La tecnología energética térmica solar: potencial para una gran industria europea

Asunto: La tecnología energética térmica solar puede utilizarse actualmente para abastecer centrales eléctricas de 80-100 MW con un coste casi competitivo. Hay en perspectiva tecnologías mejoradas que podrán competir plenamente con los combustibles fósiles hacia el año 2010, con la ayuda de subvenciones gubernamentales para la investigación, el desarrollo y la construcción de las primeras centrales.

Relevancia: La energía solar podría constituir un punto clave para un suministro energético sostenible a nivel global. La industria europea se encuentra en una posición excelente para construir centrales térmicas solares, creando puestos de trabajo de fabricación, de construcción y de funcionamiento en algunas regiones deprimidas de Europa meridional. Fuera de Europa, la industria de la UE podría asumir un papel de liderazgo mundial y desarrollar grandes mercados de exportación en el Norte de África y en otras regiones muy soleadas si se establece un tratamiento político favorable.

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La resolución del Parlamento Europeo sobre las energías renovables exige un gran aumento de la utilización de dichas energías en Europa con un objetivo de un 15% de participación en la energía primaria para el año 2010 (Parlamento Europeo, 1996). Este objetivo representa un gran reto para los gobiernos de los países de la UE, ya que la utilización actual de energías renovables alcanza sólo el 6% . La resolución sostiene que este aumento está justificado para conservar los recursos limitados de combustibles fósiles, para reducir la dependencia de las importaciones y para dar comienzo a un esfuerzo importante en la disminución de la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Entre las energías renovables, solamente la energía eólica ha contribuido de forma significativa a producir algún aumento en la utilización de dichas energías. La tecnología energética solar también ha progresado hasta estar lista para ser utilizada a gran escala y podría alcanzar la competitividad comercial hacia el año 2010 si recibe un apoyo gubernamental adecuado.

La energía térmica solar tiene un potencial económico previsto de unos 23.000 megawatios de electricidad en la región mediterránea para el año 2025 (Grupo de Expertos de la DG XVII, 1996). Aproximadamente 2/3 de este potencial económico se localiza en los países del Norte del Mediterráneo (H. Klaiss y otros, 1991), mientras que la mayor parte del potencial físico se encuentra en África. Si los países de la UE adoptan un criterio de "reducción de CO2" , la capacidad solar de la región mediterránea podría alcanzar los 13.500 MW en el año 2005 y 63.000 MW en el 2025. Ello incluiría un transporte significativo de energía solar desde el Norte de África a Europa.

Existen en California instalaciones parabólicas solares con una producción de 350 MW, que han demostrado una alta fiabilidad y una capacidad suficiente para satisfacer las demandas de carga máxima durante una década. La energía de estas centrales está disponible a demanda mediante la hibridación con gas natural. La industria europea controla esta tecnología y podría emprender nuevos proyectos de al menos 80 MW anuales con la actual capacidad de producción de sus centrales.

El coste actual de la electricidad de las centrales térmicas solares es aproximadamente el doble que el coste de la electricidad obtenida con la mejor tecnología de combustibles fósiles. Se prevé que, con una estrategia de desarrollo enfocada adecuadamente, el coste de las plantas solares se podrá reducir a la mitad en el año 2010. Esta estrategia incluiría la construcción de centrales con la mejor tecnología disponible para montar instalaciones de servicio, así como una mejora tecnológica y una experimentación continuadas. Se deberá mantener y reforzar la primacía europea actual en este campo. Sin embargo, esto requiere que la industria europea intensifique su desarrollo tecnológico y que construya realmente centrales comerciales.

Más allá del año 2010, la energía térmica solar, junto con la energía eólica y la hidroeléctrica podrán suministrar la mayor parte de la electricidad de centrales de fuentes energéticas renovables. Este suministro se podrá suplementar con la producción distribuida de energía procedente de células fotovoltaicas y energía de biomasa. También existen excelentes perspectivas para la penetración de la tecnología térmica solar en la producción de combustibles limpios para el transporte y la producción distribuida de electricidad mediante termoquímica de alta temperatura, en la que se emplea el procesamiento tecnológico de materiales en un horno solar de alta temperatura. Inicialmente, el gas natural, la biomasa o el carbón se pueden convertir en metanol o en hidrógeno en estos hornos solares que funcionan a 800-900 ºC. Finalmente, podríamos pronosticar la utilización de procesos de descomposición del agua, a 1.300-1.500 ºC, para producir hidrógeno como componente principal del suministro energético.

La experiencia europea en energía térmica solar

Como respuesta a la crisis del petróleo de los años 70 se emprendieron muchos proyectos de energía térmica solar. Incluían la construcción de cuatro prototipos de torres solares en España, Francia e Italia y un prototipo parabólico en España. Estas primeras centrales solares no alcanzaron los niveles de rendimiento deseados y, actualmente, solamente las que se construyeron en Almería (España) siguen funcionando como instalaciones de investigación. La "Plataforma solar de Almería" constituye el principal centro europeo de investigación solar. Desde el principio de los años 80 no se han construido en Europa centrales térmicas solares, debido al bajo precio de los combustibles fósiles. La escasa adecuación del clima del Norte de Europa para esta tecnología ha constituido un factor importante para disuadir a algunos gobiernos de esos países de la realización de inversiones en este campo. Sin embargo, la tendencia actual hacia la globalización de los mercados energéticos implica que no debe subestimarse el potencial de esta industria.

En la UE, se ha apoyado la investigación y el desarrollo a nivel nacional, especialmente en Alemania y en España, con una tasa de aproximadamente 23 millones de dólares al año. Los programas nacionales en la UE constituyen el 43% del presupuesto mundial de la OCDE para I+D en energía térmica solar durante 1991-93 (Agencia Internacional de la Energía, 1994) y equivalen aproximadamente a los gastos del gobierno de los EE.UU. en este campo.

Estado actual de la tecnología y de los costes

La tecnología térmica solar fue comercializada por la empresa Luz (Israel) que construyó una serie de centrales en California desde 1984 hasta 1990. Su tecnología de instalaciones parabólicas fue similar a la que se había utilizado anteriormente en Almería. La empresa Luz fue a la bancarrota en 1991 cuando se terminaron las subvenciones gubernamentales disponibles anteriormente y no se pudo conseguir la financiación necesaria para la próxima central. Los activos tecnológicos y de fabricación fueron adquiridos por una empresa belga, actualmente la Solel Solar Systems, Ltd. La empresa Pilkington Solar International GmbH (Alemania) construyó los espejos para las centrales de California y, junto con la Solel, comercializa activamente la tecnología de la empresa Luz. Tienen capacidad para suministrar centrales eléctricas de hasta 80-100 MW con un coste de unos 2.800 dólares/kW.

La competitividad de estas centrales depende estrechamente de las tasas de interés subyacentes y de otros factores locales. Para una tasa de interés real del 8% se necesita un subsidio de aproximadamente un tercio de los costes de capital para competir con las centrales térmicas de combustibles fósiles. Una vez que la central esté operativa, las ventas de electricidad superarán ampliamente los costes de funcionamiento y crearán un flujo de caja ("cash flow") positivo para recuperar el coste de inversión.

Las centrales que se ofertan actualmente son muy superiores a los primeros prototipos, ya que incorporan las experiencias obtenidas a lo largo de muchos años de funcionamiento y ofrecen una producción sin oscilaciones mediante el refuerzo con combustibles fósiles, incluyendo la combinación opcional con centrales de turbinas de gas, económicas y de alta eficiencia. En Europa, Israel y EE.UU. se están desarrollando instalaciones más avanzadas de tipo parabólico y de tipo torre. Con un programa adecuado de desarrollo y de construcción de centrales, los costes de la electricidad de origen térmico solar podrán ser totalmente competitivos en el año 2010 en la región mediterránea y otras regiones de clima soleado. Véase en la Figura 1 la curva de aprendizaje de la industria térmica solar.

Se espera que los costes actuales de la energía térmica solar se reduzcan hasta en un 50% como resultado de la combinación de los siguientes factores.

Desarrollo de sistemas innovadores de espejos; los colectores solares representan un 30-40% de los costes actuales de inversión de las centrales.

Desarrollo de esquemas de transporte de calor más sencillos y eficientes, como la generación directa de vapor y el sobrecalentamiento en la geometría de colectores parabólicos.

Temperaturas más altas y receptores y ciclos energéticos más eficientes, incluyendo los ciclos Brayton (turbina de gas).

Nuevos sistemas ópticos como las torres "beam-down" que facilitan un mejor acoplamiento físico entre los receptores y el bloque energético.

Integración mejorada del input de energía solar y de combustibles fósiles en las centrales híbridas.

Beneficios del aprendizaje y economías de escala en centrales más grandes y producción en serie de componentes solares.

Figura 1: Curva de aprendizaje de la industria térmica solar

(Gráfico Omitido)

Mercado para la tecnología térmica solar

Las previsiones para la demanda de electricidad en el futuro indican un crecimiento mundial del 2,0% al 3,3% por año entre 1995 y 2015 (EIA, 1996). Ello requiere un aumento de unos 90 GW de capacidad por año. El crecimiento es particularmente intenso en el mundo en vías de desarrollo, incluyendo varios países muy soleados y muy poblados. Se han realizado estudios de factibilidad de centrales térmicas solares, apoyados por diversos patrocinadores. Dichos estudios señalan mercados potenciales en Europa meridional, el Norte de África, Jordania, Israel, la India, EE.UU., México y Brasil. Hemos llevado a cabo un análisis del crecimiento potencial del mercado, de acuerdo con la madurez comercial y la competitividad. Estimamos una cuota de mercado de 5 GW por año para la energía térmica solar, en un escenario comercial usual. Sería factible un crecimiento mucho más rápido en respuesta a un estímulo gubernamental, por ejemplo, si fuera necesario reducir las emisiones de dióxido de carbono.

Requisitos para una industria autosostenida

Sin una tasa superior a la actual en inversiones de I+D y en centrales experimentales no se puede conseguir una contribución significativa de la energía térmica solar a los objetivos del Parlamento Europeo para el año 2010. Ninguna industria autosostenida de energías renovables puede desarrollarse rápidamente, si se basa sólo en las fuerzas del mercado, ya que el coste de I+D y de las etapas experimentales es muy alto y se necesita mucho tiempo para recuperar esta inversión. La introducción de energías renovables se subvenciona en la actualidad con los presupuestos gubernamentales de los países de la OCDE para I+D, que ascienden a 700 millones de dólares anuales. Los países de la UE contribuyen a ello con unos 300 millones de dólares (Agencia Internacional de la Energía, 1994) además de algunos incentivos para la distribución comercial de energías limpias. El Cuarto Programa Marco de la CE asigna una cantidad adicional de 435 millones de ECU (alrededor de 540 millones de dólares) a lo largo de cuatro años, 1994-1998. La I+D en energía térmica solar recibe alrededor de un 8% de los presupuestos nacionales para energías renovables y solamente el 1,2% del presupuesto del Programa de la CE. Las energías renovables recibieron en total únicamente un 7,2% de los presupuestos de la OCDE para I+D en energía en 1991-1993.

La experiencia industrial solamente puede obtenerse construyendo centrales y constituye uno de los elementos esenciales para una industria térmica solar auto-sostenida. Del mismo modo, las empresas de ingeniería y construcción, los operadores de servicios y los legisladores gubernamentales de los países que utilicen la tecnología solar necesitan implicarse, desde el principio, en el desarrollo de la demanda de energía solar y en fomentar la confianza en dicho tipo de energía. Este proceso requiere una dotación de fondos por parte de los bancos internacionales y de los gobiernos nacionales. El Banco Mundial está considerando la subvención de algunas propuestas de centrales térmicas solares. Hemos estimado que la dotación suplementaria de 400 a 700 millones de ECU, a lo largo de un período de 12 años, a cargo de una combinación de organismos internacionales y nacionales y la CE puede lograr el establecimiento de una industria autosostenida. La industria europea ocupa una buena posición para obtener un papel de liderazgo, debido a su capacidad ya existente y a su proximidad con los principales países usuarios.

La importancia de los países del Norte de África en este proceso merece una mención especial. Estos países ya se están vinculando a la red eléctrica europea. Dado que la demanda eléctrica en horas punta en África se produce a una hora más tardía que en Europa, es lógico intercambiar energía solar, generada en África, por electricidad de horas bajas generada en Europa durante la tarde. En África, los recursos solares son superiores y los costes laborales más bajos y así los países africanos pueden suministrar componentes baratos de baja tecnología para integrarlos en los productos solares europeos de alta tecnología. Después del año 2010 podemos esperar avances importantes en la tecnología de los superconductores (New Technology Week, 1996) que reducirán los costes de transmisión de energía a larga distancia a través del Mediterráneo.

Beneficios e impactos

Se ha estimado que cada proyecto de energía térmica solar creará 1.000 personas/año de empleo en el país huésped, durante la fase de fabricación/construcción y 50 puestos de trabajo para funcionamiento de la central durante 20-30 años. Dependiendo de las posibilidades de la industria local, se ha estimado que el 40-50% de los costes iniciales se invertirán en el país huésped (Pilkington, 1966). Los países huéspedes se beneficiarían de la producción de electricidad, utilizando recursos indígenas. Podrían reducirse sus compras de combustibles fósiles, y, en el caso de los países exportadores de combustibles, podría aumentarse la exportación. Los proyectos de esta clase crearán empleo en ingeniería y en fabricación en la Unión Europea. La industria europea está llamada a asumir el papel de liderazgo mundial en esta importante tecnología.

Si se produjera un incremento masivo del uso de las energías renovables, serviría para reducir la presión del mercado sobre los precios de los combustibles en un tiempo en el que las reservas puedan ser menos abundantes, aumentando así la estabilidad de precios de los combustibles. Las centrales solares en funcionamiento reducirán la producción de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero, en comparación con la alternativa de producción de electricidad basada únicamente en combustibles fósiles. El lado negativo sería que el uso extendido de energías renovables, aunque aumente el empleo en general, reduciría el empleo en otros sectores energéticos, principalmente en la minería del carbón.

Más allá de la electricidad

La investigación ha demostrado la factibilidad de la gasificación a alta temperatura (termoquímica) de materiales con carbono, como la biomasa, el carbón o los esquistos bituminosos, a temperaturas de 800-900ºC, para producir una mezcla gaseosa combustible de hidrógeno y monóxido de carbono (syngas). Este gas de síntesis puede transformarse ulteriormente en metanol o hidrógeno puro. Los avances esperados de este proceso, llevado a cabo en un horno solar, rendirán productos combustibles con un valor calorífico superior al de la materia prima, y ofrecerán capacidad para procesar materiales de baja calidad o residuales, que no producirán esencialmente emisiones a la atmósfera, salvo pequeñas cantidades de CO2. La investigación exploratoria a temperaturas más altas, de 1.300-1.500ºC, con óxidos metálicos, indica que, finalmente, será posible descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno a un coste razonable.

Así la termoquímica solar podrá desempeñar un papel importante como substitutivo de los combustibles fósiles, no sólo en la producción de electricidad, sino también en el transporte y en los combustibles para calefacción. El mayor componente del coste será aquí, de nuevo, el de los colectores solares. Las innovaciones en los sistemas ópticos para la producción de electricidad solar podrán utilizarse también para la producción de combustibles solares.

Conclusiones

La tecnología térmica solar puede aportar una gran contribución a la sustitución de combustibles fósiles por energías renovables, dando lugar a un sistema energético sostenible. La industria europea se encuentra en una posición excelente para asumir un papel de liderazgo mundial en tal proceso. Ello representaría una creación significativa de puestos de trabajo en esta clase de industria. Sin embargo, durante la fase inicial, será necesario el apoyo gubernamental para la investigación, el desarrollo y la construcción de las primeras centrales. Se espera que, con este apoyo, será viable en el año 2010 una industria eléctrica solar autosostenida y en expansión. Más allá del año 2010, la tecnología térmica solar podrá contribuir a la producción de combustibles para transporte y calefacción, especialmente hidrógeno y metanol.

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Palabras clave

Producción de electricidad, energía solar, energías renovables, emisiones de CO2, protección del medio ambiente

Referencias

DG XVII Expert Group (1996), Assessment of Solar Thermal Power Technologies, Comisión Europea, Bruselas.

Energy Information Administration (1996), International Energy Outlook 1996, DOE/EIA 0484(96), U.S. Department of Energy, Washington, D.C.

Parlamento Europeo, 4 de Julio, 1996, Promotion des energies renouvelables, A4-0188/96, Resolution sur un plan d'action de la Communauté pour la promotion des énergies renouvelables.

Agencia Internacional de la Energía (1994), Energy Policies of IEA Countries, 1993 Review, OECD/IEA, París.

Klaiss, H., Staiss, F., y Winter C.J., (1991), Systems Comparison and Potential of Solar Thermal Installations in the Mediterranean Area, Workshop on Prospects for Solar Thermal Power Plants in the Mediterranean Region, Sophia-Antipolis, Francia.

New Technology Week, 17 de Junio, 1996, Superconductor Market Proving Larger, Broader Than Expected, King Communications Group, Inc., Washington, D.C.

Pilkington Solar International GmbH, (1996), Status Report on Solar Thermal Power Plants, Colonia, Alemania.

Contacto

Irving Spiewak, IPTS, tel: +34-5-4488386, fax: +34-5-4488359 correo electrónico: irving.spiewak@jrc.es

CV

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Irving Spiewak tiene el título de Master of Science en Ingeniería Química del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Antes de incorporarse al IPTS como Científico Visitante, especializado en vigilancia tecnológica de energía térmica solar y otras energías renovables, trabajó como investigador científico y gestor de programas en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, EE.UU., y como investigador científico en el Weizmann Institute of Science, Israel. Sus investigaciones incluyen el campo de la energía/medio ambiente.