El brillante futuro de las fábricas alimentadas con energía termosolar

fabrica termosolar

Gran parte del debate sobre las energías renovables se centra en la producción de electricidad. Sin embargo, la mayor parte de la energía que necesitamos es calor, y los paneles solares y los aerogeneradores no la pueden producir de manera eficiente. Para alimentar procesos industriales como la fabricación de productos químicos, la fundición de metales o la fabricación de microchips necesitamos una fuente de energía térmica renovable. El uso directo de la energía solar puede ser la solución. Además, crea la posibilidad de construir centrales de energías renovables usando sólo centrales de energías renovables, allanando así el camino hacia una civilización industrial realmente sostenible.

                     La pieza que nos falta en nuestra estrategia de energías renovables es una fuente de energía térmica

La mayor parte de la energía consumida a nivel mundial es calor. Cocinar, calentar espacios o agua domina el consumo de energía doméstica. En Europa, estas actividades representan el 89% del uso de energía doméstica. El calor también domina el consumo de energía industrial. En Europa, el 67% del consumo de energía industrial es calor. Y es que muy pocas cosas se pueden producir sin calor.

La importancia del calor en el consumo total de energía contrasta radicalmente con nuestros esfuerzos por crear una infraestructura de energías cada vez más verde, que tanto se ha propuesto la producción de electricidad renovable mediante el uso de aerogeneradores y paneles solares. A pesar de que es totalmente posible convertir electricidad en calor (como los calentadores o cocinas eléctricas), es muy poco eficiente hacerlo de esta manera.

Los paneles solares y los aerogeneradores no producen energía térmica

Muy a menudo suponemos que nuestros problemas de energía se solucionan cuando las energías renovables alcanzan la paridad de red (el punto en el que las renovables generan electricidad por el mismo precio que los combustibles fósiles). Pero para competir de verdad con los combustibles fósiles, las energías renovables tienen que alcanzar también la “paridad térmica”.

A pesar de que en muchos lugares producir electricidad a partir de energía eólica o solar pueda costar lo mismo que hacerlo con gas o carbón, sigue siendo considerablemente más barato producir calor con petróleo, gas o carbón que con un aerogenerador o un panel solar.

La razón es que se necesitan entre 2 y 3 kWh de energía térmica de combustible fósil para producir 1 kWh de electricidad, así que es por lo menos entre 2 y 3 veces más barato generar calor quemando directamente combustibles fósiles que usar tecnología eléctrica renovable en paridad de red.

Para fabricar aerogeneradores y paneles solares se necesita calor

Esto significa que los paneles solares y los aerogeneradores tendrán que ser entre 2 y 3 veces más baratos para alcanzar la paridad térmica de los combustibles fósiles. Esto puede sonar razonablemente posible, sobre todo si esperamos que el precio de los combustibles fósiles aumente. Pero tengamos en cuenta lo siguiente: a pesar de que las renovables tienen la intención de sustituir a los combustibles fósiles, las fuentes de energía renovables como los aerogeneradores o los paneles solares dependen, de hecho, de un suministro continuo de combustibles fósiles.

Los paneles solares y los aerogeneradores no necesitan combustibles fósiles para funcionar pero sí para su fabricación. ¿Por qué no encontrar una fábrica que produzca placas fotovoltaicas o aerogeneradores que usen la energía generada por sus propias placas fotovoltaicas o aerogeneradores? ¿Por qué no? Porque sería entre 2 y 3 veces más caro generar calor con paneles solares y aerogenaradores que con combustibles fósiles.

¿Por qué no encontrar una fábrica que produzca placas fotovoltaicas o aerogeneradores que usen la energía generada por sus propias placas fotovoltaicas o aerogeneradores? Porque sería entre 2 y 3 veces más caro generar calor con paneles solares y aerogenaradores que con combustibles fósiles.

Para fabricar paneles solares y aerogeneradores, producir acero y silicio, por ejemplo, lo que más se necesita es calor. Esto significa que los costes de producción de los paneles solares y los aerogeneradores se verían afectados negativamente al aumentar el precio de los combustibles fósiles.

Lo mismo ocurre con las baterías, que son un elemento esencial en los coches eléctricos y en los sistemas de almacenamiento de electricidad renovable, así como con otras tecnologías verdes modernas, como los LED y las bombas de calor. Necesitan calor para su producción. Y este calor se puede obtener entre 2 y 3 veces más barato quemando combustibles fósiles que usando aerogeneradores o paneles solares (la electricidad barata de las centrales hidroeléctricas es también una opción, pero su potencial es limitado).

Esto representa un problema fundamental porque tendremos que producir nuevos aerogeneradores y paneles solares cada 20 o 30 años, y nuevas baterías cada 5 o 10 años.

Fuentes de energía térmica renovables

La pieza que nos falta en nuestra estrategia de energías renovables es una fuente de energía térmica. La energía geotérmica produce calor, pero su mayor potencial se limita a regiones volcánicas. La biomasa es otra opción, pero se enfrenta a muchos problemas. Si intentáramos suministrar una parte importante de la demanda de calor quemando biomasa, rápidamente nos toparíamos con los límites de lo que el planeta puede producir.

Sólo nos queda una fuente de energía térmica. Y se trata de una fuente potente e inagotable: la energía solar. Tendemos a considerar la energía solar como otra manera de generar electricidad, usando placas fotovoltaicas o centrales termosolares. Pero la energía solar también se puede aplicar directamente, sin el paso intermedio de generar electricidad.

Si utilizáramos las centrales termosolares para generar calor en lugar de convertir este calor en electricidad, esta tecnología podría proporcionar energía 3 veces más barata y ser rentable también en zonas con menos sol.

Recoger energía solar directamente se puede hacer fundamentalmente de dos maneras: utilizando colectores solares planos y de tubos de vacío, que recogen la radiación solar de todas direcciones y pueden alcanzar temperaturas de 120ºC, o bien mediante colectores solares de concentración, que siguen la dirección del sol, concentran su radiación y alcanzan temperaturas más altas. Estos últimos pueden ser sistemas de canales parabólicos, colectores de lentes Fresnel lineales, sistemas de plato parabólico o torres solares. Casi todas estas tecnologías se desarrollaron a finales del siglo XIX.

Energía termosolar versus calor termosolar

El problema es que la mayoría de veces utilizamos esta tecnología para el fin equivocado. En las centrales termosolares actuales la energía solar se convierte en vapor (mediante una caldera de vapor), y éste se convierte a su vez en electricidad (mediante una turbina de vapor que mueve un generador eléctrico). Este proceso es tan ineficiente como convertir electricidad en calor: dos tercios de la energía se pierde cuando se convierte de vapor a electricidad. Esta es una de las razones por las que el uso de la energía termosolar para producir electricidad sólo es rentable en los desiertos.

Si utilizáramos las centrales termosolares para generar calor en lugar de convertir este calor en electricidad, esta tecnología podría proporcionar energía 3 veces más barata y ser rentable también en zonas con menos sol. La  electricidad termosolar empieza realmente con energía térmica. De este modo, al contrario que otras renovables, el coste de la energía térmica empleando esta tecnología es bastante menor que el coste de la electricidad, así que puede competir con los combustibles fósiles a nivel térmico.

Calor solar de baja temperatura

Esto se puede demostrar con los colectores solares planos y de tubos de vacío, que se usan para obtener agua caliente sanitaria y, en menor medida, para calefacción de espacios interiores. Esta tecnología se usa sin ninguna pérdida en el proceso de conversión y es competitiva en términos económicos con los combustibles fósiles en casi todos los rincones de la Tierra. Según la última revisión del Programa de Calentamiento y Enfriamiento Solar de la Agencia Internacional de la Energía (IEA-SHC en sus siglas en inglés), el calor termosolar es hoy en día la segunda fuente de energía renovable más importante después del viento, y mucho más importante que las centrales fotovoltaicas y termosolares. Al menos el 60% de la capacidad de calor termosolar se encuentra en China, y otro 20% en Europa. Los Estados Unidos y Canadá (donde la principal aplicación es el calentamiento de piscinas) representan menos del 9%.

Suecia, Dinamarca, España, Alemania y Austria cuentan con los mercados más sofisticados para las diferentes aplicaciones termosolares, incluyendo centrales a gran escala para la calefacción de barrios y un pequeño pero creciente sistema para aire acondicionado y enfriamiento (mediante refrigeradores por absorción). A finales de 2009, se instalaron en Europa 115 redes de calefacción para barrios y 11 sistemas de enfriamiento alimentados por calor solar. Canadá, Arabia Saudí y Singapur también han construido algunos sistemas de calentamiento solar a gran escala para la producción de agua caliente, calefacción y enfriamiento de espacios.

El potencial del calor solar para procesos industriales

No hay duda de que hay que seguir fomentado el uso del calor solar para fines domésticos; pero su potencial no termina ahí. Según un informe de 2008 que analiza la situación en Europa, el potencial del calor solar en los procesos industriales (pdf) es aún mayor que en el mercado doméstico. Alrededor del 30% de la demanda de calor a nivel industrial en Europa requiere temperaturas inferiores a los 100ºC.

El 57% de la demanda de calor en la industria europea podría cubrirse gracias a una tecnología ya disponible y rentable que usa fuentes de energía renovables e inagotables y que no presenta ningún tipo de desventaja ecológica.

Ésta podría suministrarse mediante los colectores solares planos y de tubos de vacío (< 120ºC) disponibles en el mercado y que normalmente se usan con fines domésticos. Otro 27% de la demanda de calor a nivel industrial requiere temperaturas medias (de 100ºC a 400ºC) que podrían conseguirse con versiones mejoradas de estos colectores (hasta 160ºC, ver este documento) y con tecnologías de concentración solar disponibles en el mercado que hoy en día se usan mayoritariamente para la producción de electricidad: colector solar de canal parabólico, de plato parabólico y de lentes Fresnel lineales.

Esto significa que por lo menos el 57% de la demanda de calor en la industria europea (o al menos el 40% de la demanda total de energía a nivel industrial) podría cubrirse gracias a una tecnología ya disponible y rentable que usa fuentes de energía renovables e inagotables y que no presenta ningún tipo de desventaja ecológica. El coste capital (y la energía gris) de esto último sería mucho menor que el de sustituir una cantidad similar de energía procedente de combustibles fósiles usando paneles solares y aerogeneradores.

El calor solar en la industria: aplicaciones ya existentes

A una temperatura baja y media, el calor solar se puede usar en procesos industriales de varias maneras. Puede proporcionar agua templada para la limpieza de botellas u otros procesos químicos. En segundo lugar, puede proporcionar aire caliente para procesos de secado y horneado, como por ejemplo, en la industria papelera o alimentaria. En tercer lugar, puede generar vapor que alimente a redes de distribución de calor tan usadas en muchas industrias. Lo interesante es que en todas estas aplicaciones no hay que mover la maquinaria industrial existente ni la infraestructura de distribución. Lo único que se debe sustituir es la fuente de energía.

Algunos fabricantes han empezado a comercializar sus tecnologías de concentración solar como generadores de calor en el sector industrial, además de su aplicación como generadores de electricidad.

Ejemplos de lo anterior son Sopogy, una empresa hawaiana que vende sistemas modulares de colectores de canal parabólico, Solar Power Group, una empresa alemana que vende colectores de concentración de lentes Fresnel lineales, y HelioDynamics, un vendedor estadounidense que ofrece tecnología similar.

Las instalaciones para el uso de calor solar en procesos industriales aún son poco habituales, pero existe alguna. Viessmann, un fabricante alemán de sistemas de calefacción, instaló 260 m² de sus propios colectores solares planos en su fábrica de Francia para suministrar agua caliente para un proceso químico, dando así el primer paso hacia la producción de energías renovables usando energías renovables.

Lo interesante es que en todas estas aplicaciones no hay que mover la maquinaria industrial existente y la infraestructura de distribución. Lo único que se sustituye es la fuente de energía.

Una central termosolar que consiste en 1900 m² de colectores de canal parabólico suministra vapor a una farmacéutica en Egipto. En Grecia, se construyó una central termosolar similar para una central lechera. Unas instalaciones de procesamiento de alimentos en California cuentan con 5000 m² de colectores de canal parabólico para producir vapor que será usado en el proceso de producción. En la India se han construido varias aplicaciones industriales de calor solar usando tanto colectores solares planos como tecnologías de concentración.

En seis tipos de industria diferentes (desde una central lechera hasta una fábrica de automóviles) se ha instalado un sistema de concentración solar llamado ARUN, un reflector parabólico Fresnel con un punto de foco que proporciona temperaturas de entre 80ºC y 400ºC. La India también cuenta con bastantes instalaciones de gran tamaño para cocinas solares comunitarias (colegios, hospitales, fábricas, centros religiosos).

La mayor de estas consiste en 84 sistemas de plato parabólico que alcanza temperaturas de hasta 650ºC y produce hasta 38500 raciones de comida al día. La mayor aplicación de procesos de calor solar hasta la fecha fue recientemente instalada en Hangzhou, China, donde 13000 m² de colectores solares en el tejado de una fábrica textil suministran agua caliente para el proceso de tinte. El Consejo Internacional de Energía Termosolar (The Global Solar Thermal Energy Council) está actualizando constantemente su lista de nuevas aplicaciones industriales del calor solar.

Renovables construyendo renovables

El 43% restante de la demanda de calor para uso industrial en Europa requiere temperaturas superiores a 400ºC. Este porcentaje incluye la mayoría de procesos industriales necesarios para la fabricación de fuentes de energía renovables (aerogeneradores, paneles solares, colectores de placa plana y concertadores solares) así como otras tecnologías verdes (como los LED, baterías y bicicletas).

Ejemplos de lo anterior son la producción de vidrio (que requiere temperaturas de hasta 1575ºC), cemento (1450ºC), el reciclaje de aluminio y acero (660ºC y 1520ºC, respectivamente),la producción de acero y aluminio de menas minadas (1800ºC y 2000ºC, respectivamente), el horneado de cerámica (1000-1400ºC) y la fabricación de microchips y celdas solares de silicio (1900ºC).

Estas temperaturas se pueden alcanzar con tecnología de concentración solar. Los reflectores lineales (sistemas de canales parabólicos y colectores de concentración lineal Fresnel) se limitan a temperaturas de 400ºC, pero los sistemas puntuales pueden alcanzar temperaturas mayores. Estos incluyen sistemas de plato parabólico, torres solares, y hornos solares (que son básicamente una combinación de torres solares con sistemas de plato parabólico).

Los hornos solares pueden producir temperaturas de hasta 3500ºC, suficiente para fabricar microchips, celdas solares, nanotubos de carbono, hidrógeno y todos los metales.

Los hornos solares pueden producir temperaturas de hasta 3500ºC (6232ºF), suficiente para fabricar microchips, celdas solares, nanotubos de carbono, hidrógeno y todos los metales (incluyendo tungsteno, que tiene un punto de fusión de 3400ºC). Se pueden alcanzar estas temperaturas en pocos segundos (vea este breve video de un horno solar fundiendo acero). El horno solar más potente se encuentra en Odeillo, Francia, construido en 1970, que concentra 10000 veces la luz solar y produce 1 megavatio de potencia.

Más de 60 heliostatos (en la foto de más arriba sólo se aprecia uno, en la esquina inferior derecha) dirige los rayos de sol hacia un espejo parabólico de más de 1800m² desde donde se concentran en un objetivo de sólo 40cm de diámetro situado en la torre de enfrente.

Un horno de características similares se encuentra en Uzbekistán. Fue construido en 1976, pero es ligeramente menos potente debido a la menor radiación solar de la zona.

No necesitamos estructuras de semejante tamaño para conseguir altas temperaturas. Se han construido hornos solares pequeños que a menudo usan un solo heliostato. Alcanzan temperaturas similares o ligeramente inferiores a los gigantes (normalmente entre 1500 y 3000ºC). Sin embargo, su potencia es notablemente inferior (entre 15 y 60 kW). Pueden realizar la mayoría de los procesos que realizan los hornos solares de gran tamaño, pero producen menores cantidades de materiales o productos químicos.

Se pueden encontrar ejemplos de hornos solares más pequeños en el Instituto Paul Scherrer en Suiza (foto de arriba), el Laboratorio Nacional de Energías Renovables en EEUU, la Plataforma Solar de Almería, el Centro Alemán Aeroespacial y en el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel (torre solar). Cuentan con ratios de concentración de entre 4000 y 10000. En la concentración solar, la temperatura es directamente proporcional al grado de concentración, mientras que la potencia será proporcional al tamaño y rendimiento (que la mayoría de las veces viene determinado por la temperatura).

La energía solar mejora la calidad de los productos

Los hornos solares también ofrecen beneficios adicionales gracias a su combustión pura y a su capacidad de calentamiento selectiva. Un informe de investigación de 1999 describe la producción de celdas solares de silicio mediante hornos solares y concluye que “la fabricación de celdas solares de silicio mediante hornos solares tiene la capacidad de mejorar el rendimiento de las celdas, reducir sus costes de producción. Y añade también: “Hemos demostrado que un horno solar se puede usar para conseguir la cristalización de silicio amorfo en su fase sólida a una velocidad muy alta.”

Al contrario que ocurre con los procesos industriales a baja o media temperatura (donde sólo se sustituye la fuente de energía pero donde la maquinaria y la infraestructura de distribución se mantiene en el mismo lugar), la mayoría de aplicaciones de calor solar a alta temperatura requieren maquinaria nueva. Se tienen que reconstruir los hornos.

En este sentido, se han hecho algunos esfuerzos. El Instituto Paul Scherrer de Suiza diseñó varios hornos solares de cal y cemento (pdf), y las investigaciones concluyeron que podrían llegar a ser rentables con los hornos alimentados por combustibles fósiles (pdf) con alguna mejora tecnológica más. De nuevo, la calidad del producto resultó ser mejor usando energía solar y eliminando la combustión de subproductos.

A pesar de que los hornos solares existentes demuestran que es posible producir cualquier cosa usando directamente el calor solar en lugar de combustibles fósiles, esto no es aún posible desde el punto de vista de la rentabilidad (es más barato usar combustibles fósiles). Sin embargo, puesto que los hornos solares pueden producir todos los materiales necesarios para construir más hornos solares, estos podrían llegar a ser rentables (incluso sin mejoras técnicas) en el supuesto de que los combustibles fósiles aumentaran de precio.

Almacenamiento de energía

¿Cómo podemos alimentar fábricas usando una fuente de energía de la que no siempre disponemos? La radiación solar varía a lo largo del día y de las estaciones del año. Y de noche no hay sol. Además, las tecnologías de concentración solar sólo funcionan con luz solar ininterrumpida, lo que significa que si pasa una nube, la producción de energía se detiene.

Este asunto plantea dos preguntas. Algunos procesos industriales funcionan correctamente con un suministro de energía intermitente. ¿Pero cómo podemos garantizar un suministro de energía ininterrumpido para un proceso que lo necesita? ¿Y qué hacemos cuando no tenemos ni un rayo de sol durante una semana?

Existen tres maneras de gestionar la intermitencia de la energía solar. La primera solución es diseñar sistemas híbridos: hacer que trabajen juntas la energía solar y otras fuentes de energía ya existentes. Así es como funcionan hoy en día la mayoría de centrales solares. Con esta posibilidad, que ofrece una solución tanto para el almacenamiento a corto y largo plazo, los procesos industriales se alimentan de calor solar cuando se dispone del mismo.

Cuando no se dispone de calor solar, la energía solar se sustituye automáticamente por combustibles fósiles o electricidad. No es la solución ideal, pero pude ahorrar grandes cantidades de energía. Además, no necesitamos nueva tecnología para que funcione.

                       El almacenamiento de calor es más barato y más eficiente que el almacenamiento de electricidad.

La segunda estrategia es almacenar energía solar para solucionar procesos industriales (como el volante de inercia para solucionar procesos mecánicos) y garantizar el suministro de energía en días nublados o por la noche. El almacenamiento de calor es más barato y más eficiente que el almacenamiento de electricidad. La manera de almacenar calor con más baja tecnología es hacerlo en tanques de agua bien aislados (otra tecnología que tiene más de 100 años de antigüedad).

Las desventajas son que necesitamos bastante espacio y que el almacenamiento de agua sólo funciona a una temperatura de 100ºC (212ºF). Hay otras maneras más compactas de almacenar calor a temperaturas más elevadas, por ejemplo usando cerámicas o materiales de cambio de fase (algunas sales). Estos medios de almacenamiento ya se usan en una central termosolar, pero serían aún más eficientes si se usaran en un sistema sólo termal.

Almacenar trabajo en lugar de energía

La tercera manera de gestionar la intermitencia del calor solar es almacenar trabajo en lugar de energía. Dejemos que nuestras fábricas trabajen cuando brilla el sol, y sólo cuando brilla el sol. Del mismo modo que esperamos un día soleado para hacer la colada, podríamos esperar un día soleado para cocer ladrillos, reciclar metal o producir smartphones. La producción industrial se concentraría en los meses soleados.

Por supuesto, hay un precio a pagar: la producción industrial sería menor. Pero teniendo en cuenta que nuestros problemas energéticos y medioambientales están en gran medida causados por la sobreproducción y el exceso de consumo de bienes, esta no sería una idea tan descabellada.

Combinar estas tres estrategias sería una posible solución. En este supuesto, nuestras fábricas solo estarían en funcionamiento cuando el sol brillara (y cuando el viento soplara), sirviéndose del almacenamiento de calor, los combustibles fósiles, la biomasa o la electricidad para compensar los procesos industriales si fuera necesario. Los bienes críticos podrían producirse de manera continua combinando el calor solar con el almacenamiento de calor, los combustibles fósiles o la biomasa.

Por supuesto no todos los climas cuentan con la bendición que supone los suficientes rayos de sol para hacer del calor solar una opción viable para alimentar una industria entera. Pero puesto que ya se está debatiendo sobre la posibilidad de subcontratar la producción de electricidad en zonas desérticas, podríamos simplemente mover nuestras fábricas a regiones donde hay mucho sol. Es mucho más eficiente transportar bienes fabricados a largas distancias que transportar electricidad.

Por Kris De Decker (traducido por Nekane López Azurmendi).

Fuentes: