) (1)
i(1i) Inv OyMf (1i)n1 C var n
Costo fijo =
( fp) x( Potencia) x8760h
Costo fijo total=
0.12(10.12) 420 205 000 (10.12)401
40
1% x420 205 000(U $$)
(0.67) x(17000KW ) x8760h Costo fijo total=552.98US$/MWh Costo variable seria: 1.08 U$$/MWh
(2) (3)
La ecuación 2 y 3 en 1 Costo Medio=552.98US$/MWh + 1.08 U$$/MWh Costo Medio=554.06 U$$/MWh (Costo medio de la central termosolar)
ANALISIS ECONOMICO: Inversión estimada Costos del campo solar
Inversión realizada en el sistema de almacenamiento de sales:
Inversión realizada en la isla de potencia:
Inversión Total realizada en la planta:
IV. RESULTADOS Se propone instalar una central termosolar, solución para abastecer de energía que se solicita. Después de haber realizado los cálculos de costo se obtuvo el costo medio de la central termosolar.
V. DISCUSION: En una planta sin almacenamiento, el funcionamiento de la turbina debe ajustarse a las condiciones medioambientales. Por ser una tecnología en desarrollo todavía es muy costosa en comparación con las tecnologías convencionales. Las ventajas de la central con almacenamiento: -
Capacidad de almacenamiento de alta temperatura.
-
Bajo riesgo operacional
-
Un ciclo de mayor eficiencia.
CONCLUSIONES 1. Nuestra conclusión es dar un enfoque de los costos de una central termosolar, dar una solución a la demanda energética que se presenta en nuestro país. 2. En la relación de información para los costos, para este tipo de proyecto, en el estudio son referenciales sobre la base de la información del MINEM.
3. Lo más resaltante es saber usar nuestros recursos energéticos para nuestro consumo o demanda que requiere nuestro país. 4. Los planes de expansión de la generación y transmisión del SEIN han sido formulados bajo una metodología de planeamiento y de satisfacción de poder dar una solución de lo ya mencionado.
VI. LITERATURA CITADA: REFERENCIAS Y WEBGRAFIA http://dger.minem.gob.pe/atlassolar/ATLAS_SOLAR.pdf
[1]
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http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo6.html http://www.jenijos.com/CENTRALESSOLARES/centrales_solares.htm http://earchivo.uc3m.es/bitstream/10016/11785/1/PFC%20planta%20termosolar%20de%20re ceptor%20central.pdf http://www.suelosolar.es/newsolares/newsol.asp?id=7483 http://www.sc.ehu.es/sbweb/energiasrenovables/temas/termoelectrica/revision/revision.html http://www.energias-renovables.com/articulo/gemasolar-la-catedral-del-sol http://www.termosolar.renovetec.com/almacenamientotermico.html http://www.torresolenergy.com/EPORTAL_DOCS/GENERAL/SENERV2/DOCcw4e88b3bb57c8f/folleto-gemasolar.pdf http://www.torresolenergy.com/TORRESOL/planta-gemasolar/es http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-tecnica-de-la-energia-solartermoelectrica-fenercom-2012.pdf http://www20.gencat.cat/portal/site/territori/menuitem.bd76c203a0da08645f13ae92 b0c0e1a0/?vgnextoid=5c1bc3be04fbb210VgnVCM1000008d0c1e0aRCRD&vgnextchan nel=5c1bc3be04fbb210VgnVCM1000008d0c1e0aRCRD&vgnextfmt=detall2&contentid =6bc21fee24276310VgnVCM1000008d0c1e0aRCRD&newLang=es_ES http://www.neoteo.com/gemasolar-energia-solar-24-horas
