EL SOL SIEMPRE ESTÁ

El empleo de tecnología Dish-Stirling para generadores eléctricos termosolares es una alternativa atractiva y eficiente para la producción de energía limpia, que empieza a desarrollarse en el país. Por Carlos de la Vega

El 15 de diciembre de 2014 se inauguró en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FACEN) de la Universidad Nacional de Catamarca (UNCa) un Centro de Energía. Sus áreas de trabajo serán el litio, la energía solar y las celdas de combustible en base a hidrógeno y aire. La ocasión sirvió también para la realización de una reunión del Consorcio Intihuasi, una asociación público-privada cuya finalidad es desarrollar un parque solar termoeléctrico empleando tecnología Dish-Stirling.

Intihuasi está conformado por la Universidad Nacional de Catamarca (UNCa), la Universidad Nacional de La Plata (UNLP), el Instituto Universitario Aeronáutico (IUA) y la empresa privada Industrial Belgrano SA (IBSA). El consorcio cuenta para la realización de su proyecto con un subsidio de poco más de $ 4.000.000 otorgado en marzo de 2012 por la Agencia Nacional de Promoción, Científica y Tecnológica del MINCyT. Como contrapartida, las entidades integrantes de Intihuasi aportan otros $ 4.651.956. El objetivo final de este esfuerzo es el desarrollo de capacidades nacionales para lograr diseñar, fabricar, instalar y mantener sistemas Dish-Stirling para la generación de energía eléctrica a partir del Sol.

La tecnología Dish-Stirling

Se trata de un sistema compuesto de una estructura en la que se monta un espejo parabólico en cuyo foco se instala un receptor de luz solar dotado de un motor Stirling. El sistema posee también un mecanismo de seguimiento del movimiento del Sol con el fin de mantener apuntado el espejo al astro la mayor parte del tiempo que sea posible, como hacen los girasoles. El motor Stirling del receptor contiene un fluido que puede ser hidrógeno, helio o nitrógeno, que al calentarse por los rayos solares concentrados pone en funcionamiento los cilindros del motor, cuyos pistones conectados a un cigüeñal transforman la energía solar en mecánica, la que posteriormente se convertirá en eléctrica a partir de un alternador.

El Stirling es un motor de combustión externa que, con una fuente de calor ubicada afuera de él, trabaja a través de un ciclo
cerrado regenerativo operado por compresión y expansión de un gas que se encuentra permanentemente en el sistema.

Aunque los motores Stirling datan de principios de siglo XIX (su inventor fue el reverendo escoses Robert Stirling en 1816), su enorme utilidad para ciertas tareas ha sido redescubierta recientemente. Básicamente, un Stirling es un motor de combustión externa que, con una fuente de calor ubicada afuera de él, trabaja a través de un ciclo cerrado regenerativo operado por compresión y expansión de un gas que se encuentra permanentemente en el sistema (de ahí lo de “cerrado”) y dotado de un dispositivo particular de intercambio y almacenamiento térmico, el “regenerador”, el cual está hecho con un material de alta conductividad térmica y separa al motor en dos partes, la zona caliente y la fría. En cada ciclo de trabajo parte del calor se deposita en el regenerador cuando el gas se desplaza desde la zona caliente hacia la fría, disminuyendo su temperatura. En el movimiento inverso, el gas va desde la zona fría hacia la caliente, y en ese caso el regenerador suministra energía al gas incrementando su temperatura. Con esta dinámica el Stirling transforma la energía térmica en trabajo mecánico.

Los Stirling poseen una gran eficiencia comparados con los motores de combustión interna. De hecho, son los únicos que se aproximan al ciclo de Carnot, el proceso ideal más eficiente para una máquina que trabaje entre dos temperaturas, una alta donde se toma calor y otra baja donde se disipa el calor excedente.

El ciclo de Carnot es un proceso ideal que en la práctica se ve limitado por las características del gas que va adentro del motor, el rozamiento de las piezas, etc. No obstante ello, aproximarse a esa situación ideal ya es un enorme avance dado que, si bien la Segunda Ley de la Termodinámica manifiesta que no todo el calor suministrado a un motor se puede usar para producir trabajo, el ciclo de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede emplear efectivamente. La dificultad con los motores basados en este ciclo es que, a pesar de ser más eficientes que los de combustión interna, su potencia es inferior, el rendimiento óptimo se logra a bajas velocidades y son muy sensibles a las condiciones de temperatura exterior.

El aprovechamiento del Sol

El empleo de espejos parabólicos en combinación con motores Stirling para la captación de la energía solar y su transformación en electricidad ya viene siendo ensayada en otros países desde hace años. Una de las razones es que esta técnica es un 100% más eficiente que la fotovoltáica. Mientras con los paneles solares comerciales se logra únicamente entre un 12% y un 15% de aprovechamiento de la energía solar, con los generadores termosolares Stirling se alcanza un 25%. Además, no se necesitan terrenos llanos para instalar estos equipos, pudiendo localizarlos incluso en colinas, y su impacto ecológico es prácticamente nulo al no emplear ni agua ni combustible.

El empleo de tecnología Dish-Stirling para generadores eléctricos termosolares es una alternativa atractiva y eficiente
para la producción de energía limpia, que empieza a desarrollarse en el país.

La empresa española Renovalia Energy montó en 2009 en Villarrobledo (Albacete) un parque termosolar eléctrico completo con una capacidad inicial de generación de 1 MW (megawatts). Cada equipo del parque está dotado de un espejo de 4,2 metros y un generador con un motor Stirling de la empresa norteamericana Infinia, que le permite brindar 3,5 KW (kilowatts).

El proyecto Intihuasi

Si hoy en día quisieran instalarse estos artefactos en Argentina, el 98% de sus componentes deberían importarse. “El consorcio Intihuasi pretende revertir esta situación y desarrollar tecnología local para este tipo de generación limpia de energía”, explica Carlos Kozameh, responsable del proyecto, doctor en física, docente e investigador del IUA, de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (FAMAF) de la Universidad Nacional de Córdoba e Investigador Principal del CONICET.

Intihuasi prevé realizar el diseño y fabricación de los componentes principales de este tipo de generadores en el país, incluidos el espejo y el motor Stirling. Ya han comenzado con el MET-1 (Modelo de Evaluación Tecnológica) del motor, lo que constituirá, una vez que esté operativo, la base para las pruebas de rendimiento y comportamiento de los diversos mecanismos. El MET-1 consta de un motor Stirling de aluminio y acero, empleando nitrógeno como gas para realizar el ciclo térmico, y sin necesidad de lubricación, ya que el rozamiento en las partes móviles internas es mínimo. El espejo tendrá un diámetro de 1,5 metros y la potencia de generación será de 500 W (watts) a 700 revoluciones por minuto. Entre tanto, ya está en proceso de diseño el MET 2 que contará con un espejo de 4 metros de diámetro y 1 KW de potencia.

Reunión de trabajo del Proyecto Intihuasi en la UNCa. De izquierda a derecha: Lic. Luís Martorelli (UNLP), Lic. Raúl Ortega
(UNCa), Dr. Carlos Kozameh (IUA-UNCa), e Ing. Esteban González (IUA) y la Secretaria de CyT de la UNCa, Dra. Teresita
Rojas.

La idea del proyecto es montar, a partir de los generadores, un parque de 1 MW de potencia, para lo cual se precisaría de 1 a 3 hectáreas. La eficiencia estimada rondaría entre un 25% a un 35 %, con una vida útil promedio de los equipos de 10 años. Otra de las grandes ventajas del proyecto es su modularidad (la posibilidad de abordarlo por etapas) y su escalabilidad (la posibilidad de poder ampliarlo tanto como se necesite o desee).

El período de desarrollo de los generadores termosolares de Intihuasi es de 4 años (2012-2016) y el producto final será un prototipo funcionando en campo. El sitio elegido para instalarlo, al igual que para construir el futuro parque de generación, es la provincia de Catamarca. La decisión viene dada por laconstante solar del lugar, o sea, la cantidad de energía en forma de radiación solar que recibe la superficie terrestre por unidad de tiempo y de superficie. Mientras en Buenos Aires la constante solar es de 500 W por metro cuadrado, en Catamarca es de 1100 W por metro cuadrado.

En el reparto de tareas entre los miembros del consorcio, la UNCa es la responsable de operar la planta solar; el IUA de diseñar y fabricar el motor Stirling, los generadores eléctricos y la estructura de sostén; la UNLP los espejos parabólicos; e IBSA de la futura comercialización del producto, ya que éste no ha sido concebido como una mera experiencia académica, sino como una alternativa concreta de generación de energía limpia que se sumará al Sistema Argentino de Interconexión (SADI) en cuanto esté terminado el primer parque de generación.

Parte del equipo del proyecto Intihuasi perteneciente al IUA. De izquierda a derecha: Ing. Gustavo Scarpin, Ing. Juan Jromei,
Ing. Diego Llorens, Ing. Esteban González, Dra. Carlos Kozameh, Ing. Franco Rossi. Atrás, el nuevo torno CNC de 5 ejes.

Kozameh recalca el hecho de que este tipo de proyectos no pueden abordarse sin el acompañamiento del Estado. Como suele ocurrir con estas iniciativas, su sola implementación va dejando un cúmulo de beneficios en capacidades y conocimientos a quienes trabajan en ellas. El proyecto Intihuasi ya ha abierto nuevos campos de actividad en los socios del consorcio, como el desarrollo de tecnología Stirling, de colectores y concentradores solares, el manejo de técnicas astronómicas para el seguimiento del Sol, la manipulación de plásticos termoformados, o el cálculo y construcción de sistemas ópticos de precisión y gran tamaño. En el IUA, para el diseño y fabricación de los motores se adquirió un torno de control numérico (CNC) de 5 ejes capaz de construir piezas mecánicas con un error de tan sólo 5 micrones, también se compró el software CATIA para el diseño de los componentes y el ANSYS para las simulaciones mecánicas y de fluidos (CFD). Entre ambos aplicativos informáticos la inversión rondó los 600.000 pesos. La UNCa también adquirió en el marco de este proyecto un torno vertical CNC de la marca Haas, instalado en el Centro de Energía inaugurado el 15 de diciembre pasado.

Todas estas capacidades quedan ya disponibles en nuestras universidades públicas contribuyendo a mejorar la enseñanza, la investigación y el abordaje de nuevos proyectos de desarrollo y brindando, simultáneamente, al sector privado nuevas oportunidades de innovar y de hacer negocios socialmente útiles.

Carlos de la Vega