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2014 52 Yolanda Bravo Rodríguez Análisis y perspectivas de desarrollo de un sistema avanzado de generación energética de disco Stirling Departamento Director/es Ingeniería Mecánica Monné Bailo, Carlos Moreno Gómez, Francisco Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Yolanda Bravo Rodríguez ANÁLISIS Y PERSPECTIVAS DE DESARROLLO DE UN SISTEMA AVANZADO DE GENERACIÓN ENERGÉTICA DE DISCO STIRLING Director/es Ingeniería Mecánica Monné Bailo, Carlos Moreno Gómez, Francisco Tesis Doctoral Autor 2014 Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Análisis y perspectivas de desarrollo de un sistema avanzado de generación energética de disco Stirling TESIS DOCTORAL Yolanda Bravo Rodríguez  2   3  Análisis y perspectivas de desarrollo de un sistema avanzado de generación energética de disco Stirling Yolanda Bravo Rodríguez Ingeniero Industrial Memoria presentada en la Universidad de Zaragoza, para la obtención del grado de Doctor, en el Programa de Doctorado de Tecnologías de Climatización y Eficiencia Energética en Edificios del Departamento de Ingeniería Mecánica. Zaragoza, Abril de 2014  4   5  Dr. Carlos Monné Bailo y Dr. Francisco Moreno Gómez, profesores titulares del Área de Máquinas y Motores Térmicos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza, CERTIFICAN: Que la memoria titulada: Análisis y perspectivas de desarrollo de un sistema avanzado de generación energética de disco Stirling, presentada por la Ingeniero Industrial Dª. Yolanda Bravo Rodríguez para optar al grado de Doctor, ha sido realizada bajo su dirección. Zaragoza, a 1 de abril de 2014. Fdo. Carlos Monné y Francisco Moreno  6  NOMENCLATURA ACV Análisis de Ciclo de Vida BUWAL Swiss Ministry of the Environment (Ministerio suizo de Medio Ambiente) C 2 H 2 Acetileno C 2 H 4 Etileno CdTe Teluro de cadmio CDTI Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial CFC11 Triclorofluormetano CML Center of Environmental science Leiden (Centro de Ciencia Ambiental de Leiden) CO 2 Dióxido de carbono CSP Concentrating Solar Power (energía solar de concentración) DALY Disability Adjusted Life Years (pérdida de años de vida por enfermedad) DB Diclorobenceno DNI Direct Normal Irradiation (irradiación directa normal) DOE United States Department Of Energy (departamento de energía de Estados Unidos) DP Disco Parabólico EDIP Environmental Design of Industrial Products (diseño ambiental de productos industriales) EI 99 Método Eco-Indicador 99 EMPA Swiss Federal Institute for Materials, Testing and Research, St. Gallen (Instituto Federal Suizo para materiales, pruebas e investigación) EPBT Energy Pay-Back Time (tiempo de amortización energética) GaInP Fosfuro de galio indio GaAs Arseniuro de galio GER Gross Energy Requirement (requisito de energía para fabricación) GMT Greenwich Mean Time (hora del meridiano de Greenwich) GWP Global Warming Potential (potencial de calentamiento global) ICV Inventario de Ciclo de Vida IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Panel Intergubernamental para el Cambio Climático)  14  ISO International Organization for Standarization (Organización Internacional para la Estandarización) LCA Life Cycle Assessment (análisis de ciclo de vida) LCI Life Cycle Inventory (inventario de ciclo de vida) NMVOC Non-Methane Volatil Organic Compounds (compuestos orgánicos volátiles excepto el metano) NO x Óxidos de Nitrógeno PAF Potencially Affected Fraction (fracción potencialmente afectada) PCM Phase Change Material (material almacenamiento térmico) PDF Potencially Disappeared Fraction (fracción potencialmente desaparecida) PRé Product Ecology Consultants (Consultoría de Ecología del Producto) PSA Plataforma Solar de Almería PO 4 Fosfato RD Real Decreto SBP Schlaich Bergermann und Partner SES Stirling Energy Systems SETAC Society Environmental, Toxicology And Chemistry (Sociedad Química y Toxicolológica Ambiental) SPM Suspended Particle Matter (partículas suspendidas) SO 2 Dióxido de azufre SO x Óxidos de azufre ɳ Rendimiento  15  Índice JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS ................................................... 17 1.1 Interés ................................................................................................ 17 1.2 Objetivo general ................................................................................. 18 1.3 Objetivos concretos ............................................................................ 19 1.4 Estructura de la tesis .......................................................................... 19 INTRODUCCIÓN ............................................................................ 23 2.1 La energía solar térmica de concentración. ........................................ 24 2.1.1 Energía solar. Interés de la concentración .............................. 25 2.1.2 Tecnología de concentrador cilindro-parabólico .................... 30 2.1.3 Tecnología de torre central ..................................................... 34 2.2 El sistema de disco Stirling ................................................................ 36 2.2.1 Funcionamiento básico del disco-Stirling ............................... 38 2.2.2 El motor Stirling ..................................................................... 40 2.2.3 Descripción de componentes de la tecnología de disco Stirling .................................................................................... 42 2.2.4 Estado de la tecnología ........................................................... 48 ESTADO DEL ARTE ....................................................................... 51 3.1 Instalaciones de disco-Stirling. .......................................................... 52 3.2 Hibridación aplicada a la energía solar térmica de concentración. .................................................................................. 59 3.2.1 Experiencias en el sistema de disco Stirling ........................... 61 3.3 Almacenamiento térmico ................................................................... 73 3.4 Análisis de ciclo de vida aplicado a tecnologías de generación solar. ................................................................................................ 77  Índice  16  ANÁLISIS DE OPERACIÓN DE HIBRIDACIÓN DEL SISTEMA DE DISCO STIRLING ..................................................................... 89 4.1 Metodología ....................................................................................... 92 4.1.1 Datos de entrada para el análisis ............................................. 92 4.1.2 Modelización del sistema ....................................................... 96 4.1.3 Indicadores resultados de evaluación ................................... 105 4.2 Resultados aplicados al sistema de disco Stirling ............................ 106 4.2.1 Operación solo solar ............................................................. 106 4.2.2 Hibridación con gas natural .................................................. 107 4.2.3 Hibridación con biogás ......................................................... 109 4.2.4 Aplicación de almacenamiento térmico ................................ 111 PRE-DISEÑO DEL SISTEMA HIBRIDADO ............................... 113 5.1 Receptor híbrido. ............................................................................. 114 5.2 Quemador de combustible ............................................................... 119 5.3 Precalentador de aire ........................................................................ 127 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL ................................................. 133 6.1 Análisis de ciclo de vida .................................................................. 136 6.1.1 Definición y fases de ACV ................................................... 136 6.1.2 Programa informático SimaPro ............................................ 138 6.1.3 Selección de los métodos de evaluación de impacto ............ 139 6.2 Aplicación al caso de estudio de ACV ............................................. 143 6.2.1 Objetivos y alcance del ACV ............................................... 143 6.2.2 Modelización de los sistemas ............................................... 144 6.3 Resultados ........................................................................................ 148 6.3.1 Comparativa entre sistema de disco Stirling y sistema fotovoltaico ........................................................................... 148 6.3.2 Evaluación medioambiental de alternativas de hibridación .. 165 6.4 Conclusiones .................................................................................... 171 6.4.1 Síntesis .................................................................................. 171 6.4.2 Interpretación de resultados .................................................. 172 CONCLUSIONES .......................................................................... 175 7.1 Síntesis ............................................................................................. 176 7.2 Contribución .................................................................................... 178 7.3 Perspectivas futuras ......................................................................... 178 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................ 181 ANEXO: ECOINDICADOR 99 CML2 .......................................... 189  17  JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Interés El impacto medioambiental y la disponibilidad de la energía serán dos aspectos clave en el futuro energético mundial. Las llamadas energías renovables cumplen el primero de estos aspectos, pero la idoneidad para el segundo queda a disposición de la posibilidad de hibridar las instalaciones que proveen la energía con otras fuentes. Así, es necesario identificar aquellas tecnologías de explotación de energías renovables que permitan la hibridación, a poder ser con otros recursos asimismo renovables. Es aquí donde la energía solar térmica de concentración tiene un alto potencial de implementación. Si bien la energía fotovoltaica es conocida e identificada por la sociedad en general, no sucede lo mismo con la energía solar térmica de concentración. Pero según determinadas referencias [1], las perspectivas de utilización de la energía solar térmica de concentración (CSP – Concentrating Solar Power-) son significativas: en un escenario avanzado, que implicaría un compromiso político importante, llegan hasta una cuarta parte de las necesidades energéticas mundiales en menos de 50 años. La información que existe respecto a las energías solares térmicas de concentración [2] destaca el potencial de esta forma de energía, debido fundamentalmente a la eficiencia alcanzada y a las posibilidades de explotación de los ciclos termodinámicos asociados. Aún dentro de la CSP existen distintas tecnologías con diferente grado de desarrollo, que va desde la fase de industrializaciones a gran escala, en un número reducido de localizaciones, hasta instalaciones puramente de investigación y desarrollo [3]. Es importante considerar conjuntamente el potencial de cada una de las tecnologías y los aspectos clave de desarrollo que garanticen la viabilidad de las mismas. Si nos ceñimos a la 1 Justificación y objetivos  18  eficiencia la de más alto potencial es la tecnología de disco Stirling [2]. Es además la única de las tecnologías termosolares de concentración que permite su implementación en unidades aisladas desde 3 a 25 kW, por lo que podría jugar un papel importante en la utilización de generación distribuida. Sin embargo, actualmente es la que presenta mayores retos técnicos asociados a la fiabilidad y rentabilidad de la inversión. Ahora bien, si las perspectivas de utilización de la tecnología de disco Stirling se demuestran prometedores, se realizará la inversión necesaria para garantizar la factibilidad de la misma. En este sentido, existen dos factores clave que pueden ayudar a discriminar a la tecnología de disco Stirling frente a su competencia directa para la generación de energía en unidades aisladas o modulares, la fotovoltaica. Por una parte, las tecnologías de energía solar térmica de concentración presentan la ventaja de ser susceptibles de hibridación con otras fuentes de energía, lo que, frente a la fotovoltaica, supone la no dependencia absoluta de la disponibilidad del recurso solar frente a la adaptación a la demanda. Si además se considera esta hibridación con otras fuentes de energía renovables, tales como la biomasa, el interés puede ser aún mayor. Por otra parte, el impacto medioambiental puede ser también un factor discriminante para la elección entre una y otra tecnología. De hecho, este criterio puede pasar a formar parte de las políticas energéticas a nivel global para la determinación de acciones de apoyo y desarrollo de diferentes tecnologías. El interés de aplicación de esta tecnología dependerá en gran medida del impacto medioambiental asociado al ciclo de vida completo de las instalaciones necesarias para su explotación. La evaluación de las energías renovables no debe considerar exclusivamente la gratuidad y bajo impacto ambiental de los combustibles utilizados, sino también el impacto completo que origina su aprovechamiento. En este sentido, existe un método de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) que realiza el estudio desde la cuna a la tumba de los productos, procesos y actividades. La aplicación de este método a la tecnología de disco Stirling puede servir para determinar el interés de realizar las inversiones y apoyo a la investigación apropiados, de forma que se garantice que la tecnología de explotación sea viable técnica, económica y medioambientalmente. 1.2 Objetivo general En el contexto actual del uso de energía para generación eléctrica, es necesario el desarrollo de tecnologías de explotación de recursos renovables. Entre estas, los esfuerzos de investigación y desarrollo deben centrarse sobre aquellas que aseguren un funcionamiento fiable y duradero, la amortización de las inversiones, el coste competitivo de generación y un mínimo impacto medioambiental. Además, es importante invertir en tecnologías que garanticen el acceso para generación distribuida, por razones sociales. La tecnología de disco Stirling presenta un alto potencial para todas estas cuestiones. El objetivo general de la presente tesis es analizar aspectos de utilización de esta tecnología, de forma que permita afirmar aún más su potencial de forma complementaria a otras actividades de desarrollo conocidas. Los aspectos de utilización sobre los que se centra son, por una parte la aplicación de hibridación a la tecnología, y por otra la evaluación medioambiental frente a la tecnología fotovoltaica.  19  1.3 Objetivos concretos Los objetivos concretos de esta tesis son los siguientes:  Análisis exhaustivo de la información disponible de la tecnología de disco Stirling. Es importante conocer el estado del arte de esta tecnología con el fin de identificar los aspectos de estudio que necesitan ser analizados más detalladamente. Esta información no es fácilmente identificable, ya que esta tecnología no ha sido difundida tan profundamente como otras tecnologías solares de concentración, y no hay informes que registren toda la documentación disponible. Además, la información pública es limitada, con un número reducido de unidades construidas [4].  Estudio de los factores de operación en función de la disponibilidad del recurso solar. El análisis se realiza sobre la instalación con operación solo solar, así como con hibridación con diferentes combustibles. Determinación de factores de operación específicos con el fin de resaltar las ventajas de la hibridación.  Pre-diseño del sistema con hibridación, en particular sobre los componentes adicionales necesarios a incluir en el sistema de disco Stirling para su funcionamiento híbrido. El abastecimiento de combustible, y los componentes específicos de combustión y transferencia térmica al motor Stirling son los elementos clave para este funcionamiento.  Aplicación del Análisis de Ciclo de Vida (ACV) al sistema de disco Stirling. Comparación con la principal tecnología actual de aprovechamiento solar con similares condiciones de utilización en cuanto a modularidad y funcionamiento para generación distribuida, la fotovoltaica. Se incluyen también aspectos de integración de la hibridación del sistema con distintos combustibles. 1.4 Estructura de la tesis La presente tesis se estructura en ocho capítulos. El primero de ellos presenta brevemente el interés del tema en cuestión, así como el objetivo general planteado para el inicio de la tesis, los objetivos concretos y la estructura de la tesis. El segundo capítulo es una introducción más detallada de la tecnología, situando la misma dentro de las tecnologías solares de concentración, por lo que también se incluye descripción de todas ellas. El estado de implantación del resto de centrales de generación eléctrica utilizando tecnología solar de concentración ayuda a situar el estado de desarrollo de la tecnología de disco Stirling. Se realiza también una explicación del funcionamiento del disco Stirling, junto con sus componentes. Justificación y objetivos  20  En el tercer capítulo se recoge una revisión del estado del arte conocido. Se analizan los desarrollos conocidos en esta tecnología, así como las instalaciones construidas que han llegado a operar. Un apartado de este capítulo esta específicamente dedicado a recoger las experiencias relativas a la hibridación del sistema, ya que como punto de partida se considera una estrategia interesante para garantizar la viabilidad de la tecnología. El arte previo conocido respecto a la hibridación se centra especialmente en el diseño de receptores híbridos que reciben energía solar y energía procedente de la combustión de distintos combustibles. También se ha recogido información relacionada con sistemas de almacenamiento térmico, ya que se ha considerado a priori como una estrategia potencialmente interesante para su integración en el funcionamiento del disco Stirling. Otro apartado de este capítulo se centra en la recopilación de información de análisis de impacto medioambiental de tecnologías solares. Por una parte, se trata de revisar los métodos más comúnmente utilizados para realizar este análisis y por otro de recuperar valores de evaluación de las tecnologías. Como se realiza también una comparación con los sistemas fotovoltaicos en el capítulo 6, se han recopilado también valores relativos a esta tecnología. De hecho, hay poca información conocida de análisis de impacto ambiental de la tecnología de disco Stirling. El análisis de operación del sistema de disco Stirling se presenta en el capítulo 4. Se realiza una evaluación del funcionamiento del sistema con energía solar. Se determinan los periodos de operación, los periodos de aprovechamiento total de capacidad de la instalación así como periodos de aprovechamiento parcial y de no operación. Esto permite evaluar el potencial de la tecnología para la hibridación con el fin de completar esas fases de operación donde el recurso solo solar no es suficiente para garantizar el máximo aprovechamiento de la instalación. En este sentido, en este análisis se ha integrado también el funcionamiento de la instalación con hibridación con diferentes combustibles, respetando las regulaciones impuestas al porcentaje permitido de hibridación en las instalaciones solares, que es sustancialmente diferente para combustibles fósiles, como el gas natural, y combustibles procedentes de biomasa, como el biogás [5]. También se ha analizado el potencial de otra solución complementaria para reducir la dependencia del recurso solar, como es el almacenamiento térmico, que permitiría almacenar energía en periodos donde la irradiación solar es superior a la que puede aprovechar el sistema para liberarla en los periodos de aprovechamiento parcial o no operación. Es necesario realizar el pre-diseño de los componentes necesarios que permitan la hibridación, que en el anterior capítulo se presenta como claramente ventajosa frente a la operación solo solar. Por ello, en el capítulo 5 se presentan los factores clave de diseño para estos componentes. Son necesarios componentes específicos: un receptor híbrido que permita la transferencia térmica al fluido de trabajo del motor Stirling por radiación solar o por energía procedente de la combustión, así como un quemador para el combustible. Con el fin de mejorar la eficiencia general del sistema, se incorpora un precalentador de combustible para minimizar lo máximo posible el consumo asociado a la hibridación. El impacto medioambiental se presenta en el capítulo 6. Como se ha introducido previamente, éste se realiza mediante la técnica de Análisis de Ciclo de Vida (ACV). Se realiza una introducción a la técnica con el fin de comprender los resultados del análisis, es decir, en base a qué parámetros se realizará la comparación entre los sistemas. Una parte importante de este apartado es la selección del método de evaluación de impacto. Posteriormente, se presenta la modelización de los sistemas sobre los que se centra el estudio: el sistema de disco Stirling como unidad aislada para generación distribuida, la instalación fotovoltaica semejante, y el sistema hibridado con distintos combustibles. Esta modelización supone los datos de entrada para el ACV. Los resultados se presentan por un parte como inventario, y por otra con los indicadores asociados a los métodos de evaluación de impacto seleccionados. Estos resultados  21  se complementan además con otros indicadores que servirán también para determinar el impacto de las instalaciones, como por ejemplo el “pay-back” energético, que representa el número de años en los que se recupera la inversión energética para la construcción de las instalaciones. Por último el capítulo 7 presenta las conclusiones, con una síntesis de los trabajos realizados en esta tesis, así como las perspectivas futuras de trabajos de desarrollo para la tecnología de disco Stirling. El capítulo 8 recoge la bibliografía utilizada. Introducción  22   29  Estas instalaciones necesitan una elevada inversión inicial, pero durante todo su ciclo de vida el 80% de los costes son en construcción y deuda asociada, y sólo el 20% es de operación. Esto significa que una vez abonados todos los gastos generados por la construcción de la central, sólo quedan los costes operativos y la electricidad sin amortización es más barata que cualquier otra de la competencia, comparable sólo con las ya amortizadas hidroeléctricas. En cuanto a su situación con respecto a la tecnologías fotovoltaica, la energía solar térmica utiliza la radiación solar directa, a diferencia de la solar fotovoltaica que utiliza la radiación directa y la difusa. Este hecho reduce la energía solar disponible en solar térmica con respecto a la fotovoltaica para iguales condiciones meteorológicas, sin embargo, la fotovoltaica presenta una eficiencia considerablemente inferior, en torno al 15% en panel y 12% en planta, además de otros problemas adicionales como la aparición de puntos negros o cortocircuitos y serios problemas en el abastecimiento de silicio. En cuanto al coste de las instalaciones, se ha producido una disminución sustancial en los últimos años, llegando a evolucionar de valores aproximados de 3,2 €/kWp desde 2004 hasta valores de 0,7-0,8 €/kWp, estableciéndose costes de generación de energía que estarán en el rango de 0,09-0,20 €/kWh (datos 2012) [11], relacionando los menores costes del rango asociados a instalaciones a gran escala y los mayores costes a instalaciones comerciales. Así, los avances en materia de costes de la energía fotovoltaica, que han sido propiciados por avances tecnológicos, podría frenar el desarrollo de la energía solar térmica de concentración, por la dificultad actual de competir en costes de implementación y precio de la energía. Sin embargo, la tecnología solar térmica está menos madura y es factible hacer mejoras significativas en eficiencia y costes en relación a la tecnología actual. En particular, la hibridación con otros combustibles podría ser el punto clave de diferenciación respecto a la fotovoltaica. En cuanto a la comparativa actual de implementación, se sitúa en torno a 70 GW para la energía fotovoltaica y 1,8 GW para la energía solar térmica de concentración, con una previsión en torno a 700 GW de fotovoltaica y 150 GW de solar térmica de concentración en el años 2030 (datos 2012), si bien es cierto que hay informes más optimistas, como el de Greenpeace que situarían la implementación en 1750 GW para la fotovoltaica y 700 GW para la solar térmica de concentración [19]. Cabe resaltar el papel potencial que la tecnología de disco Stirling puede tener en generación distribuida. El concepto de generación distribuida parte de los orígenes de la generación eléctrica, y supone una generación de la energía allí donde se realiza su consumo. Con la mejora del transporte de energía eléctrica en cuanto a la instalación de redes de distribución, la construcción de centros de transformación, el crecimiento demográfico, y el aumento masivo en la producción, se fue separando el lugar de consumo del emplazamiento de generación. Este cambio fue motivado entre otras cosas por la necesidad de buscar un gran sumidero último de calor que refrigerase las grandes centrales (ríos, mares, lagos), el potencial peligro de instalaciones que utilizan combustibles fósiles o radiactivos (humos, explosiones) y la proximidad a la fuente de combustible. De acuerdo con este principio de generación centralizada se buscaron localizaciones para las grandes centrales actuales. Podemos decir entonces por contraposición que la generación distribuida es la generación o el almacenamiento de energía eléctrica a pequeña escala, lo más cercana al centro de carga, con la opción de interactuar (comprar o vender) con la red eléctrica y, en algunos casos, considerando la máxima eficiencia energética. En la actualidad está resurgiendo el interés, debido a la aparición de nuevas formas de utilización de las fuentes energéticas que no presentan los antiguos inconvenientes asociados. En términos generales, al implementar proyectos de generación distribuida lo que se busca es aumentar la calidad de la energía, entendiendo por esto contar de forma ininterrumpida con la energía eléctrica, con sus adecuados parámetros eléctricos que la definen acordes a las necesidades, esto es voltaje, corriente y frecuencia, entre otros. Permite además su implantación en localizaciones aisladas que no disponen de conexiones a red, por lo que podría ser también un motor de desarrollo para zonas con estas características. Introducción  30  Hay otro factor que incrementa el interés sobre la energía solar térmica de concentración. La transferencia de energía térmica en estos sistemas permite el almacenamiento térmico, la hibridación con sistemas solares-biomasa, por ejemplo, o la instalación de sistemas de cogeneración electricidad-calor. Se debe al hecho de que son centrales termodinámicas, al contrario que las centrales fotovoltaicas. Pueden por tanto trabajar con energía solar de forma intermitente, adaptándose a la variabilidad del recurso. Estas opciones permitan mejorar la calidad y cantidad de la electricidad producida, con respecto a otras tecnologías de energías renovables como la fotovoltaica o eólica, donde el almacenamiento solo puede realizarse de forma eléctrica, lo que conlleva bajos rendimientos y costes muy elevados. La siguiente imagen (Figura 3) muestra los enclaves geográficos donde se encuentran plantas actualmente en operación y también en fase de construcción o planificación. Figura 3 Geografía de las instalaciones de plantas solares térmicas de concentración [3] 2.1.2 Tecnología de concentrador cilindro-parabólico Son sistemas de captadores lineares constituidos por espejos cilindro-parabólicos (Parabolic Trough) que concentran la radiación solar en un tubo receptor situado en la línea focal del captador y por el que circula un fluido portador de calor (aceite sintético, agua-vapor). La energía térmica recibida de la energía solar se transfiere a un sistema de producción eléctrica, que convierte esta energía térmica en trabajo a partir de un ciclo Rankine y posteriormente a electricidad. Esta tecnología es actualmente la más madura de las energías solares térmicas de concentración. La mayor implementación de plantas en el año 2013 en producción se encuentra en España, con un total de 1872 MWe. Le sigue Estados Unidos, donde la producción es de 455 MWe, de los cuales un alto porcentaje procedentes de las instalaciones SEGS, con un valor de  31  390 MWe, operativas desde los 90. La siguiente tabla (Tabla 2) muestra el número de instalaciones mundiales en operación actualmente (2013) [3]. Tabla 2 Plantas en operación de tecnología de colector parabólico [3] – Marzo 2013-. Proyecto País MWe Hassi-R'mel Algeria 25 Minera el Tesoro Chile 14 Kuraymat ISCC Egipto 20 Indian Institute o ct India 3 Archimede Italia 5 Ain-Beni-Mathar ISCC Marruecos 20 Sahara Forest atar Qatar No info Andasol 1 España 50 Andasol 2 España 50 Andasol 3 España 50 La Africana España 50 ASTE - 1A España 50 ASTE - 1B España 50 Astexol-2 España 50 La Dehesa España 50 La Florida España 50 Extresol 1 España 50 Extresol 2 España 50 Extresol 3 España 50 HelioEnergy 1 España 50 HelioEnergy 2 España 50 Helios 1 España 50 Helios 2 España 50 La Risca España 50 Lebrija 1 España 50 Manchasol 1 España 50 Manchasol 2 España 50 Consol España 50 Palma del Rio I España 50 Palma del Rio II España 50 Morón España 50 Olivenza I España 50 Puertollano España 50 Solaben II España 50 Solaben III España 50 Solacor 1 España 50 Solacor 2 España 50 Solnova 1 España 50 Solnova 3 España 50 Solnova 4 España 50 Soluz Guzman España 50 Majadas España 50 Borges España 22,5 Valle 1 España 50 Valle 2 España 50 Kanchanaburi Tailandia 5 Holaniku EEUU 2 Martin Next EEUU 75 Nevada Solar One EEUU 64 Saguaro Power EEUU 1,16 SEGS I EEUU 14 SEGS II EEUU 33 SEGS III EEUU 33 SEGS IV EEUU 33 SEGS V EEUU 33 SEGS VI EEUU 33 SEGS VII EEUU 33 SEGS VIII EEUU 89 SEGS IX EEUU 89 Los proyectos en desarrollo, planificación y construcción suponen un incrementos de más de 5000 MWe a añadir a la producción actual [3]. Previsiblemente Estados Unidos equiparará a España en cuanto a la producción eléctrica asociada a esta tecnología, ya que la previsión muestra un incremento de 1740 MWe con un total de 10 instalaciones en proyecto, mientras que en España el incremento rondará los 400 MWe, asociados a 8 nuevas instalaciones. Otros países que apuestan por esta tecnología son: India, con 517 MWe previstos, Marruecos con 485 MWe, Chile con 360 MWe y China e Israel con alrededor de 300 MWe planificados para los próximos años. Introducción  32  Existen cuatro tipos diferentes en función del fluido utilizado o del tipo de concentrador:  Sistemas cilindro-parabólicos con aceite  Sistemas cilindro-parabólicos con generación directa de vapor (DSG)  Sistemas con captadores lineares Fresnel (CLFR)  Sistemas híbridos de ciclo combinado con precalentamiento solar (ISCC) La mayor parte de la información de costes relativos a la tecnología solar térmica de concentración está disponible para la tecnología de colectores cilindro-parabólicos, ya que es la que tiene mayor implementación en operación. Según algunas estimaciones presentadas en el informe Estela de Greenpeace 0, las nuevas instalaciones de esta tecnología, introduciendo mejoras probadas, pueden producir electricidad a un coste entre 0,076 y 0,092 €/kWh en modo de operación sólo solar bajo las condiciones del suroeste de EEUU. A modo comparativo, en España, el último dato coste equivalente de electricidad es superior a esa cantidad para la tecnología de colectores cilindro-parabólicos, situándose en torno a 0,23 €/kWh 0, aunque la reducción es continua (posiblemente los datos más actuales muestren una reducción significativa). De acuerdo a experiencias comerciales previas con las plantas SEGS de California en funcionamiento desde 1992, se han realizado considerables disminuciones del coste de la energía. Por ejemplo, la primera unidad de 14 MWe suministraba energía en torno a 0,30 €/kWhe, y ha caído a sólo 0,1 €/kWhe con la última unidad de 80 MWe 0. En comparación con los valores de producción generales de la energía solar térmica de concentración previamente presentados, estos valores se situarían en el rango menor, por tratarse de la tecnología más madura. Esto es posible debido a las mejoras tecnológicas, la ampliación de la capacidad individual en MW de la planta, los mayores índices de instalación, las presiones competitivas, el almacenamiento térmico, los nuevos fluidos de transferencia térmica, y la mejora operativa y de mantenimiento. De hecho, se espera una mayor disminución del coste. En el sentido técnico, una importante limitación tecnológica está asociada a la máxima temperatura de trabajo que se sitúa en los 400ºC. A esto se añaden las ineficiencias y costes asociados al uso de un aceite térmico como fluido de transferencia entre el receptor solar y el generador de vapor. Por este motivo los esfuerzos de desarrollo tecnológico se centran en la búsqueda de mejores medios de transferencia de calor que sustituyen al aceite. En las siguientes imágenes (Figura 4 y Figura 5) se muestra la foto de una instalación junto con el esquema de operación de la planta.  33  Figura 4 Imagen de la instalación de colectores cilindro-parabólicos SEGS I en California [8]. Figura 5 Esquema simplificado de la central Extresol 1, España [8]. Tanque doble de almacenamie Campo solar Generador vapor Precalentador solar Recalentador solar Vaso expansión Drenaje aire Precalentador baja presi ó n Condensador Turbina vapor Supercalentador solar Introducción  34  2.1.3 Tecnología de torre central Los sistemas de torre central utilizan un campo de espejos (helióstatos) que siguen la trayectoria solar sobre dos ejes con el fin de concentrar la radiación solar sobre un receptor situado en lo alto de una torre. Esta tecnología permite concentraciones más elevadas que las de los sistemas de concentradores cilindro-parabólicos. El fluido portador de calor (agua-vapor, sales fundidas, aire) alcanza temperaturas entre 250ºC y 1000ºC, lo que acciona un ciclo Rankine, un ciclo Brayton o un ciclo combinado. Debido a los altos flujos de radiación incidente, admite fácilmente el funcionamiento híbrido y almacenamiento térmico. A nivel tecnológico, esta tecnología no ha alcanzado el grado de maduración de los concentradores cilindro-parabólicos: la primera central comercial, PS10, fue inaugurado en 2006 en una localización cercana a Sevilla. La siguiente tabla (Tabla 3) muestra las instalaciones en funcionamiento. España se sitúa a la cabeza también en esta tecnología en cuento a instalaciones actualmente operativas con un total de 51 MWe, seguida por Estados Unidos con 2 instalaciones que suman 34 MWe. Tabla 3 Plantas en operación de tecnología de torre central [3] –Marzo 2013-. Proyecto País MWe Dahan Power Plant China 1 Jülich Alemania 1,5 Acme Rajasthan Solar Power 1 India 2,5 BrightSource SEDC Israel 6 Gemasolar España 20 PS10 España 11 PS20 España 20 SierraSunTower EEUU 5 BrightSource Coalinga EEUU 29 La previsión de aumento de utilización de esta tecnología es significativa, situándose en casi 6000 MWe entre las centrales anunciadas, planificadas, en desarrollo y construcción. El país que va a realizar una mayor inversión es Estados Unidos, con una previsión de casi 3000 MWe en un total de 15 plantas. Destaca también una planta anunciada en Túnez para una producción de 2000 MWe. Otros países cuya inversión va a ser considerable son Chile, con una previsión de plantas que sumarán 400 MWe y Sudáfrica con 250 MWe. En España está prevista la construcción de una planta en Alcázar de potencia 50 MWe. Estos datos han sido extraídos de la referencia [3].  35  Hay cuatro tecnologías principales que se diferencian por la naturaleza del fluido portador de calor:  Sistemas de torre central con sales fundidas  Sistemas de torre central agua-vapor  Sistemas de torre central con aire  Sistemas híbridos con fluido portador de calor de aire presurizado acoplado a un ciclo Brayton. Figura 6 Imagen de una instalación de torre central PS20. La figura anterior (Figura 6) presenta una foto de una instalación de torre central. La siguiente figura (Figura 7) muestra un esquema simplificado de una central de sales fundidas, tecnología más madura de las cuatro referidas anteriormente. Introducción  36  Figura 7 Esquema simplificado de una central de torre de sales fundidas [8]. 2.2 El sistema de disco Stirling Los sistemas de disco Stirling son los dispositivos de conversión de energía solar a electricidad con un mayor rendimiento, que si sitúa para su valor pico en torno al 30%. El 31 de enero de 2008, se estableció un record de conversión solar-electricidad en un 31.25%, con la utilización de un dispositivo de la empresa de Estados Unidos Stirling Energy System (SES), en un emplazamiento con una radiación superior a 1000 W/m2 y una temperatura ambiente de 0ºC [20]. El disco Stirling o disco parabólico (DP) es un sistema de generación termosolar, que se caracteriza básicamente por el concentrador (reflector o conjunto de reflectores) con forma de paraboloide de revolución que dirige la radiación solar a un foco. En dicho foco se sitúa un receptor que transfiere la radiación en forma de energía térmica a un fluido que circula por un motor Stirling. Éste se encuentra conectado a su vez a un alternador que convierte el trabajo mecánico realizado por dicho motor a energía eléctrica. En la siguiente figura (Figura 8) se muestra un esquema básico con los componentes fundamentales. Tanque de almacenamiento de sales calientes Tanque de almacenamiento de sales frías Generador de vapor  37  Figura 8 Esquema simplificado de disco Stirling [21]. Los sistemas de disco Stirling se caracterizan por su alto rendimiento, modularidad y autonomía. Según Romero [2] los sistemas de disco Stirling son, sin lugar a dudas, la tecnología con un mayor potencial a largo plazo, por sus altas eficiencias y su modularidad que los hacen extraordinariamente atractivos desde el punto de vista de la planificación de la inversión. La limitación en cuanto a su potencia unitaria (por debajo de 25 kW) es, no obstante, un obstáculo para muchas aplicaciones que pretenden producción eléctrica a gran escala. Las experiencias de operación se restringen a unas pocas unidades por lo que el riesgo tecnológico es alto. También es limitada la experiencia sobre fiabilidad a partir del número de horas acumuladas de ensayo. Se trata además de un sistema que precisa establecer un sistema de producción en masa para reducir costes de utillajes, sobre todo en los motores, por lo que los costes de la inversión para las primeras plantas son altos y la incertidumbre en su reducción también más elevada, resultando ineludible una estrategia industrial que contemple la exportación hacia un mercado amplio para garantizar su viabilidad. Esto ha resultado en los últimos años en un retraso en el desarrollo de la tecnología frente a las otras dos tecnologías solares térmicas de concentración. Sin embargo, la perseverancia de ciertas compañías ha hecho que esta tecnología siga aún viva, y que, de hecho, se estén proyectando instalaciones. Estas compañías se han centrado en el desarrollo de un motor fiable que garantice un buen funcionamiento con hidrógeno, de forma que se solvente el problema asociado a fugas, a la vez que se han vigilado los costes. El hecho de que el motor pueda ser además abastecido por otras fuentes de energía sigue siendo un punto de interés significativo [22]. Un proyecto que está actualmente siendo desarrollado por Infinia (adquirida por Qnergy en noviembre de 2013), con el apoyo del Departamento de Energía (DOE) de los EEUU, tiene el objetivo de alcanzar el valor de 0,07$/kWh en 2015 para suministro de potencias intermedias y de 0,05$/kWh para suministro de potencia a gran escala en 2020, combinando el sistema de disco Stirling con un sistema de almacenamiento térmico [23]. El análisis del rendimiento del sistema se realiza en base a la radiación normal directa que recibe el disco. De ésta, se producen pérdidas que hacen que no toda la potencia recibida sea transferida al motor, debido a pérdidas asociadas fundamentalmente a reflectividad de la superficie y pérdidas en la cavidad por convección y radiación. El motor Sitrling tiene en sí Introducción  38  mismo también un rendimiento asociado, y existen además pérdidas relacionadas con el generador eléctrico y de refrigeración. Un análisis detallado del balance energético se encuentra en la presente tabla (Tabla 4). Este balance ha sido calculado mediante medidas experimentales y ciertas consideraciones teóricas. En todo caso, sirve como aproximación en la compresión del funcionamiento del disco Stirling. Tabla 4 Balance energético de un sistema de disco Stirling (SBP10 kW) [24]. ENTRADA Radiación Normal Directa (DNI) 906 W/m 2 Potencia reflejada por el disco 44,4 kW Potencia recibida en apertura de la cavidad 37, 75 kW Reflexión 1,40 kW Pérdidas radiativas 2,59 kW Convección a través de apertura de la cavidad 1,00 kW Radiación y convección en el en torno del motor 1,13 kW Potencia de entrada al motor Stirling 31,63 kW SALIDA Salida eléctrica (neto del motor Stirling) 10,85 kW Potencia en eje del motor Stirling 12,25 kW Potencia asociada a la refrigeración 18,53 kW Total de potencia de salida 30,77 kW 2.2.1 Funcionamiento básico del disco-Stirling El sistema de disco-Stirling funciona con energía solar. El motor Stirling opera con una diferencia de temperaturas, de forma que el nivel de alta temperatura se obtiene a partir de los rayos solares. Estos rayos son recogidos en una superficie reflectante, generalmente con una forma parabólica, que puede ser también un conjunto de espejos de posición variable. Este colector, es decir, la superficie reflectora, se mueve a lo largo del día para seguir la trayectoria solar. El sistema de seguimiento es uno de los factores clave en la tecnología de disco-Stirling, La siguiente figura (Figura 9) muestra una aplicación típica de esta tecnología.  45  recargas se minimizarán en gran medida para la aplicación a gran escala. La presión máxima de trabajo se sitúa en torno a los 150 bar. El motor utilizado en la instalación de SBP es el SOLO-161, de la empresa alemana SOLO KLEINMOTOREN GMBH. Los datos que se han tomado son relacionados con la información disponible de esta empresa, aunque actualmente no existe, ya que fue adquirida por la empresa sueca Cleanergy AB. Esta adquirió los derechos de fabricación, propiedad industrial y medios productivos, de forma que el motor ha pasado a denominarse Cleanergy Stirling C11S. Este motor se comercializa para su aplicación solar desde 2011, en el que Cleanergy envío las primeras unidades de demostración a España, Corea y China. El primer parque de demostración de 10 unidades de esta compañía fue instalado en 2012 en China [29][30]. Figura 16 Fotografías motor SOLO-161 [25] Calentador Regenerador Salida agua refrigeración Intercambiador calor Cilindro de expansión Pistón de expansión Pistón de compresión Cilindro de compresión Generador Cárter Cigüeñal Biela Calentador Regenerador Salida agua refrigeración Intercambiador calor Cilindro de expansión Pistón de expansión Pistón de compresión Cilindro de compresión Generador Cárter Cigüeñal Biela Figura 17 Esquema componentes motor SOLO-161 [25] Introducción  46  Cimentación de hormigón Uno de los componentes importantes para este tipo de sistema es la cimentación y el sistema de seguimiento. El concentrador está colocado en un soporte giratorio que sigue la radiación solar a lo largo del día. Así, esta radiación se convierte en una mancha solar de dimensiones aproximadas 30*30 centímetros que incide sobre el receptor. Es importante que la cimentación sea uniforme y consistente para que no se introduzcan fallos en el seguimiento que pueden provocar descensos en la eficiencia (por no aprovechar la radiación normal incidente) así como problemas en los equipos (una mancha solar deslocalizada puede llegar a destruir determinados materiales de la instalación). La cimentación de hormigón provee el soporte necesario para el sistema Stirling, asegurando la estabilidad de su posición respecto a posibles derivaciones del terreno. Esto es particularmente importante debido a la necesidad de un sistema de seguimiento exacto y fiable. En particular, para la instalación de SBP se han tomado los datos suministrados por la instalación experimental de Odiello, que cuenta con un sistema de disco Stirling SBP del proyecto Envirodish. En esta instalación se utilizó un gran volumen de hormigón (alrededor 240 ton, correspondientes a una plataforma de 9 m de diámetro por 2 m de ancho – considerando densidad del hormigón 1900 kg/m3-). Sin embargo, los responsables de dicha instalación han referido una cantidad necesaria en torno a 150 ton, por estar esta instalación sobredimensionada. Figura 18 Imagen de la estructura de forjado del hormigón [25]. Estructura metálica La estructura metálica consta del soporte que une el concentrador a la cimentación de hormigón. Es una estructura de acero, con barras de dimensiones 100 mm * 4-5 mm. Sobre el peso de la estructura se ha encontrado diversa información en cuanto al sistema [31][30]. Para el análisis se ha tomado un valor medio de 3700 kg de acero. Un aspecto particularmente difícil en la realización de este trabajo ha sido la recopilación de información en torno a los componentes. Se han establecido contactos con distintas personas, de instalaciones reales, trabajos de evaluación y con la empresa SBP. Sin embargo, no se ha podido recopilar información exacta al respecto, por lo que se han tomado los datos disponibles y aproximaciones basadas en la información bibliográfica. En la Tabla 5 se presenta un resumen de la información disponible localizada en diferentes fuentes de información.  47  Tabla 5 Información disponible de sistemas de disco Stirling Información sistemas [28][30][32][28][33][34]. Características concentrador Número facetas Área disco (m 2 ) Reflectividad Peso (kg) Factor interceptación Valor pico de densidad energética (kW/m 2 ) SAIC/STM System 16 117.2 0.95 8172 0.9 2500 SBP 12 60 0.94 3980 0.93 12730 SES 82 91 0.91 6760 0.97 7500 WGA 1 32 42.9 0.94 2864 0.99 11000 WGA 2 24 42.9 0.94 2481 0.99 13000 Infinia (Qnergy) n.d. 35 n.d. 1525 n.d. n.d. Cleanergy n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. Innova n.d. 10 n.d. n.d. n.d. n.d. HelioFocus 219 500 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d.: no disponible Unidad conversión potencia Diámetro apertura cavidad (m) Motor / tipo Número de cilindros Desplazamiento (cm 3 ) Fluido de trabajo SAIC/STM System 0.38 STM 4120 4 480 hidrógeno SBP 0.15 SOLO 161 2 160 helio SES 0.2 Kockums 4 380 hidrógeno WGA 1 0.14 SOLO 161 2 160 hidrógeno WGA 2 0.14 SOLO 161 2 160 hidrógeno Infinia (Qnergy) n.d. Infinia / Ricor 1 n.d. helio Cleanergy n.d. SOLO 161 2 n.d. hidrógeno Innova n.d. Microge n 1 n.d. n.d. HelioFocus n.a. n.a. n.a. n.a. vapor n.d.: no disponible /n.a: no aplicable Información del sistema Número sistemas Potencia nominal (kW) Potencia pico salida (kW) Eficiencia pico neta (%) Eficiencia anual (%) Producción energética anual (kWh) SAIC/STM System 5 22 22.9 20.0 14.5 36609 SBP 11 10 8.5 19.8 15.7 20252 SES 5 25 25.3 29.4 24.6 48129 WGA 1 1 9.5 11 24.5 18.9 17353 WGA 2 1 8 8 22.5 n.d. n.d. Infinia (Qnergy) 145 3.5 n.d. n.d. n.d. n.d. Cleanergy 13 11 n.d. n.d. n.d. n.d. Innova n.d. 1 kWe – 3 kWt n.d. n.d. 13.8% e – 41.4% t n.d. HelioFocus n.d. A partir de 10 MWe n.d. n.d. n.d. n.d. n.d.: no disponible Introducción  48  2.2.4 Estado de la tecnología Las instalaciones conocidas hasta la fecha de la tecnología de disco Stirling son a nivel de demostración, por lo que ninguna de ellas se encuentra como instalación operativa en la referencia más actualizada consultada [3]. Sin embargo, sí existe información relacionada con las instalaciones de desarrollo y las planificadas o en construcción, tal como se presenta en la tabla siguiente. Tabla 6 Plantas en operación, construcción y desarrollo de tecnología de disco Stirling [3] – Marzo 2013-. Proyecto País MWe Estado Solar Oasis Australia 43.50 Desarrollo HF Orion China 13.20 Desarrollo Helios Power Chipre 50.00 Desarrollo Maximus Grecia 75.00 Desarrollo Bap Project India 10.00 Planificación HF Desert Star Israel 10.50 Desarrollo HF StarDust 3 Israel 9.50 Desarrollo Ennex Dish Stirling Sudáfrica 20.00 Planificación Casa de los Pinos España 1.00 Construcción Tooele Army Depot EEUU 1.50 Construcción Además de esta información a nivel internacional, se han identificado otros proyectos de investigación en España, a través de los que se trata de demostrar la viabilidad de la tecnología de disco Stirling.  49  Por una parte el proyecto Eureka, 5833 Morenergy [35], que la multinacional española, Abengoa lleva a cabo con la empresa israelí Ricorsolar. El proyecto se anunció en junio de 2010, y su finalización estaba planificada en junio de 2013. Su presupuesto es de 2,71 M€. El proyecto está dedicado al desarrollo de una instalación de disco Stirling de 5 kWe, utilizando un nuevo concepto de concentrador, y que incluye la operación en modo híbrido y opción de almacenaje térmico. El sistema utilizará un motor Stirling de pistón libre, diseñado específicamente por Ricorsolar para garantizar la fiabilidad del sistema. El objetivo es garantizar la viabilidad del sistema con una reducción del coste respecto a las tecnologías CSP existentes. Con respecto a las instalaciones fotovoltaicas, se pretende una mejora en cuanto al rendimiento de energía a red, cuyo objetivo se sitúa en torno al 25%. En el proyecto se han previsto dos unidades de demostración, en España e Israel. Por otra parte, Endesa anunció también en el año 2011 su participación en el proyecto Solardis [36], en el que también se pretende demostrar la viabilidad técnica y económica de la tecnología de disco Stirling. El presupuesto del proyecto, financiado por el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) es de 1,7 M€. En él participa Endesa junto a las empresas Alener y Tadarsa. El proyecto prevé la construcción de una planta de demostración en lo localidad sevillana de Guillena, junto a la central de Endesa. A nivel europeo, la empresa Alener participa en el proyecto Biostirling [37] junto con otras 12 empresas europeas (entre las que se encuentra Cleanenergy), de un total de siete países europeos. El presupuesto del proyecto es de 6,1 M€ y su plazo aproximado de ejecución es de 36 meses. En este proyecto se plantea el sistema de disco Stirling como generador de energía para el prototipo SKA, un radio-telescopio de observación que opera continuamente. Así, el sistema de disco Stirling será la fuente de energía que debe garantizar el funcionamiento día y noche. El proyecto prevé la instalación de 15 prototipos de disco Stirling de 10 kWe. De estos 15, 7 prototipos serán híbridos solar-biogás, 3 con sistemas de almacenamiento térmico y 3 híbridos solar-biogás y con almacenamiento térmico.  50   51  ESTADO DEL ARTE Es necesario conocer el estado actual de la tecnología con el fin de identificar cuáles son los aspectos conocidos, y cuáles aquellos sobre los que se necesita ampliar el conocimiento actual. 3 Estado del arte  52  Ya que el objetivo de la presente tesis es incidir en los aspectos no desarrollados hasta el momento actual, este capítulo se centra en la recopilación de la información conocida. Así, se realiza una revisión de las instalaciones de disco Stirling sobre las que existe información pública. El objetivo de esta revisión es realizar la selección del sistema en cuestión que se tomará como objeto de estudio. Por supuesto, la accesibilidad a la información sobre sus componentes y operación será clave para determinar esta selección. Aunque se asume desde un primer momento que al ser una tecnología que se encuentra en proceso de desarrollo, la confidencialidad de la información será un factor limitante a la hora de realizar la caracterización de la instalación. Además de la información sobre las instalaciones propiamente dichas, se han buscando trabajos de investigación y desarrollo relativos a este tecnología. De esta forma se ha identificado que la hibridación es una estrategia con un alto potencial de aplicación en el sistema de disco Stirling. De hecho, hay un número importante de proyectos donde se ha trabajado sobre la definición de receptores híbridos que permitan la captación de energía solar de forma complementaria al aprovechamiento de otra fuente de energía, en particular la provista por la aportación de un combustible a un quemador. La factibilidad de aplicación de hibridación es además un factor diferenciador frente a la tecnología fotovoltaica, lo que puede aumentar el interés de aplicación de la tecnología de disco Stirling. Se determina entonces que un paso importante para el desarrollo de este sistema será la aplicación de hibridación con el fin de aumentar la capacidad de la instalación a la vez que asegura la viabilidad económica de la inversión. Esta conclusión, a la que se llega mediante el análisis del estado del arte, determina el seguimiento del trabajo en la investigación sobre el análisis de operación del sistema hibridado en comparación con el funcionamiento solo solar, que se presentará posteriormente en el capítulo 4, así como la definición de componentes del sistema hibridado, que se presentará en el capítulo 5. La recopilación de información en el presente capítulo servirá también para identificar los datos de entrada a introducir para realizar el análisis de impacto medioambiental mediante el Análisis de Ciclo de Vida (ACV). Otra de las estrategias que pueden considerarse interesantes para aumentar la capacidad de operación del sistema es la aplicación de un sistema de almacenamiento térmico, que realizaría la misma función que la hibridación. El sistema de almacenamiento térmico presenta la ventaja de que no necesita una fuente de energía externa, sino que podría proveer energía adicional mediante el almacenamiento de energía solar excedente en periodos determinados de tiempo. Por este motivo, se presenta también información relativa a estos sistemas de almacenamiento. En cuanto a la determinación del impacto medioambiental de la instalación, se ha considerado relevante identificar los trabajos previos relacionados con esta evaluación. Esto permite realizar un análisis respecto a las herramientas utilizadas, así como sobre los indicadores seleccionados para su caracterización. Se ha encontrado solamente un trabajo que trata específicamente sobre la tecnología de disco Stirling. La información se ha completado con experiencias relacionadas con el impacto medioambiental de otras tecnologías de generación solar. Los valores recopilados servirán como referencia para comparar los valores obtenidos en la aplicación de ACV que se presenta en el capítulo 6. 3.1 Instalaciones de disco-Stirling. La tecnología de disco Stirling ha sido objeto de múltiples proyectos de investigación y desarrollo con instalaciones de demostración apoyadas por diferentes empresas y organismos de investigación en varios países del mundo [32]. En este apartado se va a detallar la información disponible de las empresas que están realizando actualmente la comercialización y desarrollo de esta tecnología. Como se ha referido en el  53  capítulo anterior, existen varias empresas y organismos que han trabajado en el sistema de disco Stirling. Sin embargo, no todas ellas han apostado por llegar a la industrialización del mismo. La información pública disponible muestra que son cuatro las empresas que comercializan el sistema de disco Stirling:  Infinia [32][28]  Cleanergy AB [30]  Innova [33]  HelioFocus [34] Infinia es una organización especialmente dedicada al desarrollo de generadores Stirling de pistón libre, para su implementación en sistemas de aprovechamiento energético solares, de biomasa y de gas natural. Entre su oferta tecnológica está la tecnología de disco-Stirling (PowerDishTM), al que definen como “el primer sistema Stirling solar de generación eléctrica diseñado para su fabricación en serie en la industria automotriz, y una distribución modular que va desde pocas unidades a instalaciones de varios megavatios e incluso proyectos de generación solar a escala industrial”. Así, utilizan su motor Stirling patentado acoplado a un disco solar concentrador para generar energía eléctrica que puede ser suministrada a la red. El PowerDish se suministra para instalaciones a pequeña escala, con pocas unidades, hasta para grandes aplicaciones de miles de unidades. El tamaño mínimo de instalación que suministra es de 64 unidades, de forma que establece módulos de 224 kW, escalables proporcionalmente. Cada una de las unidades proporciona 3,5 kW de electricidad [28]. Esta compañía fue fundada en 1985, nombrada como Stirling Technology Corporation (STC), y está ubicada en Utah, EEUU. Los trabajos específicos de desarrollo de la tecnología de disco Stirling PowerDish se iniciaron en el año 2004. Estos trabajos se materializaron en la instalación de 45 unidades en dos localizaciones de Arizona, que actualmente acumulan un periodo de operación de 2 años, con 200000 kWh producidos. El factor de capacidad demostrado de estas instalaciones es del 32%, con una disponibilidad y relación de operación superior al 96%. Además de estas unidades, se han instalado otras 100 en diferentes sitios: Washington, Utah, Nuevo México, California, España e India [28]. Con respecto a las instalaciones que se están realizando actualmente, se ha encontrado la siguiente información [3]:  50 MWe en Chipre (Helius Power) y 75 MWe en Grecia (Maximus). Estos proyectos han sido aprobados por la Comisión Europea dentro del programa NER 300. La construcción está prevista para su comienzo en el tercer cuatrimestre de 2013. Esta información apareció en prensa por primera vez en diciembre de 2012. La instalación de Chipre consistirá en 16920 unidades, y la de Grecia en 25160. Infinia está desarrollando actualmente un sistema de disco Stirling híbrido. En comparación con las tecnologías tradicionales fotovoltaicas, el PowerDish de Infinia permitirá el aumento de la producción mediante un quemador de combustible de biomasa. Defienden una integración sencilla del quemador que permite cambios rápidos y eficientes ante la no disponibilidad de recurso solar [28]. Renovalia Energy [38] ha realizado acuerdos con la compañía Infinia y ha importado a España la tecnología de disco Stirling para la generación eléctrica. Renovalia Energy es una compañía Estado del arte  54  española productora de energía eléctrica a través de diversas fuentes de energía renovables, en cuya oferta tecnológica se encuentra la energía termosolar. La primera planta con tecnología Infinia es la de Casa del Ángel Termosolar, situada en Casa de los Pinos, Cuenca (España), con una potencia de 1 MW. Los últimos proyectos anunciados de Renovalia sobre la instalación de 4 plantas de generación eléctrica con esta tecnología, que sumaban un total de 38 MWe, fueron cancelados [3]. Figura 19 Sistema disco-Stirling Infinia [28]. La última información relativa a Infinia (noviembre de 2013) es que ha sido adquirida por Qnergy, una compañía de origen israelí. Qnergy se fundó en 2009 por la empresa Ricor Cryogenic and Vacuum Systems, a empresa líder mundial en pequeños motores Stirling para aplicaciones criogénicas. Actualmente Qnergy desarrolla y fabrica motores Stirling para varias aplicaciones (tales como microgeneración combinada de calor y electricidad y generación solar). Cleanergy AB [30] es una compañía relativamente joven, pero se presenta como uno de los proveedores líderes en la tecnología Stirling solar. Está ubicada en Gotheborg, Suecia. Cleanergy AB fue fundada en 2008 cuando un grupo de inversores suecos adquirió los derechos del motor Stirling V 161 de la compañía alemana Solo Kleinmotoron GmbH. Así, se transfirieron a Cleanergy las competencias de producto, venta y fabricación, e incluso el personal técnico clave. Se comercializa la unidad Stirling aislada (Figura 20). Esta unidad puede utilizarse para instalaciones no conectadas a red, tales como en zonas rurales u otras que actualmente utilizan motores diesel como generador. La utilización de disco Stirling permite reducir el coste respecto al aprovisionamiento del combustible necesario para el funcionamiento del motor diesel. La unidad puede completarse con baterías con el fin de proveer energía durante el día completo.  61  3.2.1 Experiencias en el sistema de disco Stirling Los proyectos de hibridación conocidos comenzaron a desarrollarse en 1981. Si se centra el análisis sobre los desarrollos a partir del año 1995, los proyectos más destacados son los siguientes: para tubos directamente iluminados el SAIC/STM Sundish System (1999-2000) [53], el Biodish (2000-2003) [32] y la propuesta HYPOWER de 2005, que por diferentes motivos no llegó a realizarse. Para receptores de reflujo, son el HYPHIRE (1997-2000) [54][55], y el receptor híbrido de Sandia (1995-2002) [56]. A continuación se incluye información más detallada de estos receptores:  SAIC/STM Sundish System (receptor de tubos directamente iluminados) Empresas participantes: SAIC (Science Applications Corp.) y STM (Stirling Thermal Motors). Instalación de un sistema de disco-Stirling en un vertedero para el aprovechamiento de biogás en periodos nocturnos. El motor utilizado es el modelo STM 4-120, de 4 cilindros en configuración cuadrada, funcionando con hidrógeno. El receptor tiene forma de cono truncado, compuesto por un banco de tubos metálicos finos paralelos. Como se puede apreciar en la Figura 26, la energía solar se recibe por la parte interior del cono, mientras que la de la combustión se sitúa en la parte contraria. En la apertura del cono se sitúa un dispositivo para proceder a su cerramiento en el caso de operación con el biogás. Para su operación en modo combustión, se introduce aire ambiente que es precalentado con los propios gases de escape, y posteriormente mezclado con el combustible en los quemadores. Los principales problemas asociados al funcionamiento con el biogás han sido la falta de uniformidad en su composición, lo que hizo necesaria la monitorización del contenido de metano, así como ajustes precisos del caudal y presión del mismo. También el ensuciamiento provocado por la combustión hizo necesaria la colocación de un filtro en la línea de aprovisionamiento del gas. El proyecto de demostración tuvo una operación de un total de 600 horas en modo híbrido. Controles electrónicos Motor STM Expansión gas trabajo Tubos calentador Calor de energía solar concentrada Apertura Calor de combustión de combustible Generador Ventilador de refrigeración Controles electrónicos Motor STM Expansión gas trabajo Tubos calentador Calor de energía solar concentrada Apertura Calor de combustión de combustible Generador Ventilador de refrigeración Figura 26 Esquema sistema SAIC/STM Sundish [53]. Estado del arte  62   Biodish (receptor de tubos directamente iluminados) Proyecto cofinanciado por el V Programa Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la Unión Europea, y llevado a cabo por la Universidad de Karlsruhe, Siamant GmbH&Co, DLR-PSA, Sistemas de Calor S.A. y Caja Rural de Almería. En este proyecto, se realizó un análisis económico para analizar la viabilidad de una planta con un número entre 50 y 100 discos Stirling hibridados, en combinación con una gasificadora de biomasa. El receptor es de material cerámico, absorbiendo por la cara interna la radiación solar (en el dibujo, interior de la semiesfera) y por la otra el calor procedente de un quemador de flujo rotacional (tipo “swirl”). Se contempla que el receptor pueda funcionar absorbiendo calor por uno de los lados o por ambos de forma simultánea. La novedad principal de este receptor es el material, carburo de silicio (SiC) reforzado con fibra de carbono, con el fin de soportar las altas presiones internas propias del motor Stirling (hasta 150 bar). La principal problemática asociada a este diseño es la complejidad del sistema de fabricación, así como el alto coste de este tipo de receptor. Figura 27 Imagen receptor Biodish [32].  Propuesta HYPOWER (receptor de tubos directamente iluminados) Propuesta de proyecto presentada a INCO dentro del marco de “medidas específicas en apoyo de la cooperación internacional”, que no llegó a realizarse. El consorcio estaba formado por: DLR, UAE, UERLN, SBP, CNRS, ENREA, AICIA y AES. El objetivo era la aplicación de un sistema de generación solar híbrido para electrificación rural.  63  El diseño preliminar consta de un receptor de tubos directamente iluminados que recibe por un lado la radiación solar a través de la cavidad, y por otro la energía procedente de un quemador radiante. El hecho de que el quemador sea radiante hace similares las dos fuentes de energía en el receptor, por lo que su diseño se simplifica. Gas de escape Intercambiador de calor Aire entrada Radiación Cavidad Quemador poroso Gas de escape Receptor Combustible Aire Gas de escape Intercambiador de calor Aire entrada Radiación Cavidad Quemador poroso Gas de escape Receptor Combustible Aire Figura 28 Esquema propuesta HYPOWER.  HYPHIRE (receptor de reflujo) Proyecto cofinanciado por la Comisión Europea, con la participación de DLR, Intersol, CIEMAT, SBP, Universidad de Stuttgart, e IKE. En este sistema de disco Sitrling (con motor SOLO-161), se utilizó un receptor tipo “heat pipe” de sodio, para trabajar a una temperatura entre 700 y 850ºC del vapor de sodio. El receptor consta de 3 superficies de intercambio térmico: la interior con la energía solar, exterior con la combustión del gas y la salida de calor al intercambiador del motor Stirling. La parte de intercambio con la combustión del gas está provista de aletas para garantizar la transferencia térmica de la corriente caliente de gases procedentes de la combustión. Este sistema puede funcionar aislada o simultáneamente con las dos fuentes de energía: solar y combustión. En la práctica, el receptor ha sido probado en las instalaciones de la Plataforma Solar de Almería (PSA), con una duración de 117 horas en modo solar, 92 horas en modo combustión y 56 horas de funcionamiento simultáneo. Estado del arte  64  Tubos de mezcla Generación de llama Gas de entrada Recirculación de gas de combustión Escape Aire de entrada Pre-calentador de aire Cabezal caliente motor Stirling Tubos intercambio calor Tubo de calor Aletas del intercambiador de calor Energía solar concentrada Tubos de mezcla Generación de llama Gas de entrada Recirculación de gas de combustión Escape Aire de entrada Pre-calentador de aire Cabezal caliente motor Stirling Tubos intercambio calor Tubo de calor Aletas del intercambiador de calor Energía solar concentrada Figura 29 Esquema receptor HYPHIRE [54]. Figura 30 Imagen receptor HYPHIRE [54].  Sandia (receptor de reflujo) El laboratorio Sandia, del Departamento de Energía de EEUU, desarrolló un receptor híbrido tipo “heat pipe” de sodio. En este caso, también se integra la energía solar con un sistema de combustión de gas que libera energía a través de un quemador de matriz metálica. Este quemador emite calor por radiación al receptor, de forma que para ambos modos de funcionamiento la temperatura del vapor de sodio está alrededor de 750ºC. Al igual que en el caso anterior, el receptor “heat pipe” transfiere calor a los tubos del intercambiador del motor. La superficie de intercambio con los gases de  65  combustión consta además de aletas para mejorar la transferencia térmica. Esto puede apreciarse en las figuras siguientes (Figura 31, Figura 32 y Figura 33) (detalle). Figura 31 Esquema receptor Sandia [56] ESCAPE RECUPERADOR AIRE/ COMBUSTIBLE ELEMENTO DE SELLADO Lado cilíndrico del receptor ESCAPE RECUPERADOR AIRE/ COMBUSTIBLE ELEMENTO DE SELLADO Lado cilíndrico del receptor Figura 32 Detalle del esquema receptor Sandia [56]. Estado del arte  66  Recuperador Quemador Tubo de calor Receptor solar Recuperador Quemador Tubo de calor Receptor solar Figura 33 Representación receptor Sandia [56]. En alguno de los proyectos anteriormente mencionados, hay información específica sobre las particularidades del quemador. En concreto, se nombra un quemador de flujo rotacional y quemadores radiantes. La elección del tipo de quemador puede determinar el diseño de otros componentes, especialmente el del receptor, que es el intercambiador de calor que recibe la energía liberada por dicho quemador. Los quemadores se clasifican de acuerdo a diferentes criterios [57]. En función de la presión de alimentación del elemento oxidante, se habla de quemadores atmosféricos o de sobrealimentación. El momento en el que se realiza la mezcla del oxidante y del combustible determinará si el quemador es de premezcla. Esta premezcla se utiliza especialmente en los quemadores radiantes, donde no se produce una llama de difusión, sino que la combustión se produce en zonas muy cercanas a la pared del quemador. Así, la energía de esta combustión se libera por la radiación provocada por la alta temperatura del material. En el caso de quemadores radiantes, hay que tener en cuenta que son más proclives a retrocesos de llama y explosiones que podrían dañar el sistema. Tabla 7 Tipos de quemadores en función de características de la combustión. Criterio de clasificación Designación quemador Consideraciones Presión alimentación Atmosférico Sobrealimentación Sobrealimentación mejora el rendimiento de la combustión Mezcla oxidante - combustible Mezcla en cámara de combustión Premezcla Premezcla mejora el proceso de combustión Tipo de combustión Llama de difusión Radiante Radiación es similar a la energía solar / mayor complejidad del diseño  67  También el tipo de combustible debe ser considerado. Esto determina la clasificación del tipo de quemador, diferenciándose entre quemadores gaseosos, líquidos o sólidos. A este respecto, el estado gas del combustible favorece la mezcla con el oxidante por lo que mejora la combustión, tanto en energía liberada como en emisiones. En el caso de los combustibles líquidos se debe realizar la vaporización del mismo para la fase de combustión, lo que hace más complejo el sistema. Los combustibles sólidos presentan mayor dificultad para realizar la combustión completa debida a su estado, dependiendo además del nivel de agregación del sólido. Otro aspecto a tener en cuenta para el sistema de disco Stirling híbrido, donde se privilegian los combustibles procedentes de biomasa con el fin de combinar dos fuentes de energía renovables, es el ensuciamiento que será previsiblemente más crítico para los combustibles líquidos y especialmente para los sólidos. Tabla 8 Características de la combustión en función del tipo de combustible. Tipo de combustible Ventajas Desventajas Gas Buenas características de combustión Disponibilidad de biogás Líquido Buenas características de combustión con vaporización Necesario proceso de vaporización. Ensuciamiento Sólido Disponibilidad de biomasa en estado sólido Disminuye eficiencia combustión. Ensuciamiento crítico. En cuanto a la geometría del quemador, se distingue básicamente en formas rectangulares o redondas, siendo estas últimas preferidas debido a la facilidad de fabricación y a la eliminación de esquinas que pueden representar puntos de fallo del quemador. En otra disposición geométrica, el quemador también puede disponerse en forma concéntrica respecto a la carga a la que transfiere la energía. El movimiento del fluido en el proceso de la combustión debe ser también considerado. Así, se pueden imponer flujos turbulentos (“swirl” o flujo rotacional) de forma que las características de la llama vienen influenciadas por esa turbulencia, en comparación con la llama laminar. El nivel de turbulencia, baja o alta, también determinará las condiciones de la combustión. Existen quemadores de baja turbulencia con características de llama especialmente diseñados para quemar mezclas pobres con alta eficiencia y bajos niveles de emisiones [58]. En cuanto a la constitución del quemador, el material de construcción del quemador puede ser metálico o cerámico. Ambos pueden soportar las altas temperaturas de combustión, siendo el material cerámico el que muestra mayor estabilidad mecánica a pesar del inconveniente de su fragilidad. Estado del arte  68  Otras experiencias en hibridación con motor Stirling. Además de los proyectos anteriormente referidos desarrollados específicamente en instalaciones de disco-Stirling, se han realizado otros trabajos de evaluación por parte del National Renewable Energy Laboratory (United States) para desarrollar quemadores radiantes, metálicos o cerámicos, aplicados a sistemas Stirling híbridos[59][60], de forma que la fuente secundaria de energía (en este caso, combustibles fósiles), proporcione energía radiante de la misma forma que la mancha solar. Esto podría suponer una considerable ventaja en el diseño, al hacer semejantes las fuentes de calor en cuanto a la forma en que llega al receptor, tal como se ha señalado en la propuesta HYPOWER. Cabe destacar que el motor Stirling se ha planteado también para utilizar exclusivamente energía procedente de biomasa para la generación distribuida [61][62][63]. Así pues, parece factible y muy interesante el desarrollo de tecnologías que permitan la hibridación de energía solar térmica a partir de disco-Stirling con biomasa, del que existen ya precedentes que se han presentado en este documento. Patentes de receptores híbridos aplicados a tecnología solar. Las patentes identificadas con receptores híbridos aplicados a energía solar son las siguientes:  United Stirling Inc. (1986): US4602614 Esta patente presenta un receptor de tubos directamente iluminados, integrado en una carcasa de forma que la energía solar o procedente de la combustión es absorbida por el mismo y transferida al fluido de trabajo del motor Stirling. Los tubos están organizados de forma cónica. La carcasa tiene una apertura por donde entra la radiación solar a los tubos, cubierta por una ventana transparente que impide el escape de los gases de combustión. El sistema de combustión consiste en varios quemadores distribuidos radialmente en las paredes de la cavidad. Los gases de combustión pasan a través del conjunto de tubos, que están convenientemente espaciados para permitir el flujo de gas. De esta manera los gases transfieren calor a los tubos del receptor. El sistema consta también de un precalentamiento del aire de entrada, usando el calor de los gases de salida [64].  69  Figura 34 Representación receptor híbrido patente US4602614 [64].  Midwest Research Institute (2002): US2002059798 GENERADOR MOTOR RECEPTOR SOLAR TUBO DE CALOR FLUIDO TRABAJO DEL MOTOR VAPOR DE SODIO LÍQUIDO DE SODIO ENERGÍA SOLAR CONCENTRADA SUPERFICIE RECEPTORA CONDENSACIÓN DE SODIO TUBOS CALENTADOR FLUJO ENERGÍA GENERADOR MOTOR RECEPTOR SOLAR TUBO DE CALOR FLUIDO TRABAJO DEL MOTOR VAPOR DE SODIO LÍQUIDO DE SODIO ENERGÍA SOLAR CONCENTRADA SUPERFICIE RECEPTORA CONDENSACIÓN DE SODIO TUBOS CALENTADOR FLUJO ENERGÍA Figura 35 Representación receptor híbrido patente US2002059798 [65]. El receptor solar es de reflujo (“heat pipe”). El receptor está integrado en una cavidad que recibe la radiación solar concentrada por un lado, y por otro dispone de un sistema de combustión para combustibles fósiles. Este sistema de combustión está integrado en la cavidad, de forma que permita la operación simultánea con el modo solar. Además, dispone de una cámara de premezcla de aire y combustible, una camisa de enfriamiento exterior para realizar enfriamiento, un recuperador de energía de gases de escape para precalentamiento de la mezcla, una cámara de quemador y un quemador metálico poroso en forma cilíndrica. La superficie de intercambio térmico con el proceso de combustión dispone de aletas, de forma que permite un Estado del arte  70  mejor aprovechamiento de la energía producida. Cuenta además con sistemas de direccionamiento y válvula del gas de combustión con el fin de limitar la temperatura antes de la combustión, evitando así el inicio de la misma fuera del punto óptimo de funcionamiento [65]. Existen además otras dos patentes recientes relativas a receptores de disco Stirling no híbridos:  Abengoa / Universidad de Zaragoza: Patente mundial WO2011/151488. Receptor cóncavo para disco Stirling y método de fabricación [66]. En este tipo de receptor los tubos forman una superficie cóncava sobre la que se concentran los rayos solares recibidos. Los colectores están soldados a dichos tubos de forma que dirigen el fluido a/desde los depósitos de gas desde/a los tubos. Los depósitos de gas están asimismo unidos a unos domos que son la interfaz con el motor Stirling. En el diseño los tubos (10, 11) se extienden de un colector (2) a otro (2), y se unen a ellos perpendicularmente, tal como se muestra en la Figura 36. Los tubos tienen una parte curva y una parte recta un su trayectoria entre los colectores. El receptor que consta como anterioridad es el correspondiente al utilizado en el motor SOLO-161, y se muestra en la Figura 37. Figura 36 Diseño receptor cóncavo [66]  77  Infinia ha trabajado además en un proyecto para la definición de un sistema de almacenamiento sin mantenimiento para el disco Stirling, según la información recogida en la página web del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), bajo la iniciativa Sunshot [74]. La última actualización de la información relativa a este proyecto es de 2012. Se nombra como una ventaja relativa al coste futuro de la generación con la tecnología de disco Stirling, así como una diferencia positiva frente a la tecnología fotovoltaica. Otra patente de 2008 (DE102006061509) –individualpresenta un diseño híbrido con almacenamiento térmico [75]. Figura 41 Representación patente DE102006061509 [75]. Se presenta un sistema que puede estar dotado de un motor Stirling o de un motor de vapor. Este sistema utiliza un receptor híbrido adaptado a diferentes fuentes de energía: solar, combustión o acumulación térmica. El intercambiador es de tubos directamente iluminados, y está dotado de apoyos circunferenciales para aliviar las tensiones producidas por la dilatación provocada por el paso del fluido de trabajo del motor. En esta patente se presenta la idea pero no hay una descripción detallada del intercambiador de calor. 3.4 Análisis de ciclo de vida aplicado a tecnologías de generación solar. Se ha llevado a cabo una revisión bibliográfica con el fin de localizar información relativa a análisis de ciclo de vida de las instalaciones objeto del estudio. Por una parte, de las instalaciones de disco Stirling, y por otra, de los sistemas fotovoltaicos. El objetivo es localizar información para revisar la metodología utilizada en el arte previo, y hallar valores de referencia de los trabajos de investigación ya realizados. Mientras que para los sistemas fotovoltaicos sí se han localizado diversos trabajos técnicos, para la tecnología de disco Stirling sólo uno ha sido Estado del arte  78  encontrado. Esto puede deberse al estado de desarrollo en el que se encuentra esta tecnología, considerado aún en periodo de investigación y primeras implementaciones, por lo que las empresas e instituciones que trabajan en ello no han publicado todavía información detallada de los análisis realizados. Para los sistemas fotovoltaicos, hay una variedad de diferentes tecnologías [76]. En el presente trabajo no se ha tratado exhaustivamente la diferencia entre tecnologías fotovoltaicas. Cabe destacar que estas tecnologías están en continuo desarrollo, por lo que, aunque actualmente hay un predominio de las tecnologías de silicio (policristalino, monocristalino y amorfo), en un futuro a medio plazo pueden utilizarse complementariamente otras tecnologías actualmente en desarrollo, como las de capa delgada u otras emergentes que combinan capa delgada con células orgánicas. A continuación se presentan los artículos e información más destacada: En el estudio realizado por Varun [77], se presenta un compendio de evaluaciones medioambientales de los diferentes sistemas de generación eléctrica. Se han realizado comparaciones de distintos análisis de ciclo de vida realizados a diferentes tecnologías. Aunque la validez es relativa, ya que cada uno de estos análisis ha sido realizado por diferentes personas y/o instituciones, sí sirve para evaluar el orden de magnitud asociado a cada una de ellas, relativizar las energías convencionales y las energías renovables, y éstas últimas entre sí. Esta comparación se realiza básicamente en emisiones de CO 2 por kWh producido (unidades: gCO 2 /kWh). En especial para las energías renovables, las emisiones se producen principalmente durante la fase de construcción de componentes e instalación, siendo mínimas en la fase de operación, al contrario de lo que sucede con las energías convencionales. Los resultados principales se muestran en forma de tablas. La Tabla 10 muestra la comparativa general, con rangos que corresponden a los distintos estudios identificados. Tabla 10 Comparación de tecnologías de generación eléctrica convencionales con fuentes renovables (unidad: g-CO 2 /kWh) [77]. Combustibles fósiles / Nuclear Energías renovables Sistema g CO 2 /kWh Sistema g CO 2 /kWh Carbón 975.3 Eólica 9.7-123.7 Petróleo 742.1 Solar fotovoltaica 53.4-250 Gas 607.6 Biomasa 35-178 Nuclear 24.2 Solar térmica 13.6-202 Hidraúlica 3.7-237 Así, puede observarse que la tendencia general muestra valores favorables a las energías renovables. Ahora bien, los rangos son bastante amplios para determinadas tecnologías. Por ejemplo, la generación hidráulica presenta sus valores mínimos para las instalaciones pequeñas, donde no es necesario el almacenamiento hídrico, con el impacto que esto conlleva. En el caso de la tecnología fotovoltaica, los valores obtenidos muestran que esta tecnología puede tener un impacto significativo. Este impacto debería ser siempre considerado a la hora de planificar las distintas formas de aprovisionamiento energético. En particular para las tecnologías de generación solar térmica, se presenta una tabla comparativa donde se incluye el sistema de disco  79  Stirling (Tabla 11). El valor obtenido para este sistema en una instalación de 1 MW, con una duración de 30 años es de 13.6 g-CO 2 /kWh. El resto corresponden a instalaciones de torre central, y sistemas cilindro-parabólicos. Tabla 11 Revisión del análisis de emisiones de CO 2 de sistemas solares térmicos [77] Año estudio Localización Tipo Vida útil Potencia (MW) g CO 2 /kWh 1990 EEUU Torre central 30 100 43 2006 Italia Disco parabólico 30 1 13.6 2006 España Torre central Colector cilindro-parabólico 25 25 17 50 202 196 Otros resultados interesantes para su análisis son la distinción entre estudios de distintos sistemas fotovoltaicos (Tabla 12), instalaciones de biomasa (Tabla 13), energía eólica (Tabla 14) y energía hidráulica (Tabla 15). En estas tablas se especifica la tecnología concreta de cada una de las instalaciones y la potencia de la instalación. También es importante destacar que se especifica el año del estudio, por lo que puede deducirse la aplicabilidad al escenario actual. A excepción de los sistemas de biomasa, también se especifica la localización del estudio, aspecto que puede determinar los resultados de forma significativa, por ejemplo en cuanto a sistemas fotovoltaicos. Esto se debe a que la irradiación solar, correspondiente con la energía solar recibida por el sistema, depende de la localización. La energía producida por el sistema en cuestión será el resultado de multiplicar esta energía solar recibida por la eficiencia de la instalación. Tabla 12 Revisión del análisis de emisiones de CO 2 para sistemas fotovoltaicos [77] Año estudio Localización Tipo célula Potencia (kW) g CO 2 /kWh 1992 Alemania c-Si 300/1500 250/150 1992 Alemania mc-Si 300/1500 250/110 1992 Alemania a-Si 300/1500 170/100 1997 Japón c-Si 3 91 2000 Italia c-Si y capa fina 3300 50-60 2005 Japón a-Si - 53.4 2005 EEUU mc-Si 3500 184 2005 Grecia mc-Si 3 104 2006 Singapur c-Si 2.7 165 a-Si: silicio amorfo mc-Si: silicio multicristalino (o policristalino) c-Si: silicio cristalino Estado del arte  80  Tabla 13 Revisión del análisis de emisiones de CO 2 para sistemas de biomasa [77] Año estudio Proceso Potencia (MW) g CO 2 /kWh 1999 90% carbón y 10% paja 90% carbón y 10% madera 509 37 35 1999 IGCC 1 MWh 110 2004 Carbón y cogeneración con biomasa y almacenaje de CO2 457 43 2005 IBGCC y eliminación de CO2 (absorción química) 204.5 178 2005 Cogeneración con biogás 80 kW 78 Tabla 14 Revisión del análisis de emisiones de CO 2 para energía eólica [77] Año estudio Localización Intensidad energía (kWh/kWh) Vida útil Potencia (MW) g CO 2 /kWh 1981 EEUU 1.016 n.d. 3 n.d. 1996 Reino Unido n.d. 20 6600 25 1996 Japón 0.456 20 100 123.7 1997 Dinamarca 0.1 20 30 n.d. 1999 India 0.032 20 1500 n.d. 2000 Dinamarca n.d. 20 10 x 500 18 x 500 16.5 9.7 2001 Brasil 0.069 20 500 n.d. 2001 Japón 0.160 25 100 39.4 2005 Japón n.d. n.d. 300 29.5 2005 Suiza n.d. 20 30-800 11 Tabla 15 Revisión del análisis de emisiones de CO 2 para sistemas hidráulicos [77] Año estudio Localización Tipo Vida útil Potencia (MW) g CO 2 /kWh 1996 Suiza Río Almacenaje 80 70-200 3.2 8.6 3.7 4.5 1996 Japón Río 30 10 18 1997 Japón Embalse 100 4000 237  81  Otra información localizada para sistemas fotovoltaicos incluye evaluaciones de tecnologías futuras frente a las tecnologías utilizadas actualmente. Mohr [78] utiliza la metodología del análisis de ciclo de vida con el método de evaluación de impacto CML 2001. El programa utilizado es SimaPro 7.1.8. [132], y la base de datos Ecoinvent 2.01 [133]. Se comparan las tecnologías de capa delgada GaInP/GaAs (fosfuro de galio indio / arseniuro de galio) y el silicio policristalino. La unidad funcional de análisis es 1kWp con una irradiación de 1000 kWh/m 2 en Europa Occidental. Se considera una vida útil de 30 años, y se incluyen operaciones de fabricación, mantenimiento y generación de residuos. A nivel de inventario, en este estudio no se analizan las emisiones de CO 2 por kWh. Los resultados del análisis del ciclo de vida se muestran en las categorías de impacto asociadas al método CML2001 [131] (Figura 42). Categoría de impacto medioambiental Categoría de impacto medioambiental Indicador de impacto normalizado (año) Indicador de impacto normalizado (año) Acidificación Eutrofización Calentamiento global Agotamiento abiótico Agotamiento capa de ozono Oxidación fotoquímica Ecotoxidad terrestre, 100 años Ecotoxidad terrestre, infinito Ecotoxidad acuática marina, 100 años Ecotoxidad acuática marina, infinito Ecotoxidad acuática agua dulce, 100 años Ecotoxidad acuática agua dulce, infinito Toxicidad humana, 100 años Toxicidad humana, infinito escenario 0 escenario 0 escenario S escenario S escenario 0 escenario 0 escenario S escenario S Categoría de impacto medioambiental Categoría de impacto medioambiental Indicador de impacto normalizado (año) Indicador de impacto normalizado (año) Acidificación Eutrofización Calentamiento global Agotamiento abiótico Agotamiento capa de ozono Oxidación fotoquímica Ecotoxidad terrestre, 100 años Ecotoxidad terrestre, infinito Ecotoxidad acuática marina, 100 años Ecotoxidad acuática marina, infinito Ecotoxidad acuática agua dulce, 100 años Ecotoxidad acuática agua dulce, infinito Toxicidad humana, 100 años Toxicidad humana, infinito escenario 0 escenario 0 escenario S escenario S escenario 0 escenario 0 escenario S escenario S Figura 42 Evaluación normalizada del impacto (años) de los 2 sistemas. En el caso de seis categorías de impacto se ha considerado un solo horizonte temporal, mientras que para las categorías de toxicidad se han elegido (100 años e infinito). Escenario 0 representa el uso de electricidad fósil / Escenario S representada el uso de electricidad generada por el módulo [78]. La conclusión del estudio señala que la diferencia entre utilizar fuentes de energía convencionales o bien la energía procedente del sistema fotovoltaico en cuestión para la fabricación de módulos tiene un impacto favorable en las categorías de impacto: calentamiento global, agotamiento abiótico, acidificación y oxidación fotoquímica. Sin embargo, las reducciones en toxicidad son mucho más pequeñas, incluso despreciables. Como puede observarse en la gráfica, no se encuentran diferencias significativas entre las dos tecnologías fotovoltaicas. Estado del arte  82  Stopatto [79] analiza la tecnología de silicio policristalino, la más común actualmente. En este caso el cálculo se implementó en el Boustead Model V5.0 [131], un programa alternativo al SimaPro para análisis de ciclo de vida. Se presentan los detalles de proceso para la fabricación de los paneles fotovoltaicos. En este estudio no se ha incluido el transporte y la colocación de los paneles fotovoltaicos, ni la operación. Para la unidad de referencia de un panel de superficie 0,65 m2, se ha evaluado el requerimiento energético para la construcción de un panel (1494 MJ/panel – GER “Gross Energy Requirement”-), y el efecto de gases invernadero o potencial de calentamiento climático (80 kg CO 2 por panel – GWP “Global Warming Potential”-). También se ha calculado el periodo de amortización energética (EPBT “Energy Pay-Back Time”), que es de 6,5 años, en comparación con los 28 años considerados de vida útil. En este caso, se ha incluido un análisis por operación, que muestra las fases que más contribuyen a los parámetros seleccionados de control (GER y GWP). Estas fases son la transformación a silicio solar y el montaje de las células solares en el panel. Las siguientes figuras muestran este análisis: Operaciones 1 Extracción y refinado 2 Transformación sílice – silicio 3 Transformación silicio a silicio monocristalino 4 Fundición y producción de placa 5 Ataque químico y texturizado 6 Formación de lámina 7 Aplicación de contactos eléctricos 8 Pasivacióny soldadura 9 Ensamblado de paneles % sobre GER Figura 43 Contribución al valor de GER por operaciones, expresado como porcentaje [79]. 1 Extracción y refinado 2 Transformación sílice – silicio 3 Transformación silicio a silicio monocristalino 4 Fundición y producción de placa 5 Ataque químico y texturizado 6 Formación de lámina 7 Aplicación de contactos eléctricos 8 Pasivación y soldadura 9 Ensamblado de paneles % sobre GER Operaciones Figura 44 Contribución al valor de GWP por operaciones, expresado como porcentaje [79].  83  Se han realizado también comparativas que evalúan las diferentes tecnologías fotovoltaicas teniendo en cuenta el estado presente y las expectativas futuras [80]. En particular, entre las tecnologías de silicio cristalino y las tecnologías de capa delgada (CdTe – teluro de cadmio), con localizaciones en el sur o zona central de Europa (con valores de irradiación que varían de 1700 a 1000 kWh/m 2 /año). Este estudio se centra en el periodo de amortización energética (EPBT) y los gases de efecto invernadero, calculados respectivamente mediante el método Cumulative Energy Demand (v. 1.03) [131] y el IPCC 2001 GWP 100ª (v. 1.02) [131]. Los resultados se presentan también en comparación con otros sistemas convencionales de generación energética. Cabe destacar del gráfico que se presenta a continuación (Figura 45), que hay sistemas que, a pesar de presentar un valor bajo de gr CO 2 /kWh, tienen otras implicaciones que deben ser evaluadas con criterios adicionales. Este es el caso de la energía nuclear, por la generación de residuos radiactivos a largo plazo y las implicaciones de seguridad. Gas Fósil + captura CO2 Nuclear Renovable Fotovoltaica actual Fotovoltaica futuro Emisiones ciclo de vida (g CO 2 -eq/kWh) Nuclear Europa Nuclear EEUU Biomasa combinada Eólica Silicio policristalino Capa fina Silicio futuroo Capa fina futuro Gasificación carbón Ciclo combinado Ciclo combinado Figura 45 Comparación de emisión de gases de efecto invernadero para diferentes opciones de suministro de energía. Las instalaciones fotovoltaicas están instaladas en el sur de Europa [80]. Los resultados globales de evaluación de tecnologías fotovoltaicas muestran rangos entre 1 y 2 años para el periodo de amortización energética para el sur de Europa, y entre 1.7 y 3.5 para la parte central, encontrándose la tecnología de capa delgada en los valores más bajos. En cuanto a emisiones, éstas se centran en los procesos de fabricación, encontrándose valores en el rango de 25-35 g/kWh en el sur de Europa, un valor bajo en comparación con valores de otras tecnologías (Figura 45). Así, la tecnología fotovoltaica se presenta en una buena posición dentro de las tecnologías energéticas de bajo impacto, aunque debería hacerse un esfuerzo en la reducción de la energía requerida en los procesos del silicio. La tecnología de capa delgada se presenta como la de mayor potencial de cara a futuro. Con respecto a las tecnologías fotovoltaicas se han realizado también análisis de sensibilidad para verificar las alternativas en su fabricación y operación que la harían más competitiva en términos de energía requerida, periodo de amortización energética y emisiones de CO 2 . En una evaluación realizada para un sistema fotovoltaico de tecnología de silicio monocristalino [81], se analizan las posibilidades de que el uso energético para su fabricación se Estado del arte  84  reduzca a la mitad, la utilización de soportes estructurales de hormigón en sustitución de los metálicos y el incremento de su eficiencia. Los resultados se presentan en la tabla siguiente. Tabla 16 Evaluación de mejoras en un sistema fotovoltaico de silicio monocristalino [81] Escenario Energía (MJ t /kWh e ) Pay-back energético (años) Emisiones de CO 2 (g/kWh e ) Caso base 2.91 5.87 217 Reducción de energía de fabricación del módulo fotovoltaico del 50% (caso A) 1.72 3.48 129 Reducción de uso de la estructura – ejemplo reducción de aluminio del 10% (caso B) 2.38 4.81 177 Incremento de la eficiencia del sistema fotovoltaico del 10.6% (caso C) 2.21 4.47 165 Caso A+B 1.20 2.42 89 Caso B+C 1.81 3.66 135 Caso A+C 1.31 2.65 98 Caso A+B+C 0.91 1.84 68 El estudio más actual localizado sobre evaluación de ACV en tecnologías fotovoltaicas, de Fthenakis [82], muestra los valores comparativos de evaluación entre las distintas tecnologías fotovoltaicas.  85  Silicio de cinta Silicio policristalino Silicio mocristalino Capa fina Silicio de cinta Silicio policristalino Silicio mocristalino Capa fina Actual Futuro Años g CO2-eq/kWh Figura 46 Valores presentes y predicción futura para el pay-back energético (EPBT) –ay emisiones de CO 2 de los ciclos de vida de módulos fotovoltaicos. Las estimaciones están basadas en valores de irradiación del sur de Europa 1700 kWh/m 2 /año), una relación de operación (#) del 0.75 y una vida útil de 30 años. A excepción de *, basada en irradiación EEUU de 1800 kWh/m 2 /año y relación de operación de 0.8 [82] (#) La relación de operación es la energía eléctrica real producida con respecto a la teórica o ideal (energía solar * eficiencia). El único estudio localizado referido a la tecnología de disco Stirling, [83] evalúa una instalación de potencia 1 MW, con 17 discos solares de potencia 50 kW. Utiliza el programa SimaPro, y las bases de datos ETH-ESU 1996, IDEMAT 2001 y BUWAL 1996 [131]. El método de evaluación de impacto es el Eco-indicador 99. Se analizan los resultados por categoría de impacto, con la opción de reciclado o no reciclado. Las categorías de impacto son los siguientes: carcinógenos, orgánicos respirados, inorgánicos respirados, cambio climático, radiación, capa de ozono, ecotoxicidad, acidificación, uso de la tierra, minerales y combustibles fósiles. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 47. Estado del arte  86  Sistema disco Stirling Carguero oceánico Transporte camiónSistema disco Stirling Carguero oceánico Transporte camión Sistema disco Stirling Carguero oceánico Transporte camión ReciclajeSistema disco Stirling Carguero oceánico Transporte camión Reciclaje Figura 47 Contribución de los procesos (en %) por categoría de impacto sin y con reciclado [83]. Leyenda: A (cancerígenos), B (orgánicos respiratorios), C (inorgánicos respiratorios), D (cambio climático), E (radiación), F (capa de ozono), G (eco-toxicidad), H (acidificación), I (uso de la tierra), M (combustibles fósiles). Los efectos medioambientales se evalúan en términos de emisiones de CO 2 , SO 2 (acidificación), CFC11 (capa de ozono), PO 4 (eutrofización), SPM (niebla de invierno), C 2 H 4 (niebla de verano) y residuos sólidos, tanto para la situación donde se considera el reciclaje como donde no se considera.  93  Existen varios modelos matemáticos válidos [87] para distintas ubicaciones geográficas, que calculan el valor de la radiación solar directa en función del movimiento de traslación de la tierra y la rotación diaria. Sin embargo, estos modelos no tienen en cuenta agentes atmosféricos que representan una fuente de variación, tales como la nubosidad. En el caso de estudio, se han utilizados datos meteorológicos procedentes de una estación situada en Sevilla (España) (latitud 37.40º Norte, longitud 6.01º Oeste). Los datos que se poseen han sido registrados diariamente con una frecuencia de cinco segundos y son relativos a los años naturales 2000, 2003, 2005 y 2008. A modo de ejemplo, las gráficas siguientes (Figura 50) muestran la evolución diaria de la radiación solar directa, para dos días diferentes. La línea azul representa la radiación incidente medida, frente a la línea roja, que representa la radiación de acuerdo a un modelo teórico [84]. Figura 50 Representación de la radiación solar directa (W/m2) – evolución diaria. Como trabajo previo a la modelización del sistema a través del programa informático desarrollado, se ha analizado si el cálculo operativo puede referirse a algún modelo teórico concreto. En particular se han analizado los siguientes modelos teóricos de radiación: modelo de Hottel [88], modelo de Bernard [89], modelo de Meinel [90], modelo de Meinel-Forero [91], modelo de Allen [92] y modelo de Moon [92]. Análisis de operación  94  Figura 51 Resultados proporcionados por los modelos teóricos para los días: 18 de Junio de 2000, y 5 de Octubre de 2000 (días ejemplo comparativos). Como puede verse en las figuras anteriores (Figura 51) hay una diferencia considerable entre la radiación medida (línea azul) y todos los modelos teóricos analizados. Por lo tanto, la conclusión de este análisis es que ninguno de los modelos es válido para representar el funcionamiento del disco Stirling. Pueden utilizarse exclusivamente para realizar el análisis de la potencialidad del sistema en base teórica, y cómo el funcionamiento real se diferencia del teórico. En este sentido, si se plantease seleccionar alguno de los métodos analizados se propone el método de Meinel-Forero para verano y de Moon para invierno, distinguiendo el año exclusivamente en estos dos periodos [84]. Los valores de estos modelos pueden tomarse como  95  referencia para establecer la máxima radiación incidente que podría recibirse, asumiendo que representan una situación ideal de recepción en la que se aprovecharía totalmente la radiación directa que pasa a través de la atmósfera en un día claro con las mejores condiciones ambientales y meteorológicas. La comparativa del funcionamiento real del sistema en base a datos medidos de radiación incidente con los modelos teóricos adaptados sirve exclusivamente para analizar la energía auxiliar adicional necesaria para alcanzar el máximo nivel de operación posible en condiciones meteorológicas ideales. Es decir, como análisis de la calidad y fiabilidad del recurso solar, especialmente en base comparativa para diferentes años. Sin embargo, la hibridación planteada en este trabajo se basa en la necesidad de mantener durante todo el tiempo posible el funcionamiento nominal de la instalación aprovechándose al máximo su capacidad, considerando por supuesto las limitaciones impuestas por la regulación vigente [86]. Por este motivo, los análisis posteriores se refieren exclusivamente a datos meteorológicos medidos. El análisis se refiere al valor promedio de los años disponibles que se han referido anteriormente, de forma que se establece un año tipo en función del histórico disponible. Los datos de entrada al programa se han tomado de una base meteorológica [93] donde aparecen varios parámetros. Éstos se toman de un fichero tipo texto donde aparecen 10 columnas con la información que se detalla a continuación (ejemplo en Figura 52):  Hora GMT (hh:mm:ss)  Irradiancia difusa sobre superficie horizontal (W/m 2 )  Irradiación difusa sobre superficie horizontal (kJ/m 2 )  Irradiancia global sobre superficie horizontal (W/m 2 )  Irradiación global sobre superficie horizontal (kJ/m 2 )  Irradiancia difusa sobre superficie inclinada 37ºS (W/m 2 )  Irradiación difusa sobre superficie inclinada 37ºS (kJ/m 2 )  Irradiancia directa normal, DNI (W/m 2 )  Irradiación directa normal (kJ/m 2 )  Hora solar aparente (hh:mm) De esta información, la que toma el programa de cálculo es la irradiancia directa normal y la hora solar aparente. Figura 52 Ejemplo del formato de datos de entrada ARAD. Análisis de operación  96  Para cada día existe un fichero de texto con los datos correspondientes. Estos ficheros de texto se ordenan también por año. De forma adicional al fichero de radiación, se adjunta una base meteorológica con el dato de temperatura ambiente, necesario para los cálculos a realizar. Se trata de un formato texto similar al anterior que se carga en el programa de forma simultánea. Con el fin de realizar el análisis en base anual, el programa de cálculo dispone de un procedimiento que permite cargar todos los ficheros diarios correspondientes a un mismo año. Con respecto a los datos de entrada correspondientes a la instalación, que como se ha introducido previamente es el sistema Envirodish de 10 kWe [25], se van a describir en el apartado siguiente de modelización del sistema. 4.1.2 Modelización del sistema Para el caso de análisis se ha utilizado un programa informático, DNICalc [84][85], específicamente desarrollado para este fin por la Universidad de Zaragoza. Básicamente, este programa analiza la radiación normal incidente (Direct Normal Irradiation – DNI-) en un periodo de tiempo y proporciona como resultado la energía eléctrica producida por una instalación de disco Stirling tipo de potencia nominal 10 kWe [25]. Además de este dato de salida, hay otros parámetros que pueden analizarse mediante esta aplicación. Uno de estos parámetros es la energía radiante recibida, que supone una primera estimación del potencial del sistema. Permite también analizar el nivel de DNI al que podría ajustarse la instalación para favorecer un funcionamiento óptimo. Este valor de DNI determina el funcionamiento nominal de la instalación, pudiéndose analizar también la energía excedente respecto a este punto (energía no aprovechada para el funcionamiento), así como los periodos de funcionamiento inferior al nominal de la instalación. En estos periodos se incluyen las caídas de irradiancia intradiarias, los transitorios, debidas principalmente a nubosidades. Estas caídas son de especial interés ya que son problemáticas para los componentes estructurales del sistema por las solicitaciones térmicas que suponen. Los análisis de funcionamiento por encima y por debajo del nominal son los que permiten introducir los conceptos de hibridación y almacenamiento térmico. La hibridación será utilizada para aportar un extra de potencia cuando sea conveniente, especialmente durante los transitorios. El almacenamiento térmico se llevará a cabo durante periodos de energía excedente con el fin de liberarla en los momentos de funcionamiento por debajo del nominal. La modelización del sistema se basa en la definición de eficiencias de los componentes, tomando como referencia tanto valores experimentales en instalaciones de demostración [26] como trabajos anteriores que tratan sobre la modelización detallada de los componentes que forman parte del sistema de disco Stirling [4]. De forma adicional a las referencias anteriores, este programa incluye la posibilidad de definir hibridación y almacenamiento térmico aplicados al sistema. La modelización del sistema dentro de este programa informático se refleja en la Figura 53.  97  Radiación solar Pconcentrador= DNI*coeficiente apertura Pcavidad= Pconcentrador*FI*reflectividad Pmotor= Pcavidad – (Pérdidas térmicas Receptor + Cavidad) DISCO CAVIDAD RECEPTOR MOTOR STIRLING Peléctrica= Pmotor * Eficiencia motor Figura 53 Diagrama de conversión energética del sistema de disco Stirling. Este diagrama representa la conversión energética desde la energía procedente de la radiación solar hasta la energía eléctrica obtenida del sistema. Esta conversión se divide de acuerdo a los diferentes componentes que forman la instalación, de la siguiente forma:  La energía solar incide en el disco parabólico, para el que la eficiencia se define en función de un coeficiente de la apertura de este disco. Este coeficiente determina la potencia de entrada al siguiente componente, el concentrador. Para el caso de estudio se ha tomado el valor de 0,9. Este primer paso determina la potencia radiante de entrada a la cavidad.  La conversión de potencia desde el concentrador hasta la salida de la cavidad viene dada por el rendimiento óptico del disco, que se conoce como factor de interceptación (FI), así como por la reflectividad. Ambos valores toman el valor de 0,9.  La potencia de entrada al motor se calcula sustrayendo el valor de pérdidas térmicas en receptor y cavidad a la potencia de entrada a la cavidad. En el caso del programa utilizado, estas pérdidas resultan de un análisis experimental de una instalación determinada. Las pérdidas de la cavidad se calculan en función de la radiación normal incidente (DNI).  Finalmente la potencia eléctrica viene determinada por la potencia de entrada al motor multiplicada por la eficiencia del mismo. La potencia máxima de salida real del motor es 9 kWe debido a la propia operación del motor del sistema considerado (V-161). En caso de que la potencia de entrada hiciese posible que la potencia de salida fuese Análisis de operación  98  superior a 9 kWe, habría que disipar la energía con algún dispositivo adicional. Es necesario conocer el rendimiento del motor en función de la potencia de entrada, que a su vez, vendrá determinada por la irradiancia recibida. En la siguiente figura (Figura 54) se representa la curva implementada en el modelo para un rango de temperatura ambiente de operación entre 30 y 40ºC. Figura 54 Rendimiento del motor Stirling en función de la potencia de entrada [85]. El programa realiza el análisis de acuerdo a dos premisas diferentes:  El sistema trabaja con potencia nominal fija. Es decir, tiene un valor nominal de DNI, de forma que sólo proporciona energía cuando el valor de esta DNI es igual o superior a este valor nominal. No aprovecha la energía radiante que está por debajo del valor nominal.  El sistema trabaja con potencia variable. En este caso, el sistema aprovecha toda la energía radiante recibida, que está determinada por las condiciones meteorológicas registradas en continuo. En este caso se utiliza la variación del rendimiento del motor en función de las condiciones de irradiación a través de la potencia de entrada. En el programa, estas dos formas de cálculo se denominan “Análisis I” y “Análisis II”. La selección de uno u otro método de análisis se determinan en la primera fase del cálculo.  99  Figura 55 Pantalla principal del programa. Los datos de entrada al programa se detallan a continuación, así como el rango de selección de estos datos. Estos datos incluyen la posibilidad de definir hibridación y aplicación de almacenamiento térmico al sistema. El rango de validez se basa en valores factibles de utilización. La utilización de valores fuera de este rango puede provocar un fallo en la ejecución del programa.  Valor de irradiancia nominal de diseño del equipo. Rango recomendado: 200-1200 (W/m 2 ).  Descenso mínimo en el valor de irradiancia que ha de producirse para considerar un transitorio. Valores recomendados: 50-1000 (W/m 2 ).  Duración mínima que ha de presentar un descenso en el valor de irradiancia solar directa para ser considerado como transitorio. Valores recomendados: 1-3600 (seg).  Rendimiento medio estimado del sistema. Así pues, será la eficiencia de conversión de energía radiante a energía eléctrica. Valores recomendados: 10-30%.  Porcentaje máximo de la demanda eléctrica a ser cubierta por la hibridación. Valores recomendados: 0-90 %.  Rendimiento medio estimado del sistema funcionando con combustión. Valores recomendados: 10-60 %. Análisis de operación  100   Coste por kW·h térmico (PCI) del combustible seleccionado para emplear en la hibridación. Valores recomendados: 1-100 c€/kW·h.  Cantidad máxima de energía que es capaz de albergar el sistema de almacenamiento térmico. Valores típicos: 0-500(W.h/m 2 ). En el caso de que no se aplique hibridación y almacenamiento térmico se debe seleccionar el valor nulo en los datos de entrada asociados, es decir 0 en el porcentaje máximo de demanda eléctrica a ser cubierta por la hibridación, y 0 en la cantidad máxima de energía del sistema de almacenamiento térmico. El programa permite analizar las potencias en cada estadio del sistema, es decir desde la potencia que alcanza la parábola hasta la producida por el sistema. Esto es lo que determina el rendimiento del sistema en función de las condiciones meteorológicas de radiación normal incidente. A modo de ejemplo, se presenta una gráfica con las diferencias potencias de interés en un día determinado (Figura 56) para el tipo de análisis de potencia variable. En el caso de potencia nominal no existe variación de estas potencias en función del valor de radiación solar, ya que el sistema funciona con potencia fija exclusivamente durante los periodos de tiempo en los que el valor de la radiación es igual o superior al nominal de la instalación. Estas potencias se listan a continuación (resultado en kW):  Pcon: Potencia concentrada, es decir, la que alcanza la parábola  Pcav: Potencia que alcanza la cavidad tras pérdidas por reflexión.  Peng: Potencia que aprovecha el motor, tras pérdidas de calor en la cavidad.  Pel: Potencia eléctrica producida por el motor.  Pexc: Potencia excedente cuando se alcanza el límite de funcionamiento del motor.  101  Figura 56 Análisis de distribución de potencias para el caso potencia variable (ejemplo). Para los dos tipos de análisis (potencia fija y potencia variable) el funcionamiento del sistema viene marcado por la radiación recibida. Se establece una diferencia de tipo de funcionamiento en función de esta radiación, tal como se indica en la siguiente figura (Figura 57), donde se indican los periodos de funcionamiento en valor nominal (indicados con el número 2) o los que están fuera del valor nominal (indicados con el número 1). Figura 57 Tipos de periodos de funcionamiento para un día genérico. Análisis de operación  102   Potencia nominal fija: La energía radiante aprovechada es la energía recibida en los periodos de funcionamiento donde se alcanza al menos el valor nominal considerando que el equipo no es capaz de asimilar la energía superior a este valor, que en el caso de estudio se ha fijado en 800 W/m2. En este caso, la energía necesaria para alcanzar una utilización para la radiación directa nominal se define como la energía que habría que aportar adicionalmente, ya sea mediante hibridación, o mediante cesión del calor almacenado en un sistema de almacenamiento térmico, para restaurar o alcanzar el nivel de irradiancia nominal. Gráficamente se corresponde con el área delimitada superiormente por la línea de radiación directa nominal e inferiormente por la curva de irradiancia construida a partir de las mediciones experimentales, tal como se muestra en la Figura 58 –derecha-. Figura 58 Gráficas DNI utilizada en modo potencia nominal fija, y energía necesaria para alcanzar la DNI nominal en un día genérico.  Potencia variable: En este caso la instalación aprovecha toda la energía radiante que alcanza el sistema, de forma que éste funciona a cargas parciales. Este funcionamiento es más representativo de las instalaciones conocidas. En este caso se reducen considerablemente las necesidades adicionales de energía para alcanzar el funcionamiento nominal del sistema. La Figura 59 ilustra el funcionamiento del sistema en potencia variable con recurso exclusivamente solar. En este caso, podría aplicarse hibridación en los periodos donde la curva de irradiancia recibida está por debajo del valor nominal, y aprovechar el excedente de irradiancia en otros periodos para el almacenamiento térmico, que sería utilizado en los momentos inmediatamente posteriores a este exceso de irradiación, tal como se muestra en la Figura 60.  109  en un punto diferente, dando lugar a un rendimiento mayor del mismo, lo que se contabiliza según el programa en la producción solar. Es por este motivo que hay un diferencia entre la producción mensual y anual en kW.h de la producción solo solar entre el sistema de disco Stirling solo solar y el sistema hibridado, tal como puede observarse en la columna de “Energía eléctrica solo solar” en las Tabla 18 y Tabla 19. Las consideraciones sobre las ganancias de la hibridación con gas natural se establecen en el siguiente apartado en comparación con la hibridación con biogás. 4.2.3 Hibridación con biogás Con respecto a la hibridación anteriormente referida con un combustible fósil como es el gas natural, la hibridación con biogás cuenta con la ventaja de aprovechar una fuente de energía renovable adicional a la solar. Por lo tanto, en principio se espera un menor impacto medioambiental. La aportación del biogás puede ser mediante producción en la misma ubicación del sistema de disco Stirling y alimentación directa al sistema de hibridación. Esto sería especialmente interesante para instalaciones aisladas donde el suministro de combustibles fósiles como el gas natural no fuese factible. En relación con la limitación establecida para que la producción de energía mediante el sistema de disco Stirling sea incluida en el sistema tarifario español, según RD661/200722 [86], ésta es considerablemente más alta que en el caso de combustibles fósiles anteriormente referidos. Mientras que esta limitación se fijaba en 12% para combustibles fósiles en general y ligeramente superior, 15%, para el gas natural, en el caso del biogás se incrementa de forma significativa hasta un 50% de la energía anual producida. Es decir, el 50% de la energía que se produzca con la instalación hibridada puede provenir de la combustión del biogás. Esta limitación se ha considerado a la hora de evaluar el sistema hibridado, si bien es cierto que un sistema de generación distribuida no conectado a la red eléctrica no tendría dicha limitación. Al igual que en el caso anterior, el uso de hibridación, además de suponer un aumento en las horas de operación de la instalación, suponen una ganancia intrínseca en la eficiencia del motor Stirling. Esto sucede igualmente porque se modifica el punto de operación del motor al incrementar la potencia de entrada al mismo, por lo que su eficiencia aumenta. Así se produce una mejora del funcionamiento solo solar. Supone un incremento medio de 6.2% aproximadamente con respecto a la electricidad producida (kW.h) del sistema solo solar. Así, el resultado final de hibridación supone que la producción anual sea más del doble al añadir el aumento de eficiencia a la hibridación (incremento del 112%). En la Tabla 20 se presentan los resultados mensuales y anual correspondientes a la hibridación con biogás. Análisis de operación  110  Tabla 20 Cálculo de energía producida: Hibridación con biogás Mes Energía eléctrica solo solar (kW.h) Producción eléctrica de la hibridación BG (kW.h) Producción sistema hibridado BG (kW.h) Enero 1264 1264 2528 Febrero 1245 1245 2490 Marzo 1225 1225 2451 Abril 1438 1438 2876 Mayo 1700 1700 3400 Junio 2115 2115 4230 Julio 2389 2389 4777 Agosto 1863 1863 3725 Septiembre 1888 1888 3775 Octubre 924 924 1849 Noviembre 736 736 1473 Diciembre 603 603 1205 ANUAL 17389 17389 34779 Media Diaria 52 52 Como se ha explicado anteriormente, interesa evaluar la comparativa de la hibridación con diferentes combustibles. En este caso, con los seleccionados con mayor potencial de implementación: gas natural y biogás. Los parámetros de interés para análisis posteriores de diseño del sistema de hibridación y aplicación al Análisis de Ciclo de Vida son la generación eléctrica conseguida con la hibridación de ambos combustibles y el consumo asociado a esta hibridación:  La producción anual asociada al uso adicional de los combustibles es: 125 GJ para el biogás y de 71 GJ para gas natural. Si se considera la vida útil de la instalación de 30 años (basado en informaciones relativas a discos Stirling concretos [96][97]), la energía total producida durante este tiempo sería de 3750 GJ para el biogás y de 2130 GJ para el gas natural.  De estos valores se calculará en el apartado correspondiente el consumo asociado a cada uno de los combustibles. La cantidad del combustible vendrá determinada por la eficiencia del sistema de combustión así como por la capacidad calorífica del combustible en cuestión. En cuanto a factores de operación de la instalación, la aplicación de hibridación supone también un incremento significativo en las horas efectivas de operación de la instalación. Esto implica un impacto favorable en cuanto a la amortización de los equipos y a la carga medioambiental asociada. La evaluación económica queda fuera del alcance del presente trabajo debido a la falta  111  de información al respecto. Sin embargo, el cálculo asociado será utilizado para la evaluación medioambiental de los sistemas. Así, se evaluará el balance entre la carga medioambiental asociada al consumo de combustible respecto a la energía generada por el sistema hibridado. La carga medioambiental debe tener también en cuenta la adición de equipo específico para la hibridación, tales como el quemador de combustible. Con respecto a los parámetros utilizados para evaluar la ganancia del sistema hibridado, se han calculado los siguientes indicadores:  Horas equivalentes de operación. La utilización de hibridación supone una ganancia significativa al respecto. Si se considera como base la utilización solo solar, la hibridación con gas natural supone un incremento de 20% de horas de operación, mientras que este valor se incrementa hasta el 112% en el caso del biogás. Como utilización media por día, esto significa que si la instalación solo solar funciona 4.9 horas al día a plena capacidad, este valor se incrementaría a 6.0 horas para gas natural y a 10.5 horas para biogás.  Factor de capacidad, considerado como la relación entre la energía de salida calculada respecto a la máxima alcanzable en el caso de que la instalación funcionase durante todo el día a plena potencia. o Factor de capacidad funcionamiento solo solar: 19% o Factor de capacidad para hibridación con gas natural: 23% o Factor de capacidad para hibridación con biogás: 40% 4.2.4 Aplicación de almacenamiento térmico Otra forma de afrontar la indisponibilidad transitoria del recurso solar es utilizar sistemas de almacenamiento térmico como energía auxiliar para el suministro de electricidad continúa y constante. Así, el almacenamiento térmico permite adaptar la demanda energética con la generación, de forma que la energía almacenada en el sistema en etapas de exceso de energía recibida se libera en los momentos en que ésta es necesaria. Por supuesto, para que pueda suceder esta liberación de energía, el sistema de almacenamiento se ha debido cargar previamente por radiación excedente durante las horas previas de funcionamiento. Si asumimos que el sistema de almacenamiento tiene un límite superior de 50 W.h/m 2 [84][85][98] y tenemos en cuenta además la cantidad de horas sin recurso solar durante el día completo, se hace evidente que el sistema no será capaz de asegurar funcionamiento continuo. Se calcula entonces el porcentaje de la energía necesaria para el funcionamiento continuo. Si se plantea el funcionamiento continuo, el resto de la energía debe ser suministrada por hibridación, respetando siempre los límites establecidos por las regulaciones pertinentes. Con respecto a la hibridación que se utiliza principalmente en los momentos iniciales del día, el almacenamiento térmico se utilizará cuando el sol provea menor energía, por ejemplo, al anochecer, momento en el cual el sistema de almacenamiento estará cargado a su máxima capacidad. Por supuesto, si durante el día se ha producido momentos de nubes, el sistema de almacenamiento térmico puede utilizarse también en los transitorios. Análisis de operación  112  En particular, para el caso estudiado donde el valor nominal de radiación se ha establecido en 800 W/m 2 , el análisis da como resultado que el potencial de recuperación de energía es prácticamente despreciable en el caso de que el sistema opere con potencia variable. En concreto, se obtiene una ganancia de un 2% respecto a la energía eléctrica generada. Por lo tanto, en el presente estudio no se ha considerado la implementación de un sistema de almacenamiento térmico para los análisis posteriores. En todo caso, cabe señalar que un sistema de almacenamiento térmico podría ser interesante en alguno de los siguientes casos:  Para un sistema que opera a potencia fija. En este caso, el sistema de disco Stirling no aprovecha la energía procedente de radiación con valor por debajo del valor nominal, Por lo tanto, esta energía puede almacenarse en el sistema. Sin embargo, la limitación del mismo establecida en 50 W.h/m 2 , hace que la ganancia se vea limitada por factores inherentes al funcionamiento del material para almacenamiento térmico, cuyo peso y volumen están limitados en el sistema de disco Stirling, por tratarse de un sistema que debe ser ubicado en el motor mismo, es decir, soportado su peso por el sistema global. Así, la ganancia evaluada es de 6049 kW.h anuales frente a la producción de 4675 kW.h para el sistema operando con potencia constante.  En el caso de un sistema cuya potencia nominal de funcionamiento sea inferior al límite establecido para esta instalación, de 10 kWe, podría tener un potencial interés en el caso de sistema con potencia variable. Sin embargo, el límite de capacidad de almacenamiento anteriormente referido supondrá asimismo una limitación en los beneficios obtenidos que deben ser contrastados con los costes asociados a su implementación y utilización  113  PRE-DISEÑO DEL SISTEMA HIBRIDADO Conocido por una parte el interés en la investigación en sistemas híbridos aplicados a la tecnología de disco Stirling, mostrado en el capítulo de estado del arte, y por otra, las ventajas en la operación del sistema y viabilidad de la tecnología analizada en el capítulo de hibridación, se plantea la definición de los elementos adicionales necesarios para dicha hibridación. 5 Pre-diseño del sistema hibridado  114  A la instalación habrá que añadir el suministro de combustible seleccionado, bien sea gas natural o biogás, un quemador para dicho combustible, un receptor híbrido que permita la transferencia de energía al fluido del motor Stirling tanto del recurso solar como de la combustión, así como otro elemento adicional que mejora la eficiencia del sistema, un precalentador de aire de combustión. El objetivo del presente capítulo es analizar las bases de las que debería partir el diseño de los componentes para el sistema híbrido. No es posible realizar un diseño detallado, para lo que se necesitaría información técnica exhaustiva de un sistema determinado, de la que no se dispone. En cuanto al combustible, aunque la hibridación podría ser también realizada con combustibles líquidos o sólidos, se han considerado combustibles gaseosos debido a su potencial suministro en red, limpieza y menor impacto medioambiental. Las instalaciones asociadas al suministro se consideran instalaciones comunes que no serían específicas del sistema de disco Stirling, por lo que no se entrará a analizarlas. De los combustibles gaseosos, se han considerado el gas natural y el biogás, uno debido a su accesibilidad y el otro por su naturaleza de fuente energética renovable, lo que potencialmente presenta ventajas para la evaluación medioambiental del funcionamiento de la instalación en modo híbrido. Este aspecto se analiza en detalle en el capítulo siguiente, asociado al Análisis de Ciclo de Vida. La transición entre uno y otro combustible es relativamente sencilla, ya que solo requeriría de modificaciones no complicadas en el sistema de inyección de combustible [99]. En el caso, del biogás podría ser necesario un sistema de limpieza para eliminar impurezas [100]. Sí presentan particularidades específicas de su implementación en el sistema de disco Stirling el receptor y el quemador. Para el receptor se plantea una alternativa con respecto al intercambiador presente en el motor considerado de referencia para el presente trabajo, el V161 (del sistema de disco Stirling SBP referido con anterioridad), junto con las consideraciones que habría que tener en cuenta para su diseño final. En cuanto al quemador, definido para un combustible gaseoso, el punto clave de su definición será la compatibilidad de su suministro de energía con la radiación solar, de forma que permita un diseño adecuado del receptor que debe absorber ambas fuentes de energía. Es además importante la integración del sistema quemadorreceptor en la instalación. Ésta presenta limitaciones geométricas debido a la disposición asociada a la absorción de radiación solar. Se analiza también el dimensionamiento asociado a un precalentador de aire de combustión. Éste permite un aumento de eficiencia del sistema, que se ha tenido en cuenta en el análisis de operación realizado para los sistemas hibridados, con el fin de valorar el mejor escenario de mejora potencial de la instalación con suministro adicional de combustible. 5.1 Receptor híbrido. El funcionamiento del sistema híbrido supone la aportación alternativa o simultánea de dos fuentes de energía, tal como se representa en la Figura 64. Uno de los puntos clave de definición del sistema es el propio receptor.  115  Figura 64 Esquema funcionamiento sistema disco Stirling con receptor híbrido. En el capítulo del estado del arte se han presentado diferentes alternativas para la definición de la superficie receptora para el caso de hibridación, con alternativas de receptores de tubos directamente iluminados y de reflujo. Otra opción a estas propuestas sería la recepción solar directa sobre el cabezal del motor [101] o sobre un receptor compuesto por un bloque por cuyo interior circulase el gas del ciclo (Figura 65) donde se produciría la transferencia térmica directa al fluido de trabajo en la zona caliente del motor. Por su simplicidad y factibilidad de implementación, es la seleccionada como propuesta de diseño en el presente trabajo. Figura 65 Esquema de un receptor compuesto por un bloque por cuyo interior circulase el fluido de trabajo. Pre-diseño del sistema hibridado  116  Esta es una alternativa, de hecho, a los receptores de tubos directamente iluminados. La problemática asociada a este tipo de receptores es que la mancha solar no es uniforme sobre la superficie receptora, tal como se muestra en la Figura 66. Figura 66 Distribución típica del flujo solar normalizado en el plano del receptor (densidad de flujo kW/m 2 – Flux Density-) Representación ejes x-y [102]. Para solventar el problema de la distribución, se propone añadir al absorbedor una superficie difusora que reciba la radiación solar concentrada y que la distribuya homogéneamente al área de recepción del cabezal del motor. Así, ésta constituiría el receptor, ya que recibiría en primer lugar la energía solar concentrada. Debe estar integrada además de forma que no se mezcle la zona solar y la de la cámara de combustión. Esta superficie receptora debe tener la misma geometría que la parte final de la cavidad y estar unida a la superficie del cabezal. Así, proveerá la energía uniformemente. Será ésta la que deba asumir las solicitaciones asociadas al funcionamiento a alta temperatura. Como material, se propone el cobre, debido fundamentalmente a su alta conductividad térmica (385,9 W/m.K). Por supuesto, el diseño definitivo debería ser simulado convenientemente con el fin de asegurar que cumpla las solicitaciones mecánicas así como su cometido de difusión térmica. Como se ha señalado previamente, el receptor debe compatibilizar ambas fuentes de energía, asegurando el aislamiento entre las zonas de recepción solar y de combustión. Esto se debe a que los gases de escape procedentes de la combustión (principalmente vapor de agua y dióxido de carbono) intervendrían de forma negativa en la captación de energía solar. Estos gases aumentan la difusión de la radiación solar, lo que supondría menor porcentaje de radiación solar directa incidente sobre la superficie receptora. En el apartado correspondiente a los quemadores se presentan posibles integraciones con el quemador, donde se presentan formas potenciales para el receptor planteado para la superficie difusora. Los parámetros clave para el diseño de este receptor planteado serán, por un parte, las condiciones de funcionamiento que garanticen su durabilidad, y por otra parte, la integración con el sistema de disco Stirling concreto seleccionado.  117  En cuanto al primer punto, el principal parámetro a considerar es la alta temperatura a la que está expuesto. Recibe la radiación solar conjunta o alternativamente con la energía procedente de la combustión cuando se activa el modo híbrido. La concentración de energía solar produce temperaturas en el receptor en el rango de 600 a 900ºC. En función de las características del motor y los materiales, la temperatura máxima a considerar para el receptor puede estar en torno a 800ºC [101] para la radiación solar. En cuanto a la temperatura provocada por la combustión, la temperatura de llama está en el rango de 1000 a 1500ºC (en función de las características de llama). Esto produce una temperatura en el receptor del mismo orden de magnitud de la concentración solar, ya que la temperatura del quemador será algo inferior a esta temperatura de llama. En la siguiente figura (Figura 67) se presenta un ejemplo de temperaturas de trabajo asociado al sistema Sandia donde se utiliza un receptor de reflujo [104]. En este caso, la superficie de receptor con el sistema funcionando en modo combustión presenta una temperatura de 900ºC. Potencia llama Potencia llama, kW Temperatura, ºC Tiempo, hh:mm LLama Quemador Superficie receptor Vapor Aire precalentado Escape Potencia llama Potencia llama, kW Temperatura, ºC Tiempo, hh:mm LLama Quemador Superficie receptor Vapor Aire precalentado Escape Figura 67 Distribución de temperaturas según receptor Sandia [104]. Los rangos de temperaturas y potencias de trabajo para los diferentes elementos de un receptor híbrido en un motor V161 del sistema de disco Stirling de SBP, [104] deberían estar entre los siguientes rangos:  Potencia de llama: 100 ÷150 kW  Potencia del quemador: 50 ÷80 kW  Temperatura de llama: 1000 ÷ 1500ºC  Temperatura en la superficie del receptor: 700 ÷ 800ºC  Temperatura del aire precalentado: 500 ÷ 650ºC  Temperatura de los gases de escape: 200 ÷ 300ºC Pre-diseño del sistema hibridado  118  En cuanto a la integración del receptor, la definición del sistema de disco Stirling específico determinará cómo se va a realizar. Para la implementación del sistema híbrido en el V161 no se plantea la modificación ni del motor Stirling ni de la cavidad receptora de energía solar, ya que son elementos ya optimizados para el aprovechamiento óptimo de la energía solar. En particular, la geometría interna de la cavidad esta específicamente diseñada para garantizar el máximo aprovechamiento de la radiación solar incidente, minimizando las pérdidas térmicas asociadas a la captación solar. La cavidad está fabricada en un material aislante de alta temperatura, y garantiza que prácticamente el 95% de la radiación solar incidente se refleje sobre la superficie receptora. Así, las modificaciones asociadas a la hibridación no interferirán sobre el método de operación solo solar. Con respecto al caso específico del V161 (en la siguiente imagen: Figura 68), supondría sustituirse el receptor de tubos directamente iluminados por la superficie receptora mostrada en la Figura 65. Figura 68 Fotografías motor SOLO-161 [25]. Esta superficie receptora estaría integrada en la cavidad solar, tal como se muestra en la Figura 69, pudiéndose ésta adaptarse a geometría circular, como se muestra en los diferentes modelos mostrados en el punto 5.2 de este capítulo.  125  siguientes [117][118]: quemador, sistema de control, regulador, válvula de gas, cámara de premezcla, salidas de gases de escape y sistema de impulsión. Figura 79 Esquema básico de un sistema de combustión convencional de combustible gaseoso (ejemplo con gas natural). A modo de ejemplo, se ha realizado el dimensionamiento asociado a un quemador en el sistema de disco Stirling de referencia. Con el fin de determinar la superficie necesaria de quemador a integrar en el sistema híbrido, es necesario calcular la potencia nominal del quemador a instalar. Los datos de entrada para el cálculo, en el caso del sistema de referencia, son los siguientes:  Potencia nominal de la instalación: 10 kWe (valor de diseño)  Rendimiento del motor: 35%, valor nominal máximo  Pérdidas térmicas en la cavidad y receptor: 20% (estimación [119][120])  Rendimiento del quemador: 50% (información de fabricantes [121]). Para la estimación de integración de quemador puede asumirse el cálculo simplificado, tomando los valores anteriores como funcionamiento nominal. El consumo de combustible gaseoso (en kWt) será calculado como: Potencia nominal instalación / (ηmotor * ηcavidadreceptor * ηquemador) La potencia a suministrar por el quemador será: Consumo combustible (kWt)* ηquemador Pre-diseño del sistema hibridado  126  Este valor fija la densidad de potencia necesaria si se considera junto con el área de intercambio disponible. Como en el caso de la integración con el receptor híbrido el valor de superficie está limitado, debe asumirse un valor típico de densidad de potencia, con el fin de calcular la superficie necesaria y utilizar este dato para diseñar la integración correspondiente. El valor de densidad de potencia viene asimismo determinado por el funcionamiento del quemador, con el fin de garantizar las temperaturas y estabilidad de llama adecuadas al mismo. Hay que tener además en cuenta que la relación de áreas entre la superficie receptora y la de emisión ha de ser de al menos 3:1 [113][121], para asegurar que el total de la radiación emitida es recibida. Por lo tanto, la densidad de potencia necesaria se calculará de la forma siguiente: Densidad potencia (kW/dm 2 )= Potencia quemador / (Área recepción/3) La geometría y adaptación del quemador al elemento receptor debe garantizar que la densidad de potencia obtenida en el cálculo anterior está dentro de los rangos normales de funcionamiento para quemadores radiantes. Las adaptaciones del quemador serán realizadas con el fin de maximizar el área de emisión, para que el valor de densidad de potencia sea factible [101] para el modo solo combustión. Evidentemente, cuando se utiliza el sistema de combustión conjuntamente con la radiación solar, se deberá realizar la regulación correspondiente con el fin de suministrar exclusivamente la potencia complementaria necesaria. Los valores de diseño a tener en cuenta para un receptor híbrido en un motor V161 del sistema de disco Stirling de SBP, son:  Potencia eléctrica de salida: 10 kWe  Potencia del quemador: 71,4 kW  Rendimiento del quemador: 50%  Potencia térmica en el receptor: 35,7 kW  Densidad de potencia máxima: 25 kW/dm 2  Densidad de potencia de la instalación: 15 kW/dm 2  Área del quemador de 2,38 dm 2  Área de recepción necesaria:7,14 dm 2  127  5.3 Precalentador de aire Los datos de entrada fundamentales para el diseño del precalentador de aire son las condiciones de operación, que determinan su función, así como el aspecto de la integración que ya se ha presentado para el resto de componentes. En cuanto a su función, el uso de un precalentador de aire para aumentar la temperatura de la mezcla aire combustible que pasa al quemador es una forma de optimizar la combustión. Una mayor temperatura de la mezcla implica una combustión más eficiente. Si el precalentamiento se realiza con el calor residual evacuado por los gases de escape (con un valor en torno al 50% de la energía introducida al quemador), resulta en una mejora de la eficiencia global del sistema. Como estimación de la mejora potencial que podría esperarse, hay ciertos estudios teóricos [105] que muestran que un rendimiento alrededor del 60%, que produciría una temperatura de los gases de escape de unos 800ºC, podría ser incrementado hasta el valor de 70% o 75% con una capacidad de recuperación de entre el 20% y el 30%. Por supuesto, el valor exacto de incremento del rendimiento del quemador, dependerá del caso específico y del quemador utilizado. En todo caso, el uso de precalentadores de aire en otras aplicaciones de motor Stirling, tales como propulsión de máquinas y vehículos, es una práctica habitual. El esquema siguiente (Figura 80) muestra el ciclo termodinámico a considerar para el diseño del recuperador. Figura 80 Esquema del ciclo termodinámico del proceso de combustión con recuperación de calor. El dimensionado del recuperador deberá hacerse conociendo las siguientes variables de funcionamiento, que constituyen los datos de entrada:  Caudal de la mezcla aire/combustible y caudal de gases de escape.  Temperatura de la corriente de gases.  Calor suministrado por el quemador y calor recuperado.  Característica del intercambiador necesario (UA). Pre-diseño del sistema hibridado  128   Rendimiento total alcanzado. En cuanto al diseño del intercambiador, deberá considerarse el valor de UA necesario. Esto determinará la tecnología a utilizar y el dimensionado del mismo. El rendimiento del recuperador ha de determinarse teniendo en cuenta la limitación en la temperatura de aire de entrada al quemador. El hecho de que la mezcla aire combustible no deba sobrepasar la temperatura propia de auto-ignición en función de las condiciones de operación, hace que no puedan alcanzarse los valores máximos de rendimiento global del sistema. De hecho, como valor general, puede tomarse una temperatura máxima de 450ºC para la temperatura del aire después de ser calentado en el recuperador desde temperatura ambiente. Teniendo en cuenta que la temperatura de entrada del gas de escape estará en torno a los citados 800ºC, el rendimiento requerido del recuperador puede ser calculado. En el presente trabajo se han seleccionado los valores citados para el dimensionamiento a modo de ejemplo del intercambiador. En general, los valores estarán en un rango de 700 a 900ºC para el gas de escape a la salida del quemador, y de 400 a 600ºC para el aire precalentado en el recuperador. En particular, en el caso de Sandia, previamente presentado en este capítulo (Figura 67), el valor de gas de escape está en torno a 700ºC y el precalentamiento en torno a 500ºC. El dimensionamiento del intercambiador debe tener en cuenta también la integración en el motor, para lo que se requerirá una alta compacidad debido al espacio limitado en la instalación. A este respecto, se selecciona la tecnología de intercambiador de calor de placas y aletas (Figura 81). La resistencia térmica asociada a los flujos de fluidos en estado gaseoso es elevada, por lo que aumentar el área de transferencia mediante aletas será uno de los puntos clave en cuanto a la compacidad de la solución. Si además, estas aletas pueden proveer turbulencia el intercambio térmico será también incrementado. En este último caso, debe tenerse en cuenta el balance con la pérdida de carga asociado a este incremento, ya que un valor excesivo afectaría también la permeabilidad del circuito de entrada del aire al quemador, lo que podría menoscabar la potencia del mismo. La limitación en pérdida de carga determinará el tipo de perturbador a utilizar, ya que en función de su geometría se favorecerá más o menos la turbulencia. Los tipos básicos de aletas serían el tipo ondulado o tipo “offset” (Figura 82). El tipo “offset” provee una mayor turbulencia y por lo tanto una mejora en la transferencia térmica, pero a su vez, un incremento en la pérdida de carga. A su vez, este tipo de perturbador es muy sensible al ensuciamiento, por lo que tendría limitaciones para su uso en el lado de circulación de los gases de escape, en función de las características de los mismos [122].  129  Figura 81 Imágenes de una configuración habitual del núcleo de un intercambiador compacto de placas planas gas/gas [122]. Figura 82 Drcha. Perturbador tipo ruffled & herringbone. Izqda. Perturbador tipo offset [123]. En cuanto a la integración del recuperador en el sistema, podría realizarse por módulos repartidos anularmente de acuerdo a la disposición del quemador y las entradas y salidas definidas de aire y gas de escape. Estos módulos estarían formados por placas planas integradas en un entorno rectangular, de forma que se garantice la factibilidad y viabilidad económica de la solución propuesta. Deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos [101]:  Un menor número de módulos de intercambio simplifica el entramado de tuberías y redes de distribución necesarias.  Un menor volumen total interfiere en menor medida en la captación de energía solar al proyectar un efecto de sombra menor. Pre-diseño del sistema hibridado  130   Una menor pérdida de carga en el núcleo de intercambio repercute en una menor necesidad de potencia de impulsión para el ventilador. Por lo tanto, la alternativa de mayor interés podría ser la de utilizar un solo módulo de precalentamiento. Desde luego, será la opción más sencilla desde el punto de visto constructivo y de coste, pero el diseño final variará en función del sistema de disco Stirling donde debe integrarse esta solución. El diseño debe estar basado en aplicaciones conocidas, de forma que esto permita la selección de proveedores que deban realizar unas mínimas inversiones y que aprovechen además las capacidades productivas y el conocimiento del producto existentes. El material de fabricación determina la búsqueda de proveedores. En particular, para esta aplicación se propone la utilización de acero inoxidable, debido a su resistencia a altas temperaturas y a la corrosión. Una aplicación similar en el campo de automoción sería el intercambiador de recuperación de gases de escape (EGRC: Exhaust Gas Recirculation Cooler). Para esta aplicación, existen en el mercado intercambiadores de placas o tubos con aletas en el lado gas, a los que habría que incorporar aletas en el circuito complementario. Los métodos de cálculo propuestos para este intercambiador de calor serían los presentados en la referencia [124][125]. La correlación a utilizar para el intercambio térmico sería la de Wieting, que demuestra tener una buena aproximación a los valores experimentales obtenidos para este tipo de configuración de intercambiador con fluido gaseoso. Para el caso particular analizado, puede realizar un pre-dimensionamiento, a modo de ejemplo, que tendrá en cuenta los siguientes parámetros:  Caudal aire y gases de escape.: determinado a partir del consumo de combustible. Para el caso del gas natural, supone un valor de 1,8 dm 3 /s -1,2 g/s- (teniendo en cuenta los 71,4 kWt aportados por el combustible y la capacidad calorífica del mismo de 38 MJ/m 3 ). La relación aire-combustible marca el caudal trasegado por el intercambiador de calor. Con un dosado de 20, supondría un caudal de aire de 24 g/s, por lo tanto un caudal total de 25,2 g/s.  Temperatura ambiente: 20ºC  Parámetro objetivo: temperatura salida del aire/combustible 450ºC. Este valor se ha definido por seguridad para evitar auto-ignición de la mezcla aire-combustible antes de la ignición provocada en el quemador. En este intercambiador podría calentarse también el aire por separado, pero se ha considerado la mezcla aire/combustible debido a que, en caso contrario, afecta a la estabilidad de llama (información suministrada por un fabricante de quemadores –Bekaert-). Para la realización del cálculo se ha seleccionado una aplicación ya existente desarrollada en el programa informático EES [101]. Con las premisas presentadas anteriormente, el cálculo resulta en un intercambiador de dimensiones 57*50*200 mm, para garantizar una temperatura de salida  131  de la mezcla aire-combustible de 450ºC. Esto supone una eficiencia del intercambiador del 38% (potencia recuperada de los gases de escape: 9,91 kW). A modo de síntesis, se presentan las características principales de los componentes asociados a la hibridación del sistema de disco Stirling elegido como referencia (Tabla 21). Tabla 21 Síntesis de parámetros de diseño para los elementos del sistema híbrido Componente Parámetro Valor Receptor Temperatura máxima material 800ºC Área de recepción para energía combustión 7,14 dm 2 Potencia térmica receptor 35,7 kW Quemador Área del quemador 2,38 dm 2 Potencia del quemador 71,4 kW Densidad de potencia 15 kW/dm 2 Rendimiento del quemador 50% Pre-calentador aire Temperatura salida aire/combustible 450ºC Caudal aire 24 g/s Temperatura entrada combustión 700ºC Potencia intercambiada 9,91 kW Rendimiento 38% Impacto medioambiental  132   133  IMPACTO MEDIOAMBIENTAL La creciente conciencia medioambiental junto con las cada vez más estrictas regulaciones establecidas para reducir el impacto ambiental determina la necesidad de definir herramientas que permitan el cálculo de las cargas medioambientales asociadas al diseño de productos y procesos [126]. 6 Impacto medioambiental  134  La aplicación de estas herramientas a los sistemas de suministro energético es fundamental para determinar qué tecnologías deben privilegiarse respecto a otras. Por supuesto, si consideramos el conjunto de energías renovables frente a las fuentes de energía convencionales, la evaluación de las primeras será favorable respecto al consumo de combustibles fósiles [127]. La aplicación de la herramienta será pues de especial interés para discriminar entre las distintas energías renovables. Entre las tecnologías utilizadas para el aprovechamiento de las fuentes de energía renovables, tales como el sol, el viento y la biomasa, existen algunas de ellas en fase madura pero la mayoría de ellas están en fase de desarrollo y demostración, debido fundamentalmente a la relativa reciente implantación respecto a las tecnologías de aprovechamiento de combustibles fósiles. El uso de una herramienta de evaluación de impacto medioambiental puede servir para apoyar la inversión en determinadas tecnologías, de forma que se favorezca su desarrollo gracias fundamentalmente a medidas de apoyo gubernamentales. Si las políticas regionales, estatales y mundiales tienen como objetivo la sostenibilidad medioambiental y la disminución de la dependencia de combustibles como el petróleo con altas implicaciones estratégicas entre países, las decisiones de inversión económica pueden regirse por índices de impacto medioambiental. Estas inversiones económicas supondrán un coste elevado, el asociado a labores de investigación y desarrollo, pero tendrán su recuperación en forma de disminución de contaminación y consumo de combustibles fósiles. En este sentido, en la presente tesis se ha seleccionado una herramienta de evaluación de impacto medioambiental, el Análisis de Ciclo de Vida (ACV). El objetivo de su aplicación es establecer la comparativa del sistema de disco Stirling con otro sistema de aprovechamiento solar, la fotovoltaica, así como analizar el interés de la hibridación aplicada al sistema de disco Stirling mediante la utilización de combustibles. En cuanto a la comparativa con un sistema fotovoltaico, se ha seleccionado éste porque se ha considerado que es el sistema de aprovechamiento solar que podría tener condiciones de implantación similares a una unidad de disco Stirling aislada. Es decir, no se ha considerado la utilización para grandes centrales de generación eléctrica, sino que la utilización principal se ha tomado para sistemas de generación distribuida. Es en este tipo de utilización donde las tecnologías de aprovechamiento solar podrían tener un mayor potencial, indicado también para su utilización en zonas aisladas en países en fase de desarrollo. Es precisamente en estos países donde normalmente el recurso solar es más abundante. Por lo tanto, los problemas de aprovisionamiento de combustibles podrían solucionarse con la utilización de tecnologías de aprovechamiento solar. Por supuesto, será interesante incentivar aquellas con un menor impacto medioambiental. En cuanto a la aplicación de hibridación, ésta supone un aumento en el tiempo de utilización de la instalación al eliminar la dependencia exclusiva del recurso solar, pero supone también la implementación de equipos adicionales al sistema propio de disco Stirling, además de un consumo asociado a los combustibles utilizados. Es por tanto interesante determinar el impacto ambiental de esta hibridación. Asimismo debe determinarse cuál es el combustible más interesante a utilizar en el sistema hibridado. En particular, para la instalación asociada utilizada para generación distribuida, puede ser de especial interés la utilización de biomasa o combustibles extraídos de la misma, como el biogás. La localización asociada a sistemas de generación distribuida en zonas aisladas, de origen rural en su mayoría, puede facilitar el acceso a determinados aprovisionamientos de biomasa. En el presente capítulo se presenta una introducción al ACV, donde se analiza también el programa informático utilizado, así como la selección de métodos de evaluación de impacto. Se describe la aplicación de esta herramienta al sistema seleccionado, incluyendo la descripción del  141   Eco-toxicidad acuática marina (kg 1,4-DB eq)  Eco-toxicidad terrestre (kg 1,4-DB eq)  Formación foto-oxidantes (kg C 2 H 2 eq)  Acidificación (kg SO 2 eq)  Eutrofización (kg PO 4 eq) Los resultados del ACV se expresan para cada método en función de los indicadores (con unidades) asociados a las categorías de impacto. Este se conoce como la caracterización, que unido a la agrupación de las categorías de impacto con sus unidades correspondientes permite la evaluación de daños. En ocasiones, este paso puede ser suficiente para comparaciones, cuando, por ejemplo, todas las categorías consideradas muestran un valor superior para un producto con respecto al comparado. Sin embargo, en muchas ocasiones interesa realizar la normalización con el fin de adimensionalizar las categorías y poder establecer comparativas entre ellas, así como relativizar su importancia. Así, en los dos métodos considerados, puede realizarse el paso de la normalización, con el fin de tener un valor relativo a un referencial dado (comunidad, persona u otros, en un tiempo determinado), de forma que permite evaluar la magnitud e importancia de los diferentes efectos asociados a las categorías de forma conjunta. En el caso del Eco-indicador 99 se realiza la normalización en base a las categorías de impacto y de daño (unidad conocida como punto Eco-indicador), mientras que en el CML 2 es solo a nivel de las categorías de impacto. En ambos casos, esto permite comparar las diferentes categorías entre sí con el fin de analizar en qué aspectos tiene mayor influencia el sistema de estudio en cuestión. Este paso permite asimismo la comparativa entre los diferentes sistemas, que en el caso de el presente trabajo, se refieren al sistema de disco Stirling y al sistema de generación fotovoltaico. El cálculo de normalización se realiza en dos pasos: 1. Recopilación de datos de emisiones totales y consumo de recursos causados por el sistema de referencia durante un periodo determinado (normalmente un año). 2. Cálculo de las categorías de impacto y, si procede, de los indicadores de daño, mediante la utilización de los factores de caracterización y daño. Los sistemas de referencia varían en función del método seleccionado:  Para el Eco-indicador 99, el sistema de referencia es el daño causado por 1 ciudadano europeo medio al año, basado en datos principalmente del año 1993, con actualizaciones realizadas para las emisiones más importantes. Además, en este método, los resultados de la normalización dependen de la perspectiva seleccionada. En SimaPro el método va asociado a tres perspectivas distintas: jerárquica, igualitaria e individualista. La fase de normalización incluye estas perspectivas, ya que influyen en los procedimientos de cálculo asociados a las categorías de daño. En el presente trabajo, se ha seleccionado la perspectiva jerárquica, por tratarse de la que se considera más cercana a la comunidad científica. De hecho, se trata de una perspectiva temporal equilibrada, sobre la que existe consenso científico referente a los impactos considerados. Impacto medioambiental  142   En el caso del CML 2, la normalización se refiere exclusivamente al sistema de referencia, estableciéndose 4 diferentes (mundial en 1990 y 1995, Holanda en 1997 y Europa Occidental en 1995), no habiendo diferencias en función de las perspectivas sociales. Esto significa que los métodos utilizados para el cálculo de los indicadores de las categorías de impacto no están determinados por estas perspectivas. Para este trabajo, se ha seleccionado la opción de Europa Occidental de 1995, por considerarse más adecuada geográficamente y relativamente cercana en el periodo. Así, el sistema de referencia es el daño causado por Europa Occidental en el año 1995. La normalización se utiliza también para las comparativas en los análisis de sensibilidad, donde se analiza cómo diferentes factores influyen en los resultados obtenidos en el ACV. El siguiente paso a la normalización es la ponderación, donde se relativiza la importancia de las categorías en función de las perspectivas sociales. En la normalización, la perspectiva influye en el procedimiento de cálculo, mientras que en la ponderación la perspectiva influye a través de la evaluación de las categorías a la que se llega por la valoración de un panel de expertos. Este paso se permite en el método Eco-indicador 99, pero no en el CML 2. En el caso del Ecoindicador 99 se realiza sobre las categorías de daño normalizadas, aplicando a éstas los factores correspondientes a la perspectiva seleccionada. En el presente trabajo, se realiza esta ponderación con el fin de poder comparar las instalaciones en base a un indicador único. Aunque no esté recomendado por la norma, es un paso dentro del método considerado que, aún introduciendo un factor subjetivo, debido a la perspectiva social asumida, se considera válido en base comparativa. Las tablas correspondientes a los factores de normalización y ponderación en función de las perspectivas, utilizados para el método Eco-indicador 99, se presentan en el anexo 1. Los pasos descritos tras la caracterización, es decir, normalización y ponderación, son, de acuerdo a la norma ISO 14042 opcionales.  143  6.2 Aplicación al caso de estudio de ACV El desarrollo del análisis del ciclo de vida se basa en cuatro pasos fundamentales, tal como se ha explicado previamente: definición de los objetivos y alcance, inventario, evaluación del impacto e interpretación de resultados. En este apartado se tratan la definición de objetivo y alcance, así como la realización del inventario o modelización de los sistemas implicados. Asociados al inventario, pueden extraerse resultados, que se presentarán en el siguiente capítulo. 6.2.1 Objetivos y alcance del ACV El principal objetivo de la aplicación del Análisis de Ciclo de Vida en esta tesis consiste en obtener una estimación o aproximación de la información ambiental del ciclo de vida de la tecnología de disco Stirling para generación energética, en dos contextos diferentes:  Comparativa con otra tecnología de generación solar que por sus condiciones de implantación puede ser competencia con el sistema de disco Stirling: la fotovoltaica.  Comparativa de dos alternativas de hibridación del sistema. Aunque el interés de la hibridación se basa fundamentalmente en aspectos operativos, la utilización de dos combustibles alternativos es evaluada también desde el punto de vista medioambiental. En cuanto al alcance, la función del sistema considerada es la generación de energía eléctrica para generación distribuida. En la presente tesis no se ha considerado la aplicación de esta tecnología a medias o grandes instalaciones de disco Stirling con conexión a red eléctrica. Así, la unidad funcional seleccionada es un disco Stirling de potencia nominal 10 kW (correspondiente a la tecnología de SBP [25]). Para la comparativa se ha seleccionado un sistema fotovoltaico correspondiente a la tecnología de silicio monocristalino. El criterio para esta selección se ha basado en que la tecnología de silicio es la más utilizada actualmente, y dentro de esta tecnología de silicio la de monocristalino presenta una buena eficiencia con un balance de coste razonable, que además se encuentra en continua reducción. Además, la selección del sistema fotovoltaico se ha visto determinada por las bases de datos disponibles en la versión utilizada del programa SimaPro. Así, se ha caracterizado una instalación de 10 kW de tecnología de silicio monocristalino. En cuanto a la modelización del sistema de disco Stirling hibridado, se han incluido a la descripción del sistema los componentes necesarios para la realización de dicha hibridación, así como el consumo asociado de los combustibles, utilizando la información de los capítulos 4 y 5 de la presente tesis. Para la comparación entre el sistema de disco Stirling y el sistema fotovoltaico, los límites del sistema se han establecido en la fabricación de las instalaciones, incluyendo los procesos de montaje y transporte, pero no la operación y mantenimiento. Por una parte, no se dispone de Impacto medioambiental  144  suficiente información al respecto, y por otra, esta fase de vida en las energías renovables es, en términos generales, no significativa respecto a la fase de construcción, tal como se presenta en Varun [77]. Se ha considerado el montaje de la instalación con sus componentes, así como el tratamiento como residuo de estos componentes una vez finalizada su vida útil, considerada de 30 años para ambas instalaciones [135]. En cuanto a la comparativa establecida para los sistemas hibridados, a la fabricación de las instalaciones se ha añadido el consumo de combustible durante la operación del sistema dentro de su vida útil. No se han incluido, al igual que en la comparativa con el sistema fotovoltaico, aspectos de operación general y mantenimiento. 6.2.2 Modelización de los sistemas 6.2.2.1 Modelización del sistema de disco Stirling Para el inventario del sistema de disco Stirling, se han definido en el programa los siguientes elementos:  Motor  Concentrador  Estructura metálica  Bancada de hormigón Para la definición de estos elementos se ha contado en gran parte con la información recuperada en la revisión bibliográfica y con la visita a las instalaciones de Odiello, en Francia, donde se dispone de un sistema de 10 kW de SBP. Esta visita ha permitido conocer la instalación y contactar con los responsables de la misma, que han contribuido en cuanto han podido a este trabajo. De entre los elementos anteriormente citados, el motor es el más complejo. Consta de diversos componentes. La recuperación de información al respecto ha sido difícil. De hecho, la empresa de la instalación considerada, SBP, no presenta información en el año 2013 relativo a la tecnología. Los datos se han recuperado de los disponibles de anteriores proyectos (Eurodish y Envirodish). De la información recuperada, se han definido los siguientes componentes del motor:  Absorbedor: 12 kg de aleación de níquel, con procesos de trabajo en frío, fundición, soldadura eléctrica lineal y proceso de soldadura en horno. Este último proceso ha sido definido como nuevo en la sección de procesos del programa por no encontrarse disponible.  Cilindro / pistón de expansión: 200 kg de acero, con procesos de producción de trabajo en frío, forja y mecanizado.  145   Elementos de conexión del motor: 100 kg de acero, proceso de producción: trabajo en frío.  Generador eléctrico: 50 kg de acero y 50 kg de cobre, con procesos de producción de trabajo en frío y fundición.  Regenerador: 30 kg de acero, proceso de producción: trabajo en frío.  Cavidad cerámica: 15 kg de material cerámico. El resto de elementos se han definido de la siguiente manera:  Concentrador: 113,4 kg de fibra de vidrio.  Estructura metálica: 3700 kg de acero, proceso de producción: trabajo en frío.  Bancada de hormigón: 150 ton de hormigón. Debido a la importancia de este montaje, como se verá posteriormente, se ha modificado el valor inicialmente tomado de 240 ton, que es el suministrado por los responsables de Odiello correspondiente a su instalación. Gracias al contacto con los mismos, se ha podido tomar un valor menor que correspondería a lo realmente necesario (la instalación de Odiello, de fase experimental, está sobredimensionada). Como se ha referido anteriormente, todos los materiales han sido seleccionados de la base de datos Ecoinvent [133]. Los materiales seleccionados están ya definidos en esta base de datos, a excepción de la aleación de níquel, para la que se ha establecido su composición y correspondiente combinación de materiales. En cuanto a los procesos, se han considerado los procesos correspondientes a la transformación de los materiales para la fabricación de los componentes. En relación a los procesos de conformado, se han seleccionado los siguientes procesos:  Trabajo en frío (estampación y procesos de estirado) –metal working factory operation, deep drawing, cold impact extrusion-, forja –hot impact extrusion-, fundición –castingy mecanizado –metal working machine operation-. Se han considerado también los procesos de unión entre componentes. Al tratarse de elementos metálicos, se han incluido procesos de soldadura principalmente. Estos procesos se han considerado en aquellos componentes en los que la diversidad de piezas justifica que el peso de estos procesos sea un factor importante. Los procesos de soldadura considerados han sido:  Soldadura eléctrica - welding arc steely soldadura en horno. Impacto medioambiental  146  Como se ha indicado previamente, la definición de la soldadura en horno no está implementada en la base de datos Ecoinvent. Para incluirla ha sido necesario definir sub-procesos, tales como el consumo eléctrico asociado. No se han considerado procesos de montaje y ensamblado. Además de los procesos de producción mencionados asociados a cada material, se ha tenido en cuenta el transporte de los mismos. Se ha verificado que en los materiales utilizados que proceden de la base de datos sí está incluida una fase de transporte. De esta forma, en la descripción del disco Stirling se asume que el transporte está asociado a los materiales, pero no al conjunto. Con el fin de verificar que este transporte no supone un aporte significativo al impacto se ha realizado un análisis que lo confirma. Para la definición completa del ciclo de vida del sistema de disco Stirling se ha tomado además un escenario de residuo, donde se ha especificado que se reciclan los materiales metálicos, el vidrio, la cerámica y los diferentes tipos de plásticos. El resto de materiales, no comprendidos en estas clasificaciones, no se reciclaría debido a que el programa no cuenta con tratamientos específicos para ellos, por lo que quedan sin especificar. En todo caso, el escenario de residuos definido cubre la mayoría de los materiales utilizados. 6.2.2.2 Modelización del sistema fotovoltaico Para el sistema fotovoltaico, se ha tomado la infraestructura, ya definida en la base de datos Ecoinvent, de una instalación de 3 kW de silicio monocristalino. La selección de esta tecnología en concreto, la de silicio monocristalino se ha justificado previamente, pero en todo caso, es importante destacar que los resultados del presente estudio son respecto a esta tecnología en concreto. Los datos de emisiones de CO 2 pueden depender de forma significativa de esta elección [136]. Mediante la selección de un sistema ya definido en la base de datos disponible se evitan incertidumbres en la definición del proceso, dada la dificultad en la adquisición de datos que se ha tenido ya en el sistema de disco Stirling. El inventario de este sistema incluye la construcción de las células, el panel, la instalación eléctrica, el convertidor AC/DC y la construcción del techo. El transporte y la energía necesarios en las transformaciones asociadas también están incluidos. Para tomar la definición del sistema del programa se han tomado las siguientes consideraciones:  Se han tomado 3,33 instalaciones, con el fin de tener los 10 kW de la unidad funcional a partir de la instalación definida de 3 kW.  Al estar definido este sistema como transformación energética y no como material, ha sido necesario hacer una copia del sistema con el fin de extraer los materiales de la parte de transformación y pasarlos a material. De otra forma, el programa no permite el tratamiento de residuo de los materiales utilizados. Esto ha permitido utilizar el mismo escenario de residuo que el definido en el sistema de disco Stirling.  147  Se ha considerado el montaje en tejado, tal como está definido en la base de datos. Sobre este punto, podría añadirse una estructura metálica y hormigón para considerar las mismas condiciones de implantación que en el caso del disco Stirling, que debe ser sobre suelo. Se ha realizado un análisis de impacto del mismo, que no ha resultado significativo. En todo caso, se asume la premisa de que los paneles fotovoltaicos podrían montarse sobre tejado en la instalación para realizar la comparativa con el sistema de disco Stirling, montado en suelo sobre bancada de hormigón. 6.2.2.3 Modelización del sistema hibridado La modelización del sistema hibridado añade a los componentes de la instalación del disco Stirling los siguientes elementos:  Sistema de hibridación: constituido por el receptor híbrido, el quemador de combustible y un precalentador de aire de combustión para la optimización del proceso.  Consumo del combustible para realizar la hibridación. Se ha considerado este consumo como suministro externo, con el fin de tener una base comparativa entre los dos combustibles considerados: gas natural y biogás. En el caso del biogás podría caber la posibilidad de incluir la modelización de un sistema de generación de biogás in-situ, lo que podría ser una alternativa interesante a la hora de considerar esta tecnología para instalaciones de generación distribuida. La modelización de los componentes para la hibridación se ha realizado de la siguiente forma:  Se ha asumido la utilización de un receptor híbrido de tipo directamente iluminado, de forma que no se ha considerado un aumento significativo de material o procesos especiales involucrados en su fabricación. Así, la modelización se realiza con el mismo absorbedor que en el apartado señalado anteriormente.  Quemador de gas: 5 kg de acero, con procesos de trabajo en frío, soldadura con arco, estampación y fundición.  Precalentador de aire: 5 kg de acero, con operaciones de trabajo en frío, soldadura con arco, estampación, fundición y soldadura en horno.  Consumo de combustibles: se ha considerado el consumo total de combustible necesario para realizar la hibridación durante la vida útil de la instalación con los límites asociados a cada uno de ellos. Así, la información proviene del apartado 4 de la presente tesis: Impacto medioambiental  148  o Biogás: El sistema híbrido produce una cantidad de 17389 kW.h/año (62600 MJ/año). El consumo de biogás debe tener en cuenta la eficiencia del motor y del quemador. Si se considera una eficiencia media del motor de 0,2 y de 0,5 para el quemador, el suministro de biogás debe ser 626000 MJ/año. En el caso de que se utilice un precalentador de aire, que permite aumentar la eficiencia general del quemador, el suministro de biogás necesario sería reducido a 543000 MJ/año. Considerando un valor medio de la capacidad calorífica del biogás de 23 MJ/m 3 , resulta un consumo de 23600 m 3 /año. o Gas natural: La producción anual asociada al consumo de gas natural, con su límite correspondiente de utilización del 15%, es de 2971 kW.h/año (10700 MJ/año). Utilizando las mismas premisas que para el caso de biogás, el suministro de gas natural resulta en 107000 MJ/año. Utilizando además un precalentador de aire, y considerando una capacidad calorífica de 38 MJ/m 3 , el consumo de gas natural sería de 2440 m 3 /año. 6.3 Resultados 6.3.1 Comparativa entre sistema de disco Stirling y sistema fotovoltaico Los resultados del Análisis de Ciclo de Vida se dividen en resultados de inventario y resultados de los métodos de evaluación de impacto. Las condiciones del cálculo, como se han referido anteriormente son la comparativa entre unidades funcionales de 10 kW de la tecnología de disco Stirling y fotovoltaica. El periodo considerado de vida útil es de 30 años. Como se ha introducido con anterioridad, se evalúa la construcción de la instalación, pero no se considera significativa la fase de operación. Para ambas instalaciones, se tiene en cuenta el reciclado de los materiales utilizados en la construcción. 6.3.1.1 Inventario El Inventario del Ciclo de Vida (ICV) o Life Cycle Inventory (LCI) da como resultado el agregado de efectos en términos de emisiones y recursos causado por todos los materiales y procesos involucrados en la definición de la instalación en cuestión. Estos efectos representan los resultados medioambientales correspondientes a diferentes categorías. En concreto, las emisiones se dividen en emisiones gaseosas, líquidas o sólidas. Por supuesto, los valores obtenidos dependen de la base de datos con la que se han definido los materiales y procesos. En el caso de estudio, la base de datos Ecoinvent ha sido la seleccionada para la definición completa de la instalación. Debido a su implicación medioambiental, se han seleccionado para el presente análisis cuatro emisiones gaseosas consideradas como las más significativas: emisiones de CO 2 , SO x , NO x y emisiones de compuestos orgánicos volátiles diferentes del metano (NMVOC). Las emisiones de CO 2 constituyen un factor importante debido a su contribución en el efecto invernadero o de calentamiento global. De hecho, se utiliza muy frecuentemente como base para la evaluación medioambiental. El análisis de estas emisiones servirá como base para establecer  149  comparaciones con estudios previos de evaluación de instalaciones de disco Stirling y fotovoltaicas, presentados en el capítulo 3 de la presente tesis. Las emisiones de CO 2 calculadas incluyen la emisión propia de CO 2 así como el CO 2 equivalente. De esta forma, se tiene en cuenta el efecto equivalente producido por otros gases de efecto invernadero, como el metano, el óxido nitroso, los hidrofluorocarbonos, los perfluorocarbonos y el hexafluoruro de azufre. El resto de emisiones, aparte del CO 2 , se han seleccionado por su implicación en diferentes efectos medioambientales. Las emisiones de SO x son responsables de la lluvia ácida, un complejo fenómeno químico que ocurre cuando los compuestos de azufre y nitrógeno reaccionan con otras sustancias de la atmósfera. Los contaminantes producto de esta reacción son transportados por el viento y en función de la climatología estos contaminantes ácidos vuelven a la tierra en diferentes formas: húmeda (lluvia ácida, nieve o niebla) o seca (gases ácidos y polvo) [137]. El NO x es el principal componente de la niebla fotoquímica, relacionado con la degradación de la capa de ozono y que también es responsable de la lluvia ácida. Los compuestos NMVOC están formados principalmente por hidrocarburos y otros grupos químicos, tales como alcoholes, aldehídos, alcanos, aromáticos, cetonas y derivados halógenos. Estos compuestos pueden ser extremadamente peligrosos para la salud humana en función de su composición y toxicidad. Además, si se mezclan con otros contaminantes, tal como el NO x , reaccionan y forman ozono a nivel de suelo, lo que es tóxico para la salud humana y contribuye también a la niebla fotoquímica. Las emisiones de CO 2 equivalente han sido evaluadas mediante la aplicación de otro método de evaluación de impacto que dispone esta información de forma directa: IPCC 2007 GWP 100a. Se ha realizado también la comparación con el resultado de otro método que dispone de la misma evaluación, el IMPACT 2002+, para garantizar el valor de estas emisiones. Los resultados de inventario comparativos entre el sistema de disco Stirling y la instalación fotovoltaica se presentan en la Tabla 22. Las emisiones gaseosas se representan en términos de kWh producidos por la instalación en cuestión. El cálculo de kWh se realiza considerando la vida útil de 30 años asumida para cada instalación. Tabla 22 Resultados de inventario sistema Stirling y fotovoltaico. Sistema Stirling Fotovoltaico Dióxido de carbono (g CO 2 /kWh) 36.85 22.34 Dióxido de carbono equivalente (método IPCC 2007 GWP 100a) (g CO 2 -eq/kWh) 37.66 24.88 Óxidos de azufre (g SO x /kWh) 0.047 0.073 Óxidos de nitrógeno (g NO x /kWh) 0.050 0.048 Compuestos orgánicos volátiles diferentes del metano (g NMVOC/kWh) 0.012 0.025 Impacto medioambiental  150  De la tabla anterior, puede observarse que el orden de magnitud es similar para ambas instalaciones. El valor de emisiones de CO 2 es más favorable para la instalación fotovoltaica, aunque la diferencia no es significativa, especialmente si consideramos las incertidumbres asociadas a la descripción de los sistemas. Ligeras variaciones en la definición de los sistemas podrían dar lugar a cambios menores en la valoración que dieran balance más positivo para la instalación de disco Stirling. Por lo tanto, la conclusión principal es que la diferencia en el impacto medioambiental entre la instalación de disco Stirling y la instalación fotovoltaica no es significativa. Si comparamos estos órdenes de magnitud con el caso de otros tipos de energía (presentado en el capítulo 3 - Tabla 10-), se observa que los sistemas de combustibles fósiles estarían en el rango aproximado de 600 a 1000 g-CO 2 /kWh, por lo que nos encontramos claramente en un orden de magnitud significativamente inferior. En cuanto al resto de emisiones, la conclusión es similar, siendo en este caso los valores más favorables para el sistema de disco Stirling, pero también sin una diferencia clara. Es importante evaluar si los valores obtenidos con el trabajo desarrollado corresponden con valores encontrados en la literatura conocida. En el caso del disco Stirling analizado y el sistema fotovoltaico elegido, los valores obtenidos son del mismo orden de magnitud en referencias previas, aunque con más diferencia para el caso del sistema de disco Stirling. En el caso de la instalación fotovoltaica, si se consideran valores para instalaciones de tecnología de silicio monocristalino, el valor se sitúa en 37 g-CO 2 -eq/kWh, con una previsible evaluación a 10 gCO 2 -eq/kWh en el futuro [136]. El valor de 24,99 g-CO 2 -eq/kWh está en acuerdo razonable con estos valores, considerando que en este caso no se ha realizado la estimación para una central sino para una instalación aislada de 10 kW. En el caso de la instalación de disco Stirling, solo se conoce un estudio [135] que analiza el impacto medioambiental de una instalación de potencia de 1 MW compuesta por 17 discos Stirling que alimentan a 5 motores Stirling operados con vapor. Esta definición es, pues, significativamente diferente de la instalación de generación distribuida de 10 kW tomada como referencia para el presente análisis. Además, las herramientas de evaluación para el cálculo del impacto medioambiental son también diferentes. En este caso, se obtenía un impacto de 7.3 gCO 2 -eq /kWh, lo que muestra una clara diferencia con el valor obtenido de 37.06 g-CO 2 -eq /kWh. A pesar de esta diferencia, estos valores se encuentran en un mismo orden de magnitud, claramente alejados de los valores entre 500 y 1000 asociados a combustibles fósiles. El análisis del inventario permite también analizar la energía invertida en la construcción de las instalaciones bajo estudio. Estos valores son calculados mediante la consideración de la energía, con origen en diversas fuentes, requerida para la producción de los diferentes componentes de las instalaciones. En este caso, se obtiene un valor de 59 GJ para la instalación de disco Stirling frente a 125 GJ para la instalación fotovoltaica. Esto sí presenta una diferencia significativa, favorable para la instalación Stirling. Para este valor no pueden establecerse comparativas con valores de la literatura, por no haberse identificado valores al respecto. En cuanto al valor de energía por superficie de instalación, puede referirse este valor la superficie de cada instalación: 73.2 m 2 para la instalación fotovoltaica y 56.7 m 2 para el sistema de disco Stirling. Esto resulta en una evaluación de 1708 MJ/m 2 para el sistema fotovoltaico y 1040 MJ/m 2 para el disco Stirling.