VIABILIDAD DE LAS CENTRALES TERMOSOLARES DE CONCENTRADORES CILINDRO-PARABOLICOS

EN EL AMBITO VENEZOLANO

JAIME SUAREZ L.

UNIVERSIDAD DEL ZULIAFACULTAD DE INGENIERIADIVISION DE POSTGRADO DE INGENIERIA

Contenido

I) Resumen

II) Planteamiento del problema:

III) Justificación.

IV) Objetivo General.

V) Objetivos específicos.

VI) Antecedentes.

VII) Metodología.

VIII) Viabilidad.

IX) Referencias bibliográficas.

ENERGIA SOLAR MUNDIAL

RESUMENLa radiación solar que ha incidido e incide es la

fuente de todas las energías: renovables y no renovables, a nivel mundial. Prácticamente toda la energía que consumimos proviene del Sol: desde los alimentos que ingerimos hasta los combustibles fósiles que utilizamos en nuestros vehículos y para generar la electricidad que consumimos. La energía solar puede directamente transformarse en electricidad: usando la luz solar mediante celdas fotovoltaicas, o usando el calor solar a través de concentradores ópticos que multiplican decenas de veces su intensidad luminosa, para calentar fluidos de transferencia a temperatura y presión suficientes producir vapor saturado para mover turbinas que accionan generadores eléctricos.

PLANTAS TERMOSOLARES

TORRE CENTRAL CILINDRO PARABOLICA DISCO PARABOLICA

RESUMEN• En este modelo de desarrollo sostenible, las energías de origen renovable, son

consideradas como fuentes de energía inagotables, y con la peculiaridad de ser energías limpias, con las siguientes características: suponen un nulo o escaso impacto ambiental, su utilización no tiene riesgos potenciales añadidos; indirectamente suponen un enriquecimiento de los recursos naturales y son una alternativa a las fuentes de energía convencionales, pudiendo sustituirlas gradual y definitivamente

• . En este trabajo se caracterizaran las centrales termosolares de concentradores cilindro-parabólicos y se determinara su viabilidad técnica y financiera, mediante la descripción de todos sus componentes, la estimación de sus costos para luego establecer las tasas de recuperación del capital y comparación de costos de energía generada con fuentes convencionales,

contaminantes, en el ámbito venezolano. •  •  

Planteamiento del problemaEl sistema de servicio eléctrico en Venezuela hizo crisis a partir del primer semestre de 2010, debido a la falta de planificación, desarrollo, mantenimiento y la prolongada sequia (fenómeno del niño) lo que obliga a buscar soluciones estructurales en la ampliación de la capacidad de generación, transmisión y distribución utilizando fuentes adicionales de generación de electricidad.

El creciente consumo de la energía, a nivel mundial, determina su decreciente disponibilidad, en cuanto a energías no renovables (fósiles, nuclear), proyectándose para el 2050 su extinción practica (ENEL, 2008), este vacío debe ser cubierto por energías renovables (termosolar, fotovoltaicas, hidráulica, eólica, biomasa, mareas, geotérmicas) cuyo desarrollo y penetración en el mercado mundial deberá concretarse a corto plazo, para adicionalmente disminuir el calentamiento global.  

Planteamiento del problemaLa energía solar, además de ser renovable y no contaminar el medio ambiente, es una energía muy abundante en Venezuela. Su utilización contribuye a reducir el efecto invernadero producido por las emisiones de CO2 a la atmósfera, así como el cambio climático provocado por el efecto invernadero

.

Establecer líneas de investigación en el estudio y desarrollo de plantas de energía renovable que amplíen las fuentes de electricidad para nuestro país es altamente recomendable, necesario.

Energía solar en Venezuela

JustificaciónDebido a que la electricidad es el vector primario, en el mundo, la generación de electricidad será la preferente aplicación de las energías renovables, para hacerlas comercialmente viables, otras investigaciones y actividades de desarrollo jugaran roles claves en llevar esa tecnología al mercado: la legislación y regulaciones derivadas del impacto ambiental y la disponibilidad y altos precios internacionales de los combustibles. Durante los años setenta, métodos de producir electricidad, vía ciclo térmico solar, fueron investigadas, con éxito.Los esfuerzos de investigación del uso de la energía solar resultaron en desarrollos adicionales de la tecnología y en 1991, la primera planta comercial, utilizando concentradores ópticos cilindros parabólicos (CSP), con capacidad de 354 MWe basada en el concepto de potencia solar concentrada fue construida en desierto de Mojave, California, USA. Fue erigida en una superficie de 7 kilómetros cuadrados y actualmente alimenta cerca de 800 Gw-h anuales, a la red.

Justificación

• Una de las características clave de diseño que lo hace más atractivo el CSP, que otras tecnologías renovables, como energía solar fotovoltaica y la eólica, es la posibilidad de incluir almacenamiento térmico de energía, relativamente, de bajo costo y alta eficiencia (TES), que puede suavizar la fluctuación diaria de la producción de electricidad y extender su duración en horas de la noche, pico, día

nublado.

CONCENTRADORES CILINDRO-PARABOLICOS

CENTRAL DE CONCENTRADORES CILINDRO-PARABOLICOS

Objetivo General

Viabilidad técnica y financiera de las centrales termosolares de concentradores cilindro-parabólicos en el ámbito venezolano.

Objetivos específicos.• 1.- Estimar la radiación e insolación solar anual, promedio, al Norte del

Estado Zulia.

• 2.- Caracterizar centrales termosolares de concentrador óptico, cilindro parabólicas, en función de sus componentes principales. 

• 3.-Estimar costos de los componentes principales de las centrales CSP

• 4. .- Determinar análisis comparativo de funcionamiento de plantas CSP con plantas convencionales de características técnicas similares e igual régimen de carga, en el contexto Venezolano

• 5.- Sintetizar recomendaciones en cuanto viabilidad de estas plantas termosolares de concentradores cilindro-parabólicos, en ámbito Venezolano.

Antecedentes

• Romero, M (2000) describe el fenómeno de la irradiancia solar incidente que es captada y concentrada y utilizada en centrales CSP usando sistemas de intercambiadores de calor, a altas temperaturas (por encima de los 300 °C,) para calentar un fluido de transferencia (agua,) y producir vapor de agua que es inyectado a turbinas de vapor, de varias etapas, en forma directa (primaria) o a través de otro fluido secundario (aceite mineral en intercambiadores de calor), para obtener electricidad en generadores sincrónicos, trifásicos.

• Analiza aspectos de finanzas y economía: costos unitarios de instalación. operación, mantenimiento, depreciación, de estas centrales y establece comparaciones con energía generada en centrales convencionales, contaminantes.

Antecedentes• Ramos (2005) realizó un análisis prospectivo de las tecnologías termosolares a

concentración para la generación de potencia eléctrica, explicando el funcionamiento y diseño, considerando la normativa mexicana. Reportó información detallada sobre las características de las estructuras, señalando el impacto ambiental como parámetro más importante para toma de decisiones. Presenta además información de los sistemas híbridos como etapas intermedias hacia la generación solo solar, así como detalles de la caracterización de las plantas solares de concentrador cilindro parabólico.

• Salomoni y col., (2008) desarrollaron metodologías para calcular los elementos estructurales de los concentradores ópticos, así como también de las estructuras de tanques de almacenamiento térmico, utilizando software 2D y 3D, y de modelos experimentales. Presentan resultados de los esfuerzos sobre las estructuras para condiciones extremas de viento y nieve, validando los resultados y formulando recomendaciones.

Metodología.• Estimación de la radiación e insolación solar al Norte del estado Zulia

• Para la estimación de la radiación e insolación solar promedio, al Norte del estado Zulia se llevaran a cabo las siguientes actividades:

• Análisis de los datos de radiación e insolación solar suministrada por la NASA, para las coordenadas (latitud y longitud) seleccionadas, para la ubicación de la posible central termosolar de concentradores cilindro parabólicos (CSP)

• Análisis de la información obtenida sobre radiación e insolación solar a nivel local (LUZ), para estimar la radiación solar promedio anual en las coordenadas (latitud y longitud) seleccionadas en posible la ubicación de la central CSP, al Norte del Estado Zulia.

• Cálculos de los valores de la radiación e insolación solar, en la zona estudiada, utilizando el programa MATLAB para calcular mediante las ecuaciones certificadas y comparación con los valores obtenidos de la medición de esos valores (Arquitectura) y con los suministrados por la NASA.

• Comparación de los valores promedios obtenidos para estimar mediante un programa de simulación los valores promedio anuales de radiación e insolación en el área estudiada.

• Selección de la posible ubicación geográfica de la planta CSP a considerar.

Metodología

• Caracterización de las centrales termosolares de concentradores ópticos cilindro parabólicas

• Para caracterizar las centrales termosolares de concentradores ópticos, cilindro parabólicas, se tomara en consideración: 1) ubicación geográfica 2) capacidad de potencia 3) planta física 4) componentes del campo solar 5) central térmica 6) bloque de potencia 7) sistemas auxiliares 8) conexión a la red 9) componentes eléctricos de la central 10) sistema del rastreador solar 11) construcción 12) operación 13) mantenimiento, para lo cual se realizaran las siguientes actividades:

• Definición de las características de potencia, esquema de funcionamiento, campo solar, bloque de potencia y sistemas auxiliares de las eventuales centrales CSP.

• Especificación y registro de todos los componentes esenciales de la centrales termosolares CSP a considerar en la investigación.

• Especificación y registro de todo el personal necesario para la construcción, puesta a punto, funcionamiento y mantenimiento de las centrales CSP seleccionadas.

•  

Metodología

• Estimación de los costos de los aspectos principales de las centrales termosolares seleccionadas.

• Se realizaran las siguientes actividades

• Análisis de la información documental disponible para las centrales CSP sobre los costos unitarios y totales de: 1) construcción, 2) operación , 3) mantenimiento, 4) generación de energía eléctrica, para centrales CSP con el fin de establecer y registrar las mejores opciones.

• Revisión de la información documental sobre costos totales de financieros para centrales CSP, para establecer y registrar el retorno del capital invertido.

• Resumen sobre las recomendaciones del Protocolo de Kyoto y otros acuerdos internacionales, en cuanto a la tasa de retorno de capital por concepto eliminación de gases que producen el efecto invernadero.

Metodología• Para seleccionar la central o centrales termosolares CSP que tengan viabilidad técnica y

económica que mejor se adapten al contexto venezolano, se realizará un análisis comparativo de funcionamiento entre las plantas convencionales de características técnicas similares e igual régimen de carga; para esto se realizaran las siguientes actividades:

• Análisis de las caracterizaciones obtenidas de las centrales CSP para seleccionar los componentes y condiciones que mejor se adapten al ámbito venezolano

• Análisis de la información documental sobre aspectos financieros de centrales convencionales, usadas en el sistema eléctrico de Venezuela, de capacidad y régimen de carga similar a la CSP bajo estudio.

• Análisis comparativo de funcionamiento de centrales termosolares CSP estudiadas con plantas convencionales de características técnicas similares.

• Sintetizar y aplicar recomendaciones del protocolo de Kyoto y otros en cuanto a la tasa de retorno de capital por concepto eliminación de gases que producen efecto invernadero.

• Determinación de las limitaciones de las centrales CSP en cuanto a: a) días nublados b) picos de carga c) generación nocturna d) despacho de carga; para formular las mejores alternativas.

Metodología

• Seleccionar la central CSP que represente la mejor alternativa para el ámbito venezolano, realizando un análisis técnico y financiero para establecer su viabilidad y factibilidad.

• En función de los resultados obtenidos en las etapas previas de este estudio, se plantearan recomendaciones sobre la viabilidad técnica y financiera de las centrales CSP en Venezuela, estableciendo las ventajas y desventajas de las centrales seleccionadas en comparación con centrales convencionales, de uso regular en Venezuela.

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Viabilidad.• Técnica: Las bases tecnológicas utilizadas en las CSP, está ampliamente difundidas en

reseñas y videos publicados en páginas de Internet, resúmenes de foros y eventos internacionales, libros especializados y revistas, desde los años noventa. Están bien definidos los esquemas de funcionamiento, los principios físicos y las leyes aplicables, sus componentes y sus especificaciones, los resultados prácticos obtenidos en los países (España, EUA, Alemania, China) que lideran su aplicación comercial

• .

• Financiera: Se dispone de información suficiente para estimar los costos unitarios de los componentes de estas centrales termosolares, así como de los proyectos totales, los del personal necesario para su construcción, operación y mantenimiento, utilizando fuentes

calificadas, de trabajos referidos en la bibliografía.• Institucional: La Escuela de Ingeniería Eléctrica está comprometida con desarrollar una

línea de Investigación orientada al estudio de fuentes alternativas de energía eléctrica, en el ámbito Venezolano, a cargo de los Doctores Cesar Álvarez y Agustín Marulanda.

Resultados esperados

• Con la realización de este estudio se espera:

• Obtener valores confiables de la radiación e insolación solar anual, mensual y promedio para la zona norte del estado Zulia.

• Obtener la caracterización y costos de la central termosolar que mejor se adapte al ámbito venezolano, específicamente para la región norte del estado Zulia, así como un análisis comparativo del funcionamiento de la misma con las plantas convencionales de características técnicas similares

• Plantear recomendaciones en cuanto viabilidad de estas plantas termosolares de concentradores cilindro-parabólicos, en ámbito Venezolano.

• En cuanto a las estrategias para la difusión e implementación de estos resultados; se espera lograr alcanzar discusiones adicionales, a nivel nacional e internacional, para el análisis de estos tópicos orientadas a la necesidad de conseguir fuentes renovables de energía para la urgente sustitución de las actuales fuentes contaminantes costosas y destructoras del medio ambiente, así como contribuir a crear una actitud favorable, en las personas, hacia la conservación ambiental, en su dinámica personal y social.

Cronograma de actividades

• El tutor y cotutor analizan las mejores alternativas para establecer un programa de prosecución de los siguientes semestres hasta la culminación de mis estudios del Doctorado.

Referencias bibliográficas..• 1.- Carrasco, A., Nicolás. (2009). “Caracterización de una planta termo solar de colectores

parabólicos para generación de energía eléctrica” . Universidad de Chile. Santiago de Chile.• 2.- Casado M., Martin. Universidad Carlos III. Primera Jornada Técnica “GENERACION

SOLAR TERMOELECTRICA”. www.SolarMillennium.de. GESTE 2010. Leganés, 04 de Noviembre, 2010. Madrid, España.

• 3. Decker T. (2007). “Life cycle Assesment of Thermal Energy storage: two tanks indirect and thermo cicline “Universidad de Colorado”. T. ASME.

•  4.- Energía para el futuro: fuentes renovables de energía para una comunidad estratégica y plan de acción.(1999). [Disponible en: http://www. European Comunity´s Programmes for the Research.] [Consulta: 2011, Julio, 28]

• 5.-European Concentrated Solar Thermal Road-Mapping. ECOSTAR, Roadmap Document. Deutsches Zentrum fur Luft-und Raumfahrt e. V. 09-03-2005.

• 6.- Fernandez, R. Pablo. “European Research on Concentrated Solar Thermal Energy”. European Commission. (2004). http:europa.eu.int/researchernergyindex en.htm.

• 7.- Henner G., Mayer T. (2008). “The parabolic trough power plant Andasol 1 to 3”. Solar Millenium. w Germany.

• 8. International Energy Agency (IEA) (2006) “World Energy Outlook”. IEA Statistics, Renewable Information (2003). [Disponible en http://www. International Energy Agency, OECD/IEA.] [Consulta: 2011, Julio, 28].

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Referencias bibliográficas

• 9. Ozturk M., (2006) “Exergy analysis of low and high temperature Water gas shift reactor with parabolic Concentrating Collector. Cap. 6. pag. 106-129., Suleyman Demirel University, Cunur Campus, Isparta, Turkey.

• 10- NASA surface Meteorology and Solar Energy.[Consulta 01-05-12].

• 11.- Tyner C.E, et al (2001) “Concentrating solar power in 2001: An IEA Solar PACES Summary of Present and Future Prospects”. International Energy Agency, Solar PACES

• 10.-Ramos, C., (2005). Prospectiva de las tecnologías termosolares a concentración para la Generación de Potencia Eléctrica. Instituto de Investigaciones Eléctricas. División de energías alternas. Méjico.

•  11. Romero M., (2000) “Energía solar termoeléctrica”. CIEMAT., España.

• 12.- Ruiz V. et al (1999) “Las centrales energéticas termosolares “. Energía, No. 6.Año XXV, 47-55.

• 13. Salomoni V., et al (2008) “New trends in designing parabolic trough solar concentrators and heat storage concrete system in Solar Power plant”. Cap. 12. pag. 268-292. University of Padua. ENEA, http://.ene.it/con/ingl/solarframe.htm, Italy.

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