Energy Mega-Projects that Links Continents
En la carrera global para detener el cambio climático, abandonar el uso de combustibles fósiles como fuente de energía es la principal prioridad. La Unión Europea planea recortar la emisión de gases de efecto invernadero en un 40% en 2030 y entre un 80-95% en 2050. En la actualidad, Europa importa un 60% de su energía en forma de combustibles fósiles. Si queremos cumplir con los objetivos, tenemos que pensar en grandes plantas de generación renovable fuera de las fronteras de Europa. Estos últimos años, ha ido creciendo la idea de usar los recursos naturales del desierto del Sáhara como fuente de energía. Entre los diferentes tipos de energías renovables, la energía solar es prometedora gracias a su gran potencial. Se estima que la energía solar que reciben las regiones desérticas de todo el mundo en seis horas es más de la que la humanidad consume en un año. En otras palabras, si cubrimos sólo un 1% del Desierto del Sáhara sería suficiente para abastecer la demanda mundial anual de energía (ver Figura 1). Sin embargo, el desarrollo de plantas solares en climas tan severos no es una tarea trivial. La falta de agua, las elevadas temperaturas, la situación remota y las interconexiones son algunos de los retos a los que se enfrentan estos proyectos.
Figura 1 – Irradiación solar normal directa anual en el mundo (unidad:kWh/m2/año) (SolarGIS ©2015 Geo ModelSolar).
En la actualidad hay dos tecnologías solares principales que podrían instalarse en un desierto: la energía termosolar de concentración y la solar fotovoltaica. La primera usa espejos o lentes para dirigir la energía del sol hacia un fluido de transferencia térmica (HTF), la segunda convierte directamente la luz solar en electricidad a través de células solares.
La evaluación de la implementación de grandes proyectos solares en el Sahara requiere de un buen conocimiento de las condiciones físicas del lugar. La mayor limitación de las plantas fotovoltaicas es su eficiencia a temperaturas ambiente altas (ver Figura 2). A medida que la temperatura aumenta, la potencia generada del panel solar baja gradualmente. Por lo tanto, el desempeño a altas temperaturas de los paneles fotovoltaicos puede hacer que la generación del sistema se reduzca un 20%.
Figura 2. Desempeño de un panel FV a diferentes temperaturas
En condiciones de clima severo, los sistemas de concentración se muestran más eficientes que cualquier otra forma de tecnología solar. Las altas temperaturas que se usan en el HTF transportan la energía a turbinas que generan electricidad. En la actualidad, se desarrollan cuatro tipos principales de tecnologías de concentración (Figura 3). Los reflectores lineales Fresnel (LFR) y los Colectores Cilíndricos Parabólicos (PTC) son tecnologías lineales en las que la luz solar es dirigida a una serie de receptores orientados en la dirección norte-sur. La torre solar (SPT) y el sistema de discos parabólicos (PDS) son tecnologías en las que la luz solar es dirigida a un punto donde se sitúa el receptor. Aunque más del 82% de las actuales instalaciones CSP se basan en PTC, los últimos proyectos están más orientados al SPT. Las torres solares muestran una gran eficiencia en comparación con PTC, convirtiendo el calor en electricidad y consiguiendo temperaturas elevadas. La tecnología CSP está altamente implantada en España y Estados Unidos, que en 2017 tenían más del 80% de la potencia instalada a nivel mundial. Sin embargo, estos últimos años, países como Marruecos o Arabia Saudí están desarrollando proyectos solares a gran escala basados en esta tecnología. Incluso en países con una gran dependencia de los combustibles fósiles, hay una tendencia a cambiar a energías renovables.
Figura 3. Las tecnologías de concentración más comunes [Fuente]
La idea de usar el desierto del Sahara para proporcionar electricidad a Europa no es nueva. Esta última década, ha habido varios intentos para construir grandes plantas solares allí. Uno de los primeros proyectos fue DESERTEC, una fundación creada en 2009 con la idea inicial de crear una superred entre la Unión Europea y las países de la región MENA (Oriente Medio y Norte de África). A pesar del apoyo inicial de los países y de las organizaciones, la complejidad del proyecto y el gran coste no lo hizo posible por lo que desde el 2013 no se han llevado a cabo acciones. Sin embargo, en 2017, Tunur, una pequeña empresa sita en Reino Unido, comenzó las tramitaciones para construir un planta solar CSP de 2.250 MW en Tunez. La energía se llevaría a Italia a través de una línea de transmisión de 2000 MW HVDC a través de Túnez, cruzando el mar Mediterráneo. El proyecto esta en la actualidad en fase inicial pero, si tuviese éxito, podría ser el inicio de nuevos proyectos que conectarían la Unión Europea y los países de la región MENA.
Figura 4. Fases del Proyecto TuNur [Fuente]
Para garantizar el suministro y mejorar la estabilidad del sistema, hay que aumentar la capacidad de transmisión entre Europa y el norte de África. En la actualidad, sólo hay una única conexión eléctrica entre estas dos regiones y son dos cables eléctricos submarinos de 800 MW de potencia máxima. Para permitir la integración a gran escala de energía renovable en la futura superred europea, se debería reforzar con varias líneas que sobrepasen fronteras para disminuir la congestión actual del sistema eléctrico. Además, la construcción de conexiones HVDC bajo el mar Mediterráneo permitiría una mayor penetración de renovables y ayudaría a la estabilización del sistema. El mayor reto es aún la creciente brecha entre las dinámicas del desarrollo renovable y el refuerzo de la infraestructura de transmisión. El tiempo que se necesita para construir una línea de transmisión puede ser el doble de lo que se tarda en construir una planta solar.
Si Europa tiene como objetivo tener éxito en la transición hacia sistemas de energía sostenibles, bajos en carbono y fiables, hay que pensar en la futura red de transmisión y explorar el potencial que existe fuera de sus fronteras. África del norte puede ofrecer grandes beneficios para facilitar y apoyar una transición exitosa hacia estos sistemas energéticos. La interconexión entre las dos regiones podría ayudar a crear una superred europea con una alta penetración renovable usando tecnologías como CSP que garantizarían el suministro.
Referencias
http://helioscsp.com/the-future-of-desertec/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032115009855
http://www.nurenergie.com/tunur/index.php/english/project/overview
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211467X19300069
https://www.ree.es/sites/default/files/electricity_interconnections_eng_2.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6742683
In the global race to stop climate change, ditching fossil fuels as energy source is the number one priority. The European Union plans to cut at least 40% of greenhouse gas emissions by 2030, and 80-95% by 2050. At present, Europe imports 60% of its energy in the form of fossil fuels. If targets are to be met, there is a need to look at large scale renewable energy plants outside the European borders. In recent years, the idea of using the natural resources at the Sahara Desert as sources of power has become stronger. Among various types of renewable energy sources, solar energy is promising due to its large energy potential and clean nature. The solar energy received by the worldwide desert regions within 6 hours is roughly estimated more than the energy consumed by humankind in a year. In other words, by covering just 1% of the Sahara Desert would be enough to supply the world annual energy demand (see Figure 1).Nevertheless the development of solar energy plants in such a harsh climate is not a trivial task. The lack of water, the high temperatures, the remote locations and the interconnections with mainland are some of the challenges facing these projects.
Figure 1 Solar annual direct normal irradiation (DNI) across the world (unit:kWh/m2/year) (SolarGIS ©2015 Geo ModelSolar).
There are currently two major types of solar energy technologies that could be installed in the dessert. Concentrating solar power (CSP) and solar photovoltaic (PV). The former uses mirrors or lenses to focus the energy in sunlight and deploy a heat transfer fluid (HTF). The latter converts directly sunlight into electricity through solar cells.
Assessing the implementation of large solar projects in the Sahara requires a good understanding of the physical conditions in there. The main constraint with PV plants is its efficiency with high ambient temperature (see Figure 2). As ambient temperature increases, the output voltage of the PV panel decreases gradually. Therefore, the performance at very high temperatures of PV panels can reduce up to 20% the power output of the system.
Figure 2. Performance of a PV Panel under different temperatures
In severe climate conditions, CSP systems are proved to perform more efficiently than any other form of solar technology. The high temperature used to for the HTF transports the energy to turbines for power production. Four main types of CSP technologies are developed nowadays (Figure 3). Linear Fresnel reflector (LFR) and parabolic trough collector (PTC) are line-focused technologies where the sunlight is focused on a series of receivers oriented in the north-south direction. Solar power tower (SPT) and Parabolic dish system (PDS) are point-focused technologies redirecting sunlight to where the receiver is located. Even though more than 82% of the current CSP installations are based on PTC, the latest projects are more oriented towards SPT. Solar power tower shows a potential enhancement in efficiency compared to PTC, converting heat into electricity and achieving higher temperatures. CSP has been widely developed by Spain and United States, with more than 80% of the installed capacity in the world in 2017. However, in recent years countries such as Morocco or Saudi Arabia are developing large scale solar projects based on this technology. There is a trend to shift from fossil fuels towards renewable energy generation, even in those countries with high dependence on fossil fuels.
Figure 3. Most common CSP technologies [Source]
The idea of using the Sahara Desert to power Europe is not new. There have been many attempts over the last decade to build large scale solar plants in the Sahara Desert. One of the first was DESERTEC, ua foundation created in 2009 with the initial concept to create a super grid between the European Union and the MENA (Middle East and North Africa) countries. Despite the initial support from countries and organisations, the complexity of the project and huge capital cost has made it unfeasible and no actions were taken after 2013. However, in 2017 TuNur, a small company based in the UK, began actions to build a 2.250 MW CSP solar power tower plant located in Tunisia. The energy will be carried through a 2000MW HVDC transmission line across Tunisia, through the Mediterranean Sea to Italy. The project is currently in a very early stage but if successful, it could launch a series of new projects to interconnect the EU and MENA countries.
Figure 4. Stages of TuNur Project [Source]
To ensure security of supply and improve system stability, there is a need to increase transmission capabilities within market zones and between Europe and North Africa. Currently, the only electrical link between these two regions is via 2 submarine power cables that provide a maximum capacity of 800 MW. To allow large-scale integration of renewable energy into a future European supergrid, several cross-border lines must be reinforced to decrease the actual congestion in the power system. Besides, the construction of HVDC undersea grid connections across the Mediterranean sea would allow a higher penetration of renewables and to maintain system stability. The main challenge is still the growing gap between the dynamics of the development between renewable generation and the reinforcement of construction of transmission infrastructure. The time required to build a transmission line can be twice as long than to complete a solar power plant.
If Europe aims to make a successful transition towards secure, low-carbon and sustainable energy systems there is a need to rethink the future power grid and explore the power potential outside its borders. North Africa has a broad range of benefits that can facilitate and support a successful transition towards low carbon energy systems. The interconnection between the two regions would help to build a European super grid with high penetration of renewable energy using technologies such as CSP that will maintain security of supply of the grid.
References
http://helioscsp.com/the-future-of-desertec/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032115009855
http://www.nurenergie.com/tunur/index.php/english/project/overview
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https://www.ree.es/sites/default/files/electricity_interconnections_eng_2.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6742683
