Soluciones para plantas solares: Innovación bajo el sol

Luftaufnahme von der Photovoltaikanlage der Firma Powerlight bei Mühlhausen.

Las plantas solares en Chile, en específico del tipo fotovoltaicas, se han multiplicado en los últimos tres años.

La investigación en el campo ha permitido el desarrollo de soluciones que optimizan se rendimiento.

Los desafíos están principalmente en evitar la acumulación de polvo sobre los paneles y en el almacenamiento de la energía.

Fabiola García S.
Periodista Construcción Minera & Energía

Se le ha presentado como un alternativa relevante para la matriz energética del país, ha sido la más desarrollada y difundida, y el norte de Chile posee, según los expertos, un gran potencial. Esta tecnología, conforme pasan los años, se ha hecho cada vez más asequible y, al mismo tiempo, ha aumentado su eficiencia. Según las estadísticas presentadas por la Asociación Chilena de Energías Renovables A.G. (ACERA), la capacidad acumulada de energía solar fotovoltaica en operación desde 2014 a marzo 2017 ha pasado de 222 a 1.828 megavatios (MW).
Un aumento significativo han experimentado también los proyectos aprobados de energía solar fotovoltaica; a lo que se suman en menor proporción los proyectos en calificación y en construcción (ver gráfico).
Desde la esfera pública también hay novedades. Eduardo Bitrán, vicepresidente ejecutivo de la Corporación de Fomento de la Producción (Corfo) en entrevista con El Mercurio informó de la creación en octubre de un instituto solar minero del norte de Chile con un enfoque de apoyo a la innovación y al emprendimiento. De este modo, las iniciativas de Corfo buscan posicionar a Chile como un país líder en la producción de cobre bajo en emisiones mediante la disminución de CO2 que permite el uso de la energía solar.
Por su parte, las compañías mineras se han sumado a la tendencia de la generación de energías renovables, aunque no se tendría un registro de las plantas de energía solar que operan exclusivamente o aportan a las faenas mineras. Consultado sobre esto, el director ejecutivo de ACERA, Carlos Finat, indica que de la información pública disponible, no es posible identificar todos los casos que se solicitan, salvo algunos casos que pueden citar como las plantas PAS1 y PAS3, de Solarpack, que suministran a la Minera Doña Inés de Collahuasi y la planta Amanecer Solar, de Sunedison (actualmente Atlas), que suministra a CAP.
No obstante lo anterior, la energía solar tiene en Chile el escenario propicio para su desarrollo, mientras que las soluciones que hoy acompañan el funcionamiento de una planta solar presentan mejoras considerables. A continuación un vistazo a las tecnologías disponibles para la industria. Soluciones para plantas solares. Innovación bajo el sol.

MADURACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS
Foto 3 CM 23 tecnologiaEn la ONG La Ruta Solar compartieron con Revista Construcción Minera & Energía la visión de su director general, Leandro Valencia. En la actualidad, más que innovaciones en monitoreo y automatización en las plantas solares, existe una maduración de tecnologías que han podido ser integradas como soluciones en este ámbito, ya que el costo de la tecnología fotovoltaica, principalmente los paneles fotovoltaicos, ha ido disminuyendo, haciendo factible integrar más tecnologías que monitoreen las pérdidas de rendimiento y así optimizar subprocesos para poder reducir costos en mantención y conservar el rendimiento en el tiempo, explica Valencia.
En ese sentido, la tecnología aplicada que más contribuye es el análisis predictivo, que se fundamenta en las capacidades de monitoreo, almacenamiento y análisis de datos que han podido ser implementados en esta industria para mejorar los márgenes de utilidades.
“En Chile, estos avances tienen potencial; puesto que está la tecnología y están los profesionales; no obstante, son pocas las empresas que pueden concretar grandes proyectos debido a que la industria financiera aún las considera riesgosas, por lo que no invierten en ellas”, comenta el director.
En cuanto a las nuevas oportunidades que presenta la industria, Valencia indica que iniciativas como el instituto solar minero del norte de Chile, impulsado por Corfo, cobran gran relevancia, ya que éste promueve innovación tecnológica real, para ser aplicada a las condiciones particulares de nuestro país. “Esto nos pone muy contentos porque uno de los objetivos de nuestra organización es ayudar a formar a los emprendedores del futuro, mediante los proyectos que desarrollamos, como Carrera Solar Atacama o Construye Solar, por lo que la a iniciativa es vital y necesaria para generar más emprendimiento”, comenta.
Respecto de lo que viene, el experto indica que las soluciones apuntan técnicamente al mantenimiento. Según Valencia, el gran problema en Chile es el polvo abundante en el norte donde la limpieza requiere de agua, un recurso escaso. Otro aspecto que mejora el rendimiento de las plantas solares es el seguimiento solar, pero aún no se llega a una tecnología lo suficientemente barata como para decidirse a implementar por sobre los paneles con orientación fija, expone.

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INVESTIGACIÓN EN EL CAMPO
Foto 4 CM 23 tecnologiaSamir Kouro, investigador titular del Advanced Center for Electrical and Electronic Engineering (AC3E) de la Universidad Técnica Federico Santa María, entregó las claves tecnológicas en esta materia. Según el experto, la acumulación de polvo sobre los paneles fotovoltaicos es uno de los grandes desafíos de la industria, sobre todo para las grandes plantas instaladas en el desierto en el norte, donde es escasa la pluviosidad y los recursos hídricos. Para ello se está innovando en diversos ámbitos tecnológicos, dice Kouro. “Las soluciones al problema van desde recubrimientos nanotecnológicos que previenen la fijación del polvo o facilitan su limpieza. También se ha innovado en limpieza robotizada o asistida por maquinaria especializada, que va desde robots completamente autónomos montados en rieles sobre los paneles fotovoltaicos, hasta camiones operados por personas, pero con mecanismos de limpieza diseñados para reducir el consumo de agua o de manera mecánica con escobillas o aire”, grafica.
En este punto, una innovación importante que han realizado, indica el académico, es el desarrollo de convertidores submodulares, es decir que intervienen un panel por partes. “Esto es especialmente útil cuando hay presencia de polvo, dado que este se acumula de manera dispareja debido al efecto de la gravedad. Nuestro desarrollo demostró aumentar en un 9,3% de generación en estos casos”, añade.
Aunque no son novedosos los sistemas de seguimiento de sol, en particular el de un eje horizontal ha sido implementado con éxito en plantas nacionales, por lograr un mayor aprovechamiento de la radiación directa del sol desde muy temprano hasta la tarde, lo que ayuda a aplanar la curva de generación, informa.
Por su parte, el experto junto a su equipo, está desarrollando nuevos convertidores de potencia electrónicos (inversores solares, entre otros) que serían más eficientes que lo que actualmente se comercializa en su centro de investigación (AC3E). Los convertidores adaptan la energía proveniente de los paneles para que pueda ser entregada a la red. También maximizan la energía que se extrae de un panel. “Entre las innovaciones que hemos realizado se encuentran convertidores de potencia parcial, que funcionan algo así como un ‘bypass gástrico’ en el sentido que no toda la energía es procesada por el convertidor, y solo lo justo y necesario para controlar el sistema. Hemos logrado controlar el sistema solo procesando 10% de la potencia y de esa manera obtenemos también solo un 10% de las pérdidas”, precisa.
“Una de las tecnologías que estamosFoto 5 CM 23 tecnologia desarrollando en nuestro centro de investigación busca poder integrar de manera directa la energía generada por paneles fotovoltaicos en el proceso de electro-refinación de cobre. Resulta que los paneles fotovoltaicos generan corriente continua, que es de la misma naturaleza y de una tensión más cercana a lo que se emplea en el proceso de electro refinación de cobre. Sin embargo, los convertidores de potencia que se requieren para ello no son como los que se emplean para subir la energía fotovoltaica a la red. Nosotros hemos desarrollado circuitos que permiten esto con gran efectividad y eficiencia”, señala Kouro.

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ALMACENAMIENTO PARA MÁS DE 100 MWh
EFoto 6 CM 23 tecnologial sistema Powerpack de Tesla, diseñado para empresas y servicios públicos, integra baterías, electrónica de potencia, gestión térmica y controles en una solución llave en mano. La segunda generación Powerpack comenzó a circular en el mercado internacional desde septiembre de 2016. Cuenta con un nuevo módulo de energía y electrónica de potencia, que proporciona dos veces la densidad de energía de la unidad motriz anterior junto con una integración más perfecta en los múltiples niveles de la red. Powerpack 2 también está emparejado con un nuevo inversor, diseñado y fabricado por Tesla en su instalación denominada Gigafactory. Este inversor tendría un costo más bajo, mayor eficiencia y mayor densidad de potencia del inversor escala de servicio público en el mercado. También simplifica considerablemente el proceso de instalación de todo el sistema Powerpack mediante la integración de una serie de componentes previamente independientes en el propio inversor.
Entre uno y 20 Powerpacks se pueden conectar y los sistemas pueden adaptarse fácilmente a varios inversores, lo que permitiría un dimensionamiento y diseño flexible del sistema para cualquier proyecto escalable desde 200 kilovatios hora (kWh) a más de 100 megavatios hora (MWh).
Con todo, Powerpack 2 ayuda a las empresas a evitar cargos de máxima demanda, comprar electricidad cuando es más barata, tener una copia de seguridad para las operaciones críticas de negocio en caso de un corte de energía, maximizar el consumo de energía renovable en el sitio, entre otros.

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MONITOREO Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Foto 7 CM 23 tecnologiaDesde ABB Chile, Daniel Andrade, gerente de ventas de producto para la costa Pacífico (Colombia, Ecuador, Perú y Chile) de Power Generation and Water, apunta que los elementos innovadores que se suman hoy como soluciones a las plantas solares son los sistemas de monitoreo y control de la planta, además del almacenamiento de energía como volantes de inercia y sistemas de batería de iones de litio.
Sistemas de monitoreo y control de la planta: estos supervisan y recopilan datos de los componentes críticos de la central. Incluyen los arreglos de paneles, los centros de transformación (con inversores, transformadores y cuadros de distribución de baja tensión), la conexión a la red y las estaciones meteorológicas. Los sistemas intercambian datos con todos los componentes de la planta, cuentan con una base de datos en tiempo real e histórico donde se adquiere y almacenan todos los datos relevantes de la central, tanto in situ como en un centro de servicio remoto. Los sistemas de control combinados con los de almacenamiento pueden coordinar las consignas de cargas y evitar inestabilidades de frecuencia, facilitando así la integración de las ERNC.
Almacenamiento de energía (volantes de inercia y sistemas de batería de iones de litio): los volantes de inercia suministran electricidad inmediata a la red para contrarrestar las variaciones de potencia debidas a nubes o cambios repentinos de la velocidad del viento. Los sistemas de baterías almacenan electricidad en mayor cantidad y durante más tiempo para cubrir los cambios de fuente de energía. Pueden almacenar la energía solar producida durante el día cuando la demanda es baja y liberarla por la noche. Combinar el almacenamiento y la generación solar fotovoltaica transforma una planta solar impredecible en un recurso fácilmente controlable con una regulación de la frecuencia segundo a segundo y en tiempo real.
En cuanto a la implementación de esos sistemas en Chile, Andrade comenta que, en el caso de las tecnologías de almacenamiento a través de BESS, permiten suplir el suministro intermitente de las plantas solares y ayudan a estabilizar la frecuencia. Por otra parte, los sistemas de control, por ahora, se utilizan más para supervisión y monitoreo del desempeño de la planta. En esa línea, el control de plantas puede indicar si es que los paneles fotovoltaicos están sucios o presentan daños por exceso de sombra y a su vez supervisan los inversores, de manera que se asegura la debida mantención de los equipos.
Respecto de los avances en esta materia, señala Andrade, se apunta a optimizar la operación de las centrales. La tendencia estará en garantizar los desempeños de eficiencia de las plantas, lo que ayudará a cumplir las metas país de generación ERNC y aumentar la participación de plantas solares en la red eléctrica nacional. Según el experto, lo anterior favorecerá la desmitificación respecto a este tipo de centrales no son un aporte al sistema dado su inestabilidad y alto costo. Un sistema de control robusto y que tenga un monitoreo de todos sus componentes y señales prepara la interconexión a la red de estas centrales y permite al Centro de Despacho Económico de Carga (CDEC) tener mayor información sobre como operar y despachar centrales y consignas. “Poco a poco nos estamos nivelando para llegar a la era digital o industria 4.0, por ende el control y supervisión total de la planta será un aporte fundamental al desarrollo de esta nueva era”, concluye Andrade.

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MEDIR PARA OPTIMIZAR
Foto 9 CM 23 tecnologiaDe acuerdo con Werner Platzer, director del Centro de Tecnologías para Energía Solar de Fraunhofer Chile Research, actualmente cuentan con modernos equipos para medir la eficiencia de los módulos fotovoltaicos y analizar experimentalmente las pérdidas en su desempeño, generadas por el polvo y la suciedad. “Ofrecemos a las empresas soluciones de optimización económica para la operación de sus plantas, en función de las necesidades de agua y mano de obra para las labores de limpieza. En este sentido, determinamos la cantidad de suciedad, la correlacionamos con las pérdidas de energía y proveemos una solución en base a un software para optimizar los ciclos de limpieza de la planta”, grafica.
Platzer explica que en el mercado global actualmente hay tecnologías de limpieza que requerirían menores cantidades de agua para funcionar. “Nosotros realizamos estudios para identificar si esta inversión es valiosa, en consideración a las condiciones particulares presentes en el lugar en que se va a implementar. También, analizamos e investigamos experimentalmente los denominados ‘revestimientos anti-suciedad’, los cuales reducen, pero no eliminan, la suciedad de las cubiertas de vidrio, espejos o paneles fotovoltaicos. Además, a través de los institutos Fraunhofer en Alemania, podemos proveer soluciones para la automatización (robótica) y la producción de revestimientos anti-suciedad utilizando tecnología Thin-Film”, comenta.
Foto 8 CM 23 tecnologiaEn esa línea, la calidad del agua juega un rol fundamental en la limpieza, dice Platzer. “En este ámbito, podemos proveer pequeñas plantas de tratamiento de agua descentralizadas, para producir agua para la limpieza a partir de aguas salobres o contaminadas”, añade.
El experto comenta que con estas tecnologías es posible evitar pérdidas enormes. “Las empresas han tomado conciencia de que la investigación científica del problema de la suciedad y limpieza no es un asunto académico, sino que está directamente relacionado a la economía de la planta”, resalta.
Hacia adelante, el centro está trabajando en perfeccionar el desarrollo del software, en mejorar las soluciones de limpieza robóticas y en generar mejores revestimientos anti-suciedad para aplicar en zonas desérticas incluso combinándolos con propiedades antirreflectantes para incrementar su rendimiento. “Los sistemas del futuro podrán funcionar con muy poca agua y reciclar agua automáticamente”, proyecta Platzer.

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EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN
Foto 11 CM 23 tecnologiaLos fabricantes de paneles solares certificados, China Sunergy (Csun) de la mano de la empresa chileno-alemana de energía solar Heliplast, presentan el panel solar Csun Energy policristalino de 260 vatios. Las células solares QSAR mejorarían la respuesta de la luz solar al restringir la recombinación de los orificios y electrones inducidos por la luz, basados en una nueva tecnología de “pasivación totalmente emisora”. Lo anterior, entregaría una eficiencia de conversión mucho más alta, en un proceso más simplificado. Además, la tecnología QSAR sería fácil de combinar con otras para mejorar aún más la eficiencia.
Entre sus características destacan: mayor potencia que los módulos solares convencionales, distribución estrecha de la eficiencia de conversión, rendimiento de la distribución de corriente concentrada y mejor control de calidad, junto a una garantía de fabricación del producto de diez años, garantía de generación a doce años al 90% de la potencia nominal mínima, 20 años al 83% y 25 años al 80 por ciento.

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CODELCO SOLAR
Foto 12 CM 23 tecnologiaLas mineras que se han sumado a la tendencia de las ERNC. Codelco, desde 2012, cuenta con Calama Solar 3, la primera planta solar de tamaño industrial en Chile capaz de generar y vender energía a precio de mercado sin la necesidad de subvención alguna, según informa la minera estatal en su portal educativo. Esta planta de energía eléctrica fotovoltaica de 1 MW de potencia instalada (equivalente al consumo de 5 mil hogares) abastece de energía limpia a la División Chuquicamata y ocupa una superficie máxima de 6,25 hectáreas. Su tecnología se encuentra en sus 4.080 módulos de silicio soportados por una estructura de seguimiento de un eje. Lo anterior permite que los módulos sigan la trayectoria del sol mediante un movimiento simétrico de este-oeste, diariamente y de manera automática.
Asimismo, desde 2013 la planta Pampa Elvira Solar aporta a la División Gabriela Mistral de Codelco. Aquí se capta la radiación solar para transformarla en energía térmica que se utiliza para el proceso de electroobtención de la división. El proyecto tiene 2.620 paneles de 15 m2 cada uno, distribuidos en una superficie de 90.000 metros cuadrados.
Según informa la entidad en su web Codelco Educa, la inclusión de energías renovables en Gabriela Mistral aporta unos 54.000 MWh/año calóricos promedio (equivalente a 6.500 m3 de diesel al año), lo que reemplaza el 85% de los combustibles fósiles utilizados en el funcionamiento de las naves de electro obtención.

Post Author: cmineracdt