Energía Solar Termoeléctrica y Energía Fotovoltaica de Concentración

Junio 08

Fernando Nuño

European Copper Institute

[email protected]

Producción de electricidad solar :Tecnologías CSP y CPV

Con la colaboración de Víctor Criado

www.leonardo-energy.org

Índice

Energía solar: por qué tiene sentido? Definiciones Análisis de la tecnología CSP

– Tecnología– Cuestiones del desarrollo de proyectos– Costes de generación – Perspectivas de mercado –

Planes de apoyo Análisis de la tecnología CPV

– Tecnología– Costes de generación – Perspectivas de mercado

Índices y comparaciones


Recursos solares disponibles: muchos más de los que necesitamos

La Tierra recibe de la radiación solar en 10 días tanta energía como la de las reservas de combustibles

fósiles conocidas

La Tierra recibe de la radiación solar en 10 días tanta energía como la de las reservas de combustibles

fósiles conocidas


Evolución de la energía solar – Cada vez más importante en los próximos años


¿Dónde tiene sentido la tecnología de concentración?

Irradiación directa normal anualIrradiación directa normal anual

Fuente : NASA


¿Dónde tiene sentido la tecnología de concentración?

Fuente : Schott Solar


El potencial de los países mediterráneos

El norte de África tiene un potencial enorme. Podrían desarrollarse interconexiones con Europa.

Fuentes : Eurelectric 2007

German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety


¿Por qué la energía solar encaja bien en climas cálidos?

Perfil medio de demanda vs Perfil medio de irradiación en España Perfil medio de demanda vs Perfil medio de irradiación en España

Fue

nte

: R

ed E

léct

rica

de

Esp

aña


Índice



Planes de apoyo

Análisis de la tecnología CPV – Tecnología– Costes de generación – Perspectivas de mercado



Tecnologías de energía solar y reparto de aplicaciones


Tecnologías de producción eléctrica a gran escala

CSPCSP

CPVCPV

ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA: proceso térmico– Calentamiento un fluido– Generación de energía mecánica mediante un ciclo termodinámico (rankine, brayton,

stirling…)– Conversión de la energía mecánica en energía eléctrica (alternador)

ENERGÍA FOTOVOLTAICA DE CONCENTRACIÓN: proceso fotovoltaico– Concentrar la radiación solar en la celda FV– Generación directa de energía eléctrica

Solar Field

Power Block

Solar Field

Power Block


Índice



Planes de apoyo




Perspectiva general de la tecnología CSP

Concentradores cilíndrico- parabólicos

Concentradores cilíndrico- parabólicos

Discos parabólicos con motor de Stirling

Discos parabólicos con motor de Stirling

Torre centralTorre central

Concentradores tipo Fresnel

Concentradores tipo Fresnel


Análisis de la tecnología CSPCilíndrico-parabólicosCilíndrico-parabólicos

EstructuraEspejo parabólico

Tubo receptor


Análisis de la tecnología CSP Cilíndrico-parabólicos

Cilíndrico-parabólicos

Campo solar

Bloque de generación de energía


Análisis de la tecnología CSP

Sales fundidas

Foco caliente

Cam

po s

olar

Sales fundidas

Foco frío

Generador de vapor

Turbina de vapor

Vapor sobrecalentado (100 bar, 380ºC)

Vapor recalentado (17 bar, 371ºC)

Condensador

Pre-calentador

Re-calentador

Tanque de expansión del aceite

Desgasificador

Aceite a 395ºC

Aceite a 295ºC

HFT, Heat Transfer FluidTecnología en disponible comercialmente

HFT, Heat Transfer FluidTecnología en disponible comercialmente




Análisis de la tecnología CSP

El vapor se genera directamente en el campo de colectores solares, por lo que no es necesario el intercambio de calor, reduciéndose los costes e incrementándose la eficiencia


Cilíndrico-parabólicosGeneración directa de vapor (GDV)

Disponible próximamente

Generación directa de vapor (GDV)Disponible próximamente


CSP: Desarrollo del proyecto – Emplazamiento

Sumiso a la meteorología

Sumiso a la meteorología

Irradiación Normal Directa > 1800 kWh/m2/año Se requiere una campaña de medida

Acceso a las redes de gas y

electricidad

Acceso a las redes de gas y

electricidad

Acceso al aguaAcceso al agua

Disponibilidad de un espacio llano

Disponibilidad de un espacio llano

Fuera de zonas restringidas (urbanizable, industrial, protección ambiental)

Absolutamente plana para los colectores cilíndrico-parabólicos

Autoridades locales

Autoridades locales

Deben aceptar y apoyar el proyecto

En lugares soleados hay una fuerte competencia por el uso del agua!

Impacto de construir una línea eléctrica dedicada a llegar hasta la red principal Gas : necesario para mantener las temperaturas durante la noche (pueden

considerarse otros combustibles para zonas aisladas)


CSP: Desarrollo del proyecto – Emplazamiento

Configuraciones típicasConfiguraciones típicasCampo solar

Bloque Generación Energía


CSP: Desarrollo del proyecto – Cuestiones administrativas

Solicitud de Autorización

Administrativa

Solicitud de Autorización

Administrativa

Análisis de impacto

ambiental

Análisis de impacto

ambiental

Información pública

Información pública

Obtención de la Autorización

Administrativa

Obtención de la Autorización

Administrativa

Consulta a las entidades afectadas

Consulta a las entidades afectadas

Respuestas a esta publicación

Réplica a las respuestas

Solicitud de aprobación del

proyecto

Solicitud de aprobación del

proyecto

Permisos de construcción

Permisos de construcción

Periodo de maduración: 18 meses


CSP: Desarrollo del proyecto – Ingeniería, Aprovisionamiento y construcción

Ingeniería básica preliminar

Ingeniería básica preliminar

Compra de equipos básicos

Compra de equipos básicos

Contratos de construcción

Contratos de construcción

Ingeniería de detalle

Ingeniería de detalle

Suministro de equipos -

Construcción

Suministro de equipos -

Construcción

Puesta en servicio y periodo de prueba

Puesta en servicio y periodo de prueba

Periodo de ejecución: 24 meses

Maduración + Periodo de ejecución : 36 - 44 meses


CSP: Desarrollo del proyecto – Acceso a la red

Garantía:20 €/kW

Garantía:20 €/kW

Solicitud de reconocimiento de

gestionabilidadRE – PO 08/2007

(ver siguiente diapositiva)

Solicitud de reconocimiento de

gestionabilidadRE – PO 08/2007

(ver siguiente diapositiva)

Solicitud de Acceso a la Red

Solicitud de Acceso a la Red

El Gestor de la Red impone las

condiciones de acceso a la red

El Gestor de la Red impone las

condiciones de acceso a la red

Sistema españolSistema español

El Promotor del Proyecto presenta

su proyecto

El Promotor del Proyecto presenta

su proyecto

El Promotor del Proyecto pide un

punto de conexión

El Promotor del Proyecto pide un

punto de conexión

El Gestor de la Red proporciona un

punto de conexión

El Gestor de la Red proporciona un

punto de conexión


CSP: Desarrollo del proyecto – Acceso a la red

Gestionabilidad RE – PO 08/2007Gestionabilidad RE – PO 08/2007 Sistema españolSistema español

Instalación debe poder ser controlada por el centro dedicado a renovables (CECRE)

Fiabilidad del programa:

90% a 24h vista95% a 6h vista

Condiciones requeridasCondiciones requeridas

Capacidad de almacenamiento: 4h

Eficiencia de restitución de energía : 60%

Capacidad de soportar huecos de tensión (hasta 1s)

BeneficiosBeneficios

Menos requerimientos y más garantías para obtener acceso a la red

Participación en el mercado servicios complementarios

El Promotor del Proyecto puede tomar la decisión de poner almacenamiento o no, luego disponer de una instalación gestionable o no.

Si no es gestionable, el acceso a la red resultará más difícil de obtener y estará sujeto a restricciones en el funcionamiento

El Promotor del Proyecto puede tomar la decisión de poner almacenamiento o no, luego disponer de una instalación gestionable o no.

Si no es gestionable, el acceso a la red resultará más difícil de obtener y estará sujeto a restricciones en el funcionamiento


CSP: Desarrollo del proyecto – Cuestiones técnicas

EspejosEspejos Algunas empresas que realizan proyectos solares están

desarrollando su propia tecnología, o compran fabricantes de espejos

Tubo de absorción

Tubo de absorción

Estructura de soporte

Estructura de soporte

Almacenamiento térmico

Almacenamiento térmico

Oligopolio de fabricantes Producto técnico y extremadamente crítico (vacío permanente, estabilidad de las capas,

alta transmisividad del vidrio, alta absortividad y baja emisividad del absorbedor, uniones metal/vidrio, tratamiento de la dilatación,…)

Hay distintas estructuras disponibles en el mercado Continua evolución hacia la satisfacción de los requerimientos al

coste más bajo

Las sales líquidas son la tecnología usada hasta el momento, pero hay muchas otras en desarrollo


CSP – Desarrollo del proyecto – Optimización del almacenamiento


CSP – Desarrollo del proyecto – Estructura contractual y financiación del proyecto

CONTRATOSCONTRATOS

Contrato Engineering Procurement and

Construction (EPC)

Contrato Engineering Procurement and

Construction (EPC)

Contrato LLave en ManoContrato LLave en Mano

Paquetes separados a negociar por el Promotor

del Proyecto

Paquetes separados a negociar por el Promotor

del Proyecto

Operación y mantenimientoOperación y mantenimiento

Conexión a la redConexión a la red

Obtención de combustibleObtención de combustible



Contrato LLave en ManoContrato LLave en Mano

One Main Contractor assumes the whole project and outsource the various packages to other companies

El precio es negociado ex-ante y es inamovible

La fecha de entrega se negocia ex-ante y es inamovible (bajo penalización )

Responsibility : only one visible head

Un Contratista Principal asume la totalidad del proyecto y asume o subcontrata los distintos paquetes a otras empresas

Responsabilidad: sólo una cabeza visible

El Contratista Principal asume el trabajo de supervisar y coordinar

Es entorno a un 20% más caro que con la opción “paquetes separados negociados por el promotor”

Para ser financiado por bancos, es la única estructura de contrato aceptada

La Entidad Financiera obtendrá del Contratista Principal las garantías requeridas



Estructura ContractualEstructura Contractual

Promotor del proyecto

Entidad Financiera

Consultor legal

Consultor técnico

Consultor de seguros

Consultor ambiental

Contratista Llave en Mano

Campo solar

Almacenamiento

Térmico

Bloque de potencia

Obra civil Sistemas Eléctricos

PROYECTOCombustible

Operación y mantenimiento

Seguros

Venta de electricidad



Principales riesgos de la CSP según las Entidades

Financieras

Principales riesgos de la CSP según las Entidades

Financieras

Almacenamiento de las sales fundidas

Generación esperada: – Disponibilidad y Calidad

de los datos de radiación solar

– Almacenamiento Térmico– Hibridar con GN o

biomasa

Disponibilidad de los componentes principales (espejos, tubos receptores)

Experiencia del Contratista Principal

Riesgo Administrativo: una vez alcanzados los objetivos fijados por el Ministerio, ¿las nuevas instalaciones puestas en servicio contarán también con el régimen de ayuda?


CSP – Algunos ratios

50 MW – Sin almacenamiento

50 MW – Sin almacenamiento

Inversión : 3000 €/kW

50 MW – Con almacenamiento

50 MW – Con almacenamiento

Producción anual: 2050 horas en el sur de España

Consumo de agua: 6m3/MWh

Consumo de gas : 60 GWh /año

Superficie de los colectores : 287000 m2, 52 km lineales

Inversión: 4500 €/kW up to 6000 €/kW

Producción anual: 3000 to 4000 hours – Sur de España

Superficie de los colectores: se incrementa de acuerdo con la capacidad de almacenamiento

Consumo de agua: 6m3/MWh - 1600 m3/día

Consumo de gas : > 60 GWh / year


CSP – Planes de apoyo

EspañaEspaña CSP :

– Objetivo : 500 MW en 2010– Tarifa : 278 €/MWh o precio de mercado + 262 €/MWh.

Duración : 25 years • Después de 25 años : 222 €/MWh o precio de mercado + 210 €/MWh

CPV : integrada en la FV general

– Objetivo de 371 MW alcanzado en 2007 (esperando nuevos planes hasta el año 2010)– Tarifa : hasta 2007 431 €/MWh – se espera 300 €/MWh desde Septiembre de 2008. Duración : 25 años + tarifa reducida después de este periodo– Expectativas de discriminar CPV de la FV general

Las Tarifas subvencionadas han proporcionado la confianza requerida para llevar a cabo grandes inversiones hasta de 6000 €/kW



Norte de ÁfricaNorte de África

Petición de ofertas por las agencias nacionales de electricidad

Ciclo Combinado con Energía Solar Integrada

(ISCC, Integrated Solar Combined Cycle)

– Excelente forma de recuperar la energía solar y optimizar su eficiencia termodinámica gracias a las altas temperaturas alcanzadas al quemar gas natural

– ISCC by Abengoa Solar : Marruecos 470 MW, Argelia 150 MW



EEUUEEUU

Requerimientos estatales RPS (Renewable Portfolio Standards) + remuneración basada en la negociacón PPA (Power Purchase Agreements) +Planes pluri-anuales del Federal ITC (Investment Tax Credit)

Abril de 2008 : Pacific Gas & Electric Company (PG&E) firman un contrato en firme para comprar electricidad generada en plantas solares del Desierto de Mojave: 500 MW + 400 MW opcionales

Febrero de 2008 : Arizona Public Service (APS) firma un contrato con Abengoa Solar para comprar electricidad de una planta solar de 280 MW

… Serie SEGS desde los ochenta : más de 300 MW con más de 20 años de experiencia en tecnología cilídrico- parabólica


CSP – Crecimiento actual

Sólo en España, habrá confirmados en firme más de 1000 MW durante 2008


CSP – Expectativas de mercado

De acuerdo con la German Aerospace Center (DLR), la CSP tiene un crecimiento potencial de 40 GW para 2030


CSP – Expectativas de mercado

Mucho más optimista, ESTELA, la Asociación Europea de Energía Solar Térmica (European Solar Thermal Electricity Association), considera que será de 60 GW para el 2030 sólo en Europa …


CSP – Expectativas de coste De acuerdo con ESTELA, la Asociación Europea de Energía Solar Térmica (European

Solar Thermal Electricity Association), sólo se puede esperar una reducción moderada en los costes de la energía debido al alto incremento de las materias primas, como el acero y el hormigón


Índice



Planes de apoyo




CPV – Aspectos generales

A pesar de su juventud (mucho menos madura que la CSP), ya hay varios MW instalados en todo el mundo

La gran reducción de coste está todavía por llegar gracias a la producción en serie

No necesita agua de refrigeración (excepto algunas aplicaciones especiales)

Tecnología modular y ampliable


CPV – La estrategia

Sustitución del caro semiconductor por un sistema óptico barato que concentra la luz en una pequeña célula FV

Uso de células FV de la mayor eficiencia disponible


CPV - Ventajas

No necesitan agua

No necesitan agua

Desarrollo de proyecto más breve

Desarrollo de proyecto más breveMenos sensible a climas cálidosMenos sensible a climas cálidos

Modulares / Ampliables

Modulares / Ampliables


CPV - Desventajas

Sensibilidad a las nubesSensibilidad a las nubes

No es fácil el almacenamiento

No es fácil el almacenamiento

Estas dos cuestiones deben ser solucionadas, ya que la red de transporte no puede aceptar fluctuaciones bruscas e imprevistas en la energía generada


CPV – Componentes: Células – Células de triple unión

El principio es que si cada material opera con diferentes longitudes de onda, los tres cubrirán un largo espectro


CPV – Componentes: Celdas – Evolución Tecnológica

En 2009, una media de eficiencia superior al 40% será lo normal para celdas multi-unión


CPV – Componentes: Concentrador - Tecnologías

LentesLentes EspejoEspejo

Baja concentración

Cassegrain


CPV – Componentes: Concentrador - Tecnologías

Torre central CPVTorre central CPV

Desarrollado por Solar Systems en Australia


CPV – Componentes: Sistema de rastreo

La luz necesita ser focalizada en la célula, no cerca de ella Cuanto mayor índice de concentración, menor tolerancia de ángulo En la práctica, actualmente se alcanza el 0.1% de precisión Se necesitan estructuras sólidas Se están desarrollando nuevos conceptos estructurales

Necesidad de una precisión cada vez mayor

Necesidad de una precisión cada vez mayor


CPV – Potencial reducción de costes

FV planas : los módulos representan el

45% del coste total

FV planas : los módulos representan el

45% del coste total

El 40% de los costes restantes son

proporcionales al área

El 40% de los costes restantes son

proporcionales al área

Una reducción en el coste del módulo y en el área requerida conducirían a un drástico decrecimiento del coste de la energía generada

Fuente : Concentrix


CPV – Reducción de área

Para la misma superficie, la potencia

instalada escasi 50% mayor

Para la misma superficie, la potencia

instalada escasi 50% mayor

Dicho de otro modo, para instalar una

potencia equivalente, es necesario 30% menos de material

Dicho de otro modo, para instalar una

potencia equivalente, es necesario 30% menos de material


CPV – Expectativas de reducción de coste

El coste de inversión se dividirá por 3 en los próximos diez años

El coste de inversión se dividirá por 3 en los próximos diez años

Fuente : Concentrix


CPV – Objetivos de reducción de costes


CPV – Crecimiento del mercado – algunos ejemplos

EMCOREEMCORE



GUASCOR FOTONGUASCOR FOTON



SOL 3GSOL 3G


Índice



Planes de apoyo




Comparativa CSP - CPVConcentradores cilíndrico-parabólicos

Torre central Discos parabólicos Stirling

CPV

Rango de potencia 20 – 300 MW 20 – 100 MW 5 – 40 kW por disco. Ampliable

10 kW – 20 kW por seguidor. Ampliable

Temperatura de funcionamiento

395ºC 600ºC 700ºC Efecto FV, no térmico

Eficiencia del sistema (eléctrica / solar)

21% 23% 31% Actualmente : 25 %Pronto : > 30 %

Disponible comercialmente

Sí Pronto Sólo prototipos Sí, disponible en cantidades considerables en los próximos años

Almacenamiento integrado

Térmico : posible Térmico : posible ? No

Diseño híbrido Posible (cualquier combustible)

Posible (cualquier combustible)

Posible (cualquier combustible)

No

Consumo de agua 6 m3/MWh Similar a CSP con cilíndrico-parabólicos

No necesita agua No necesita agua

Uso del espacio (Ha / MW)

2,5 – 3 (más si tiene almacenamiento)

2 – 2,5 (más si tiene almacenamiento)

2 2


Comparativa CSP - CPV

Concentradores cilíndrico-parabólicos

Torre central

Platos parabólicos Stirling

CPV

Coste de inversión actual

4 – 6 €/W (según tamaño de almacenamiento)

4 – 6,5 €/W 14 €/W 6 – 7 €/W

Coste Actual de la Energía - LCOE (Levelized Cost of Energy)

260 €/MWh en el sur de Europa – 180 €/MWh en MENA*

? ? 300 €/MW en el sur de Europa. Más bajo en lugares más soleados

LCOE esperado para 2020

200 €/MWh en el sur de Europa. Más bajo en lugares más soleados

En la línea de los cilíndrico-parabólicos

En la línea de los cilíndrico-parabólicos

120 – 150 €/MWh en el sur de Europa. Más bajo en lugares más soleados

*MENA : Middle East, North Africa


References

• CSP summit – Madrid February 2008 – Intereconomía Conferencias• CPV summit, Madrid 1-2 April 2008 (http://www.cpvtoday.com/index.shtml)

• http://www.schott.com/csp/english/download/schott_memorandum_e.pdf• http://www.wbgu.de/wbgu_publications_annual.html

• http://www.eupvplatform.org/• http://www.csptoday.com/


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