Nº 1, mes de abril

Área de energía. energías renovables: aplicaciones medioambientales de la energía solar y caracterización de la radiación solar

Investigador científico: Diego-César Alarcón Padilla

Plataforma Solar de Almería

La Unidad de Aplicaciones Medioambientales de energía solar del CIEMAT tiene entre sus objetivos la generación de nuevo conocimiento asociado a un desarrollo tecnológico que permita la utilización efectiva de la radiación solar en procesos de marcado carácter medioambiental, contemplando el tratamiento y depuración de agua y aire como principales núcleos de actividad.

Entre sus actividades cabe destacar los procesos de desalinización solar de agua de mar mediante tratamientos térmicos.

Actualmente se encuentran trabajando activamente en el desarrollo y mejora de la tecnología de destilación multiefecto (MED), incorporando una fuente de suministro energético solar con el objetivo principal de acercar dicha tecnología a los umbrales de rentabilidad de los procesos convencionales, y al mismo tiempo reducir su impacto en el medio ambiente. Para ello pretenden incorporar varias ideas e innovaciones tecnológicas que se están desarrollando en el marco del proyecto europeo AQUASOL, coordinado también desde el Programa.

Dentro de los resultados de sus investigaciones pueden destacarse:

• El desarrollo de una tecnología híbrida de desalinización avanzada solar-gas basada en colectores solares estáticos y con residuo cero.
• Diseño, construcción y ensayo de planta piloto experimental basada en la planta de destilación multiefecto SOL-14, previamente existente en la PSA.
• Desarrollo y puesta a punto de un banco de ensayos de colectores solares estáticos (CIEMAT-PSA).

Actualmente cuentan con una planta de destilación multiefecto acoplada a campo de colectores solares, SOL-14 (CIEMAT-PSA) y un banco de ensayos de colectores solares estáticos (CIEMAT-PSA).

La planta SSPS-DCS con sistema de desalación solar es una instalación posee una potencia nominal de 1,2 MWt, y consta de cuatro subsistemas principales:

• Un campo solar compuesto por 40 colectores cilindroparabólicos del modelo ACUREX 3001, agrupados en 10 filas paralelas, con 4 colectores conectados en serie dentro de cada fila. La superficie total de captación solar de este campo es de 2.672 m2, y el eje de giro de los colectores está orientado en la dirección este-oeste. El fluido utilizado por este campo de colectores es Santotherm 55, que posee una temperatura máxima de trabajo de 300ºC. Los tubos absorbentes de los colectores solares son sin vacío y poseen un recubrimiento selectivo a base de cromo negro. Este campo solar tiene un rendimiento global del 50%, con una potencia pico de 1,3 MWt para una radiación solar directa de 950 W/m2. El suministro medio diario de energía térmica es de 6,5 MWt.
• Un sistema de almacenamiento térmico consistente en un tanque termoclino de aceite, con un volumen interior de 140 m y una capacidad de almacenamiento de 5 MWht, para temperaturas de carga / descarga de 295/25ºC. Está dotado de sistema antiincendios automático, válvulas automáticas de venteo y sistema para condensado de volátiles. Un enfriador de aceite refrigerado por agua permite el enfriamiento rápido del aceite para poder realizar ensayos de transitorios.
• Un sistema de generación de electricidad de 500 kWe, mediante un ciclo Rankine de agua / vapor. Este sistema está compuesto por: generador de vapor alimentado por el aceite caliente que suministra el campo solar y/o el tanque de almacenamiento; desgasificador; turbina de vapor; generador eléctrico y circuito de refrigeración mediante torres evaporativas.
• La planta de desalación MED consiste en una planta de destilación multiefecto con 14 etapas, denominada SOL-14, la cual está conectada al sistema de almacenamiento térmico descrito anteriormente. Para una producción nominal de 3 m³/h de destilado, el consumo de la planta es de 190 kWt, con un factor de eficiencia (número de kg de destilado producidos por cada 2.300 kJ de energía consumida) mayor de 9. La concentración salina del destilado se sitúa en torno a 50 ppm. El gradiente nominal de temperatura entre la primera y última etapas es de 40°C, con una temperatura de operación de 70°C en la primera etapa. El sistema de vacío está compuesto por dos hidroeyectores alimentados por agua de mar a 3 bar. Dicho sistema de vacío se utiliza para evacuar el aire de la unidad al comienzo de la operación y para compensar las pequeñas cantidades de aire y gases liberadas con el agua de alimentación, así como las pequeñas pérdidas que puedan producirse en las diferentes conexiones.

A continuación se indican las especificaciones técnicas de la planta de desalación solar SOL-14:

• Capacidad: 3 m3/hora
• Número de efectos: 14
• Agua de entrada: Agua de mar (35.000 ppm)
• Producto: Destilado (£50 ppm)
• Factor de Recuperación: 38%
• Caudal agua alimentación: 8 m3/hora
• Consumo térmico (FR): 63 kWh/m3 (>9)
• Consumo eléctrico: 3 kWh/m3
• Potencia campo solar: 1,2 MWp
• Rendimiento campo solar: 50%
• Superficie de colectores: 276 m2
• Tipo de colectores: ACUREX 3001 (CCP)
• Almacenamiento: 5 MWh (Therminol 55)
• Máxima temp. del aceite: 300°C

Más información

Los proyectos en los que se ha estado implicada la unidad de Aplicaciones Medioambientales de energía solar dentro del área de la desalación han sido:

1. Tecnología Híbrida de Desalinización Avanzada Solar-Gas basada en Colectores Solares Estáticos (SOLARDESAL). Ministerio de Ciencia y Tecnología; Referencia proyecto: REN2000-0176-P4-04.

   Entidades participantes: CIEMAT (Coordinador), Universidad de la Laguna, INABENSA y ECOSYSTEM.

2. Enhanced Zero Dischage Seawater Desalination using Hybrid Solar Technology (AQUASOL). EU. DGXII. Programa: Energy, Environment and Sustainable Development. Contrato EVK1-CT-2001-00102.

   Entidades participantes: CIEMAT (Coordinador), INABENSA (España), Ao Sol Energias Renováveis (Portugal), National Technical University of Athens (Grecia), INETI (Portugal), Cajamar (España), Hellenic Saltworks (Grecia), Comunidad de Regantes de las Cuatro Vegas de Almería (España) y Weir-Entropie (Francia).

El objetivo común de ambos proyectos es el desarrollo de una tecnología híbrida solar/gas de desalación de agua de mar basada en el proceso de destilación multi-efecto (MED) que cumpla al mismo tiempo los principios de eficiencia energética, bajo coste y vertido nulo.

En particular, el Proyecto AQUASOL está enfocado en el desarrollo tecnológico de tres aspectos fundamentales:

1. Incorporación de una fuente de suministro energético híbrido solar/gas basada en captadores solares estáticos parabólicos compuestos (CPC) de alta eficiencia y bajo coste.
2. Desarrollo de una bomba de calor de absorción de doble efecto (LiBr/H20) optimizada para su acoplamiento al proceso MED que permita reducir a la mitad el consumo energético requerido por una planta MED convencional.
3. Reducción a cero de cualquier tipo de vertido del proceso de destilación mediante la recuperación de la sal procedente de la salmuera.

Durante el año 2004 se ha concluido la fase de investigación del proyecto que ha dado como resultado la especificación final de los subsistemas que constituyen la planta de desolación AQUASOL (bomba de calor por absorción de doble efecto, campo de captadores solares de tipo CPC, tanques de almacenamiento térmico, caldera de gas y secador solar). El primer efecto de la planta MED será alimentado directamente con agua caliente a 66,5°C procedente del tanque de almacenamiento, el cual es a su vez alimentado o bien por el campo de captadores solares, o bien por la bomba de calor de absorción de doble efecto. La operación a esos niveles de temperatura presenta dos claras ventajas: en primer lugar se reduce considerablemente el peligro de formación de incrustaciones en los intercambiadores de calor de la planta de destilación, reduciendo el consumo de aditivos químicos; en segundo lugar, la eficiencia energética de los captadores solares estáticos es mayor cuanto menor es la diferencia entre la temperatura del fluido y la temperatura ambiente. La conexión en serie de dos tanques de almacenamiento tiene como objeto mejorar la controlabilidad del sistema, así como mantener la diferencia de temperatura necesaria para una operación eficiente de la bomba de calor.

Debido a la limitación en la temperatura máxima que puede obtenerse con captadores solares CPC estándar, la única posibilidad de funcionamiento de la bomba de calor de doble efecto es utilizando vapor a alta presión (180°C, 10 bar) procedente de la caldera de gas. Por lo tanto, el factor de rendimiento de la planta (kg destilado producido / 2300 kJ energía aportada al proceso) oscilará entre un valor de 10 (modo sólo-solar) y un valor de 20 (modo sólo-gas). Está prevista dentro del proyecto la investigación de modos de funcionamiento híbrido en los que la bomba de calor pueda funcionar a carga parcial (30%-100%) en combinación con un aporte complementario del campo solar [Hublitz y col., 2004]