El proyecto SOLARSCO2OL nace con el objetivo de desarrollar una tecnología clave que consiga aumentar la flexibilidad de las plantas de energía solar térmica mediante la tecnología termosolar de CO2 supercrítico (sCO2) siendo el primero de su tipo en la Unión Europea a escala de MW. El proyecto actualmente cuenta con una planta piloto en desarrollo y se estima que un 11% de la electricidad de la UE podría producirse mediante esta tecnología en 2050.
El mercado de la energía solar concentrada (CSP, por sus siglas en inglés, Concentrated Solar Power) está creciendo a la luz del compromiso de la Unión Europea (UE) de eliminar las emisiones de carbono del sistema energético. Los países con mayor cantidad de recursos solares, como España, podrían exportar electricidad proveniente de la energía termosolar a los países septentrionales, como Alemania.
El proyecto SOLARSCO2OL es cofinanciado por la Comisión Europea Horizonte 2020 (H2020) y liderado por un consorcio de 14 empresas y centros tecnológicos europeos, y está orientado a la industria. Tiene como objetivo ser totalmente comercializable en 2030 y se ha presentado recientemente en el Congreso Internacional SolarPaces 2023 sobre energía termosolar.
Objetivo del proyecto SOLARSCO2OL
Como objetivos principales, con este proyecto se busca aumentar la flexibilidad operativa y la eficiencia de las plantas CSP existentes y futuras mediante el uso de ciclos de energía de sCO2 que puedan funcionar a niveles de temperatura alcanzables por concentradores de última generación, eliminando así también el uso de agua en el ciclo de energía.
El segundo objetivo es demostrar una alta competitividad en costes, con diseños novedosos de plantas de sCO2 para generar electricidad termosolar de una manera más competitiva, y una sostenibilidad ayudando a desbloquear el potencial de la CSP en Europa y en todo el mundo para alcanzar los objetivos de descarbonización. Como objetivo final, conseguir la difusión y participación de las partes interesadas a nivel político e industrial (tanto en el sector solar como en sectores de turbomaquinaria) para poder comercializar esta tecnología.
Los investigadores de SOLARSCO2OL buscan desarrollar un bloque de energía de CO2 supercrítico (sCO2) innovador, económicamente viable y fácilmente replicable para demostrar el uso de ciclos de sCO2 como una posible tecnología clave para aumentar la flexibilidad de las plantas de energía solar concentrada (CSP). Esto reducirá su coste nivelado de la electricidad (LCOE) a valores inferiores a 10 c€/kWh en Europa y promoverá un diseño innovador del ciclo de las centrales eléctricas que no requiera agua.
El innovador diseño de la planta SOLARSCO2OL, junto con calentadores eléctricos de reacción rápida e intercambiadores de calor eficientes (HEX), permitirán la operación y el diseño de novedosos diseños de plantas CSP integradas.
Tecnologías: CO2 supercrítico y CSP
El dióxido de carbono supercrítico es un estado fluido de CO2 en el que se calienta y se mantiene a su temperatura y presión críticas o por encima de ellas. En esta fase supercrítica, el CO2 presenta propiedades y comportamientos entre los de un líquido y un gas. En particular, el CO2 supercrítico posee densidades similares a las de los líquidos con difusividad, tensión superficial y viscosidad similares a las de los gases. Cuando el CO2 excede temperaturas de 31,1°C y se somete a presiones superiores a 1071 psi (7,39 MPa), entra en la fase supercrítica. Esta fase del CO2 se utiliza comúnmente como disolvente en procesos de extracción química debido a su alta solubilidad, baja toxicidad y mínimo efecto neto sobre el medio ambiente.
Los ciclos de sCO2 se pueden configurar para adaptarse a las características de temperatura y presión de diversas fuentes de calor (incluidas las energías renovables como la solar), lo que proporciona una eficiencia superior en la conversión de calor en energía eléctrica. El dióxido de carbono es particularmente atractivo como fluido de trabajo debido a su baja toxicidad y, en la región supercrítica, su compresibilidad y capacidad para transferir calor.
En cuanto a la energía solar concentrada (CSP) utiliza espejos para concentrar el calor del sol en un receptor y convertir la energía solar térmica para impulsar turbinas de vapor tradicionales o motores que producen electricidad, o utilizar directamente el calor para procesos industriales. En concreto, la CSP puede integrarse con el almacenamiento térmico para su posterior conversión a electricidad o en funcionamiento híbrido con otras tecnologías, ofreciendo capacidad firme y energía gestionable según demanda. Es adecuado para cargas punta y cargas base y la energía normalmente se inyecta a la red eléctrica.
Con la combinación de estas tecnologías, el proyecto extrae que los ciclos de energía de sCO2 pueden operar perfectamente a las temperaturas actuales de CSP, produciendo energía con mayor eficiencia en comparación con los ciclos de Rankine utilizados tradicionalmente en plantas de CSP y sin utilizar agua como fluido operativo. Los ciclos de energía de sCO2 tienen un gran margen para reducir costos y también considerando su reducido volumen y/o tamaño requerido. En este sentido, como los intercambiadores de calor pueden representar hasta el 60%-70% del coste total de un ciclo de energía de sCO2 de CSP, se debe prestar especial atención a este tema. Por lo tanto, un nuevo diseño con calentadores eléctricos de reacción rápida (que también permitiría la hibridación fotovoltaica de la planta de CSP) e intercambiadores de calor eficientes (HEX) puede ayudar a que las plantas de sCO2 – CSP sean más competitivas en términos de costos.
Uso del sCO2 en el proyecto SOLARSCO2OL
El uso de CO2 supercrítico en la energía solar de concentración supone según los investigadores múltiples ventajas no solo para la gestión de las plantas sino también para la reducción de costes. El sCO2 supone también un incremento del rendimiento, del tamaño de los equipos y de un menor consumo de recursos como el agua. Además, ha sido estudiado durante varios años como una tecnología futura para superar el ciclo basado en vapor en eficiencia y densidad de potencia y, por tanto, como tecnología que permitiría promover la CSP de forma generalizada en todo el mundo.
El proyecto SOLARSCO2OL presenta los ciclos de sCO2 como una tecnología clave que permitirá facilitar un mayor despliegue de la CSP en el panorama de la Unión Europea, que hoy se compone por aplicaciones a media temperatura (la mayoría de ellas cilindro-parabólicas – Tmax = 550°C) y plantas de tamaño pequeño y mediano (todas ellas de 50 MW o menos) mejorando su rendimiento (eficiencia, flexibilidad, rendimiento anual) y reduciendo su coste energético nivelado.
Teniendo en cuenta que, en comparación con los ciclos Rankine orgánicos y de vapor sobrecalentado, los ciclos de sCO2 logran altas eficiencias en un amplio rango de temperaturas (dando así la oportunidad de acoplar bloques de energía de sCO2 con plantas CSP de sales fundidas, existentes y de nueva construcción), sin uso de agua como fluido operativo (una ventaja para las plantas de CSP en ubicaciones áridas), menor huella del sistema y mayor flexibilidad operativa, SOLARSCO2OL tiene como objetivo demostrar con su proyecto piloto como el primer bloque de energía de sCO2 de la UE a escala MW que funciona en una planta de CSP real.
SOLARSCO2OL no es solo un proyecto de demostración para los objetivos del Horizonte 2020, sino la primera demostración a escala de sCO2 MW instalada y probada en un entorno real de planta CSP en todo el mundo. Este será un logro que cerrará la brecha en inversión y desarrollo del sCO2 con los países de fuera de la UE. Existe no obstante el proyecto STEP, que es de mayor escala (10 MW) pero se limita a plataformas experimentales.
Consorcio
La consultora italiana RINA Consulting Spa es el coordinador del proyecto, en el que también participan varios actores españoles, como Magtel Operaciones s.l., Ikerlan S. Coop, Lointek Ingeniería y técnicas de montajes y Abengoa Energía.
El resto de participantes del proyecto son: la Moroccan Agency for Sustainable Energy (Marruecos), Kungliga Tekniska Hoegskolan (Suecia), Universita Degli Studi di Geniva (Italia), Ocmiotg Spa (Italia), Nuovo Pignore SRL (Italia), Nuovo Pignone Tecnologie srl (Italia), Seico Heizungen GMBH (Alemania), Franco Tosi Meccanica Spa (Italia), Bruno Presezzi Spa (Italia), Ethniki Kentro Erevnas Kay Technologikis Anaptyxis (Grecia), Mas ae Proigmenes Technologies Energeias Kai Ischyos (Grecia), y la European Solar Thermal Electricity Association (Bélgica).
Conclusiones hasta el momento
El incremento de rendimiento, la reducción del tamaño de los equipos y la reducción en el uso de un recurso tan importante como es el agua son un gran aliciente para hacer de la tecnología de sCO2 una tecnología viable y eficiente. Como ejemplo, Estados Unidos está apostando fuertemente por el sCO2, con uno de los proyectos más ambicioso para su integración en CSP: el Gen3, por lo que si el SOLARSCO2OL da los resultados esperados, Europa podría ponerse a la cabeza en esta tecnología.
Bajo el programa Horizonte 2020, Europa está financiando varios proyectos de investigación y desarrollo como son el SCO2Flex, SCO2hero, Scarabeus o SolarsCO2OL. China por su parte aspira a ser el primero en poner en marcha un proyecto de sCO2 en Shouhang con una potencia de 10 MW. El proyecto SOLARSCO2OL finalizará en septiembre de 2024.