Hibridación o soluciones convencionales

En Antofagasta (Chile) y en Quito (Ecuador) tienen pocas variaciones en cuanto al consumo de energía, por las condiciones del clima son más bien estables. Pero en Phoenix (EE.UU.) y Targassonne (Francia) las estaciones marcan picos altos y bajos.

Esta primera definición técnica significa que en estos cuatro lugares del mundo hay seres humanos iguales que utilizan los recursos de manera diferente. Y que los investigadores de enfrentan a decisiones difíciles para encontrar soluciones adecuadas.

De hecho, los desafíos del cambio climático están obligando a la sociedad a adaptarse rápidamente a nuevas formas de generación de energía y a los investigadores a aplicarse cada vez más en las soluciones.

Es importante señalar que la energía de origen solar se muestra como una vía para satisfacer la demanda eléctrica mundial, porque reduce la emisión de gases de efecto invernadero.

Las plantas solares fotovoltaicas (PV),que transforman directamente la radiación solar en electricidad, han ganado terreno a nivel mundial, principalmente por los bajos precios de los paneles fotovoltaicos. Sin embargo, se enfrentan a una escasa capacidad para acumularla y esto ha limitado una expansión más amplia.

Por otra parte, las tecnologías de concentración solar (CSP), las que utilizan espejos para concentrar la radiación solar de manera de ser aprovechada de forma térmica en una turbina y, así, generar electricidad, no han sido mayormente implementadas porque se enfrentan a altos costos.

Sin embargo, a diferencia de las centrales PV, las centrales CSP intrínsecamente poseen una capacidad de acumulación de energía térmica que ofrecen la posibilidad de generar electricidad en momentos en los cuales el sol no está disponible (durante las noches y en días nublados).

La energía de origen solar tiene muchas ventajas. A pesar de ello, en 2019 el aporte de esta energía en la matriz energética global significó solamente el 1,1 %.

Es necesario modificar este porcentaje. Para aprovechar la funcionalidad de las tecnologías solares, se han propuesto varios conceptos de hibridización PV+CSP. Los bajos costos de los paneles PV y la capacidad de acumulación de las centrales CSP, se muestran, al menos aparentemente, complementarios.

En esta ruta, se han realizado diferentes propuestas de hibridización de tecnologías solares. En un grupo de ellas están las centrales no compactas; consisten en dos centrales solares separadas, una PV y otra CSP, que operan juntas y coordinadas, con el fin de satisfacer la demanda eléctrica. También se ha experimentado con las centrales compactas, que usan elementos tecnológicos que cumplen funciones fotovoltaicas y de concentración a la vez.

En el grupo de las centrales compactas, dos conceptos se muestran como los más prometedores. Primero, One-sun (1S), que consiste en remplazar los espejos de una central CSP convencional por espejos fotovoltaicos. Estos espejos están formados por capas muy delgadas de material fotovoltaico (e.g. AsGa) con una capa altamente reflectiva en su parte posterior. La reflectividad ayuda a que las celdas fotovoltaicas absorban fotones con mayor efectividad y a la vez reflejan la radiación incidente en los espejos, para que pueda ser utilizada como una planta CSP convencional.

El segundo es el concepto High temperature (HT), que trata de reemplazar la superficie absorbedora del receptor de una central CSP convencional, con un conjunto de celdas fotovoltaicas multi-junction, las que trabajan a alta temperatura (400 ºC, aproximadamente), pero con eficiencias de conversión muy elevadas (ver figura 1).

En el proyecto Fondo de Solidaridad para Proyectos Innovadores (FSPI), finnciado por el Ministerio de Asuntos Extranjeros de Francia, investigadores del laboratorio Procedes, Materiaux et Energie Solaire (PROMES) de Francia y de la Escuela Politécnica Nacional (EPN) de Ecuador se propusieron comprender cómo se adaptan las tecnologías solares a diferentes sitios, dependiendo de sus niveles de irradiación, su ubicación geográfica y la curva de consumo de energía de la región estudiada.

Se estudiaron cinco conceptos:

1. Central de concentración convencional (CSP)
2. Central híbrida compacta “one-sun” (1S)
3. Central híbrida compacta “high-temperature” (HT)
4. Central fotovoltaica con acumulación térmica (PV+TES)
5. Central fotovoltaica con acumulación de baterías (PV+BESS)

Las concepciones propuestas, a diferencia de una central PV convencional, tienen  acumulación de energía por medio de sales fundidas, que es la forma usual de acumulación de las centrales CSP (excepto para la central PV + BESS, que usa baterías de ión-litio).  Esta acumulación les permite operar por algunas horas luego de la puesta del sol.

Luego, había que comparar sistemas. Para ello, se utilizó un modelo de transformación de energía solar adaptado, para tomar en consideración la acumulación energética en sales fundidas (excepto en el modelo PV+BESS) y el despacho eléctrico, a través de un perfil de demanda y un modelo de costos.

La investigación se desarrolló en la central experimental Themis, ubicada en Targassonne, Francia, como referencia de central CSP convencional. Las centrales 1S y HT son diferentes en sus espejos o su receptor, respectivamente. En la figura 1 se muestran fotografías de la central Themis, con aumento en uno de sus espejos y en su receptor.

Luego, cuatro diferentes localizaciones se usaron para las comparaciones. Dos de ellas son sitios con niveles de radiación elevados (DNI/GHI>1): Antofagasta y Phoenix; y dos lugares con niveles de radiación moderados (DNI/GHI<1), Quito y Targassonne.

De estas, dos ubicaciones se caracterizan por una demanda anual casi constante (Antofagasta y Quito) y dos sitos por una marcada diferencia estacional de demanda (Phoenix y Targassonne).

Los resultados del estudio mostraron que, a pesar de que las tecnologías híbridas compactas (1S, HT) podrían generar más electricidad que las convencionales (CSP, PV + TES, PV + BESS), en la práctica cuando las centrales deben adaptarse a la climatología local (nubosidad) y a la demanda local pierden esta ventaja, llegan a funcionar de manera cercana a las convencionales.

Este resultado sugiere que los esfuerzos de implementación de tecnologías solar, a nivel mundial, deberían enfocarse en las tecnologías convencionales.

Si se mira con más cuidado el caso de Ecuador, en vista que tiene un potencial solar moderado, las tecnologías que más se adaptan a nuestro país son la fotovoltaica (PV + TES, PV + BESS), excepto para las dos regiones con mayor insolación del país: Galápagos y Loja. Allí, la tecnología de concentración CSP es más interesante.

Si bien las tecnologías solares podrían ser capaces de satisfacer la demanda de una región, el principal obstáculo es, todavía y a pesar de los esfuerzo, la acumulación de la energía para ser utilizada cuando no hay radiación solar.

Formas complementarias de acumulación deben ser aún investigadas para aprovechar de mejor manera el potencial solar de Ecuador y del resto del mundo. Todavía hay camino que recorrer.