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Energía solar y su desafío para la minería

Por

Marcelo Cortes C. Dr.  MARCELO CORTÉS 7810

Investigador Centro de Desarrollo Energético de Antofagasta

Director del Programa de Magister en Desarrollo Energético

Universidad de Antofagasta

El recurso solar en el norte de Chile alcanza los niveles de radiación más elevados del mundo, llegando a valores de radiación global horizontal (GHI) del orden de 2,618 kWh/m2/año en la Región de Antofagasta (Crucero). Por otra parte se tiene, que la más alta radiación en España se presenta en la región de Granada, con un valor de 1,894 kWh/m2/año (GHI). Este nivel de radiación es suficiente para la instalación a gran escala de proyectos de generación de energía eléctrica en base a energía solar, tales como fotovoltaicos (FV) y de concentración solar de potencia (CSP).

En las últimas décadas los constantes incrementos en los precios de los combustibles fósiles, el desarrollo de la tecnología y los acuerdos de disminución de emisiones gases de efecto invernadero, están permitiendo que tecnologías que emplean el sol como fuente primaria de energía y la convierten en energía eléctrica y/o térmica se tornen en una alternativa técnica y económicamente atractiva para ser utilizada en la producción de energía eléctrica y calórica. Esto es particularmente atractivo en el norte de Chile, puesto que un desarrollo en base al uso de energía solar a gran escala podría permitir un abastecimiento de energía más sustentable, con precios estables e independientes de la importación de recursos fósiles.

La economía del norte de Chile gira en torno a la industria minera, la cual para llevar a cabo sus procesos demanda grandes volúmenes de energía eléctrica, energía térmica y agua. Además, posee una alta demanda de servicios paralelos a la industria, los cuales permiten mantener una zona industrial activa en la región, Por otra parte, la alta demanda energética que el país requiere para mantener sus niveles de crecimiento lleva consigo la instalación de nuevas centrales de generación.

En el caso del Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) no se dispone de recurso hídrico, de manera que la principal fuente energética primaria es el carbón. La proyecciones de crecimiento de la demanda energética para los próximos 10 años indican que esta crecerá un 80% con respecto a lo consumido el 2012 (15,437 GWh). Para enfrentar este crecimiento, el parque de centrales generadoras deberá aumentar en 2,300 MW. La pregunta que se puede hacer entonces es ¿Cuál es el espacio de crecimiento que tiene la energía solar en este mercado?.

En el informe de precio de nudo publicado en octubre de 2012, el pronóstico de la CNE fue que un 11% (250 MW) del parque requerido será provisto por energía solar. En dicho informe se proyecta también que la matriz energética del SING seguirá siendo dominada por tecnologías en base a carbón, 59% (3,500 MW). images

Tecnología

Hoy existen dos tecnologías que luchan por entran al mercado; una es la FV y la otra es la CSP. La tecnología FV está logrando ser económicamente competitiva en el SING. Sin embargo, tienen la debilidad de tener un bajo factor de planta debido a la intermitencia del recurso solar (disponible sólo durante el día). La intermitencia del recurso solar impone limitaciones técnicas sobre este tipo de centrales.

El sistema de despacho de energía consiste en asignar primero las unidades con costo variable más bajo. Debido a que las plantas solares tienen el costo variable más bajo, estás deberán ser puestas en la base durante el día. Sin embargo, el despacho de las unidades se hace minimizando el costo total de producción para un horizonte entre 24 a 120 horas. Producto de que las plantas fotovoltaicas sólo inyectan energía durante el día, en la noche se debe utilizar centrales con combustible fósil para cubrir la demanda (concepto denominado respaldo), por lo tanto, existe un límite de inyección de energía FV y éste es hasta que el costo de producir con unidades de respaldo sea igual al ahorro que se produce al inyectar con energía fotovoltaica.

En efecto, en el informe publicado en octubre del año 2012 por el CDEC, estableció que con las actuales condiciones tecnológicas, la capacidad máxima de energía FV que puede ser instalada en el SING al año 2014 es 450 MW. De esta manera se tiene que las centrales FV enfrentan ciertas barreras tecnológicas para la penetración a gran escala en el SING. Esta limitación se irá reduciendo en la medida que se incorporen mejoras tecnológicas en los centros de control del sistema, tales como la función de Control Automático de Generación (AGC).

Un escenario alternativo y más favorable para las centrales FV es la aparición de una interconexión entre los dos sistemas. Esto daría la oportunidad de levantar en esta década las limitaciones técnicas y exportar hacia el Sistema Interconectado Central (SIC) grandes bloques de energía solar, los cuales pueden ser respaldados con energía hidráulica.

Concentración Solar

Por otro lado están las centrales de concentración solar (CSP), las cuales todavía no son económicamente competitivas. Esta tecnología ha ido madurando y hoy se dispone en el mercado de centrales comerciales que tienen la particularidad de incluir un módulo de almacenamiento energético. Este módulo les permite producir energía en ausencia de sol y extender su operación todo el tiempo que sea necesario, según sea diseño. solar-termoelectrica-ps10

En efecto, las primeras centrales que se construyeron tenían una capacidad de almacenamiento para operar a plena carga de 7.5 horas. Hoy ya se fabrican centrales con almacenamiento para 15 horas, esto es, para operar prácticamente en forma continua. Esta es la razón por la que a este tipo de centrales se le llama gestionables, es decir, su producción se puede gestionar en forma flexible. Sin embargo, debido a que no son económicamente competitivas no pueden entrar en un mercado energético como el chileno.

Para crear las condiciones necesarias para su implantación en Chile, el gobierno ha lanzado un concurso para adjudicar fondos y un financiamiento blando para instalar la primera central CSP con almacenamiento en Chile. El concurso establece entre otros, que el proponente tenga un compromiso de compra de energía por parte de alguna empresa. Considerando el desarrollo de la tecnología, el precio de este contrato estará por sobre el precio de mercado, por lo que deberá existir por parte de los compradores de energía, una disposición a pagar más por la energía. El desarrollo de un proyecto de este tipo le dará al país una experiencia valiosa desde el punto de vista técnico y financiero para avanzar en el uso de la energía solar en la conformación de la matriz energética eléctrica.

Si esta experiencia resulta exitosa, probablemente tendremos en la década del 2020 – 2030 este tipo de centrales entrando a gran escala en el mercado.

Panorama

En resumen, se tiene que el panorama para la energía solar en lo que se refiere a producción de energía eléctrica es aún incierto. Por el lado de las FVs está la limitación técnica, que de no mediar una interconexión con el SIC se ve acotada por ahora a 450 MW. Para las centrales CSP se requerirá un compromiso compartido de la sociedad, por una parte del gobierno para crear condiciones favorables para incentivas, y por otra, los consumidores que deberán estar dispuestos a pagar más por esta energía mientras se encuentra en estado de desarrollo.

El resultado de este esfuerzo redundará en el largo plazo en mayor estabilidad de precios, producción más sustentable, ambientalmente más amigable e independencia energética de la importación de combustibles fósiles.

Industria Minera

La industria minera basa su desarrollo en tres elementos básicos: energía, agua y recursos humanos. De estos hay dos en los cuales la energía solar puede jugar un rol importante; energía y agua.

En lo que se refiere al agua, es de conocimiento público que se ha llegado al límite de lo explotable de napas subterráneas. La demanda total nacional del sector minería del recurso hídrico durante el año 2011 (consumo medio) fue de 12.6 m3/seg. De este consumo, el 41.8% (5,25 m3/seg) corresponden a la región de Antofagasta, mientras que un 10.3% (1.29 m3/seg) a la región de Tarapacá. Por otra parte se tiene que del consumo total, la producción de concentrados de cobre (súlfuros) demanda el 71%, mientras que la operación de beneficio de minerales oxidados y mixtos por lixiviación para producir cátodos SX-EW (hidrometalurgia) representa el 14% de las extracciones totales. El resto, 15%, corresponde a agua mina, servicios varios y agua potable.

En lo que respecta a las autorizaciones de extracción de agua de los acuíferos en la región de Arica y Parinacota, principalmente las extracciones de agua se concentran en la agricultura y el consumo poblacional, llegando a autorizaciones de 1,8 m3/s. En la región de Tarapacá existen derechos de usos de aguas por 6,4 m3/s, los cuales se distribuyen entre agricultura, consumo poblacional y minería.

En la región de Antofagasta las extracciones de agua autorizadas ascienden a 9,4 m3/s y están concentradas principalmente en las compañías mineras de la región.PANELES SOLARES 07-09-10  (5)

En resumen se puede determinar que las autorizaciones de agua de las I, II y XV regiones ascienden 15,8 m3/s. Por otra parte, el consumo de agua para la minería de las regiones I, II y XV fue el año 2011 de 6,8 m3/s, si a esto se le suman los consumos de las 5 ciudades y otras industrias el consumo se empina por los 12 m3/s, valor cercano a los recursos autorizados. De esta manera se tiene que el agua fresca es un recurso escaso. Esta es la razón de porqué los nuevos proyectos mineros contemplan el uso de agua de mar y su desalinización cuando sea requerida para sus procesos.

Procesos

En la actualidad ya existen empresas que están utilizando agua de mar en sus procesos, entre las que destaca el holding Antofagasta Minerals. Esta empresa ha estado impulsado el uso de agua de mar en procesos mineros de súlfuros (concentrado), evitando la desalación de esta. Cabe mencionar, que técnicamente se abordan los procesos de sulfuros, con la alternativa directa de emplear agua salada. En los procesos de óxidos (hidrometalurgia) aún no se baraja como una solución, necesitándose agua desmineralizada para su proceso.

Proyecciones preliminares indican que la demanda de agua fresca pasará de 12.6 m3/s a inicios del año 2011 a 20.08 m3/s al año 2020, es decir, la demanda crecerá en un 60%. Se considera entonces, independientemente de que el agua sea marina o no, que será preciso bombear caudales entre 0.5 m3/s y 1 m3/s (para una minera tipo). Nace así una oportunidad para la energía solar la cual puede alimentar con energía FV las estaciones de bombeo intermedias. En estos casos la energía FV puede resultar competitiva toda vez que el acceso a la red eléctrica es difícil y se debe recurrir a usos de diesel para producir energía eléctrica.

El potencial de la energía solar en este segmento puede suponerse igual que a la provisión de la energía necesaria para las estaciones de bombeo de 5 mineras, es decir: 2.5 m3/s a 3000 m.s.n.m. En términos de energía eléctrica, esto significaría instalar plantas FV por una capacidad del orden de 150 MWp.

Debido al elevado consumo de agua en la región de Antofagasta se han impulsado proyectos de desalinización, ya sea para uso industrial y/o residencial. En la actualidad, existen cuatro plantas desalinizadoras, tres son para procesos mineros, y la cuarta que suministra el 60% del agua de la ciudad de Antofagasta.

Uno de los procesos de desalación para consumo industrial minero corresponde a la minera Michilla, donde se extrae agua salada para uso en las operaciones de aglomeración y lixiviación acida de minerales de cobre, además del uso de agua desalinizada, a través de agua de mar, en los procesos de extracción por solventes y electro-obtención.

La compañía minera Esperanza, también posee un acueducto en la misma zona costera, el cual extrae 720 l/s de agua salada para las operaciones, donde el consumo de la compañía es de 635 l/s, teniendo una disponibilidad del 95%. La compañía posee una planta de osmosis para desalar 53 l/s distribuidos en 30 l/s en área de mina (óxidos) y 23 l/s en puerto. Con lo cual cerca del 5% se desaliniza para consumo humano y procesos de extracción por solventes y electro-obtención.

Minera Escondida también emplea agua desalinizada para consumo industrial, extraída desde la caleta Coloso y elevada a 3.100 m.s.n.m para uso en sus procesos. Un porcentaje de esta extracción es purificada para consumo humano. En el 2008 la empresa presentó un requerimiento de expansión de la planta desalinizadora por 2,500 l/s adicionales a los ya instalados.

Si bien las compañías mineras evalúan desalar agua para sus procesos, sólo dos proyectos están previstos en el corto plazo. El primero es de Aguas Antofagasta, que suministrará un flujo de 1 m3/s, lo que permitirá abastece al 100% de la ciudad de Antofagasta. Los procesos involucrados son por osmosis inversa, requiriendo de una potencia del orden de 5 kWh/m3 lo que implica una demanda de potencia del orden de 20 MW. El otro proyecto lo está llevando a cabo Minera Escondida Ltda, como complemento para sus nuevos proyectos. Éste comprende la instalación de una planta desalinizadora de un flujo de 2.5 m3/s, lo que implica una demanda de potencia del orden de 60 MW.

Conocido el porcentaje de agua desalada empleada en los procesos mineros, del orden de 70%, puede suponerse el potencial de la desalinización como la provisión mediante energías solares de las necesidades de agua desalada de 5 mineras. Asociando el potencial de la desalación a la del bombeo representaría una generación de agua desalinizada solar del orden de 1,8 m3/s. Esto equivale a una potencia del orden de 160 MW.

En resumen, se aprecia que existe un fecundo campo de aplicación de energía solar en la minería. Este puede venir por el uso de energía FV para bombeo y desalación, mientras que aplicaciones de energía termosolar (CSP) estarían en los procesos en óxidos y desalación de agua.

Más Oportunidades

Otra oportunidad para el uso de la energía solar en procesos productivos está en el calentamiento de soluciones de procesos de lixiviación. La minería del cobre emplea principalmente dos procesos: el proceso de sulfuros y el de óxidos. En el proceso de sulfuros resaltan dos aplicaciones para el calor de proceso de origen termosolar: el secado y la fundición del concentrado. En esta última sería posible aplicar la termosolar de concentración, permitiendo separar el cobre de los otros materiales. En el proceso de óxidos destacan otras tres aplicaciones del calor de origen termosolar: el calentamiento de soluciones tanto en las pilas de lixiviación como en el proceso de electro-obtención y finalmente el lavado de ánodos.

La demanda de calor para procesos de óxidos, asociada a la actividad minera fue aproximadamente 1,670 GWh/año para el 2011. Se considera por lo tanto que es éste el potencial actual de uso de la energía termosolar en este segmento. Los procesos de secado y fundición aún no se encuentran evaluados. Habrá de considerarse sin embargo, la aplicación para el calor de proceso (calor de alta, media o baja temperatura) para conocer la tecnología de energía termosolar potencialmente requerida. Asimismo, se ha realizado una proyección de demanda de calor para el proceso de óxidos, el cual ascendería a 1,515 GWh/año al 2020. Por lo tanto, la oportunidad de uso de energía termosolar para los próximos 8 años estará en torno a los 1,600 GWh/año.

Apoyo

Considerando que la energía solar llegará a ser un vector de desarrollo para el país, el gobierno de Chile está impulsando también su desarrollo a través de concursos de investigación.

Uno de ellos es el proyecto CONICYT/FONADAP/15110019, mediante el cual se crea el SERC, Centro de Investigación en Energía Solar, con un presupuesto de 4,000 MM$ para 5 años. La segunda iniciativa corresponde a los fondos basales del Ministerio de Educación para mejoramiento institucional, PMI ANT 1201.

En ambos concursos la Universidad de Antofagasta participa activamente. En el SERC lidera la línea de investigación “Almacenamiento Energético”, mientras que en el segundo se adjudicó fondos por 1.500 MM$ por 3 años, con el compromiso de convertirse en referente regional y nacional en energías renovables no convencionales, en particular en energía solar.

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3 comentarios el “Energía solar y su desafío para la minería

  1. Carlos Espoz
    24/06/2013

    Lorena 20 de junio de 2013

    Será que proyecto Brasileño ECO2 puede ser incluido en proponer una solucion abundante de energia electrica para el Cluster minero?
    La Universidad de São Paulo(USP) en conjunto com la Caramuru Alimentos S/A y la Náutica Lorena detentora del Know How de el mayor proyecto de energia alternativa aqui en Brasil. Hoy preparandose para la construcción del prototipo en la escala de 1MWe de energia eléctrica Solar Concentrada óptica (lentes gigantes multiplicadoras en muchas veces la luz solar) alcanzando temperaturas superiores a 2000ºC que activarán el CO2 en estado Supercritico en un reactor el cual trabajará a presiones superiores que 60Mp, generando energia que accionaran turbinas del ciclo Brayton. Producción Full Time, garantizados por acumuladores termicos de alto rendimiento.
    El gobierno Brasileño esta subencionando el prototipo que estará concluido en 2015.
    Esta técnologia es por el momento unas de las mayores promesas para enfrentar demandas energeticas de gran porte compitiendo de igual para igual con las hidroelectricas.
    Esta proyectada una fabrica para produzir de forma seriada en modulos de 10/25/50 y 100 MWe. Despues del Start Up 1GWe por año y en 4 alcanzar 3GWe / año. Tecnologia sustentable y limpia. Trabajo de más de veinte años guardado a 7 llaves y que ahora aparece para disputar el mercado con las hidroelectricas al tener oferta de costos de energia hasta en 30% menos para competir con los productos Brasileños en el mercado global.

    • prensaua
      28/06/2013

      Hola, interesante el comentario, pero mejor hacerlo llegar directo a quién escribió el articulo su correo es mcortes@uantof.cl.
      Reitero las gracias.
      Atte
      David P.

  2. Carlos Espoz
    04/07/2013

    Lorena 4 de julio de 2013
    Estimado David Pasten
    Escribi al Sr. Cortes y no he tenido respuesta (lo hice en el E-Mail que tú me indicaste).
    Atenciosamente
    Carlos Espoz

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Esta entrada fue publicada el 22/05/2013 por en Académicos, Ciencia y Tecnología, Opinión.

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