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Un nuevo modelo de plantas termosolares de concentración genera energía limpia y eficiente

enero 7, 2020
Redaccion

Un estudio desarrolla una simulación matemática por ordenador para mejorar la tecnología existente en la que la energía solar que se recibe a través de espejos, se concentra y se generan altas temperaturas en un fluido

USAL/DICYT Cuando medio mundo debate en la Cumbre del Clima de Madrid cómo abordar el calentamiento global bajo el lema #TiempoDeActuar, en la Universidad de Salamanca se van dando pequeños pasos en busca de alternativas limpias y eficientes que aseguren una producción energética necesaria parar avanzar en el mundo desarrollado.

En este contexto, el Grupo de Investigación en Optimización Energética, Termodinámica y Física Estadística del Departamento de Física Aplicada de la USAL ha desarrollado un nuevo modelo de plantas termosolares de concentración para generar energía eléctrica aprovechando la luz solar de forma óptima y mucho más práctica.

El trabajo acaba de publicarse en la revista de mayor impacto mundial sobre energías renovables, “Renewable and Sustainable Energy Reviews”, y forma parte de la tesis doctoral de Rosa P. Merchán Corral, graduada en Físicas por la USAL en 2015 y que realizó el Máster en Física y Matemáticas antes de comenzar su trabajo de Doctorado. La tesis está co-dirigida por María Jesús Santos Sánchez y Alejandro Medina Domínguez, ambos profesores del Departamento de Física Aplicada del Estudio salmantino.

En este artículo se analizan plantas termosolares en las que la energía solar recibida en un conjunto de espejos denominados heliostatos se concentra en un receptor. Por él circula un gas que se calienta a muy altas temperaturas, por encima de los 1.000 grados centígrados, y realiza un ciclo termodinámico de alta eficiencia. Se ha desarrollado un modelo matemático y de simulación por ordenador y se proponen mejoras sobre la tecnología existente para aumentar la eficiencia de plantas de este tipo y que en un futuro próximo sean viables económicamente.

Aplicable en plantas solares

“Hemos presentado un modelo teórico, pero que se puede incorporar a plantas reales con el objetivo de optimizar su funcionamiento en el futuro, para que sean más eficientes y consuman menos combustible, sobre todo teniendo en cuenta que el ámbito de las energías renovables es irregular; si tenemos un día sin sol, estas plantas no funcionarían, pero si incorporamos un combustible, como el gas natural o el biogás, podemos asegurar un funcionamiento continuo, lo que daría ventajas frente a otras plantas, por ejemplo, de energía eólica o fotovoltaica”, explica a Comunicación USAL el codirector de la tesis y profesor Alejandro Medina.

De esta forma, se logra transformar la energía que viene del sol en energía mecánica por el efecto del calor, y luego en energía eléctrica, de forma limpia y aprovechando en todo momento los recursos naturales no contaminantes.

Tal y como asegura la primera firmante del artículo Rosa P. Merchán Corral, “a partir de un modelo termodinámico previo, hemos simulado el funcionamiento de la planta solar con un modelo matemático que hemos desarrollado nosotros, añadiendo nuevos elementos para optimizar los resultados”.

Un ejercicio de simulación fundamental en este tipo de proyectos, que requieren una inversión millonaria, como matiza, por su parte, la también directora de tesis y profesora de la USAL, María Jesús Santos Sánchez. “Si no se dimensiona adecuadamente el funcionamiento de una planta, puede ocurrir que no sea todo lo eficiente que debería y aumente el consumo de combustible fósil. Por eso es tan importante validar los datos reales de una planta, aplicar nuestro método y demostrar si avanzamos en eficiencia, para que cuando se haga la inversión seria, se haga de una forma optimizada”.

Este modelo teórico, además, encaja perfectamente en un país como España, que es referente mundial en el aprovechamiento de energía solar, tanto en fotovoltaica como en energía solar térmica, donde es líder con 50 centrales que suman 2.300 megavatios (MW), sobre todo en Andalucía y Extremadura, según los últimos datos oficiales de la economía española 2019.

“Vamos un poco más allá respecto a las plantas que tenemos en la actualidad. Nuestro modelo termodinámico predice cómo pueden ser más eficientes para que los ingenieros lo tengan en cuenta a la hora de llevar a cabo los diseños del futuro”, asegura Alejandro Medina a Comunicación USAL,” mucho más si tenemos en cuenta la necesidad de seguir avanzando en energías alternativas y renovables”.

Como ejemplo, el profesor menciona las medidas en favor del transporte eléctrico para reducir la contaminación, pero “si cambiamos la combustión por energía eléctrica, esa electricidad debería ser generada de forma limpia; de lo contrario, no tendría sentido”.

“Va a ser imperativo para enfocar el problema del cambio climático generar electricidad en más cantidad y con más calidad, si queremos que el transporte no dependa del petróleo y podamos poner cota al efecto invernadero”, añade el investigador.

Almacenamiento térmico

El Grupo de Investigación en Optimización Energética, Termodinámica y Física Estadística lleva años estudiando la forma de optimizar los sistemas relacionados con la energía para aportar avances en el ámbito de las renovables con plantas más eficientes y prácticas. Gracias a la financiación de la Fundación General de la Universidad de Salamanca, el Ministerio de Economía y Empresa y la Junta de Castilla y León, el grupo sigue trabajando en la actualidad en mejoras de aprovechamiento en torno a la energía termosolar.

En esta línea, la investigadora Rosa P. Merchán Corral, que disfruta de una beca de Doctorado de la Universidad de Salamanca y el Banco Santander, ha terminado recientemente una estancia en un centro puntero en Estocolmo sobre almacenamiento térmico.

Se trata de hallar avances para que la energía del sol pueda ser continua y manejable en función de la demanda del usuario, y para ello, el objetivo es almacenar en forma de calor la energía sobrante en periodos de alta irradiancia solar, para utilizarla, por ejemplo, por la noche. Una tecnología que también quieren aplicar para avanzar en el autoconsumo de lugares alejados sin conexión a la red eléctrica.

“Una instalación de almacenamiento solar para autoconsumo incorpora un espejo con forma de parábola, y en el centro, se coloca una microturbina. Esto permite generar energía limpia y sostenible a pequeña escala; suficiente, por ejemplo, para una granja o un poblado aislado en África que no tenga acceso a la red eléctrica, pero también para fincas del Campo Charro, toda vez que Salamanca tiene, además, unas condiciones de irradiancia muy buenas”, concluye la profesora María Jesús Santos Sánchez.

Referencia bibliográfica 
 «On-design pre-optimization and off-design analysis of hybrid Brayton thermosolar tower power plants for different fluids and plant configurations». R.P. Merchán, M.J.Santos, I. Heras, J. Gonzalez-Ayala, A. Medina, A. Calvo Hernández. Renewable and Sustainable Energy Reviews https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109590