Tras casi cinco años de investigación, los expertos del proyecto europeo SCARABEUS han desarrollado un nuevo concepto de ciclo de potencia basado en el uso de mezclas de CO2 supercrítico (sCO2) para las plantas de energía solar de concentración (CSP), con el fin de reducir significativamente los costes asociados e impulsar así el atractivo a nivel comercial de la energía solar térmica.
La principal desventaja de las plantas de energía solar concentrada (CSP) es su coste nivelado de la electricidad (LCOE), que actualmente es de alrededor de 150 euros/MWh. Actualmente, muchos proyectos de investigación que apuntan a mejorar la eficiencia del bloque de potencia y reducir los costes asociados, se basan en la tecnología de CO2 supercrítico.
Sin embargo, las temperaturas ambientales relativamente altas, típicas de las regiones caracterizadas por una alta radiación solar, siguen siendo un gran obstáculo de los ciclos de CO2 supercrítico, ya que la eficiencia de estos sistemas cae drásticamente en entornos cálidos donde la temperatura ambiente es cercana o superior a la temperatura crítica del CO2 (31°C), lo que no permite adoptar ciclos de condensación con eficiencias esperadas más altas.
Para abordar esta limitación, la propuesta de SCARABEUS era un fluido modificado mediante el cual el dióxido de carbono se mezcla con determinados aditivos para permitir la condensación a temperaturas de hasta 60°C, mientras que, al mismo tiempo, sigue resistiendo las temperaturas pico requeridas para el ciclo de condensación. Esto aumenta la eficiencia de conversión termomecánica del 42% actual a más del 50%, lo que genera grandes reducciones en el LCOE.
El proyecto SCARABEUS ha sido coordinado por la Universidad Politécnica de Milán (Italia) y ha contado con la colaboración de Abengoa Energía SA y la Universidad de Sevilla por parte de España, así como otras entidades procedentes de Reino Unido, Francia, Austria, Italia, y Suiza. El proyecto se inició en abril de 2019 y ha finalizado en enero de 2024. El coste total de la iniciativa ha sido de 4.950.266,25 euros, financiado en su totalidad por el programa europeo Horizon 2020 de la Comisión Europea.
Objetivos del proyecto
El objetivo principal del proyecto SCARABEUS era reducir los gastos de capital y operativos en tecnologías de energía termosolar en aproximadamente un 32% y un 40%, respectivamente, lo que lleva a un coste final de la electricidad por debajo de 96 euros/MWh a través de un ciclo de energía basado en mezclas de CO2.
Para ello, el proyecto se ha enfocado en dos áreas. La primera ha sido la identificación del aditivo óptimo que reduciría el tamaño y aumentaría la eficiencia del bloque de potencia. La segunda, el desarrollo de diseños de intercambiadores de calor personalizados, en particular para el condensador enfriado por aire, para operar con el fluido propuesto, ya que eran componentes clave para habilitar la tecnología propuesta.
Con respecto a los ciclos de sCO2 de última generación, los investigadores realizaron la adición de pequeñas cantidades de elementos seleccionados (compuestos inorgánicos y fluorocarbonos) al CO2 puro para aumentar el punto crítico de CO2, permitiendo la adopción del ciclo de condensación incluso en ubicaciones típicas de plantas de CSP. Así, buscaban alcanzar ciclos de condensación de sCO2 con una mayor eficiencia de conversión térmica a eléctrica y una temperatura máxima de funcionamiento más alta con respecto a los ciclos de vapor y CO2 convencionales.
Los investigadores se propusieron la combinación de estos dos aspectos para obtener grandes reducciones del LCOE. Así, los investigadores de SCARABEUS se marcaron el objetivo de investigar mezclas de CO2 estables a temperaturas de hasta 700°C (lo que corresponde a 100°C por encima de las temperaturas máximas actuales de CSP) y con una temperatura pseudocrítica de aproximadamente 50°C.
Desarrollo de CO2 supercrítico para plantas termosolares
A pesar de su potencial, la energía solar térmica enfrenta desafíos económicos en comparación con las tecnologías fotovoltaicas, principalmente debido a sus costes. Sin embargo, el desarrollo de ciclos de energía innovadores con un rendimiento mejorado y menores costes podría transformar la CSP en una opción más competitiva y viable. El proyecto SCARABEUS se propuso abordar esta problemática desarrollando un bloque de potencia avanzado diseñado para mejorar la conversión de calor en electricidad, reduciendo al mismo tiempo los costes asociados.
El aspecto innovador de SCARABEUS ha sido el uso de un nuevo fluido de trabajo, compuesto de dióxido de carbono mezclado con aditivos específicos. Esta composición permite que el fluido se condense a temperaturas de hasta 60 grados Celsius, al tiempo que resiste las temperaturas pico requeridas para el ciclo, lo que lo hace especialmente adecuado para aplicaciones termosolares.
Por tanto, el proyecto se centró en diseñar componentes del ciclo de potencia compatibles con este fluido innovador, y en validar tanto los componentes como el concepto general en un banco de pruebas. Se identificaron varios fluidos potenciales, como el hexafluorobenceno (C6F6), o el tetracloruro de titanio (TiCl4), entre otros. A continuación, se realizó una caracterización exhaustiva de estos fluidos para comprender sus propiedades termodinámicas y temperaturas máximas de funcionamiento. Estos resultados experimentales permitieron predecir el rendimiento del fluido y el diseño de los componentes del ciclo de potencia.
Después, los investigadores diseñaron y optimizaron la integración de los componentes del ciclo de potencia en plantas de CSP comerciales. La fase implicó la validación del concepto en un banco de pruebas con un caudal másico de 0,6 kg/s y una entrada térmica de 200 kWth. El fluido CO2-C6F6 se sometió a pruebas durante 150 horas, alcanzando temperaturas máximas de 500°C. Estas pruebas confirmaron el rendimiento mejorado de los intercambiadores de calor y la condensación de fluidos por encima de los 50°C, validando así el concepto SCARABEUS.
Escalabilidad comercial del concepto SCARABEUS
Los ciclos de dióxido de carbono supercríticos a menudo sufren altas temperaturas ambientales, lo que puede reducir la eficiencia general. En base a esta limitación, SCARABEUS ha validado mezclas innovadoras de CO2 para aplicaciones de alta temperatura (temperatura máxima de 550°C y superior), estableciendo un nuevo estándar en el campo. Además, la caracterización de fluidos, que incluyó evaluaciones de compatibilidad de materiales, generó mejoras significativas.
El propósito final de SCARABEUS es introducir un cambio en el paradigma actual de la tecnología CSP. El concepto SCARABEUS aborda los costes de la energía termosolar, permitiendo reducciones significativas del tamaño de todos los componentes de la planta (bloque de potencia, campo solar y sistema de almacenamiento de energía térmica), dando lugar a un LCOE significativamente menor.
Por tanto, los investigadores esperan que los desarrollos alcanzados durante el proyecto contribuyan a un nuevo escenario del sector energético en Europa en el que esta nueva tecnología termosolar garantice la capacidad de gestión y la competitividad de costes.
En base a las previsiones del crecimiento de la energía solar térmica en los próximos años y a la reducción de costes que implica la aplicación del concepto SCARABEUS en plantas termosolares, los expertos del proyecto calculan un gran aumento del tamaño del mercado y el número de puestos de trabajo en el sector. En el caso óptimo en el que SCARABEUS se aplicase a todas las nuevas plantas termosolares instaladas, el número de empleados en el sector sería de 90.000 y 180.000 en 2030 y 2050, respectivamente, según los cálculos de los investigadores.