En el marco del proyecto HybridKraft se desarrollará un sistema híbrido de energía solar térmica y fotovoltaica, incluido el almacenamiento. La atención se centra en el desarrollo de un calentador solar eléctrico para sales fundidas, adecuado para su uso en grandes centrales eléctricas híbridas CSP/PV integradas.
La combinación de plantas de energía solar térmica y fotovoltaica, incluido el almacenamiento, promete una generación de energía rentable y estable. Además, la conversión de electricidad renovable en calor de alta temperatura para uso directo o almacenamiento también es interesante para aplicaciones industriales.
En este contexto trabaja el proyecto HybridKraft, financiado por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Protección del Clima de Alemania y dirigido por el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE. Los socios del proyecto, que arrancó en diciembre de 2022 y tiene prevista su finalización en noviembre de 2025, son Frenell GmbH, John Cockerill UVK GmbH y BASF Stationary Energy Storage GmbH.
Energía solar térmica y energía fotovoltaica
Las plantas de energía solar térmica son más caras de instalar que las plantas de energía fotovoltaica, pero a diferencia de estas también suministran electricidad por la noche y su almacenamiento térmico es más económico que el almacenamiento de baterías eléctricas para energía solar.
Las plantas de energía termosolar concentrada (CSP) pueden proporcionar energía renovable bajo demanda tanto durante el día como durante la noche. De hecho, según los investigadores de Fraunhofer ISE, la capacidad de generar electricidad a bajo costo hasta 15 horas después de la puesta del sol hace que esta tecnología sea muy atractiva.
El almacenamiento térmico de las centrales eléctricas de CSP, utilizadas principalmente para la producción nocturna, puede ser uno de los factores clave en la construcción de una red eléctrica basada en energías renovables. Además, en los últimos años, el coste de generar electricidad a partir de energía fotovoltaica se ha reducido significativamente.
En el proyecto HybridKraft se combinan las ventajas de ambas tecnologías con el objetivo de optimizar el coste del sistema: durante el día la electricidad procede principalmente del sistema fotovoltaico, y después de la puesta del sol la energía térmica del almacenamiento en sales fundidas suministrada por la central termosolar se utiliza para generar electricidad mediante una turbina. Si la planta de energía fotovoltaica está sobredimensionada para proporcionar días con menos radiación solar, el exceso de energía fotovoltaica se puede usar en buenos días solares para calentar eléctricamente de forma adicional el tanque de almacenamiento de sales fundidas.
Calentador solar eléctrico para sales fundidas
Una forma eficiente de combinar la energía solar concentrada y la fotovoltaica es utilizar un calentador eléctrico que utilice el exceso de fotovoltaica para calentar las sales fundidas del almacenamiento térmico. El objetivo principal de HybridKraft es desarrollar un calentador eléctrico para sales fundidas, que sea adecuado para su uso en centrales eléctricas a gran escala.
El potencial de estos calentadores se evaluará en combinación con colectores térmicos Fresnel de concentración lineal. Aunque los colectores Fresnel con sal fundida directa en el tubo absorbente pueden generar calor de hasta 545 grados centígrados, la temperatura de salida del fluido de transferencia de calor del receptor debe optimizarse con la ayuda de la energía fotovoltaica.
Según los investigadores de Fraunhofer ISE, se puede usar para aumentar la densidad de almacenamiento de las sales fundidas y la temperatura de operación de la turbina, y por lo tanto la eficiencia del sistema. Además, se pueden reducir los costes de producción de la energía solar de concentración optimizando el tamaño del campo de colectores Fresnel en función de la entrada de calor del calentador eléctrico.
El proyecto HybridKraft tiene como objetivo desarrollar un prototipo de calentador solar con una potencia de un megavatio, que es está probando en el centro técnico de Fraunhofer ISE en operación de circuito cerrado con una instalación de almacenamiento de sales fundidas.
En concreto, se está desarrollando un innovador calentador eléctrico apto para potencias térmicas de 50 a 100 MW th. Para ello, John Cockerill con el apoyo de Fraunhofer ISE diseña y fabrica un prototipo con un tamaño reducido relevante de 1 MW th. Después, el prototipo se prueba en una nueva instalación de prueba de sales fundidas en Fraunhofer ISE en Freiburg.
Sobre la base del concepto de diseño del prototipo, los resultados de las pruebas y los estudios de simulación, se desarrolla un diseño de calentador eléctrico de gran capacidad. Además, los conceptos se desarrollan para diferentes ubicaciones y aplicaciones.
Calentador eléctrico para procesos industriales
El calentador eléctrico no sólo es de interés para su uso en plantas termosolares, sino también donde exista un excedente temporal de electricidad procedente de plantas de generación renovable.
Los investigadores explican que se puede convertir en calor, que se usa directamente para procesos industriales de alta temperatura de 150 a 550 grados centígrados o se almacena en una batería de Carnot para su posterior reconversión.
Este calentador eléctrico modular se evalúa con miras a optimizar la estabilidad mecánica y el control de flujo, mejorar la conectividad con la infraestructura de energía, la compatibilidad de alimentación de la energía fotovoltaica y aumentar el nivel de voltaje operativo. Sobre la base de estas evaluaciones, se pueden llevar a cabo optimizaciones adicionales de la planta con respecto a las condiciones operativas, la sensibilidad económica y la simplificación de la planta.