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Torre Solar Húmeda para producir electricidad a 0.05 €/kWh

Una Torre Solar Húmeda es la combinación de una torre solar, un estanque solar y una Torre Huracán, teniendo las ventajas de todos ellos. La mayor ventaja proviene de la generación de calor barato con el Estanque Solar (http://es.wikipedia.org/wiki/Estanque_Solar), que es mucho más barato que el calor solar generado con el invernadero gigante de la Torre Solar. Se estima que la Torre Solar Húmeda puede producir electricidad a un costo entre 3 y 5 centavos de €/kWh.

http://www.greenidealive.org/110599/466/solar-pond-tower-for-5-ct-kwh.html
Por: F. Hagg | 8-dic-2008

Introducción
El problema de una torre solar es que la eficiencia es baja, aunque tenga una superficie de captación muy grande que se necesita para producir electricidad. Por ejemplo, una torre solar de 1000 m de altura, de 200 MW de potencia, requiere un costoso invernadero gigante de 20 km², que representa la parte principal del costo de construcción.

El problema de una torre huracán es que la altura es pequeña, por lo que, además de una bomba, se necesita un fan para levantar el aire para la producción de agua dulce. Si esta integrada en una torre solar, el ventilador no es necesario, e incluso se genera electricidad, mientras que tanto la torre solar y la torre huracán pueden utilizar la misma chimenea.

En lugar de del invernadero colector solar de una gran superficie para la Torre Solar Húmeda, se utiliza la superficie de un colector natural que es un lago calentado por el sol. El lago también almacena el calor para su utilización durante la noche o en días cuando el sol brilla menos por causa de nubes. Para una buena eficiencia, la temperatura del agua debe ser tan caliente como sea posible, pero inferior a 100°C para evitar una ebullición en el fondo del lago.

Para llegar a esta alta temperatura, el agua debe estar aislada, y eso es naturalmente posible si el lago tiene un alto contenido de sal en lo que se llama estanque solar con gradiente de sal. Agua con un alto contenido en sal y con una temperatura alta puede contener más sal que el agua fría a la saturación y es más pesada que el agua a saturación a una temperatura más baja, lo que permite la realización de una capa aislante de gradiente. Así que por debajo de una gruesa capa de gradiente de sal, una capa de agua caliente aislante se forma al fondo del lago, se calienta por el sol y puede almacenar calor durante varios días. La temperatura media de la capa de fondo de la laguna será de 60°C y la de la capa superior de agua fría estará a 30°C. Si la capa de agua intermedia del gradiente de sal es de 0,5 m de espesor, entonces 30x0.6/0.5 = 36W/m² de calor se pierden, que es una pérdida de sólo un 20% del calor solar total entrante.

Debido a este principio, temperaturas altas hasta 90°C o más son posibles. Para generar la energía por el efecto chimenea, la Torre Solar Húmeda debe ser alimentada por aire calentado por el agua caliente del estanque solar. Este mecanismo es el mismo que el motor de los grandes huracanes de las regiones tropicales que producen una gran cantidad de energía cinética y lluvia, eso con agua de 30°C, imaginen lo que sucederá si el agua es de 90°C. Además, la Torre Solar Húmeda proporciona también agua dulce.


Figura 1: Torre Solar Húmeda con intercambiador de calor hecho de una red de tubos en rotación lenta dentro de la capa caliente inferior de la laguna
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Descripción Global
La Torre Solar Húmeda se compondrá de un tipo específico de torre de refrigeración situada al lado de un lago. La admisión de aire se calienta con ruedas de calor hidrofóbicas que se calientan con el agua caliente de la capa del fondo del lago. El aire de entrada se acerca de la superficie del lago y será saturado por vapor a una temperatura de 30°C, que contiene 25 gramos de agua por kg de aire. Después de la calefacción, el aire tendrá una temperatura de 80°C y tendrá un peso específico de 1 kg/m³. Debido a que la masa específica del aire alrededor de la torre es de 1,2 kg/m³, una diferencia de presión de (1.2-1)X9,81X1000 = 1.962 Pa se generará si la altura de la torre es de 1000 m. La energía cinética generada por esta diferencia de presión se transfiere en energía eléctrica útil con turbinas.
Por razones de simplicidad en la impresión de artista, las turbinas axiales se presentan en la garganta de una torre en forma de tubo, que parece más estética. Debido a esta forma, turbinas compactas pueden ser utilizadas. Sin embargo, porque el difusor / refrigerante tiene una forma de disco, tal vez una turbina radial es más adecuada. A otros conceptos de torres solares se aplican unas turbinas de viento menos compactas en la base de la torre. Sin embargo, para un mayor desarrollo se debe investigar que tipo de turbina y que tipo de torre son los más adecuados. Para una torre con un área de la garganta de 1400 m² y una turbina de eficiencia del 60%, la potencia neta es de 200 MW.

Para minimizar las pérdidas de presión de la torre, cuenta con un concentrador antes de la turbina y un difusor detrás de la turbina para hacer posible el intercambio de calor con el aire de entrada a una velocidad baja, con pérdidas de presión bajas. También en la salida, donde se encuentra el desempañador, la velocidad del aire debe ser baja para evitar las pérdidas de presión importantes.
Detrás de la turbina, el aire debe ser mezclado con aire frío del exterior para que se condense la humedad original del lago, en un difusor en forma de venturi que succiona el aire frío del medio ambiente. Al final del difusor, agua destilada con valor se puede restar de un aireador.

Debido a la gravedad, durante el camino de la mezcla humedad / aire se hará una disminución de la presión y un enfriamiento hasta 73°C. Si además la mezcla se enfría con el aire frío ambiente se supone que el 10% de la humedad original puede ser condensada, que es de 2,5 g/kg de aire o de aproximadamente 120 kg/s, o sean 10.000 m³/día, que es una gran cantidad de agua dulce.






Figura 2: Sección transversal de la cima de la torre con 2 de las 4 turbinas de aire axiales, la entrada de aire frío y el desempañado para la captura de agua dulce, los generadores se encuentran en los órganos internos de las turbinas.

Para evitar la alteración de la capa de gradiente entre el agua fría y el agua caliente de la laguna se restará por una red de tubos, que chupa el agua de la capa superior fría a partir del borde de la zona de la torre solar húmeda donde proporciona calor. Los tubos flotan en el agua inferior y caliente por debajo de la capa de gradiente del lago y están garantizados por flotadores. Mientras una bomba circula el agua en un flujo de los tubos a la torre, el aire será calentado por el agua caliente inferior de la laguna. Para cubrir toda la zona de la red de tubos, una rueda rotará de manera axial y lentamente, poco a poco a través de la capa de fondo alrededor de la torre.






Figura 3: Intercambiador de calor echo de una red de tubos con entrada / flotador de agua de la capa superior del estanque (imagen en movimiento rápido).

Después de que el calor se transfiere a la admisión de aire por las ruedas de calor, el agua se bombea a la superficie del lago desde donde se revertirá en el borde, que cierra el ciclo.





Figura 4:Vista en sección de la parte inferior de la torre con una turbina de agua dulce y los detalles de la bomba de agua caliente y las ruedas de calor hidrofóbicas.

Debido a que la transferencia de calor en el agua es aproximadamente 10 veces mejor que en el aire con las ruedas de calor estarán a su vez el 7% en el agua y el 70% en la entrada de aire. Deben ser resistentes a la corrosión e hidrofóbicas para evitar la evaporación del agua posiblemente pegada. La evaporación adicional consumirá demasiado calor y reduce el rendimiento de la torre solar húmeda. Por esta razón, el 23% de la rueda se utiliza para la liberación de gotitas, posiblemente aún presentes por la fuerza centrífuga de las ruedas girando. Las ruedas de calor consumen pocas pérdidas de baja presión, son compactas en la transferencia de calor y más baratas, aunque muy adecuadas para la torre solar húmeda. Debido a que normalmente se utilizan ruedas de calor aire-aire para la transferencia podría no funcionar del agua al aire, esto debe ser investigado. Si no es posible, otra aplicación es el uso de Fiwihex, que es compacto y barato.

Debido a que el agua dulce es generada por la torre solar húmeda a una altitud de 1000 m, extra energía se puede generar con ella por una turbina de agua de alrededor de 2 MW, que es suficiente para accionar la bomba de agua y las ruedas de calor.

El rendimiento de la torre mejorará cuando la torre se hace más alta, pero el costo se incrementará también. En la tabla siguiente se presentan los resultados estimados de las torres más altas y más bajas con 1400 m² de sección transversal y un área de lago de 20 km².

Altura Potencia T top agua dulce
m MW °C m³/día
200 20 77 1500
500 70 73 5000
1000 200 67 10000
1500 360 60 15000
2000 560 54 20000


Beneficios
Los beneficios de la torre solar húmeda en comparación con una torre solar son:
• No se necesita un costoso invernadero gigante;
• No es necesario un almacenamiento de la energía solar, porque el lago ya almacena una enorme cantidad de energía;
• Se genera valiosa agua dulce.

Los beneficios de la torre solar húmeda en comparación con la torre huracán son:
• No se necesita un fan;
• No es necesario un intercambiador de calor caro para el condensador, ya que el calor se intercambia directamente por la condensación en contacto directo con el aire ambiente mixto.
• Si ya se dispone de la torre solar, se puede usar la misma torre.


Las posibles ubicaciones
Un lugar favorito par las Torres Solares Húmedas son las depresiones de postre con una entrada de agua como el mar muerto, donde el contenido de sal ya es elevado. Una depresión es lo opuesto de un lago de barrera, pero también puede generar energía si se suministra el agua de mar y se evapora en la depresión.
Una excelente ubicación es la depresión de Qattara en Egipto, donde el nivel del lago posible puede ser alrededor de 60 m por debajo del nivel del mar. De esta diferencia de nivel con el mar Mediterráneo electricidad puede ser facilitada, en caso de que un canal o tubo los conecta. Por el lago de Qattara un canal o tubo de 56 kilómetros de largo debe ser construido a través de las colinas de arena. En un estudio se encontró que 640 MW de electricidad pueden ser generados.

Otra posibilidad es la de la bomba de agua hasta una altura como una colina en un depósito intermedio en el que más energía solar se puede almacenar. Luego, en períodos de escasez de energía, electricidad puede ser generada can un factor de multiplicación, si el agua es conducida desde el depósito intermedio alto a la depresión del lago. Con esta combinación en el mismo estudio se encontró que hasta 2500 MW de electricidad pueden ser generados.

Debido a la entrada de agua salada del Mediterráneo al lago creado pronto tendrá un alto contenido de sal, y además de la energía de la diferencia de nivel, aún más energía puede ser generada mediante la colocación de torres solares húmedas.


Figura 5: Posible futuro lago en la depresión de Qattara con el detalle de la entrada de agua salada del Mediterráneo por la futura planta hidroeléctrica de Qattara.

Además de lagos o mares en depresiones, otras posibilidades son el cierre de las bahías o mares interiores por un dique. También pueden utilizarse los lagos artificiales, pero será más caro, porque palangreros de fondo podrían ser necesarios para evitar fugas.


Estimación de gastos
Una estimación aproximada del costo de una torre solar húmeda de 1000 m de altura es de 600 M€ (las piezas más caras son la torre, las turbinas y el calentador de aire), que costará 60 M€/año.
Si el precio del agua dulce en el postre es de 25 €/m³ esto producirá 10000 X 365 X 25 = 9 M€/año. Quedan 51 M€/ano para la electricidad. Con una utilización total de 90% eso hace 200 X 24 X 365 X 0,9 = 1600 GWh de electricidad producida a un costo de 3 a 5 centavos de €/kWh. Esto es tan barato que no será un problema si la torre solar húmeda es 2 veces más cara que lo que se calculaba inicialmente.

Si se compara con los 20 km² del invernadero de un colector solar de torre solar clásica de 200 MW, en un cálculo aproximado de 25 €/m², 500 M€ se guardarán si en vez se aplica una torre solar húmeda. Esto ya ahorrará más de 0.03 €/kWh.

La depresión de Qattara ocupa una superficie de 18.000 km², aunque 500 torres solares húmedas de 200 MW pueden ser instaladas o sea que una potencia de 100 GW de electricidad puede ser producida, que es una gran cantidad de energía suficiente para 200 millones de personas.
A pesar de la baja eficiencia de la transferencia de la energía solar que incide sobre el estanque a la energía eléctrica neta, debido al bajo costo, la torre solar húmeda es muy atractiva, también si se compara con las fuentes de energía convencionales. A pesar de ciclos de energía más eficientes, como los ciclos de Rankine que están disponibles, son más caros y requieren una gran cantidad de líquidos hostiles para el medio ambiente como el amonio o el freón. Por ejemplo, el estanque Bet Ha-Arava en Israel con una área de 0.2 kilómetros2 entrega 5 MW o 25 MW/km², lo que es más de los 10 MW/km² de la torre solar húmeda, pero comparado con la torre solar húmeda, un estanque solar con una especie de ciclo de Rankine es menos rentable. Se necesita un gran sistema de refrigeración para el lado frío del ciclo, así que no es el caso para una torre solar.

Con 500 torres solares húmedas en la depresión de Qattara también se produciran 2000 Megatoneladas de agua fresca por año, lo cual es suficiente para 50 millones de personas.


Los puntos críticos:• En lugares con fuerte viento, la condensación de la niebla en el condensador puede ser molestada;
• La aspiración de aire frío en el difusor podría no bastar para condensar la humedad en el aire de salida y si no hay niebla no se genera agua dulce;
• El aire de entrada puede contener sal generado por encima del lago, que contamina el agua dulce;
• También las gotas siguen presentes en el lado con aire de la rueda de transferencia de calor, así sal podría llegar en el agua dulce;
• La rueda de calor no puede funcionar bien como un intercambiador de calor agua / aire.
• El depósito de sal podía deteriorar el intercambio de calor de la laguna de los tubos.


Soluciones:
La primera cuestión es resolver si el difusor se coloca en un lado de la torre como un casquillo de guiñada de la chimenea que se cierra automáticamente por el viento. Luego, el viento le ayudará a proporcionar más aire frío ambiente y aún más agua dulce puede ser condensada.

Si la segunda cuestión ocurre, puede ser tratado tomar el aire en un nivel más alto en el cielo o si no es posible, es mejor omitir la generación de agua dulce y omitir el condensador y el desempañador también. Esto hará que el precio del kWh aproximadamente un 15% más alto, que todavía es factible.

Si el tercero problema ocurre, el ciclo del agua puede ser cerrado mediante la aplicación de dobles tubos para el agua dulce, por lo que no es necesario el flujo de nuevo en la capa superficial del lago. Esto duplicará la potencia de la bomba, pero todavía es factible.

Como ya se mencionó que el cuarto tema no será ningún problema, porque entonces la alternativa un poco más cara es utilizar un Fiwihex u otro intercambiador de calor compacto, aplicado con el circuito cerrado de agua dulce limpia.

Para el quinto punto, un mantenimiento preventivo es requerido por un robot de limpieza con chorro caliente de agua dulce.

http://www.greenidealive.org/110599/466/solar-pond-tower-for-5-ct-kwh.html
Por: F. Hagg | 8-dic-2008 / Traducción: RdeR
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