La escasez de energía eléctrica y la contaminación ambiental son dos de los desafíos más críticos que enfrenta nuestra sociedad en los últimos años, especialmente en los países en desarrollo. Según el Informe de Perspectivas Energéticas Mundiales 2013 de la Agencia Internacional de Energía (IEA), la demanda mundial de energía aumentará en un tercio desde 2011 hasta 2035, y las emisiones de CO2 relacionadas con la energía aumentarán en un 20% a 32 Gtoneladas [1]. En este contexto, el estudio y la aplicación de energías renovables y sostenibles se vuelve urgente. Entre varios tipos de fuentes de energía renovable, la energía solar es prometedora debido a su gran potencial energético y su naturaleza limpia. Como una estimación simple, la energía del sol a la Tierra en 1 hora es de 3×1011 GJ, que es más que la energía total consumida a nivel mundial en 2001 (1×1011 GJ) [2]. Sin embargo, la energía solar recibida por el planeta no se distribuye de manera uniforme [3]; las principales regiones desérticas del entorno tienen el mayor potencial de energía solar debido a la alta Irradiancia Directa Normal (DNI) [4]. La energía solar recibida por las regiones desérticas de todo el entorno en 6 horas se estima aproximadamente más que la energía consumida por la humanidad en un año [5]. En otras palabras, la electricidad producida al cubrir el 1% del área del desierto del Sahara con plantas solares térmicas es suficiente para el consumo anual de energía en el entorno [6]. La Figura 1 muestra la energía solar recibida por las regiones desérticas de Oriente Medio y África del Norte (MENA), España, Australia, suroeste de Estados Unidos, suroeste de China, frontera entre China y Mongolia, e India con la mayor DNI (>1800 kW h/m2/año) en comparación con otras áreas del entorno. Además de una amplia exposición a la luz solar, las regiones desérticas también tienen en su mayoría un clima soleado con muy poca precipitación de lluvia, baja densidad de población y gran disponibilidad de tierras, lo que permite la posibilidad de proyectos de energía solar a gran escala [7].
Tecnologías de Energía Solar Concentrada y Fotovoltaica
Actualmente, la energía solar concentrada (CSP, por sus siglas en inglés) y la fotovoltaica (PV) son las dos principales tecnologías para aprovechar la energía solar. El sistema CSP utiliza espejos o lentes para concentrar la energía en la luz solar y luego utiliza un fluido de transferencia de calor (HTF, por sus siglas en inglés) para transportar el calor a las turbinas para la producción de energía. La PV convierte directamente la energía solar en electricidad utilizando celdas solares [8]. La desventaja de las células PV es que su eficiencia disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente [9]. La producción de energía en días nublados y durante la noche también es un problema. Sin embargo, el sistema de almacenamiento de energía térmica (TES, por sus siglas en inglés) se puede integrar con los sistemas CSP para proporcionar energía programable según la demanda, independientemente del tiempo o las condiciones climáticas. La incorporación de TES con CSP agrega significativamente valor al sistema en términos de energía y servicios de red. Además, el sistema CSP es más adecuado para aplicaciones a gran escala (>100 MW) porque genera energía eléctrica utilizando turbinas convencionales [7].
Análisis Bibliométrico y Capacidad Instalada
Se ha realizado un análisis bibliométrico de las publicaciones sobre sistemas, subsistemas y componentes de energía solar concentrada desde 1990. Los datos se basaron en la versión en línea de la Web of Science Core Collection. Se utilizaron energía solar concentrada como palabras clave para la búsqueda y el número de publicaciones en los últimos ~25 años (Figura 2) revela claramente que hay un crecimiento significativo e sin precedentes de la investigación en todo el entorno en las áreas de CSP. Aunque la investigación relacionada con CSP era evidente desde principios de los años 90, el número de publicaciones era solo alrededor de 100 por año hasta el año 200Sin embargo, el número de publicaciones aumentó a >700 cada año después de 2010, lo que indica el interés y el apoyo financiero de varias agencias. Como se ve en la Figura 2, la capacidad instalada de los sistemas CSP supera los 2500 MW con capacidad adicional después de 20
En la actualidad, España y Estados Unidos son los únicos dos países con una capacidad instalada significativa de CSP, con aproximadamente el 59% y el 40.1%, respectivamente, de la capacidad total instalada de CSP en el entorno en 2011 [10]. La capacidad instalada de CSP a nivel mundial aumentó en más de 600 MW en dos años, desde 604 MW en 2009 [11]. Estados Unidos solía ser el único actor importante hasta 2007, cuando España se unió al mercado de CSP. La seguridad del suministro de energía es un factor crítico para que España construya plantas CSP. Debido a que España depende en gran medida de las importaciones de combustibles fósiles, y CSP es una fuente de alto potencial para diversificar las fuentes de energía y aumentar la participación del suministro de energía nacional [11]. La IEA estableció un objetivo de capacidad CSP instalada global de 1089 GW para 2050, que proporciona 4770 TWh anualmente con un factor de capacidad promedio del 50% (4380 h por año) [12], o el 13% de la producción global de electricidad estimada [13]. Desde la perspectiva de la protección ambiental, la Unión Europea (UE) establece un objetivo de reducción del 80-95% de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de la UE para 2050 en comparación con las de 1990 [14]. Por lo tanto, la tecnología CSP es fuertemente respaldada por los gobiernos de la UE debido a su naturaleza limpia [15].
Desafíos Técnicos y Viabilidad Comercial
Con el objetivo de evaluar los posibles desafíos técnicos relacionados con el CSP en las regiones desérticas, se discuten en detalle las siguientes preguntas en las secciones posteriores: ¿Cuál es el estado actual del CSP en las regiones desérticas? ¿Qué desafíos técnicos tiene la tecnología CSP a largo plazo? ¿Se puede resolver el problema de disponibilidad de agua en regiones semiáridas y áridas? ¿Cuáles son las ventajas de los HTF de sal fundida? ¿Cuál es el estado del desarrollo de los receptores de calor? ¿Es el TES una tecnología madura hasta ahora? ¿Cuál es la viabilidad comercial y el impacto ambiental de la instalación de CSP a largo plazo?.