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Para hacer que la energía solar realmente funcione, suba el calor
Randy Montoya
Una torre de 200 pies se encuentra centrada frente a un campo de espejos giratorios en el extremo sur de Albuquerque, Nuevo México.
Es la Instalación Nacional de Pruebas Térmicas Solares, operada por los Laboratorios Nacionales Sandia, donde los científicos están trabajando para desarrollar tecnologías más calientes, más baratas y más eficientes para concentrar la energía solar.
Los cientos de espejos enfocan la luz del sol en un receptor en la parte superior de la torre solar. En los sistemas convencionales, esto calentaría agua u otros fluidos para generar vapor que acciona una turbina eléctrica. Pero aquí, en cambio, una cortina de finas partículas de cerámica cae continuamente a través del concentrado rayo de sol. Las partículas, que se asemejan a la arena negra, pueden alcanzar fácilmente temperaturas 100 ˚C más altas que los fluidos estándar. Eso promete aumentar la energía disponible, reduciendo los costos de producción y almacenamiento.
Este enfoque es uno de los tres que los investigadores federales creen que podría ayudar a que la energía solar concentrada finalmente se vuelva asequible y sostenible. El pasado mes de enero, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables publicado una hoja de ruta de demostración de próxima generación que destacó las partículas que caen, los sistemas de sal fundida de mayor temperatura y un fluido de transferencia de calor a base de gas como vías prometedoras para producir energía solar térmica a seis centavos por kilovatio-hora para 2020, una meta establecida por la iniciativa SunShot del Departamento de Energía en 2011.
El Departamento de Energía anunció en septiembre que invertiría $ 62 millones en aproximadamente una docena de proyectos prometedores a lo largo de estos caminos, lo que provocó un entusiasmo renovado en un campo que se había desvanecido en gran medida de la vista del público (ver Cómo entender la sorprendente inversión de Trump en energía solar).
Investigadores de Sandia, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, el Laboratorio Nacional del Río Savannah y Brayton Energy han confirmado que Revisión de tecnología del MIT que han solicitado los fondos, individualmente o en equipo. Documentos conceptuales eran debidos a principios de este mes, y la fecha límite para las solicitudes completas es a mediados de enero de 2018.
Todos en CSP ven esto como una gran oportunidad de investigación, dice Cliff Ho, ingeniero de Sandia e investigador principal del proyecto de caída de partículas.
La gran ventaja de concentrar la energía solar sobre la fotovoltaica es que la energía térmica se puede almacenar de manera más fácil y económica que la electricidad. Eso significa que las plantas pueden aumentar o disminuir la producción para satisfacer las demandas en tiempo real de la red, incluso de noche, una flexibilidad que los paneles solares no pueden igualar sin baterías grandes y costosas u otras formas restringidas de almacenamiento.
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Costo nivelado de energía de Lazard Análisis descubrió en diciembre pasado que la producción de energía de una torre solar térmica con almacenamiento oscilaba entre $ 119 y $ 182 por megavatio-hora, en comparación con $ 48 a $ 78 para el gas natural de ciclo combinado. Este último también cuesta alrededor de una octava parte de lo que cuesta construir en base a kilovatios, según Cifras 2015 de NREL.
Los investigadores del DOE determinaron previamente que el primer paso para mejorar la eficiencia y la economía de la energía solar concentrada es pasar de los ciclos tradicionales de energía de vapor a lo que se conoce como un ciclo Brayton de dióxido de carbono supercrítico. Al colocar el dióxido de carbono bajo altas temperaturas y presiones, adquiere las propiedades tanto de un líquido como de un gas, y aumenta significativamente la eficiencia de conversión de energía.
A Ciencias papel en mayo concluido que un ciclo Brayton de dióxido de carbono supercrítico podría ser hasta un 30 por ciento más eficiente que las turbinas de vapor convencionales. Sin embargo, el problema es que ejecutar este ciclo de energía requiere una fuente de calor de al menos 700 ˚C para desarrollar todo su potencial, así como un sistema de transferencia de calor que pueda operar a temperaturas tan altas.
Los tres caminos destacados de NREL son esfuerzos para subir la temperatura, aunque cada uno tiene su propio conjunto de promesas y desafíos. La sal fundida, por ejemplo, ya se ha hecho, pero pasar a sales alternativas capaces de funcionar a temperaturas más altas requerirá materiales de contención, tuberías y bombas más duraderos. El enfoque de gas podría aplicarse con gases relativamente fáciles de manejar como el dióxido de carbono o el helio, pero se necesitará investigación adicional para minimizar el consumo de energía de la circulación de los gases.
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Las partículas están hechas principalmente de alúmina y óxido de hierro. Después de caer a través del rayo solar, regresan a la cima en un ascensor, en un bucle. El equipo ha alcanzado temperaturas de hasta 900 ˚C, dice el ingeniero Ho de Sandia.
En esta etapa, el receptor no está conectado a ningún componente adicional. Pero el equipo ha estado trabajando en sociedad con contratistas privados para desarrollar un intercambiador de calor que eventualmente transferirá el calor de las partículas al dióxido de carbono presurizado que fluye a través de un circuito conectado.
Un grupo separado en Sandia ya ha sido desarrollando y evaluación de ciclos supercríticos de dióxido de carbono. El equipo de Ho ha comenzado a trabajar en su propio sistema específicamente para la instalación de concentración de energía solar. Pretenden conectar el intercambiador de calor una vez que llegue en marzo y el bucle de dióxido de carbono supercrítico poco después. Ho dice que espera encender el sistema integrado el próximo verano.