TECNOLOGÍAS TERMOSOLARES DE FOCO LINEAL

Soluciones termosolares para integración en procesos industriales (SOLTERMIN)


Participantes: CIEMAT-PSA
Financiación: Ministerio de Economía y Competitividad (Programa RETOS. Convocatoria 2017)
Referencia: ENE2017-83973-R
Duración: Enero 2018 – Junio 2022
Motivación:
El desarrollo e implantación comercial de la energía termosolar de concentración ha experimentado un crecimiento vertiginoso en los últimos años. Actualmente ya hay más de 5 GWe instalados en el mundo para la producción de electricidad.
Sin embargo, este despliegue comercial no ha sido tan relevante para el aporte de energía térmica de origen solar en la industria, donde el mercado potencial es enorme. Según estudio publicado en 2015 por la Agencia Internacional de la Energía (IEA) y la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), mirando al año 2030 existe un potencial técnico para suministrar alrededor de 4,17 millones de GWh de energía con sistemas solares térmicos.
En el mundo, más del 66% del consumo energético total en el sector industrial se dedica a procesos de calor industrial, y el 50% de este consumo de energía térmica tiene lugar por debajo de los 400°C. Existen áreas de aplicación por ejemplo en los sectores de la alimentación, textil, maquinaria y papel donde las temperaturas requeridas son inferiores a 250ºC y por tanto resulta interesante considerar el uso de tecnologías solares de concentración de foco lineal con relación rendimiento/coste adecuada a los requerimientos energéticos/económicos en estos casos. Pero hay también otros sectores industriales de interés, como por ejemplo los sectores metalúrgico y cerámico, que requieren temperaturas muy superiores a 400°C, donde también los sistemas solares de alta concentración pueden trabajar sin problemas.
Estas necesidades han motivado el desarrollo de este proyecto de investigación que comprende actividades relacionadas con desarrollo optimizado para desarrollo de sistemas compactos del concentrador solar y el receptor solar, y análisis de integración de sistemas completos en procesos industriales particulares, que constituyen los casos de estudio considerados. 
Objetivos:
Los objetivos generales de este proyecto han sido avanzar en el desarrollo de soluciones compactas y optimizadas de tecnologías energéticas termosolares de concentración adecuadas para el suministro de calor en procesos industriales.
Los objetivos específicos del proyecto han sido:

  • Diseño y desarrollo de un prototipo de captador Fresnel lineal compacto adecuado para su utilización en aplicaciones a calor de proceso de pequeña y mediana potencia, hasta 250°C.
  • Estudio de la integración de sistemas con captadores lineales Fresnel en la industria: a) en procesos con demanda de calor en industrias de alimentación y bebidas y, b) en una planta de desalación con destilación multiefecto con termocompresión por eyectores de vapor.   
  • Desarrollo de un heliostato innovador de óptica auto-alineada para sistemas de receptor central en el concepto multitorre, y estudio de innovaciones en el diseño de receptores volumétricos.
  • Estudio de un sistema mini-torre solar integrado en sistema de cogeneración mediante acoplamiento a un ciclo Brayton y aprovechamiento de calor residual para alimentar una planta de destilación multiefecto.

Resultados destacados del proyecto:

Como resumen de los resultados obtenidos, en la siguiente figura se muestran fotografías de los prototipos de captador Fresnel lineal (CFL) y heliostato de óptica auto-alineada (captador Fresnel puntual, CFP).

Vista de captador Fresnel lineal patentado y construido en el proyecto, para suministro de energía térmica a media temperatura
Vista de heliostato de óptica-autoalineada en fase de desarrollo en el proyecto, para integración en sistemas de torre central.

Además, el siguiente listado resume las publicaciones destacadas con resultados del proyecto:

  1. García-Segura A, Fernández-García A, Buendía-Martínez F, Ariza MJ, Sutter F, Valenzuela L. Durability studies of solar reflectors used in concentrating solar thermal applications under corrosive sulfurous atmospheres. Sustainability 2018; 10(9):3008; DOI: https://doi.org/10.3390/su10093008.
  2. Pulido-Iparraguirre D, Valenzuela L, Serrano-Aguilera JJ, Fernández-García A. Optimized design of a Linear Fresnel reflector for solar process heat applications. Renewable Energy 2019; 131:1089-1106. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.08.018
  3. Carballo JA, Bonilla J, Roca L, Berenguel M. New low-cost solar tracking system based on open source hardware for educational purposes. Solar Energy 2018; 174:826-836; DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.09.064.
  4. Pulido-Iparraguirre D, Valenzuela L, Fernández-Reche J, Galindo J, Rodríguez J. Design, manufacturing and characterization of Linear Fresnel reflectors’s facets. Energies 2019; 12(14):2795. https://doi.org/10.3390/en12142795.
  5. García-Segura A, Fernández-García A, Ariza MJ, Sutter F, Diamantino TC, Martínez-Arcos L, Reche-Navarro TJ, Valenzuela L. Influence of gaseous pollutants and their synergistic effects on the aging of reflector materials for concentrating solar thermal technologies. Solar Energy Materials and Solar Cells 2019; 200:109955. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.109955
  6. Avila-Marin AL, Fernández-Reche J, Martínez-Tarifa A. Modelling strategies for porous structures as solar receivers in central receiver systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2019; 111:15-33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.03.059
  7. Carballo JA, Bonilla J, Berenguel M, Fernández-Reche J, García G. Solar tower mockup for the assessment of advanced control techniques. Renewable Energy 2020; 149:682-690; DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.12.075.
  8. Carballo JA, Bonilla J, Roca L, de la Calle A, Palenzuela P, Alarcón-Padilla DC, M Berenguel. Optimal operation of solar thermal desalination systems coupled to double-effect absorption heat pumps. Energy Conversion and Management 2020; 210:112705. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112705.
  9. Palenzuela P, Ortega-Delgado B, Alarcón-Padilla DC. Comparative assessment of the annual electricity and water production by concentrating solar power and desalination plants: A case study. Applied Thermal Engineering 2020; 177:115485. DOI:  https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115485.
  10. Mata-Torres C, Palenzuela P, Zurita A, Cardemil JM, Alarcón-Padilla DC, Escobar RA.  Annual thermoeconomic analysis of a Concentrating Solar Power + Photovoltaic + Multi-Effect Distillation plant in northern Chile. Energy Conversion and Management 2020; 213:112852. DOI:  https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112852.
  11. Buendía-Martínez F, Sutter F, Wette J, Valenzuela L, Fernández-García A. Lifetime prediction model of reflector materials for concentrating solar thermal energies in corrosive environments. Solar Energy Materials and Solar Cells 2021; 224:110996. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.110996.
  12. García-Segura A, Sutter F, Martínez-Arcos L, Reche-Navarro TJ, Wiesinger F, Wette J, Buendía-Martínez F, Fernández-García A. Degradation types of reflector materials used in concentrating solar thermal systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2021; 143:110879. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.110879.
  13. Mata-Torres C, Palenzuela P, Alarcón-Padilla DC, Zuriza A, Cardemil JM, Escobar RA. Multi-objective optimization of a Concentrating Solar Power + Photovoltaic + Multi-Effect Distillation plant: Understanding the impact of solar irradiation and the plant location. Energy Conversion and Management: X 2021; 11:100088. DOI:  https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2021.100088.
  14. Farchado M, San Vicente G, Germán N, Maffiotte C, Morales A. A Highly Stable and Sustainable Low-Temperature Selective Absorber: Structural and Ageing Characterisation. Materials 2022; 15 (10):3427. DOI: https://doi.org/10.3390/ma15103427.
  15. Avila-Marin A.  CFD parametric analysis of wire meshes open volumetric receivers with axial-varied porosity and comparison with small-scale solar receiver tests. Renewable Energy 2022; 193:1094-1105. DOI:  https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.05.060.
  16. Fernández-Reche J, Valenzuela L, Pulido-Iparraguirre D. Measuring Concentrated Solar Radiation Flux in a Linear Fresnel-Type Solar Collector. Solar 2022; 2(4):401-413. DOI: https://doi.org/10.3390/solar2040024