Energía Solar Térmica
¿Qué es la energía solar térmica?
La energía solar térmica, o energía termosolar, es una fuente renovable que utiliza la radiación solar para generar calor. Este calor se emplea en aplicaciones como el agua caliente sanitaria, calefacción, procesos industriales e incluso la generación de electricidad. A diferencia de la energía solar fotovoltaica, que produce electricidad, la solar térmica se basa en captadores solares que calientan un fluido caloportador.
Este tipo de energía destaca por su versatilidad, desde sistemas de baja temperatura para el hogar hasta avanzados sistemas de alta temperatura con almacenamiento en sales fundidas, lo que permite un suministro continuo incluso en ausencia de sol. La energía solar térmica es una pieza clave en la transición energética, contribuyendo a la sostenibilidad y la reducción de emisiones.
¿Cómo funciona la energía solar térmica?
La energía solar térmica funciona capturando la radiación solar para convertirla en calor, que posteriormente se utiliza en diversas aplicaciones. Este proceso involucra varios componentes esenciales que trabajan juntos para aprovechar al máximo la energía del sol. A continuación se describen las distintas etapas del funcionamiento de la energía termosolar:
- Captación de la Radiación Solar: La luz del sol es absorbida por colectores solares térmicos, que pueden ser de diferentes tipos: planos, de tubo de vacío o de concentración. Estos dispositivos están diseñados para maximizar la absorción de la energía solar y minimizar las pérdidas de calor.
- Transferencia de Calor al Fluido Caloportador: Dentro de los colectores, un fluido caloportador, como agua o una mezcla de agua y glicol, se calienta al circular por tuberías expuestas a los rayos solares. Este fluido transporta el calor hacia el sistema de almacenamiento o directamente a su aplicación.
- Almacenamiento de la Energía Térmica (Opcional): En sistemas más avanzados, el calor capturado se almacena en depósitos de agua caliente o mediante tecnologías de almacenamiento térmico, como las sales fundidas. Este almacenamiento permite disponer de energía incluso en ausencia de sol, como durante la noche o días nublados.
- Distribución y Uso del Calor: El calor acumulado se emplea en aplicaciones específicas. Las más comunes son:
- Agua caliente sanitaria (ACS): Calentamiento de agua para uso doméstico o industrial.
- Calefacción y climatización: Transferencia de calor a sistemas de calefacción para edificios o piscinas.
- Procesos industriales: Generación de calor de proceso para industrias que necesitan altas temperaturas.
- Generación de electricidad: En sistemas de alta temperatura, como en las centrales termosolares, el calor se utiliza para producir vapor y mover turbinas eléctricas.
- Cierre del Ciclo: El fluido caloportador, tras transferir el calor, regresa al colector para reiniciar el ciclo. En el caso de sistemas termosolares más avanzados, el calor residual puede reciclarse para optimizar la eficiencia.
Principio de funcionamiento de sistema de refrigeración de interiores utilizando energía solar con un mínimo gasto eléctrico.
Componentes principales de una instalación solar térmica
Una instalación solar térmica combina varios elementos que trabajan en conjunto para captar y utilizar la energía del sol. Cada componente cumple una función clave dentro del sistema, desde la captación hasta la distribución del calor generado.
Colectores solares térmicos
Los colectores solares son el corazón del sistema, encargados de captar la radiación solar y convertirla en energía térmica. Existen varios tipos:
- Colectores planos: Comunes en aplicaciones domésticas, ideales para temperaturas moderadas.
- Tubo de vacío: Más eficientes en climas fríos o para altas temperaturas, ya que reducen las pérdidas de calor.
- Colectores de concentración: Usados en instalaciones industriales o centrales termosolares, capaces de alcanzar temperaturas extremadamente altas al concentrar la radiación en un único punto.
Fluido caloportador
El fluido caloportador es el medio que transporta el calor desde los colectores hacia el lugar donde se almacena o utiliza. Puede ser agua, una mezcla con anticongelante o incluso sales fundidas en sistemas avanzados, como las centrales termosolares.
Depósitos de almacenamiento térmico
Para aprovechar al máximo la energía solar, el calor captado se almacena en depósitos térmicos.
- En sistemas domésticos, suelen ser tanques de agua caliente.
- En grandes instalaciones, como las centrales solares, se utilizan sistemas con sales fundidas que almacenan grandes cantidades de energía durante largos períodos.
Intercambiador de calor
En sistemas indirectos, este dispositivo transfiere el calor del fluido caloportador al agua o fluido que se usará, sin mezclar ambos líquidos. Esto es esencial para evitar contaminación y mantener la eficiencia.
Bombas de circulación y tuberías
La circulación del fluido puede ser natural, aprovechando el principio de termosifón, o forzada, mediante bombas que garantizan un flujo constante. Las tuberías están aisladas térmicamente para minimizar pérdidas de calor.
Sistema de control y monitorización
Sensores y controladores electrónicos aseguran que el sistema funcione de forma eficiente. Regulan las bombas de circulación y ajustan el rendimiento según las necesidades de consumo y las condiciones climáticas.
Elementos de seguridad y soporte
- Válvulas de seguridad: Protegen frente a sobrecalentamientos y excesos de presión.
- Estructuras de soporte: Aseguran que los colectores estén orientados para captar la máxima radiación posible.
Tipos de sistemas de energía solar térmica
Sistemas de baja, media y alta temperatura
La clasificación de los sistemas de energía solar térmica según su rango de temperatura permite adaptarlos a diferentes necesidades, desde el uso doméstico hasta aplicaciones industriales de alta complejidad.
Los sistemas de baja temperatura son los más comunes en viviendas y edificios. Operan a temperaturas de hasta 65 °C y se emplean para producir agua caliente sanitaria, calefacción doméstica y climatización de piscinas. Su tecnología suele basarse en colectores planos o sistemas de termosifón, que son económicos y fáciles de instalar.
En el rango de media temperatura, que abarca desde los 65 °C hasta los 250 °C, estos sistemas se adaptan a procesos industriales ligeros, generación de vapor a baja presión y redes de calefacción centralizada. Para minimizar las pérdidas de calor, se emplean colectores de tubos de vacío o tecnologías más avanzadas.
Por último, los sistemas de alta temperatura alcanzan más de 250 °C y son fundamentales en aplicaciones como las centrales termosolares, procesos industriales intensivos y la producción de hidrógeno verde. En este caso, se utilizan tecnologías como los concentradores cilindro-parabólicos, discos parabólicos y torres solares, que a menudo incorporan sistemas de almacenamiento con sales fundidas para mejorar la eficiencia y estabilidad.
Este abanico de tecnologías permite cubrir una variedad de aplicaciones, maximizando el aprovechamiento de la energía solar térmica en distintos contextos.
Colectores solares térmicos: planos, de vacío y de concentración
Los colectores solares térmicos son componentes esenciales en los sistemas de energía solar térmica, responsables de captar la radiación solar y transformarla en energía térmica. Dependiendo de sus características y aplicaciones, se clasifican en tres tipos principales: colectores planos, de vacío y de concentración.
Colectores Planos
Los colectores planos son los más comunes y económicos. Su diseño sencillo consiste en una caja aislada térmicamente que contiene un absorbedor oscuro cubierto por una lámina de vidrio transparente o plástico. Este tipo de colector opera eficientemente a temperaturas bajas y medias, generalmente hasta 80 °C, lo que los hace ideales para aplicaciones domésticas como el agua caliente sanitaria (ACS) y la calefacción de piscinas.
Su simplicidad y bajo costo los convierten en una opción popular para instalaciones residenciales y comerciales pequeñas.
Colectores de Tubos de Vacío
Los colectores de tubos de vacío destacan por su capacidad para alcanzar temperaturas más altas, hasta 150 °C o más, gracias a su diseño avanzado que reduce significativamente las pérdidas térmicas. Están compuestos por tubos cilíndricos de vidrio con vacío en su interior, lo que proporciona un excelente aislamiento térmico.
Estos colectores son adecuados para aplicaciones industriales ligeras, redes de calefacción y en lugares con climas fríos donde las pérdidas de calor pueden ser un problema significativo. Además, su capacidad de modularidad facilita su instalación en techos pequeños o superficies limitadas.
Colectores de Concentración
Los colectores de concentración utilizan espejos o lentes para enfocar la radiación solar en un área pequeña, logrando temperaturas superiores a 250 °C. Este tipo incluye tecnologías como los concentradores cilindro-parabólicos, discos parabólicos y torres solares.
Son esenciales en aplicaciones industriales de alta temperatura y en centrales termosolares donde la generación de electricidad requiere calentar fluidos a temperaturas extremadamente elevadas. Los colectores de concentración suelen combinarse con sistemas de almacenamiento térmico, como las sales fundidas, para garantizar un suministro energético constante incluso durante la noche o días nublados.
¿Cómo elegir el colector adecuado?
La elección del tipo de colector depende de factores como las necesidades de temperatura, el uso previsto, el clima de la ubicación y el presupuesto. Por ejemplo, mientras los colectores planos son perfectos para un hogar, las aplicaciones industriales pueden requerir colectores de tubos de vacío o de concentración.
Estos colectores forman parte de un sistema bien diseñado que aprovecha al máximo la energía solar disponible y contribuye a reducir la dependencia de fuentes de energía tradicionales.
Esquemas de instalación: termosifón y sistemas forzados
En una instalación solar térmica, los esquemas de circulación del fluido térmico son fundamentales para determinar la eficiencia y la adaptabilidad del sistema a diferentes necesidades. Los dos esquemas principales son el termosifón y los sistemas forzados, cada uno con características específicas que los hacen más adecuados para ciertos usos y condiciones.
Sistema de Termosifón
El sistema de termosifón opera gracias a la circulación natural del fluido térmico dentro del circuito cerrado. Este movimiento ocurre porque el fluido caliente, menos denso, asciende hacia el depósito de almacenamiento, mientras que el fluido frío desciende hacia el colector solar. No requiere bombas ni componentes eléctricos, lo que simplifica su diseño y reduce el coste y mantenimiento.
- Ventajas:
- Simplicidad de instalación.
- Bajo coste inicial y operativo.
- Ideal para aplicaciones residenciales en climas cálidos y soleados.
- Limitaciones:
- Depende de una diferencia significativa de altura entre el colector y el tanque de almacenamiento.
- Menos eficiente en climas fríos o nublados, ya que no tiene mecanismos para impulsar la circulación.
Sistema Forzado
Los sistemas forzados, también conocidos como sistemas de circulación activa, emplean bombas y controles electrónicos para mover el fluido térmico desde el colector hasta el depósito de almacenamiento, independientemente de su ubicación relativa.
- Ventajas:
- Flexibilidad en el diseño e instalación, permitiendo colocar el tanque lejos del colector.
- Mayor eficiencia en climas fríos o con radiación solar variable.
- Adaptabilidad a grandes instalaciones, como edificios o aplicaciones industriales.
- Limitaciones:
- Costes más elevados debido a los componentes adicionales como bombas y sistemas de control.
- Mayor mantenimiento requerido, ya que incluye partes mecánicas y eléctricas.
¿Cómo elegir el esquema adecuado?
La elección entre un sistema de termosifón o uno forzado depende de varios factores clave:
- Ubicación geográfica: En zonas cálidas con suficiente radiación solar, el termosifón puede ser más rentable. En climas fríos o montañosos, los sistemas forzados ofrecen un mejor rendimiento.
- Tamaño de la instalación: Para instalaciones pequeñas o domésticas, el termosifón suele ser suficiente. Para proyectos mayores o industriales, los sistemas forzados son más prácticos.
- Presupuesto: El termosifón es más económico inicialmente, pero los sistemas forzados ofrecen mayor eficiencia en el largo plazo.
Aplicaciones de la energía solar térmica
Agua Caliente Sanitaria (ACS)
La energía solar térmica es ampliamente utilizada para generar agua caliente sanitaria (ACS), una aplicación fundamental tanto en viviendas como en instalaciones comerciales e industriales. Este uso aprovecha la radiación solar para calentar agua destinada a usos domésticos, como duchas, limpieza y cocina, o a procesos industriales específicos que requieren agua caliente.
Funcionamiento de un sistema solar térmico para ACS
Un sistema de energía solar térmica para ACS consta principalmente de colectores solares, un depósito de almacenamiento y un sistema de distribución. Los colectores captan la radiación solar, calientan un fluido térmico que circula a través de ellos y transfieren el calor al agua en el depósito mediante un intercambiador de calor.
Este esquema puede combinarse con sistemas auxiliares, como calderas de gas o electricidad, para garantizar el suministro de ACS en días nublados o cuando la demanda supera la capacidad del sistema solar.
En un calentador de agua solar el agua circula de arriba a abajo en un circuito cerrado calentándose por las tuberías dispuestas bajo la luz solar
Ventajas del uso de energía solar térmica para ACS
- Reducción de costes energéticos: Al depender del sol como fuente principal, los sistemas de ACS con energía solar térmica disminuyen el consumo de electricidad o combustibles fósiles, reduciendo las facturas energéticas.
- Impacto ambiental reducido: Este uso de energía renovable disminuye las emisiones de CO₂, contribuyendo a mitigar el cambio climático.
- Versatilidad: Los sistemas solares térmicos para ACS son adaptables a diversas escalas, desde viviendas unifamiliares hasta grandes instalaciones hoteleras, hospitales o fábricas.
Factores a considerar en un sistema de ACS
- Dimensión del sistema: La capacidad del depósito y la superficie de los colectores deben dimensionarse según el número de usuarios y el consumo promedio de agua caliente.
- Clima local: Zonas con alta radiación solar permiten maximizar la eficiencia del sistema, aunque con tecnologías avanzadas también es viable en climas menos soleados.
- Normativa y ayudas: En muchos países, la instalación de sistemas solares térmicos cuenta con subvenciones y beneficios fiscales que hacen más accesible su implementación.
Integración con otros sistemas
La producción de ACS con energía solar térmica puede combinarse con sistemas de calefacción o incluso con redes de refrigeración solar, optimizando la inversión y aumentando la eficiencia global del sistema energético de un edificio.
La generación de ACS es una de las aplicaciones más extendidas y exitosas de la energía solar térmica, siendo un ejemplo tangible de cómo la tecnología renovable mejora la sostenibilidad de las viviendas y las instalaciones comerciales e industriales.
Ya en 1891 Clarence Kemp, fabricante de tuberías, diseñó el primer calentador de agua aprovechando la energía solar
Calefacción y climatización
La energía solar térmica se utiliza ampliamente en calefacción y climatización, ofreciendo soluciones sostenibles para mantener los espacios interiores cálidos o frescos según la necesidad. Estas aplicaciones aprovechan la radiación solar para generar calor o activar procesos de enfriamiento.
En sistemas de calefacción, la energía captada por los colectores solares se utiliza para calentar un fluido, como agua o aire, que se distribuye a través de radiadores, suelo radiante o sistemas de aire caliente. Este método es ideal para hogares, edificios comerciales e incluso redes de calefacción centralizada. Además, los depósitos de almacenamiento permiten disponer de calor incluso cuando no hay radiación solar directa, y los sistemas auxiliares, como bombas de calor o calderas, garantizan el suministro en climas más fríos.
Por otro lado, en la climatización, la refrigeración solar térmica utiliza tecnologías como la absorción o la adsorción para transformar el calor en frío. Este tipo de sistema es especialmente útil en regiones cálidas, donde la demanda de aire acondicionado coincide con la mayor disponibilidad de radiación solar. La combinación de estos sistemas con tecnologías fotovoltaicas o híbridas permite un manejo integral de las necesidades energéticas de los edificios, maximizando la eficiencia y reduciendo costes operativos.
Refrigeración solar
La refrigeración solar es una aplicación avanzada de la energía solar térmica que permite generar frío utilizando el calor captado por sistemas solares. Esto la convierte en una opción sostenible y eficiente frente a los métodos convencionales de aire acondicionado.
El funcionamiento básico se basa en convertir la energía térmica en frío mediante ciclos de absorción o adsorción. En el primero, el calor se emplea para evaporar un fluido refrigerante, que absorbe el calor del ambiente a medida que se condensa nuevamente. En el caso de los sistemas de adsorción, se usan materiales especiales como zeolitas que retienen y liberan el fluido refrigerante según la temperatura.
Esta tecnología es particularmente eficiente en climas cálidos, donde la demanda de refrigeración es mayor justamente cuando más energía solar está disponible. Su principal atractivo radica en la posibilidad de reducir las emisiones de CO₂ y los costos energéticos a largo plazo.
Entre sus aplicaciones destacan los edificios residenciales y comerciales, la refrigeración de productos agrícolas y las necesidades de enfriamiento en industrias y centros de datos. Aunque todavía enfrenta desafíos relacionados con los costos iniciales y la complejidad técnica, su desarrollo es prometedor gracias a los avances en colectores solares y almacenamiento térmico.
Aplicaciones industriales
La energía solar térmica no solo es útil para aplicaciones domésticas o residenciales; también desempeña un papel crucial en diversos procesos industriales, especialmente en aquellos que requieren calor en rangos de baja a media temperatura.
Procesos Industriales que Requieren Calor
En muchos sectores industriales, la energía solar térmica se utiliza para generar calor necesario en procesos como:
- Pasteurización y esterilización: En la industria alimentaria y farmacéutica, donde es crucial mantener estándares de higiene estrictos.
- Secado: En sectores como la agricultura (para secar alimentos) y la producción textil.
- Calentamiento de fluidos: En procesos como el pretratamiento químico, galvanización o limpieza industrial.
- Generación de vapor: En fábricas que necesitan vapor para alimentar turbinas o maquinaria.
Ventajas de la Energía Solar Térmica en la Industria
- Reducción de costos operativos: La energía solar disminuye significativamente el consumo de combustibles fósiles, reduciendo las facturas energéticas.
- Sostenibilidad: Mejora la huella de carbono de las empresas, un factor cada vez más relevante para cumplir con regulaciones medioambientales y mejorar la percepción pública.
- Adaptabilidad: Los sistemas solares térmicos pueden integrarse fácilmente en procesos industriales existentes.
Ejemplos de Aplicaciones Reales
- Industria Alimentaria: Calentamiento de agua para el lavado y la esterilización de equipos.
- Industria Textil: Secado de tejidos y calentamiento de baños químicos.
- Sector Químico: Precalentamiento de soluciones químicas y generación de vapor.
Almacenamiento de energía en sales fundidas
¿Qué son las sales fundidas?
Las sales fundidas son mezclas de sales inorgánicas que, en estado líquido, pueden almacenar y transferir energía térmica de manera eficiente. Están compuestas típicamente por nitratos, cloruros o carbonatos de sodio, potasio o calcio, y se emplean ampliamente en sistemas de energía solar térmica, especialmente en centrales termosolares.
Características principales de las sales fundidas:
- Punto de fusión moderado: Las sales fundidas tienen puntos de fusión típicamente entre 120 °C y 300 °C, lo que las hace aptas para aplicaciones de alta temperatura.
- Alta capacidad calorífica: Pueden absorber y almacenar grandes cantidades de energía térmica por unidad de masa.
- Estabilidad térmica: Son capaces de operar de manera estable a temperaturas elevadas, alcanzando hasta 600 °C o más, dependiendo de la composición.
- Compatibilidad ambiental: Muchas mezclas de sales fundidas son químicamente estables y no presentan riesgos significativos de contaminación ambiental.
Composición común de las sales fundidas:
- Nitratos de sodio y potasio: Son las más utilizadas en sistemas solares debido a su estabilidad térmica y su bajo costo relativo.
- Cloruros y carbonatos: Aunque menos comunes por su mayor corrosividad, ofrecen ventajas en términos de mayor capacidad de almacenamiento térmico.
Ventajas del almacenamiento térmico en sales fundidas
- Alta capacidad de almacenamiento energético: Las sales fundidas tienen una elevada capacidad calorífica, permitiendo almacenar grandes cantidades de energía térmica en un volumen reducido. Esto es ideal para centrales termosolares que necesitan generar electricidad incluso por la noche o en días nublados.
- Operación a altas temperaturas: Estos compuestos pueden funcionar de manera eficiente a temperaturas de hasta 600 °C o más, asegurando un rendimiento confiable en aplicaciones de alta temperatura como la generación eléctrica.
- Coste competitivo: Comparadas con otras tecnologías de almacenamiento como baterías de litio, las sales fundidas ofrecen un coste más bajo por unidad de energía almacenada, especialmente en proyectos de gran escala.
- Escalabilidad y adaptabilidad: Los sistemas de sales fundidas pueden ajustarse según las necesidades del proyecto, siendo útiles tanto para instalaciones pequeñas como para grandes plantas termosolares.
- Garantía de continuidad energética: Almacenan el calor captado durante el día para uso nocturno o en momentos de baja radiación solar, mejorando la estabilidad del suministro energético.
- Baja huella ambiental: Los compuestos utilizados, como los nitratos de sodio y potasio, son reutilizables, tienen una larga vida útil y generan pocos residuos, contribuyendo a la sostenibilidad.
- Compatibilidad con tecnologías de concentración solar: Su capacidad para manejar altas temperaturas las hace ideales para sistemas como colectores cilindro-parabólicos o torres solares, maximizando la eficiencia de estas tecnologías.
Funcionamiento de los sistemas de almacenamiento con sales fundidas
Los sistemas de almacenamiento con sales fundidas operan mediante un proceso de almacenamiento térmico que utiliza las propiedades físicas de las sales para retener y liberar calor a alta temperatura. Este mecanismo se emplea comúnmente en centrales termosolares, donde se requiere una solución eficiente para almacenar energía y garantizar un suministro continuo.
- Captación de calor solar: La radiación solar es concentrada mediante espejos o lentes hacia un receptor que eleva la temperatura de las sales fundidas, que pueden superar los 500 °C en este punto. Este calor proviene de colectores de concentración como torres solares o sistemas cilindro-parabólicos.
- Almacenamiento en tanques térmicos: Las sales fundidas calentadas se almacenan en un tanque térmicamente aislado conocido como tanque caliente. Estos tanques están diseñados para mantener las sales a alta temperatura durante largos periodos con mínimas pérdidas de energía.
- Transferencia para generación de energía: Cuando se necesita generar electricidad, las sales fundidas calientes se transfieren a un intercambiador de calor, donde calientan agua para producir vapor de alta presión. Este vapor acciona turbinas que generan electricidad.
- Retorno de las sales al tanque frío: Una vez que las sales fundidas han transferido su calor, se enfrían y se almacenan en un segundo tanque, conocido como tanque frío, a temperaturas entre 250 °C y 300 °C. Desde este tanque, pueden ser recirculadas nuevamente al receptor solar para reiniciar el ciclo.
El almacenamiento térmico en sales fundidas es clave para mejorar la eficiencia y confiabilidad de las centrales termosolares, consolidándolas como una tecnología esencial en la transición energética global.
Centrales solares térmicas
Definición y tipos de centrales termosolares
Las centrales solares térmicas son instalaciones diseñadas para aprovechar la energía del sol mediante concentradores solares que calientan un fluido para producir electricidad. A diferencia de los sistemas fotovoltaicos, las centrales termosolares generan energía eléctrica utilizando calor, lo que permite integrarlas con sistemas de almacenamiento térmico, como las sales fundidas, para suministrar energía incluso cuando no hay sol.
Existen varios tipos de centrales solares térmicas, dependiendo de la tecnología utilizada para concentrar y aprovechar la radiación solar:
Centrales cilindro-parabólicas
Estas centrales utilizan espejos en forma de parábola para concentrar la radiación solar sobre un tubo receptor que contiene un fluido térmico, como aceites sintéticos. Este fluido se calienta y transfiere su energía a un generador de vapor, que impulsa una turbina para producir electricidad.
Un concentrador solar parabólico lineal utiliza un semi-cilindro parabólico para concentrar la luz solar a lo largo de la tubería por la que circula el refrigerante
Centrales de disco parabólico
Utilizan un único concentrador parabólico para dirigir la radiación solar hacia un receptor montado en el punto focal del disco. Este sistema es ideal para aplicaciones descentralizadas o a pequeña escala, y suele incluir motores Stirling para generar electricidad.
Un plato parabólico solar permite generar electricidad concentrando la energía solar en un motor Stirling, que al calentarse comienza a funcionar y genera electricidad con un alternador.
Centrales de torre solar
En este tipo de central, una serie de heliostatos (espejos móviles) concentran la radiación solar en un receptor ubicado en la parte superior de una torre. El calor se transfiere a un fluido, como sales fundidas, que genera vapor para accionar las turbinas. Estas centrales destacan por alcanzar temperaturas muy elevadas, optimizando la eficiencia del sistema.
La primera centrar termosolar construida fue en Australia y se llama Crescent Dunes, con una potencia de 110 MW y una capacidad de almacenamiento de más de 1 GWh
Centrales Fresnel
Emplean espejos planos o ligeramente curvados que reflejan la luz hacia un receptor fijo. Aunque la eficiencia es menor en comparación con los sistemas cilindro-parabólicos, estas centrales son más económicas y fáciles de instalar.
Funcionamiento de una central solar térmica
El funcionamiento de una central solar térmica se basa en la captación, concentración y conversión de la energía solar en electricidad mediante el uso de calor. Este proceso combina tecnologías ópticas y térmicas para maximizar la eficiencia energética. A continuación, se detalla cómo opera una central solar térmica:
- Captación de radiación solar
- Los sistemas de espejos, como heliostatos o colectores parabólicos, se orientan para captar la mayor cantidad posible de radiación solar.
- La luz solar es concentrada en un receptor que puede estar ubicado en un tubo (en el caso de los cilindros parabólicos) o en la parte superior de una torre (en centrales de torre solar).
- Transformación en calor
- En el receptor, la radiación solar se convierte en calor al calentar un fluido térmico. Dependiendo de la tecnología, el fluido puede ser un aceite sintético, agua, aire comprimido o sales fundidas.
- Este fluido puede alcanzar temperaturas entre 300 °C y 1000 °C, según el diseño de la central.
- Almacenamiento térmico (opcional)
- El fluido térmico caliente puede almacenarse en sistemas como tanques de sales fundidas, lo que permite generar energía incluso cuando no hay radiación solar disponible.
- Este almacenamiento térmico es clave para garantizar un suministro constante de electricidad y estabilizar la red eléctrica.
- Generación de vapor
- El fluido caliente se transfiere a un intercambiador de calor donde calienta agua para generar vapor a alta presión.
- Este vapor es utilizado para accionar turbinas conectadas a generadores eléctricos.
- Conversión en electricidad
- La energía mecánica generada por la turbina es transformada en electricidad mediante un generador.
- La electricidad se acondiciona para su transmisión a través de la red eléctrica.
- Ciclo de enfriamiento y reutilización
- Tras transferir su calor, el fluido térmico se enfría y regresa al receptor solar para reiniciar el ciclo.
- En las torres solares con sales fundidas, el fluido frío se almacena en un tanque aislado hasta que se necesita nuevamente.
Ejemplos destacados: centrales en España y el mundo
Las centrales solares térmicas se han convertido en hitos tecnológicos y símbolos del avance hacia la transición energética. A continuación, se destacan algunas de las instalaciones más relevantes, tanto en España como a nivel mundial:
España es líder mundial en energía solar térmica gracias a su clima favorable y su apuesta por las energías renovables. Entre las más destacadas están:
- Gemasolar: Situada en Sevilla, es pionera en el uso de sales fundidas para almacenamiento térmico. Este sistema permite generar electricidad durante 24 horas continuas. Su capacidad instalada es de 19,9 MW.
- Andasol: Localizada en Granada, es una de las primeras plantas comerciales de energía termosolar de Europa. Utiliza colectores cilindro-parabólicos y cuenta con un sistema de almacenamiento térmico con sales fundidas que asegura hasta 7 horas de suministro eléctrico continuo.
- Planta Solar Termosolar de Almería (PSA): Este centro de investigación es un referente mundial en tecnologías solares. En él se han desarrollado y probado múltiples innovaciones en sistemas de concentración y almacenamiento térmico.
- Solnova y PS10/PS20: Ubicadas en el complejo de Sanlúcar la Mayor, Sevilla, estas plantas utilizan torres solares y colectores parabólicos para concentrar la radiación solar. PS10 fue la primera planta de torre solar comercial del mundo.
Algunas de las centrales termosolares más destacadas del mundo son:
- Ivanpah Solar Electric Generating System (EE. UU.): Situada en California, esta planta es una de las más grandes del mundo, con una capacidad instalada de 392 MW. Utiliza torres solares y heliostatos para generar electricidad y abastecer a decenas de miles de hogares.
- Noor Ouarzazate (Marruecos): Este complejo es el mayor del mundo, con una capacidad total de 580 MW. Combina tecnologías de colectores parabólicos y una torre central, además de contar con un avanzado sistema de almacenamiento térmico en sales fundidas.
- Crescent Dunes (EE. UU.): Localizada en Nevada, utiliza una torre solar y sales fundidas para generar hasta 110 MW. Es reconocida por su capacidad de almacenar energía térmica durante más de 10 horas.
- Delingha Solar Power Plant (China): Esta planta, situada en Qinghai, combina sistemas cilindro-parabólicos y almacenamiento térmico para suministrar electricidad a más de 300.000 hogares.
- Solar Reserve Redstone (Sudáfrica): Es una planta de torre solar con almacenamiento en sales fundidas, diseñada para generar 100 MW con un suministro constante durante 12 horas diarias.
Integración de energía solar térmica y fotovoltaica
La integración de la energía solar térmica y fotovoltaica permite aprovechar la radiación solar de manera más eficiente, combinando sus características únicas para cubrir necesidades energéticas tanto de electricidad como de calor.
Diferencias y complementariedades
La energía solar térmica transforma la radiación solar en calor, utilizado para calefacción, agua caliente sanitaria o procesos industriales. Por su parte, la fotovoltaica convierte la luz solar directamente en electricidad mediante celdas solares.
Mientras la solar térmica se destaca en aplicaciones térmicas y almacenamiento de calor a largo plazo, la fotovoltaica ofrece flexibilidad en generación eléctrica para el consumo directo o la inyección a la red.
Ambas tecnologías se complementan al satisfacer demandas energéticas distintas y permitir la integración en sistemas híbridos. Por ejemplo, una instalación puede utilizar colectores solares térmicos para cubrir las necesidades de calor y paneles fotovoltaicos para electricidad, optimizando el espacio disponible y maximizando la autosuficiencia energética.
Sistemas híbridos: ventajas y desafíos
Los sistemas híbridos combinan colectores solares térmicos y paneles fotovoltaicos en una sola instalación, aprovechando las fortalezas de ambas tecnologías. Entre las ventajas tenemos:
- Eficiencia energética: generan calor y electricidad desde una única fuente, maximizando el rendimiento del sistema.
- Optimización del espacio: ideales para ubicaciones con limitaciones físicas, ya que una instalación cubre múltiples necesidades energéticas.
- Mayor autonomía: el almacenamiento térmico y eléctrico permite mantener el suministro incluso en condiciones de baja radiación solar.
Pero también enfrenta algunos desafíos:
- Costes iniciales elevados: integrar ambas tecnologías implica una inversión significativa en diseño, instalación y equipos de almacenamiento.
- Complejidad operativa: la gestión de dos sistemas requiere soluciones avanzadas para equilibrar la producción y el consumo.
- Mantenimiento especializado: un sistema híbrido combina diferentes requisitos de cuidado y operación, aumentando los desafíos técnicos.
En resumen, los sistemas híbridos representan una solución prometedora para maximizar el aprovechamiento solar, aunque su implementación exige planificación cuidadosa y recursos adecuados.
Ventajas y desventajas de la energía solar térmica
Beneficios ambientales y económicos
La energía solar térmica ofrece numerosos beneficios que la posicionan como una alternativa sostenible y económica frente a las fuentes de energía convencionales:
- Reducción de emisiones de CO₂: al ser una fuente renovable, la energía solar térmica disminuye significativamente la huella de carbono. Es crucial en la lucha contra el cambio climático.
- Ahorro económico a largo plazo: aunque la inversión inicial puede ser alta, el uso de energía gratuita del sol permite recuperar los costos y reducir las facturas energéticas con el tiempo.
- Disponibilidad en abundancia: la energía solar está disponible en prácticamente todas las regiones del mundo, especialmente en áreas soleadas como España y el sur de Europa.
- Independencia energética: al aprovechar una fuente renovable local, disminuye la dependencia de combustibles fósiles importados, mejorando la seguridad energética.
- Versatilidad en aplicaciones: desde calefacción y ACS en viviendas hasta usos industriales y generación eléctrica en centrales termosolares.
Limitaciones y desafíos actuales
A pesar de sus ventajas, la energía solar térmica enfrenta ciertos desafíos que limitan su adopción generalizada:
- Coste inicial elevado: los sistemas solares térmicos requieren una inversión inicial significativa, tanto para instalación como para almacenamiento térmico avanzado (como las sales fundidas).
- Dependencia climática: el rendimiento de estos sistemas puede verse afectado por días nublados o climas con baja radiación solar, lo que exige soluciones de almacenamiento eficientes.
- Espacio necesario para instalación: aunque existen sistemas compactos, algunos requerimientos como los colectores de concentración ocupan superficies extensas, lo que puede ser un obstáculo en zonas urbanas.
- Mantenimiento especializado: los colectores solares y sistemas de almacenamiento térmico requieren revisiones regulares para garantizar un rendimiento óptimo, lo que añade costos de operación.
- Competencia con otras tecnologías: la energía fotovoltaica ha reducido considerablemente sus costos en los últimos años, convirtiéndose en un fuerte competidor dentro del sector renovable.
Mantenimiento y costes de las instalaciones solares térmicas
Mantenimiento de placas solares térmicas
El mantenimiento de las placas solares térmicas es fundamental para garantizar su rendimiento y durabilidad a lo largo del tiempo. A continuación, se destacan las principales tareas de mantenimiento:
- Limpieza regular: los colectores solares deben mantenerse libres de polvo, hojas y suciedad, especialmente en zonas con climas áridos o con frecuentes lluvias de barro. Esto asegura una óptima captación de la radiación solar.
- Inspección de conexiones y tuberías: es importante revisar periódicamente las conexiones hidráulicas y eléctricas para evitar fugas de fluido térmico o pérdidas de eficiencia.
- Revisión del fluido térmico: los líquidos utilizados en los sistemas deben reemplazarse según las recomendaciones del fabricante, ya que pierden propiedades térmicas con el tiempo.
- Verificación del aislamiento térmico: en las tuberías y tanques de almacenamiento, el aislamiento debe estar en buen estado para minimizar las pérdidas de calor.
- Monitorización del sistema: un sistema de control ayuda a detectar anomalías y optimizar el rendimiento del sistema.
Una adecuada rutina de mantenimiento puede prolongar la vida útil de las instalaciones solares térmicas hasta 20-30 años.
Costos asociados y retorno de inversión
El costo de una instalación solar térmica depende de factores como el tamaño del sistema, el tipo de colectores y las características de la ubicación. En promedio:
- Costo inicial: el rango puede variar desde 2.000 € a 8.000 € para una instalación doméstica básica destinada a ACS. Los sistemas más avanzados con almacenamiento en sales fundidas tienen costos significativamente más altos.
- Mantenimiento anual: el mantenimiento preventivo suele oscilar entre 100 € y 300 € al año, dependiendo de la complejidad del sistema y la región.
- Ahorro energético: un sistema solar térmico puede cubrir entre el 50 % y el 70 % de las necesidades de ACS y calefacción de una vivienda, reduciendo las facturas energéticas en 300 € a 700 € al año, dependiendo del consumo y los precios de la energía.
El retorno de inversión (ROI) suele lograrse entre 7 y 12 años, aunque puede ser más rápido en regiones con alta radiación solar o donde los costos de la energía convencional son elevados. Los incentivos fiscales y las subvenciones disponibles en muchos países, como España, también pueden acelerar este retorno.
Situación actual y futuro de la energía solar térmica
Estado de la energía termosolar en España y el mundo
España es líder mundial en energía termosolar, con proyectos emblemáticos como las centrales de concentración solar de Gemasolar y Andasol. Estas instalaciones destacan por incorporar sistemas de almacenamiento térmico en sales fundidas, lo que les permite generar energía incluso durante la noche. Actualmente, España cuenta con una capacidad instalada de más de 2,3 GW, representando alrededor del 30 % de la capacidad termosolar mundial.
En el ámbito global, países como Estados Unidos, China, Marruecos y Sudáfrica están desarrollando importantes proyectos de energía termosolar. Marruecos, por ejemplo, alberga el complejo solar Noor Ouarzazate, uno de los más grandes del mundo. En total, la capacidad instalada global supera los 6 GW, y se espera un crecimiento sostenido debido a la necesidad de descarbonizar los sistemas energéticos.
Innovaciones tecnológicas y tendencias futuras
El futuro de la energía solar térmica está marcado por avances tecnológicos que mejoran su eficiencia y rentabilidad:
- Nuevos materiales: la investigación en recubrimientos selectivos para colectores y fluidos térmicos más eficientes busca reducir las pérdidas y ampliar la aplicabilidad de los sistemas.
- Almacenamiento avanzado: las sales fundidas siguen evolucionando, con la introducción de nuevas composiciones químicas que permiten temperaturas más altas y menores costos.
- Integración en redes inteligentes: la termosolar se está incorporando a sistemas energéticos más complejos, combinándose con baterías y gestionándose a través de redes inteligentes para mejorar la estabilidad y la resiliencia.
- Mini plantas solares térmicas: para industrias pequeñas y medianas, las plantas de baja escala son una tendencia en crecimiento, proporcionando calor industrial sin necesidad de combustibles fósiles.
- Sistemas híbridos: la integración de energía solar térmica y fotovoltaica en una sola instalación está ganando popularidad, especialmente para aplicaciones en zonas remotas o de alto consumo energético.
La energía termosolar no solo tiene un papel clave en la generación eléctrica, sino también en la descarbonización de procesos industriales y en soluciones para climatización y refrigeración, consolidándose como un pilar en la transición energética global.
Preguntas frecuentes sobre energía solar térmica
¿La energía térmica es renovable?
Sí, la energía térmica es renovable siempre que se obtenga de fuentes sostenibles como el sol. En el caso de la energía solar térmica, utiliza la radiación solar para generar calor, por lo que no emite gases contaminantes ni consume recursos no renovables.
¿Para qué sirve la energía solar térmica?
La energía solar térmica se utiliza principalmente para:
- Agua caliente sanitaria (ACS): proveer agua caliente en hogares e industrias.
- Calefacción y climatización: mantener ambientes confortables en edificios y viviendas.
- Procesos industriales: suministrar calor para procesos de secado, destilación y pasteurización, entre otros.
- Generación eléctrica: en plantas termosolares de concentración, se produce electricidad a gran escala.
¿Qué es la energía termosolar y cómo funciona?
La energía termosolar es una tecnología que convierte la radiación solar en energía térmica. Funciona mediante colectores solares que captan la luz del sol y transfieren el calor a un fluido, como agua, aceite térmico o sales fundidas. Este calor puede almacenarse o utilizarse directamente para generar electricidad o satisfacer necesidades de calefacción y ACS. En las plantas termosolares, el calor se utiliza para producir vapor que acciona turbinas y genera electricidad.
