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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial

Aplicaciones de la Energía Solar Térmica a Procesos de Calentamiento en la Industria

Autor: Miguel Ángel Amo Calvo

Tutor: Dr. D. José Julio Guerra Macho

Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial

Aplicaciones de la Energía Solar Térmica a Procesos de Calentamiento en la Industria

Autor:

Miguel Ángel Amo Calvo

Tutor:

Dr. D. José Julio Guerra Macho

Dep. Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Energía Solar Térmica en Procesos de Calentamiento Industrial

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 6

1.1. INTRODUCCIÓN 6

1.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 6

1.3. CONSUMOS DE ENERGÍA EN ESPAÑA Y ANDALUCÍA 7

1.4. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN LA INDUSTRIA 10

1.5. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 12

1.6. ORGANIZACIÓN Y CONTENIDO 17

2. ENERGÍA SOLAR EN PROCESOS INDUSTRIALES 17


2.2. ANÁLISIS DE SECTORES INDUSTRIALES 19

2.2.1. Rangos De Temperatura 19

2.2.2. Sectores Y Procesos 23

2.2.3. Sectores Dominantes 25

2.3. SISTEMAS 27

2.3.1. Integración De Sistemas 29

2.3.2. Sistemas Adicionales 47

2.4. EQUIPOS 52

2.4.1. Captador Solar Térmico 52

2.4.2. Fluido De Trabajo 64

2.4.3. Nuevos Desarrollos 65

2.5. CRITERIOS DE DISEÑO 67

3. INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR EN EL SECTOR INDUSTRIAL 71


3.2. RESUMEN DE CAPACIDAD INSTALADA 73

3.3. PROYECTOS MÁS REPRESENTATIVOS 77

3.3.1. Clasificación Por Capacidad 77

3.3.2. Instalaciones Innovadoras 89

3.4. SITUACIÓN GEOGRÁFICA DE LAS INSTALACIONES 90

4. ANÁLISIS DE LAS INSTALACIONES 91


4.2. IMPACTOS DEL USO DE LA EST 92

4.3. ESTUDIO DEL POTENCIAL Y SU VIABILIDAD 95

4.4. ACCIONES Y MEDIDAS DE CAMBIO 100

5. RESUMEN Y CONCLUSIONES 102

BIBLIOGRAFÍA 102

ANEXOS 106

Energía Solar Térmica en Procesos de Calentamiento Industrial 6

1. INTRODUCCIÓN

1.1. INTRODUCCIÓN

El principal objetivo de este proyecto es explicar la situación actual de la energía solar, aplicada a procesos de calentamiento industrial, en todos los ámbitos. Estudiaremos ampliamente los aspectos más relevantes; desde la presencia de la energía solar en el mercado actual, hasta el futuro potencial de dicha energía en la industria, identificando los sectores más importantes, los rangos de temperatura demandada para los diferentes procesos, así como los distintos tipos de sistemas, equipos e instalaciones desarrollados. No obstante, además del estudio bibliográfico objetivo, adoptaremos un enfoque de futuro sobre la importancia de la expansión de este recurso energético y las controversias que genera al mismo tiempo.

Para tener una idea del contexto energético actual debemos saber que, a finales de 2012, el consumo de energía primaria a nivel mundial ascendió a 12.477 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep), incrementándose en un 2,1 % con respecto al consumo del año anterior. El petróleo sigue siendo la energía primaria más empleada (un tercio del total), seguida de cerca por el carbón (que con un 30 % es el combustible más empleado para generación eléctrica).

Las energías renovables están experimentando un crecimiento notable. Entre los años 2000 a 2012 se ha multiplicado por cerca de 5 el consumo de energías renovables (sin incluir la gran hidráulica), mientras que el consumo mundial de energía se ha multiplicado por 1,3. En este periodo, la potencia eólica mundial instalada se ha multiplicado por 16 y la fotovoltaica por 70. Es muy significativo el alto crecimiento de las energías renovables en los países emergentes, a pesar de esto, las renovables, que crecieron un 15,5 % en 2012, representan un ínfimo 1,9 % del consumo total mundial.

1.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

La energía solar térmica (EST) se refiere al calor generado por la radiación solar. Esta energía se utiliza en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales a través de diferentes tecnologías, que incluyen la producción de vapor, los sistemas de calefacción, los sistemas de

refrigeración, etc. Puede producir temperaturas que van desde los 45°C hasta más de 300°C, por tanto, es potencialmente muy útil para una amplia gama de sectores. Con energía solar se puede suministrar energía térmica a distintos niveles de temperatura. De hecho, las principales características (necesidad de seguimiento del Sol y la relación de concentración, entendiendo ésta como la relación entre el área de captación total y el área de pérdidas energéticas del receptor o elemento en donde se transforma la radiación solar, concentrada o no, en energía térmica) de los diferentes sistemas solares térmicos vienen determinadas por el nivel de temperatura que se requiera.

Para hacernos una idea de la importancia potencial de la energía solar, debemos saber que el globo terráqueo recibe 10.000 veces más energía de la que consume. A pesar de ello, la distribución actual del consumo de energía destinada a electricidad se reparte de la siguiente manera: 70-80 % proveniente de combustibles fósiles (carbón, gas, petróleo) y energía nuclear (uranio); 20% o más proveniente de energías renovables (solar, eólica, mareomotriz,

hidráulica, geomotriz o biomasa). La Tierra recibe, en el sur de Europa (36° Latitud Norte) una

INTRODUCCIÓN


irradiación de 5 KWh/m2·día, por tanto recibirá aproximadamente una radiación global de 1750 KWh/m2·año (En Andalucía se llegan a los 2000 KWh/m2 anuales).

A nivel mundial la EST lidera la lista de recursos renovables en cuanto a potencia instalada (en 2010 se tenían 195 GWt instalados en 279 millones de m2 frente a los 282 GWe de energía eólica; 10,7 GWe de energía geotérmica; y 40 GWe de fotovoltaica).

Además, la demanda total de calor en el consumo global de energía en la UE se estima en torno al 48 % (para fines industriales y domésticos) frente al 52 % perteneciente a demandas de electricidad y transporte (con una gran mayoría proveniente de combustibles fósiles).

Figura 1. 1: Reparto del consumo de energía final en la UE. (Fuente: European Heating and Cooling Demand; RHC-Platform [2006]).

1.3. CONSUMOS DE ENERGÍA EN ESPAÑA Y ANDALUCÍA

En 2012 se dejaron de consumir en España 982,3 ktep de energía primaria, lo que supone una reducción del 0,8 % respecto al ejercicio anterior, situándose en 128.315,8 ktep. Aunque por fuentes el consumo de carbón, renovables y nuclear creció en dicho año, el descenso general se debe principalmente a la caída del 7,1 % (4.132,1 ktep) en el consumo de petróleo. En el caso de Andalucía, tras dos años de ligero crecimiento, el consumo de energía primaria también se ha reducido en 2012, con una tasa del 1,6 % (303,9 ktep) hasta situarse en 18.672,9 ktep.

Es importante diferenciar consumo y producción, por ello hay que decir que el 98,2 % (3.174,2 ktep) de la energía producida en Andalucía es de origen renovable, cantidad que sitúa el grado de autoabastecimiento energético andaluz (consumo de energía primaria cubierto con recursos autóctonos) en el 17,3 %, 3,7 puntos porcentuales por encima del dato del año anterior. A nivel nacional este indicador también crece y se sitúa en 2012 en el 26,2 %, basado en renovables y nuclear principalmente. Para tener una idea del contexto energético en el que nos encontramos la Tabla 1. 1 nos muestra los consumos de energía primaria globales en España y Andalucía en 2012.

INTRODUCCIÓN


Tabla 1. 1: Consumos de energía primaria y aporte por fuentes en España y Andalucía. (Fuente: Datos energéticos de Andalucía. Agencia Andaluza de la Energía. Consejería de economía, innovación, ciencia y empleo [2012]).

El consumo primario renovable en Andalucía ha experimentado el mayor crecimiento en valor absoluto de toda la serie histórica de datos, con un 23,8 % (633,6 ktep) más que el año pasado. Se mantienen como la tercera fuente de mayor demanda en la matriz de primaria de consumo, aportando un 17,6 % (19,3 % descontando usos no energéticos) del consumo total andaluz, 3294,9 ktep.

La tendencia de este consumo en Andalucía se comporta de manera creciente para la termosolar (aumenta un 121,9% respecto al año anterior), la biomasa (14,6%) y la solar fotovoltaica (8,9%), frente al decrecimiento de la hidráulica y eólica (7,9% menos que en el ejercicio anterior). También crece el consumo de carbón (29,5%) y decrecen el gas natural (13,2%) y el petróleo como venía ocurriendo desde 2008.

Energía Total: 3294,9 Ktep

Figura 1. 2: Consumo primario de energías renovables por fuentes en Andalucía en 2012. (Fuente: Agencia Andaluza de la Energía. Consejería de economía, innovación, ciencia y empleo [2012]).

Este incremento de las renovables se debe principalmente a la mayor contribución de la termosolar, que con un incremento de 492,5 ktep respecto al ejercicio pasado, supone más del 75% del crecimiento del aporte renovable. También se debe a la biomasa, tanto para generación eléctrica como para usos térmicos. En términos relativos, la termosolar supera por primera vez a la eólica en la estructura de consumo renovable y con un 27,2%, se sitúa en segundo lugar tras la biomasa que aporta el 50,0 % del total renovable.

INTRODUCCIÓN


Otro dato más sobre el margen de mejora o desarrollo que posee la energía termosolar, la

Figura 1. 2 informa del reparto de la tarta de consumo de energía primaria de las renovables en Andalucía en 2012.

El consumo de energía final se reduce en los dos ámbitos y lo hace de forma más acusada que el año anterior. A nivel nacional el descenso fue del 3,9 % (3.611,9 ktep) hasta los 89.270,2 ktep y el de Andalucía de un 5,9 % (796,9 ktep) situándose en 12.675,5 ktep.

El año 2012 destaca por el marcado aumento del consumo de energías renovables, cuya demanda para uso térmico creció un 13,8 % en Andalucía y un 9,4 % en España, elevando la participación en la estructura de consumo hasta cubrir el 8,4 % en la comunidad andaluza y el 7,1 % a nivel nacional. Un año más, destaca el avance de la generación eléctrica renovable, que se sitúa en 11.649,3 GWh (3,5 % más que en 2011). Las plantas termosolares de Andalucía duplicaron en 2012 su producción, inyectando 1.098,9 GWh más al sistema respecto del ejercicio anterior. La Figura 1. 3 complementariamente a la anterior, muestra el consumo de renovables por sector de actividad, mostrando su enorme papel en la industria.

Energía Total: 1068,1 Ktep

Figura 1. 3: Consumo de energía final renovable en Andalucía por sectores de actividad en 2012. (Fuente: Agencia Andaluza de la Energía. Consejería de economía, innovación, ciencia y empleo [2012]).

Por sectores, crece el consumo de fuentes renovables en industria y residencial en un 13,4 % (40,9 ktep) y 13,8 % (33,9 ktep) respectivamente, si bien, en términos absolutos el mayor incremento se da en el sector transporte, con 88,7 ktep (32,2 %) más que el año anterior. El sector primario y el servicios reducen su consumo en un 39,6 % (10,7 ktep) y 27,6 % (23,6

ktep). Es interesante observar en la Figura 1. 4 la evolución del consumo de renovables por sectores de actividad en Andalucía.

El consumo de energía final en la industria se reduce un 8,4 % (376,2 ktep) en 2012. En términos relativos, su peso en la estructura de consumo disminuye en este año y supone el 32,3 % (4.100,0 ktep) de todo el consumo final de energía en Andalucía. Por fuentes, se consume un 13,4 % (40,9 ktep) más de energía procedente de renovables y desciende el consumo del resto de fuentes. Dentro del sector de la industria, el reparto de energía por fuentes se muestra en la Figura 1. 5.

INTRODUCCIÓN


Figura 1. 4: Evolución del consumo de energías renovables en Andalucía en 2012 por sector. (Fuente: Agencia Andaluza de la Energía. Consejería de economía, innovación, ciencia y empleo [2012]).

Energía Total: 4100 Ktep

Figura 1. 5: Consumo de energía final en Andalucía en el sector industrial por fuentes. (Fuente: Agencia Andaluza de la Energía. Consejería de economía, innovación, ciencia y empleo [2012]).

Es llamativo que del estudio del consumo de energía en el sector industrial no se aprecie el origen de energía de una fuente termosolar sin transformar en energía eléctrica, es decir, no existen consumos reseñables de energía solar térmica en la comunidad (otro dato claro del potencial de aprovechamiento de esta aplicación).

1.4. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN LA INDUSTRIA

Aunque la mayoría de las plantas solares que actualmente están operando, proporcionan agua caliente, calefacción a los hogares y calentamiento de piscinas, y el potencial en el sector residencial es enorme para aplicaciones de la EST, el sector industrial no debe ser olvidado por dos motivos clave que hacen que sea una aplicación pometedora e idónea para la energía termosolar:

INTRODUCCIÓN


• El sector cubre un 28% de todo el consumo de energía primaria para uso final en el EU25 (30% en los países del sur Mediterráneo).

• Un porcentaje importante del calor consumido en el sector industrial es a baja y media

temperatura (por debajo de los 250°C).

Realizando comparaciones por sectores, vemos que en los países de la OCDE, la industria es el que tiene mayor consumo de energía seguido del transporte y el hogar, como nos muestra la

Figura 1. 6.

En 2010 se estimaban, en todo el mundo, alrededor de 200 plantas solares térmicas instaladas operando para procesos de calentamiento en la industria con una capacidad total de 42 MWt (60.000 m2) es decir un 0,03 % de la EST total instalada (aunque estrictamente no sea exacto ya que son datos extrapolados de un grupo de países concreto).

Energía total: 1.193 Mtep

Figura 1. 6: Consumo final de energía por sector en la UE. (Fuente: Eurostat, OME [2007]).

A nivel mundial se estima que el 75 % de la energía destinada al sector industrial, se demanda en forma de energía térmica, por ello debemos conocer: el potencial global de energía solar para procesos industriales; el potencial de cada sector individual de la industria; qué procesos, en qué sectores, y a qué temperatura la integración de energía solar es más óptima.

Además la capacidad instalada actualmente representa únicamente el 0,4 % de la demanda global de agua caliente en el sector residencial, el cual se supone que es un sector en el que la termosolar está más instaurada. En cualquier caso, es una diferencia demasiado elevada que nos hace pensar sobre el elevado potencial del uso de la EST en procesos industriales. Este calor se precisa, en un gran número de sectores industriales a baja y media temperatura lo que supone un requisito limitante para la utilización de energía termosolar.

INTRODUCCIÓN


1.5. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Esta revisión bibliográfica consiste en una discusión acotada de los temas abordados, entre los más relevantes de este proyecto, se encuentra la demanda de energía calorífica en la industria clasificada según el rango de temperatura requerido, los sectores y sus procesos industriales más interesantes para el uso de la tecnología solar térmica y los potenciales de la EST tanto en la UE como en uno de los países en vías de desarrollo con más perspectiva creciente de todo el mundo como es India.

Uno de los aspectos más interesantes es el alto porcentaje de demanda de energía calorífica que se necesita en los procesos industriales a media y baja temperatura, llegando a superar el 50 % en muchos sectores. También se identifican los procesos y sectores óptimos y sobre todo las características indispensables para que dichas aplicaciones se consideren preferentes sobre otras. Por último se abarcan de manera global los potenciales de la OCDE, China e India que presentan enormes posibilidades de desarrollo así como el claro protagonismo general del sector alimenticio.

Figura 1. 7: Resumen bibliográfico de un estudio de 40.613 artículos sobre la Energía Solar Térmica en Procesos Industriales. (Fuente: ScienceDirect.com).

Observemos en la Figura 1. 7 un resumen bibliográfico respecto a la evolución del número de artículos en función del año de publicación de los mismos. Anterior a 1996 se registran 9.292 artículos sobre la Energía Solar Térmica en Procesos Industriales.

Demanda de energía calorífica industrial por rango de temperatura

De acuerdo con un estudio realizado por Euroheat & Power, las aplicaciones industriales representan el 44% del total de la demanda de energía calorífica en una muestra de 32 países. Como presenta Vannoni C. et. al. [19], el reciente estudio “ECOHEATCOOL” informa que alrededor del 30 % de la demanda total de calor industrial, es necesaria a temperaturas por

debajo de los 100°C y el 57% a temperaturas por debajo de 400 °C. Además, en muchos sectores industriales, tales como; la alimentación, minas y canteras, tabaco, vinos y bebidas,

INTRODUCCIÓN


equipos de transporte, maquinaria, textil, pulpa y papel, el porcentaje de demanda de energía

calorífica a baja y media temperatura (por debajo de 250 °C) es alrededor del 60 % del total.

Los niveles bajos de temperatura (< 80 °C), tal y como nos explica el Programa de Calentamiento Solar & Refrigeración (SHC-IEA; Task 33/Task IV) et. al. [20], ya pueden alcanzarse fácilmente a través de captadores termosolares del mercado actual. Sin embargo

para temperaturas superiores a 250 °C, la experiencia es más bien limitada e incluso no existen aún sistemas y dispositivos adecuados.

Hay que decir que, con bastante frecuencia, los procesos industriales utilizan calor a media temperatura, utilizando vapor como fluido caloportador aunque sea suficiente una temperatura de trabajo más baja. Por lo tanto, a fin de evaluar correctamente la viabilidad de la energía termosolar en procesos industriales, debemos fijarnos en la temperatura real necesaria para el proceso, y no en la temperatura del fluido caloportador, no solo por este motivo, si no también por disminuir el consumo actual de energía.

Desde hace ya bastante tiempo y gracias a otra importante organización como es ESTIF et. al. [16], se observaban, tras numerosos estudios de los años 80 y 90, algunas conclusiones interesantes:

- Hay una tendencia general marcada: Alrededor del 50 % de la demanda de energía

calorífica industrial, se localiza a temperaturas hasta 250 °C. - La mayor demanda de energía calorífica se sitúa en el sector del papel y de la

alimentación. También otra parte importante está en los sectores textil y químico. - Un muy alto porcentaje de la demanda de energía calorífica a media o media-alta

temperatura también se encuentra en dichos sectores.

- En un rango de 100-200 °C, la mayoría de procesos térmicos son en alimentación y textil.

Sectores industriales y procesos óptimos para uso de energía termosolar

En estos sectores, la demanda de energía calorífica es notable y más o menos contínua a lo largo del año, además el nivel de temperatura requerido por algunos procesos es compatible con el funcionamiento eficiente de los captadores termosolares tal y como expone Vannoni C. et al. [19].

Como se ha indicado anteriormente, los sectores más interesantes son; el alimenticio, el textil, los equipos de transporte, el tratamiento de plásticos y metales, y el químico. Siendo más concretos, las áreas de aplicación con los procesos industriales más adecuados incluyen; limpieza, secado, evaporación y destilación, escaldado, pasteurización, esterilización, cocinado, pintura, fusión, y tratamiento de superficies. Entre las aplicaciones más prometedoras se encuentra la calefacción y refrigeración de las plantas industriales.

Pero, ¿por qué es más interesante su implantación en unos sectores y procesos que en otros?. La respuesta que nos da el Programa de Calentamiento Solar & Refrigeración (Task 33/Task IV; AIE) et. al. [20] es simple, siempre serán preferibles temperaturas lo más bajas posibles, procesos que requieran cantidades de energía constantes durante las horas de sol y costes de energía elevados para hacer la aplicación de energía solar económicamente viable. Además de, por supuesto, el potencial de aprovechamiento que ofrezcan los mismos. Estos procesos son:

• Limpieza: Muy común en el sector alimenticio (botellas, latas, barriles, etc.), así como en la

metalurgia. Requieren agua a temperaturas por debajo de los 100 °C o incluso de los 60

°C, además ofrecen una integración y almacenamiento de calor, en el suministro existente, muy sencillas (normalmente se dispone de tanques de almacenamiento de agua).

INTRODUCCIÓN


• Secado y evaporación: Proceso muy intenso en energía. La mayoría de los procesos de lavado, necesitan del posterior secado. Aunque el medio utilizado es el aire caliente, es viable el precalentamiento solar a través de intercambiadores.

• Pasteurización y esterilización: Demandan calor a 75 y 105 °C, respectivamente. En el sector alimenticio y de la bioquímica se presentan numerosas aplicaciones. El medio que se emplea es agua, aire o vapor.

• Calefacción de salas de producción.

• Precalentamiento del agua de alimentación a caldera.

• Refrigeración solar: Con sistemas de absorción, supone una aplicación de la energía solar muy interesante para el sector alimenticio.

Hay que tener en cuenta que, obviamente, la relevancia de cada sector, aparte del desarrollo del mercado termosolar, dependerá del perfil industrial del lugar de estudio, como nos expone Bohorquez A. et al. [1].

Prueba de ello es que Cottret N. et. al. [3] presenta que el consumo de energía en la industria en los países del Mediterráneo, presenta ligeras diferencias en cuanto a los sectores para el uso de la energía solar térmica. El sector químico y el alimenticio parecen ser los más prometedores para aplicaciones termosolares en estos países ya que representan un importante porcentaje en el consumo de energía.

Potencial de la tecnología termosolar en la industria en la Unión Europea

Según numerosos estudios, si relacionamos el potencial termosolar con la demanda de energía calorífica por países, vemos que los sistemas termosolares podrían aportar un 3-4,5 % de la demanda total de calor en la industria, en países como Austria, Italia, Portugal, Países Bajos y

España. Podemos observar en Tabla 1. 2 la demanda de energía calorífica industrial y el potencial del calor de procesos solares para los países seleccionados y para el EU25.

Veamos, como indica Vajen K. et al. [18], que el potencial teórico calculado en Alemania

(incluyendo todos los procesos industriales por debajo de 300 °C, la demanda de calefacción y agua caliente para todos los procesos industriales, excepto para productos minerales no metálicos y metales básdicos) es de 134 TWh anual.

Con el fin de calcular el potencial técnico a partir del teórico, haremos una reducción del 60 %, ya que en muchas empresas la demanda de energía calorífica puede reducirse mediante medidas de recuperación de calor e integración de procesos. Además se estima una fracción solar del 30 %. Teniendo en cuenta las cifras de las medidas de eficiencia, el área limitada y la fracción solar, el potencial técnico en Alemania se puede estimar a 16 TWh al año, o lo que es lo mismo, un 3,4 % de la demanda industrial total de calor.

Este valor absoluto de 16 TWh anual, representa, de lejos, el mayor potencial de calor termosolar de los países europeos, que requeriría para su desarrollo, captadores para 25 GWt en 35 millones m2 (estimando un rendimiento del sistema solar de 450 kWh/m2·año). Para la EU25, en torno a 110 GWt (155 millones m2) serían necesarios, lo cual supone un escenario atractivo para el mercado de los sistemas termosolares.

INTRODUCCIÓN


PAÍS

Demanda de energía calorífica industrial

Potencial de calor solar en

procesos a baja y

media T

Calor solar en procesos

/ Demanda

de energía

calorífica Industrial

Potencial en

términos de

capacidad

Potencial en

términos de sup.

del captador

Fuente de uso

de datos para los cálculos

[TWh/año] [TWh/año] [GWt]

[Millones m2]

Austria 38 1,5 3,9% 3 4,3

Eurostat energy

balances; PROMISE project

España 137 4,72 3,4% 5,5-7 8-10 POSHIP project

Portugal 25 1,11 4,4% 1,3-1,7 1,9-2,5 POSHIP project

Italia 238 8,83 3,7% 10 14,3 Eurostat energy

balances

Países Bajos

12,78 0,542 4,2% 0,5-0,7 0,8-1 -

EU25 1911,39 71,72 3,8% 100-125 143-180 Eurostat energy

balances

Tabla 1. 2: Demanda de energía calorífica industrial y potencial en la EU25. (Fuente Eurostat, POSHIP project).

Según el Task 33/IV del Programa IEA-SHC et. al. [20], las más de 85 plantas solares que se han analizado en el sector industrial con una capacidad total de 27 MWt a lo largo de 38.500 m2, demuestran una vez más que el sector con más presencia en este área es el de la industria alimenticia, seguido de la química y del transporte por lo que podemos intuir su mismo comportamiento a medio plazo. Podemos ver una muestra en la Figura 1. 8.

Según diversos análisis de la UNIDO, Taibi E. et. al. [17] los países de la OCDE junto con China, acaparan un 67 % del potencial termosolar total para procesos de calentamiento industrial para 2050, además un 46 % de ese potencial se alberga en los sectores alimenticio y del tabaco. Sostienen que hacer realidad ese potencial pasa por establecer subvenciones a las renovables y/o aranceles más elevados a los combustibles fósiles.

INTRODUCCIÓN


Figura 1. 8: Distribución de las plantas solares documentadas por sectores industriales. (Fuente: Solar Industrial Process Heat, ESTIF).

Potencial de la tecnología termosolar en la industria en India

La República de la India es el segundo país más poblado del mundo (con 1.240 millones de habitantes) y a pesar de ser una nación en vías de desarrollo se observan datos que alientan el desarrollo de una tecnología como la solar, además de encontrarse en una zona geográfica idónea para el aprovechamiento de esta. Tal y como indica el Ministerio de Energías Renovables del Gobierno de India, India consume 100 millones de toneladas de fueloil al año, de los cuales, el 40 % se destinan únicamente al sector industrial. Además un 40-50 % de ese

consumo es de forma térmica con un rango de temperatura por debajo de 250 °C (alrededor de 15 millones de toneladas de fueloil al año). Podemos imaginar pues el enorme margen de ahorro existente en cuanto a emisiones de gases de efecto invernadero.

Las aplicaciones de esta energía son principalmente; mercerizado, secado, disolución, lixiviación y destilación en la industria química, cocinado, secado y enlatado en el sector alimenticio, blanqueado y secado en el sector de la pulpa y papel, secado y limpieza en la industria del cuero, etc. Hay que mencionar que en 2009 en India, 158.000 m2 del área total de captadores instalada se empleaba para aplicaciones industriales.

El fluido de trabajo requerido para estos procesos es agua caliente a presión, vapor o aire

caliente en un rango de temperaturas de 60-250 °C. Algunos sistemas para llevar a cabo estas aplicaciones, y reducir el consumo de fueloil principalmente durante las horas diurnas, son los sistemas de calentamiento solar de agua, sistemas de generación de vapor y los sistemas de calentamiento de aire basados en diversos tipos de captadores (planos, captadores de tubo de vacío, captadores de seguimiento solar automático, etc).

INTRODUCCIÓN


1.6. ORGANIZACIÓN Y CONTENIDO

La estructura de este proyecto consta de las siguientes partes:

En primer lugar se ha incluido una introducción en la que nos situamos en el contexto energético actual, primero a nivel mundial para después introducir brevemente la energía solar térmica. A continuación se tratan los consumos por sectores, fuentes, evoluciones en el tiempo, etc. en Andalucía y a nivel nacional, posteriormente acotaremos el tema del proyecto describiendo la situación de la EST en la industria. Para terminar se realiza una revisión bibliográfica sobre tres temas destacados (la demanda de energía calorífica por rango de temperatura, los sectores y procesos óptimos para el uso de la EST, y el potencial de la EST en la industria en la UE y en países menos desarrollados como India).

A partir de este punto, comienza la segunda sección llamada “energía solar en procesos industriales”. Se comienza haciendo un amplio análisis de sectores industriales, primero por rangos de temperatura añadiendo también análisis del potencial de futuro, a continuación se focalizan los sectores industriales y sus respectivos procesos en los que se aplica la EST, concretamente nos centramos en los tres sectores más relevantes (alimenticio, pulpa y papel y químico). Seguidamente se estudian a fondo los sistemas existentes, haciendo diferentes clasificaciones según diversos criterios (tipo de integración de dichos sistemas en los procesos, distribución de sus componentes, etc.). Por último se incluyen los sistemas adicionales (opcionales), tales como el enfriamiento solar, el almacenamiento térmico, la combinación de EST y el suministro de calor convencional. Este apartado continúa con el desarrollo de los diferentes equipos existentes en la actualidad (tipos de captadores solares, características, aplicaciones, etc.) incluyendo una comparativa de todos ellos, seguido del estudio de los fluidos caloportadores y los últimos equipos desarrollados. Finalmente nos centraremos en los criterios de diseño que se han de seguir para implantar nuevas instalaciones.

El tercer apartado (“Instalaciones de energía solar en el sector industrial”) comienza con una breve introducción que presenta el panorama actual de las instalaciones,a la que le sigue un resumen de la capacidad instalada dividido por sectores, países, tipos de captadores y rango de temperaturas. Continúamos con una selección de algunos de los proyectos más representativos, primero según un criterio de capacidad instalada (16 plantas) y posteriormente destacamos algunas instalaciones innovadoras, ofreciendo información detallada de todas ellas. Acabamos este apartado estudiando las situaciones geográficas más recomendables para implantar la EST.

El cuarto apartado (“Análisis de las instalaciones”) tiene un enfoque más orientado a la importancia de la EST en términos generales, diagnosticando los impactos del uso de la misma en relación a la potencia instalada en el futuro y a las emisiones de gases de efecto invernadero. También se realiza una metodología para el estudio del potencial y la viabilidad de este recurso energético, así como la localización de las barreras presentes contra el crecimiento. Se realizan algunas consideraciones económicas, como análisis de costes marginales o de instalación, etc. para continuar con una serie de supuestos posibles escenarios de futuro, y terminar con una serie de acciones y medidas a tomas para conseguir un cambio.

El último apartado se dedica al resumen general del proyecto y a las conclusiones concretas de cada uno de los apartados desarrollados.


2. ENERGÍA SOLAR EN PROCESOS INDUSTRIALES

2.1. INTRODUCCIÓN

En España, las instalaciones de energía solar térmica han estado tradicionalmente enfocadas al suministro de energía para agua caliente sanitaria (ACS) y para el acondicionamiento de piscinas, denotándose la aplicación a los procesos industriales como bastante marginal y esporádica. En este proyecto se revisan las posibilidades tecnológicas de suministrar energía térmica a procesos industriales a través de un sistema solar, resaltando aquellas que en la actualidad se consideran económicamente interesantes.

De acuerdo con numerosos estudios, los sectores y procesos más óptimos para ser abastecidos por el calor solar, son aquellos que poseen unas determinadas condiciones favorables entre las que se encuentra la demanda de carga de energía constante a lo largo del año (con uso de almacenamiento), entre otras.

Aunque es absurdo e inexacto generalizar, cabe destacar en cuanto a presencia sobre todos los demás, el sector de la alimentación y las bebidas, el sector textil, la industria química y la de servicios. Los principales procesos ejecutados en dichas industrias son: limpieza, secado, blanqueado, pasteurización, pre-calentamiento del agua de alimentación, hervido, destilación y diversos procesos químicos.

Los procesos industriales generalmente requieren energía térmica dentro de una escala que va

desde temperaturas ambientales hasta temperaturas de más de 250 °C. Las temperaturas necesarias se ajustan con las temperaturas que el sistema solar, compuesto de captadores de placa plana o de tubo de vacío, puede alcanzar fácilmente. Más allá de los típicos procesos a

baja temperatura (hasta 80 °C) apropiados para el uso termosolar, existe también un fuerte

potencial para procesos que operan en el rango de temperatura media desde los 80 °C hasta

los 250 °C. Sin embargo en estos casos, hay una fuerte necesidad de optimización y desarrollo para los captadores de temperatura media.

Para aplicaciones que requieran un fluido a baja temperatura (menor de 100 °C), se trabaja con sistemas sin seguimiento y con pequeña/ ninguna concentración. Los sistemas con captadores de placa plana son los más utilizados, seguidos por los tubos de vacío, los captadores de baja concentración como son los cilindro-parabólicos compuestos (CPC) y los de placa plana con doble cubierta. Debido a la baja densidad energética de la radiación solar, para

niveles de temperatura por encima de los 100 °C es necesario utilizar sistemas solares de concentración, lo que implica el seguimiento del Sol. Los sistemas más adecuados para

aplicaciones de media temperatura (hasta 400 °C), utilizan captadores cilindro-parabólicos. Estos captadores redirigen la radiación solar gracias a una superficie espejada, de sección transversal parabólica, hacia el receptor. Este receptor suele ser un tubo cilíndrico por cuyo interior circula el fluido a calentar y puede llegar a tener una superficie hasta 25 veces menor que el área de captación de la energía solar (área de apertura). En aplicaciones que requieren

altas temperaturas (superiores a 400 °C), es necesario incrementar el flujo energético incidente sobre el receptor, así como reducir las pérdidas energéticas al exterior, lo que se consigue utilizando concentradores de foco puntual.

Energía Solar en Procesos Industriales


2.2. ANÁLISIS DE SECTORES INDUSTRIALES

A la hora de integrar un sistema solar a un proceso industrial hay que tener en cuenta varias consideraciones: el rango de temperaturas de trabajo, el medio de transferencia de calor a utilizar y el perfil de consumo del proceso. Al igual que se diferenciaban los diferentes sistemas solares térmicos según el nivel térmico proporcionado, los procesos industriales pueden clasificarse según el nivel de temperatura requerido (baja, media y alta temperatura), de tal forma que es este nivel de temperatura el que determina el sistema solar térmico apropiado.

Euroheat & Power establece que el 30 % de la demanda de energía calorífica industrial en una

muestra de 32 países requiere temperaturas por debajo de 100 °C y el 57 % temperaturas por

debajo de 400 °C. Además, sectores importantes, como el de la alimentación, el tabaco, los equipos de transporte y maquinaria, el textil, el de la pulpa y papel, que demandan calor a

temperaturas bajas y medias (por debajo de los 250 °C), representan aproximadamente el 60% de la demanda total. Vemos la distribución de la demanda de energía calorífica por sector en una muestra concreta de países en la Figura 2. 1.

Figura 2. 1: Demanda de energía calorífica por sector 2003. (Fuente: “Ecoheatcool Work Package 1: El mercado europeo de calor,” Euroheat & Power, 2003). Nota: 32 países: UE25 + Bulgaria, Croacia, Islandia, Noruega, Rumania, Suiza y Turquía.

RANGOS DE TEMPERATURA

Las demandas de calor industrial se caracterizan por tener una amplia diversidad respecto a los niveles de temperatura, ramas, países y suministo de energía, ya que surjen mucho procesos industriales diferentes y el suministro de energía puede diferir de un país a otro debido a las considiones locales. Algunos estudios subdividen los rangos de temperatura en estos tres:

• El nivel de baja temperatura está definido por debajo de 100 °C, correspondiente a la demanda de energía calorífica típica para la calefacción. Este calor se emplea en los procesos a baja temperatura de la industria para lavado, enjuagado, y preparación de alimentos. Parte del calor también se usa para la calefacción de edificios industriales y para preparación de agua caliente in-situ.

• El nivel de media temperatura comprende un intervalo entre 100 y 400 °C. Este calor se suministra a través de vapor como portador de calor local. El objetivo generalmente es evaporar y secar.



• El nivel de alta temperatura constituye temperaturas por encima de 400 °C. Se requiere para la fabricación de metales, cerámicas, cristal, etc. Estas temperaturas pueden alcanzarse utilizando gases de combustión, inducción eléctrica, etc.

Los procesos industriales por debajo de los 250 °C (a baja y media temperatura) son, en la actualidad, económicamente rentables y cuentan con varios ejemplos reales de instalaciones solares térmicas integradas. Bajo este límite de temperaturas, se pueden distinguir cuatro sectores industriales adecuados para la integración de calor solar. Estos sectores son: Alimentación, bebidas y tabaco (productos lácteos, conservas vegetales y frutales, preparados cárnicos, productos de bollería y pastelería, secado de productos, destilerías, etc.), Textil y cuero (teñidos, curtido, lavanderías, etc.), Industria química (cosméticos, detergentes, fármacos, etc.), Caucho y materias plásticas.

Estos sectores comparten unos mismos procesos para los que se necesita baja/media temperatura, como son la esterilización y pasteurización, secado, hidrolizado, destilación y evaporación, limpieza y lavado, etc.

La demanda de energía calorífica a media y baja temperatura tiene gran importancia y supone una mayor facilidad de implantación que la alta temperatura, la Figura 2. 2 muestra los datos de 2003 en una muestra de estudio de un grupo de 32 países europeos.

Figura 2. 2: Porción de la demanda de energía calorífica en el sector industrial de acuerdo al nivel de temperatura 2003. (Fuente: “Ecoheatcool Work Package 1: El mercado europeo de calor,” Euroheat & Power, 2003). Nota: 32 países: UE25 + Bulgaria, Croacia, Islandia, Noruega, Rumania, Suiza y Turquía.

Si nos fijamos en la demanda de energía calorífica por rango de temperatura según los diversos sectores industriales como muestra la Figura 2. 3, podemos sacar bastantes conclusiones interesantes.

Podemos observar la importancia de la media y baja temperatura en los sectores más desarrollados respecto a la demanda de energía calorífica solar como el alimenticio, tabaco o transporte; requiriéndose temperaturas más elevadas en sectores más inmaduros como el de la metalurgia.



Demanda de energía calorífica por rango de temperatura

Figura 2. 3: Porción de la demanda de energía calorífica en el sector industrial respecto al nivel de temperatura y al sector. (Fuente: “Ecoheatcool Work Package 1: El mercado europeo de calor, “Euroheat & Power, [2003]).

En el proyecto POSHIP se realizaron evaluaciones sobre los requisitos de calor en diferentes

procesos industriales especialmente en el sector industrial español. En la Figura 2. 4 podemos confirmar que el área más prometedora para la tecnología solar térmica es la alimenticia, textil y equipamiento de transporte con más de un 60 % de la energía calorífica

requerida a menos de 160 °C (llegando a ser el 100 % en el sector del transporte). El sector del vino y las bebidas es también óptimo para estas aplicaciones con alrededor del 80 % de la

demanda por debajo de los 160°C.

No obstante es interesante realizar estudios sobre la importancia de los sectores tomando diferentes rangos de temperatura debido a la gran variedad de los procesos y sus temperaturas, por ese motivo, la Figura 2. 4 nos da una información más interesante y complementaria a la clasificación en baja, media y alta temperatura de la Figura 2. 3.

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Mayor de 400°C

100°C-400°C

Menor de 100 °C



Figura 2. 4: Temperaturas requeridas en el sector industrial (datos para 34 industrias de la Península Ibérica). (Fuente: POSHIP final report [2001]).

Veamos ahora los rangos de temperaturas que presentan tres de los sectores más dominantes en cuanto a demanda de energía térmica en sus procesos en la Tabla 2. 1. Los sectores actuales más significativos, aparte de los tres que se muestran, son también los procesos simples de limpieza (lavado de coches, por ejemplo), que al ser a temperatura baja puede emplear captadores disponibles en el mercado como el captador de placa plana o el captador de tubo de vacío (muy eficientes en dicho rango).

Tabla 2. 1: Sectores industriales y procesos con el mayor potencial para uso de la energía termosolar. (Fuente: Solar Industrial Process Heat, ESTIF).



Los procesos industriales a alta temperatura (por encima de 400 °C), al igual que los de media y baja temperatura, son procesos susceptibles de ser tratados mediante calor de proceso solar, aunque su viabilidad técnica y económica se encuentra aún en fase de investigación; se han desarrollado con éxito numerosos proyectos a escala preindustrial (decenas o centenas de kW).

En la industria existen, grosso modo, 5 sectores que utilizan un alto porcentaje del calor de sus

procesos a temperaturas inferiores a 400 °C, y es, por lo tanto, muy probable que tengan un fuerte potencial para que la termosolar sacie esas necesidades. Estos sectores son: equipo de transporte, maquinaria, minería, alimentación y tabaco, y textiles y cueros.

Muchos procesos y actividades comunes a estos sectores se pueden beneficiar de la implantación de los sistemas termosolares (lavado, precalentado de agua de alimentación a calderas, etc.). El sector químico también posee grandes perspectivas, pero a escala mucho mayor. Vemos que la Figura 2. 5 explica esquemáticamente el potencial de estos 5 sectores.

Figura 2. 5: Potencial de demanda de energía calorífica en procesos de baja y media temperatura por sector. (Fuente: Renewable Energy in Industrial Applications. An assessment of the 2050 potential. 2010).

SECTORES Y PROCESOS

Los principales sectores industriales que, por sus características y altos requerimientos energéticos, pueden ser identificados como susceptibles de ser tratados mediante calor de proceso solar de alta temperatura son aquellos que por lo general implican procesos de síntesis, obtención y tratamiento de materiales, residuos o productos químicos a alta temperatura, tales como: Industria metalúrgica; Industria química; Industria cerámica; Producción de cemento, cal y yeso; Fabricación de vidrio; Tratamiento de residuos a alta temperatura. La integración del calor solar en procesos de producción industriales es un reto tanto para el ingeniero, como para el experto solar. Al aplicar calor solar hay que prestar atención a los niveles de temperatura utilizados en el sistema de suministro de calor. Otro reto es la variación con el tiempo, tanto de la disponibilidad de la energía solar, como de la demanda de energía calorífica de los procesos. Existen condiciones favorables para la energía solar térmica siempre



cuando las temperaturas sean lo más bajas posibles, los procesos requieran una cantidad constante de calor durante las horas de sol y los costes energéticos en el sistema existente sean elevados. En la Tabla 2. 2 observamos algunos sectores importantes en la industria y los respectivos procesos llevados a cabo en dichos sectores.

Tabla 2. 2: Operaciones y procesos en algunos sectores importantes. (Fuente: Solar Heat For Industrial Processes. Task 33 / Task IV; Solar Heating & Cooling Programme. IEA).

Entre los procesos industriales que requieren temperaturas medias, la desalinización y el tratamiento de agua son particularmente prometedores para el uso de energía termosolar ya que dichas aplicaciones son frecuentemente necesarias en áreas con elevada radiación solar.

Los procesos de lavado, por ejemplo, son de aplicación muy común en muchas industrias, y

para la mayoría de ellos se necesita agua a un nivel de temperatura entre 40 °C y 90 °C, que pueden suministrar fácilmente los captadores actuales de placa plana y tubo de vacío, ya que ambos sistemas operan a temperaturas similares. Las aplicaciones más comunes son, el lavado de botellas y diferentes lavados en el sector textil y del transporte.

En cuanto a los procesos de secado, la extracción de humedad de una mezcla disuelta líquido-sólida, del papel, bobinas de hilo teñido, madejas de hilo, cortes frescos de madera e incontables productos industriales, pueden lograrse mediante diversos métodos térmicos (deshumidificación con bidones, hornos, giratoria, flash y secador de pulverización), para los cuales puede emplearse la energía termosolar. Una aplicación típica es el secado de la

cosecha, que normalmente se lleva a cabo entre 30 °C y 80 °C.

Un sistema común, es el basado en aire utilizando energía termosolar (a veces mezclado con biocalor). Es un sistema creado en numerosos proyectos en los últimos años , en el que el aire



de entrada de la caldera de biomasa es calentado en la matriz de captadores solares (acristalados o no). Es un sistema económico (100 €/m2) debido a su simplicidad y a que no requiere almacenamiento. Este tipo de sistemas se han desarrollado para el secado de café, té, tabaco y maíz.

SECTORES DOMINANTES

SECTOR ALIMENTICIO

Es un sector con una enorme demanda de energía calorífica en un rango de temperaturas

hasta de 150°C. Los procesos industriales más importantes que usan calor a media temperatura son: esterilización, pasteurización, secado, hidrólisis, destilación, evaporación, lavado y limpieza.

Los sectores de la leche, la charcutería y la cerveza tienen condiciones favorables debido a su

rango de temperatura (60 °C a 180 °C) y por su elevado consumo de energía y tiempo de ejecución (característico en el almacenamiento y tratamiento de alimentos).

A continuación se muestra la Tabla 2. 3 con los principales procesos del sector alimenticio y sus correspondientes temperaturas de operación.

Tabla 2. 3: Procesos más comunes del sector alimenticio y sus correspondientes rangos de temperatura. (Fuente: Kalogirou, Soteris; The potential of solar energy in food-industry process heat applications).

Elaboración de cerveza y malta

En estos procesos la energía térmica supone un 80 % de la demanda total de energía. Los principales consumidores son la cocción del mosto, el lavado de las botellas y la pasteurización. En el proceso de elaboración de malta, el mayor consumo es para el secado de la cebada y los granos tras la germinación, para su conservación (se demanda aire caliente y frío).



Un método interesante es la recuperación de calor procedente de otros procesos para su

posterior uso en el calentamiento de agua a bajos niveles de temperatura (60-70 °C). La demanda de energía calorífica también muestra que se necesita una gran cantidad de energía

tanto en el precalentador rápido entre 70 y 73 °C, como en el calentamiento de agua del

sistema de limpieza de botellas hasta 90 °C. Para estas dos demandas, la implementación de energía solar resulta muy interesante. Sin embargo, otra fuente de energía muy potente puede ser la biomasa, gracias al sedimento que se separa de la cerveza sin fermentar en el recipiente de filtrado.

Industria láctea

Resulta una aplicación muy interesante debido a su operatividad los siete días de la semana.

En este sector, la energía térmica se utiliza en la pasteurización (60-85 °C) y en procesos de

esterilización (130-150 °C). Otro consumidor importante debido a su demanda constante de energía es el secado de la leche en polvo, la leche y el suero son secados por pulverización con aire en enormes torres.

Un par de ejemplos interesantes son las industrias Mandrekas S.A. y Mevgal S.A. (industrias lácteas en Grecia):

La primera a las afueras de Korinthos, su principal actividad es la producción de productos lácteos como; nata, yogur y leche. Se emplea vapor para una serie de procesos de la planta, incluyendo pasteuriación, esterilización, evaporación y secado, y agua caliente para mantener

el yogur a 45 °C durante su proceso de maduración. El agua caliente (15 m3/día) es el medio suministrado por el sistema solar, que consta de 170 m2 de captadores de placa plana cubiertos de pintura negra y situados en el techo de la fábrica (un circuito de bucle abierto y paralelos horizontales, un tanque de almacenamiento cerrado de 1000 L situado en la sala de calderas). El agua de suministro pasa por los tanques de almacenamiento y desde ahí alimenta a los captadores solares, donde se calienta y vuelve a los tanques de almacenamiento. El agua caliente de los depósitos va indistintamente a los lavabos de la fábrica y al proceso de maduración del yogur para volver de nuevo a los depósitos de almacenamiento. Cualquier necesidad de calor auxiliar se proporciona con los intercambiadores de calor que reciben vapor de la caldera. Los requisitos de agua caliente del proceso de maduración del yogur son mucho más bajos que la cantidad de agua caliente producida por el sistema solar, por tanto es un sistema sobredimensionado. Además, dada la baja cantidad de agua caliente necesaria por el proceso, el intercambiador de calor de vapor calienta los tanques de almacenamiento solar, reduciendo la eficiencia del sistema solar.

La segunda, una lechería a las afueras de la ciudad de Salónica, cuya actividad principal es la producción de mantequillas, quesos y suero de leche. Se necesita vapor para la pasteurización, esterilización, evaporación y secado, y agua calient para la limpieza y desinfección de los utensilios y maquinaria de la fábrica. Originalmente el vapor se obtenía mediante calderas de combustibles pesados que alimentaban intercambiadores de agua fría. Actualmente el sistema solar se emplea para precalentar el agua y calentadores de resistencia eléctrica aportan cualquier necesidad auxiliar.

SECTOR DE LA PULPA Y PAPEL Y TEXTIL

En el sector de la pulpa y papel, alrededor de dos tercios de la demanda de energía calorífica

se requiere a temperaturas superiores a 100 °C, lo cual resulta desfavorable para la tecnología termosolar estándar (puede mejorarse con tecnología de captadores avanzada). Por otro lado,

queda un tercio que se consume a temperaturas favorables (por debajo de 100 °C), para procesos de calor, agua caliente y calefacción. El precalentamiento del agua de alimentación de la caldera es una aplicación prometedora en el sector, así como el vapor que se necesita



para el secado de los productos de papel. Además la contribución del coste energético supone un 11 % del coste total de fabricación. A pesar de estos datos favorables, habría que mencionar que en el sector de la pulpa y el papel posee alguna desventaja en la implantación de plantas termosolares, ya que utilizan en la actualidad, principalmente, sistemas de recuperación de calor (pudiendo evitar así la necesidad de energía termosolar).

En cuanto al sector textil, la demanda de energía calorífica está limitada a temperaturas por

debajo de 100 °C. Los principales consumidores de calor son: el lavado (40-90 °C); el secado y

numerosos procesos de acabado como, el tintado o el blanqueo (70-100 °C) y el desencolado

(80-90 °C). Puede aproximarse que el 25-50 % del calor demandado en el sector podría cubrirse con energía termosolar.

SECTOR QUÍMICO

Un buen ejemplo de aplicación de la EST en este sector es la intalación de una planta termosolar en la compañía Keminova Italiana S.R.L. para precalentamiento de fluidos de trabajo, calentamiento de emulsiones y calefacción de la fábrica. Instalada en 2008, el campo solar se compone de 90 m2 de captadores de placa plana con una capacidad total de 63 KWt. Adicionalmente, el almacenamiento de calor se instaló con una capacidad del tanque de 5 m3. El sistema de apoyo consiste en las calderas de gas natural existentes. La mayot demanda de energía calorífica se necesita para la producción de emulsiones cosméticas y para la calefacción de las salas de producción en el periodo invernal.

La planta termosolar se integró a la central termoeléctrica de gas para la producción de agua caliente en sustitución de 4 dispositivos eléctricos empleados para el calentamiento del fluido de trabajo (demanda eléctrica para emulsiones de 24 MWh/año). El sistema solar se utiliza para calentar el medio de suministro de calor (agua) usado para precalentar los productos químicos y el agua necesaria para la producción de emulsiones. La planta solar también proporciona la energía necesaria para mantener la temperatura del proceso constante durante

la operación (a 80 °C) en lugar de la electricidad. En los días de verano el ratio solar puede alcanzar el 100 % del suministro de calor.

En general en este sector los costes energéticos suponen un 4-5 % de los costes totales de fabricación. En este caso, cuya inversión inicial se estimó en 70.000 € con una cofinanciación del 50 %, la reducción de costes de electricidad media anual se estima entorno a los 6.000 €.

2.3. SISTEMAS

Los sistemas termosolares de concentración son sistemas de aprovechamiento de la energía solar mediante la concentración de la componente directa y posterior conversión a energía térmica. Entre sus aplicaciones se encuentran: generación de electricidad, generación de calor de proceso, refrigeración por absorción, procesos químicos, etc.

En este proyecto vamos a centrarnos fundamentalmente en sistemas que produzcan: generación de vapor, que es una tecnología prometedora y muy aceptada en las industrias ya

que puede suministrar vapor a una temperatura de hasta 300 °C que es la requerida directamente en muchos procesos industriales; el calentamiento solar de agua; y el calentamiento de aire, muy útil en la industria alimenticia para el secado ya que estas

industrias generalmente demandan aire caliente a baja temperatura (50-80 °C) para secar hojas, granos de café, especias, cereales, fruta, pescados, mariscos, etc.



Una instalación solar industrial se compone de:

- Campo de captadores solares: a través del cual circula el fluido de trabajo ( agua, agua y glicol o aire).

- Un sistema de regulación (controladores): que controla la circulación dependiendo de la intensidad de la radiación solar.

- Un intercambiador de calor: que permite la transformación de energía solar para calentar líquidos, flujos de aire o para la generación de vapor.

- Un sistema de almacenamiento de calor (si es necesario).

Dependiendo de numerosos factores, como las temperaturas requeridas, los ámbitos de aplicación que estemos estudiando, etc. existen diversos tipos y clasificaciones para los sistemas termosolares. Sin embargo muchos de estos sistemas que se muestran a continuación podrán ser adaptables a mayores escalas y aplicaciones de nuestro interés como son las relacionadas con el sector industrial. Por ejemplo, para la energía solar a baja temperatura, de aplicación mayoritaria en sistemas de agua caliente sanitaria en múltiples sectores, podríamos diferenciar:

1. Según el mecanismo de circulación:

a) Sistemas termosifón: El movimiento del fluido de trabajo se produce por variaciones de densidad del fluido, como consecuencia, a su vez, de variaciones en su temperatura. Es muy importante el diseño y montaje, ya que la fuerza impulsora del movimiento en estas instalaciones es pequeña, y se debe favorecer siempre el movimiento del fluido. En aplicaciones industriales no tiene sentido hablar de sistemas por termosifón ya que los volúmenes de las instalaciones, al ser mayores, requieren circulación forzada siempre.

b) Sistemas de circulación forzada: El movimiento del fluido se realiza a través de una bomba circuladora que es capaz de establecer un caudal y vencer las pérdidas de carga del circuito. La regulación de la bomba de circulación se debe efectuar por medio de un control diferencial de temperaturas que la active cuando exista posibilidad de ganancia de energía térmica en el acumulador.

2. Según el sistema de intercambio: Pueden realizar la transferencia de calor entre el fluido que circula por el circuito primario y el fluido que circula por el circuito secundario o el contenido del acumulador solar (ubicándose en el mismo acumulador solar, como los de serpentín o doble envolvente o funcionar externamente como los de placas); o realizar la transferencia de calor entre el fluido que circula por el circuito terciario y el agua de consumo.

3. Según el sistema de expansión: El fluido del circuito primario de las instalaciones solares

se ve sometido a importantes cambios en su temperatura (bajo cero hasta más de 100 °C) que provocan variaciones de su volumen y que deben ser absorbidas mediante el sistema de expansión. Se distingue entre el sistema de expansión abierto o cerrado dependiendo de si el dispositivo que realiza esta labor está en contacto directo con la atmósfera o no. Actualmente se suelen usar los vasos de expansión cerrados ya que, aunque los abiertos están permitidos por el CTE, no es recomendable su uso en instalaciones solares.

4. Según el sistema de apoyo: Se distinguen entre sistemas instantáneos, para instalaciones pequeñas; y sistemas en acumulador auxiliar, que presenta un mejor auste en la temperatura de utilización y una disponibilidad inmediata en la capacidad acumulada.



INTEGRACIÓN DE SISTEMAS

La integración de los sistemas solares en procesos industriales no es una tarea nada sencilla y requiere un enfoque integral del sistema al completo, teniendo en cuenta numerosos parámetros: medidas de eficiencia energética, integración de procesos de recuperación de calor, y un detallado análisis de la demanda energética y de los diferentes niveles de temperatura de los procesos en el tiempo que podrían llevar a mejoras económicas, técnicas y organizacionales.

La integración solar en procesos industriales necesitan prestar especial atención a los potenciales de ahorro de energía a través de la optimización tecnológica del proceso en concreto y de la optimización del sistema de producción al completo. En general, el sistema solar solo proporcionará una parte de la demanda energética total del proceso.

Las industrias con una demanda significativa de calor, normalmente poseen una caldera central que suministra energía térmica a los diferentes procesos (se utilizan gas natural, carbón, biomasa u otros combustibles para la generación de agua caliente o vapor). El calor generado en la caldera, generalmente, alimenta la red central de distribución de calor, donde con ayuda de intercambiadores, suministra calor a los procesos con la energía térmica necesaria.

En la siguiente Ilustración (Figura 2. 6) mostramos la distribución simplificada de una industria virtual. Vemos que todos los procesos se calientan mediante un circuito de vapor con

una temperatura del caudal de 165 °C (equivalente a 7 bar). La gran mayoría de procesos tienen un intercambiador de calor y, si es necesario, una válvula reductora de presión para el vapor. El vapor condensado se recoge y se devuelve a la caldera por una línea de condensado a

una temperatura de 90 °C. Dependiendo de las condiciones de contorno respectivas, también es posible calentar un proceso directamente sin intercambiador; por ejemplo, para procesos de lavado, se puede mezclar directamente el vapor con el agua fría para alcanzar la temperatura buscada (en este caso en concreto no podría haber retorno debido al balance de masa).

Figura 2. 6: Diferencia entre nivel de suministro y nivel de procesos. (Fuente: Solar heat for industrial processes – Potential, technologies and applications; INCOSOL).

Cuando nos encontramos con sistemas de calentamiento convencionales (basados en vapor o agua caliente de la caldera), no debemos preocuparnos demasiado por la temperatura, ya que normalmente están diseñados a temperaturas mucho más elevadas que las necesarias en los

procesos (con mucha frecuencia podemos encontrarnos con temperaturas de 150-180 °C,



mientras que los procesos trabajan muy por debajo de los 100°C), sin embargo cuando hablamos de integración solar, sí debemos estar atentos a los niveles de temperatura de todo el sistema.

Existen diferentes sistemas para proporcionar calor al proceso, pero pueden concretarse en dos principales, integración a nivel del suministro o integración a nivel del proceso. Dependiendo de si la energía solar se integra en una en la caldera central o directamente actúa para calentar un proceso específico, estaremos hablando de integración del sistema a nivel del suministro o a nivel del proceso, respectivamente. Hay que decir que ambos niveles de integración tienen sus características, ventajas e inconvenientes.

A NIVEL DE SUMINISTRO

Se refiere a la integración de sistemas solares a nivel de suministro e incluye la generación y distribución de energía térmica. Se considera el modo más sencillo de integrar la energía solar en una industria, tanto por motivos de instalación como de control y requiere que el demanda de energía calorífica opere a la misma temperatura que el sistema de calentamiento existente.

El vapor se utiliza como medio de distribución de calor para temperaturas por encima de los

100 °C. Sin embargo también se pueden alimentar temperaturas hasta de 240 °C con circuitos

de agua caliente presurizada y para temperaturas por debajo de 100 °C se suelen usar ciclos de agua caliente. Dentro de esta sección se distinguen los sistemas de agua caliente presurizada y los circuitos de vapor.

Los sistemas con agua caliente presurizada consisten, básicamente, en una caldera que calienta el retorno del circuito de agua, el cual normalmente es cerrado y no permite escape alguno. El sistema de calentamiento solar puede aumentar tanto la temperatura de retorno justo antes de la entrada a la caldera por conexión en serie; o alimentar agua caliente, a la temperatura precisada, en el flujo paralelamente a la caldera.

Figura 2. 7: Componentes fundamentales de una caldera. (Fuente: Solar heat for industrial processes – Potential, technologies and applications; INCOSOL).

Hay que decir que los sistemas de generación de vapor por combustión están más extendidos en las compañías que los de agua caliente (presurizada). Como podemos ver en la Figura 2. 7, es común encontrar sistemas de condensado abiertos en las instalaciones, lo cual supone que



el condensado entre en contacto con el ambiente y requiera un posterior tratamiento (desgasificación) antes de entrar en la caldera. La desgasificación tiene lugar a presión

ambiente a 95°C o con una ligera sobrepresión a 105°C (por lo tanto se necesitará de una pequeña cantidad de vapor para calentar el condensado).

En relación a la Figura 2. 7, existen tres alternativas para integrar el sistema de calentamiento solar a nivel de suministro que ayude la generación de vapor:

1. Integración paralela de un sistema que genere y alimente vapor. 2. Sistema que aumente de la temperatura del agua de alimentación. Tras la desgasificación

el agua de alimentación puede calentarse desde los 100 °C, hasta los 150 °C (dependiendo de la presión del vapor generado en la caldera).

3. Sistema que precaliente el agua de reposición antes de entrar en el desgasificador. Esto puede realizarse siempre que haya un volumen considerable de agua de reposición.

Aparte del calentamiento del agua de reposición, todos los sistemas de integración a nivel de suministro requieren temperaturas elevadas por parte de los sistemas de calentamiento solar.

La temperatura mínima establecida por el sistema solar es de 100 °C y puede exceder

fácilmente los 200 °C. Esto dependerá de si es integración en serie o en paralelo, y de las condiciones de contorno de la generación de calor y el sistema de suministro (circuito de agua caliente o vapor, sistema de condensado abierto o cerrado, etc.). Por consiguiente este tipo de integración (a nivel de suministro) sólo debería realizarse en regiones con alto nivel de irradiación.

A NIVEL DEL PROCESO

Hablar en términos generales de la integración de sistemas de calentamiento solar a nivel de los procesos, resulta un tanto complicado ya que, difícilmente, se puede generalizar. Esto es debido a las cambiantes demandas de temperatura y características de las instalaciones.

La integración directa implica, introducir otra transferencia de calor en el área de producción si la temperatura del sistema solar difiere de la temperatura que proviene del medio de calentamiento. En esta configuración, el rendimiento del demanda de energía calorífica puede verse impulsada cuando la temperatura del proceso esté cerca de la temperatura del demanda de energía calorífica.

Figura 2. 8: Ilustración de una selección de procesos en una planta de bebidas. (Fuente: Solar heat for industrial processes – Potential, technologies and applications; INCOSOL).



La energía solar puede usarse directamente para uno o más procesos, a temperaturas por debajo de la temperatura de retorno de la red de distribución de calor. Por ello, el suministro de calor solar a nivel del proceso trata temperaturas inferiores a las de la integración a nivel de suministro.

A continuación (Figura 2. 8) vamos a mostrar el esquema de tres procesos diferentes dentro de una factoría de bebidas alimentados por un circuito de vapor con una temperatura del caudal

de 165 °C . El condensado acumulado retorna a la caldera a una temperatura media de 90 °C .

El primer proceso es el lavado de botellas para su posterior llenado, y la temperatura del vapor requerida que tiene que suministrar el sistema de calentamiento solar durante el

funcionamiento, debería ser como mínimo de 90 °C lo que supondría una temperatura de

retorno de 85 °C.

El segundo proceso necesita agua caliente para la limpieza de las instalaciones de producción.

Por tanto el agua de entrada es llevada hasta los 60-80 °C en un depósito o mediante una unidad de preparación de agua caliente. Empleando vapor como medio de distribución de calor para calentar el agua del proceso. La integración de un sistema de calentamiento solar en este caso es mucho más sencilla, pudiendo conectarse adicionalmente un intercambiador de calor al depósito. De manera alternativa, también puede calentarse el agua fría antes de su entrada en el depósito. En cualquier caso, el sistema solar puede aportar al proceso de limpieza incluso cuando la temperatura del suministro de calor esté por debajo de la temperatura de consigna del proceso.

El tercer y último proceso es la pasteurización de palés. Se colocan en una cámara en la que se inyecta vapor directamente, aumentando la temperatura del centro de las botellas hasta los

76 °C (temperatura de consigna). Tras la inyección, el vapor condensa y normalmente se drena. La única manera de materializar este proceso con energía solar es mediante la producción de vapor directo (imposible con agua caliente).

Algunos sectores industriales como el de productos alimenticios y bebidas o textil, ofrecen múltiples opciones de integración del proceso de calentamiento solar, mientras que en otras su utilización se ve limitada a sólo unos pocos procesos.

En definitiva, hay un larguísimo número de alternativas en la industria, además existen infinitas variaciones: procesos abiertos o cerrados; contínuos o discontínuos; con transferencia de calor directa o indirecta, por ello es casi imposible hacer generalizaciones. Sin embargo hay procesos, como el calentamiento de agua fría, donde el calor solar se puede integrar a temperaturas relativamente bajas en comparación con el sistema de suministro de calor.

No obstante, mientras que el hardware (sensores, controladores, etc.) está disponible, la clave reside en la configuración. La estrategia de control debe adaptarse a la demanda concreta de calor y al sistema en particular, y aquí es donde la experiencia ayudará a ir creando patrones y soluciones estándares.

TIPOS DE DISTRIBUCIONES

Veamos ahora una nueva clasificación de los sistemas genéricos, son conceptos de integración del calor solar a procesos industriales, desde una perspectiva esquemática de la distribución de los componentes (suministro de energía solar, almacenamiento y demanda):

La primera letra del normbre del sistema corresponde al almacenamiento, “S” es con almacenamiento y “N” es sin almacenamiento, lo normal es que una instalación industrial (con una cierta cantidad de demanda energética) requiera de un mínimo almacenamiento para asegurar la operatividad constante e ininterrumpida. La segunda letra corresponde a la



disposición, “S” si la fuente de energía (captador) y la red están conectados en serie y “P” si lo están en paralelo, aunque debemos saber que existen pocos tipos de distribuciones en los que nos encontremos los elementos distribuidos en paralelo. La tercera letra se refiere al tipo de proceso, “O” para procesos abiertos en los que la entrada de energía térmica al sistema es independiente de la salida y “C” para los procesos cerrados en los que se completa el circuito con una retroalimentación y de dónde el determinado proceso se abastece de energía térmica. Por último podemos encontrar las letras “HX” o no, dependiendo de si el sistema se ayuda de un intercambiador de calor para transmitir esa energía (lo común es que esté presente) o no. Seguido de estas “iniciales” vemos si el sistema emplea agua/aire o vapor como fluidos portadores (el vapor suele emplearse para altas temperaturas). Las líneas de unión entre los elementos determinan los flujos de agua caliente (rojo) o fría (azul).

Así, por ejemplo, un sistema “NSOHX steam” como el de la Figura 2. 20, será un sistema sin almacenamiento, en serie, abierto, con intercambiadores de calor y que emplea vapor como fluido caloportador.

En las figuras, el elemento que está en la parte izquierda junto al captador (con forma alargada) es el suministro de energía convencional o auxiliar, en la parte central se observa el almacenamiento (si existe) y su modo de conexión, y finalmente en la parte derecha, tenemos la demanda de calor que básicamente en el esquema nos indica si es un sistema abierto o cerrado.

1. Si el proceso es de tipo abierto:

a. Si el fluido de trabajo del captador es el medio de transferencia de calor empleado en el proceso:

i. Con almacenamiento:

1. En paralelo:

a. Agua/Aire como medio de distribución de calor:

SPO agua/aire

Suministro Almacena- Proceso

de energía miento de carga

Figura 2. 9: SPO agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional. 2. Intercambiador de calor. 3. Captador solar. 4. Sistema de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.



El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema convencional el cual suministra calor a través de un intercambiador, además existe un sistema de almacenamiento (de sales fundidas por ejemplo) que puede utilizarse convenientemente dependiendo de la demanda del proceso y de la ganancia de energía solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante directamente en el proceso deseado.

b. Vapor como medio de distribución de calor:

SPO vapor



Figura 2. 10: SPO vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005). Donde:

1. Captador solar. 2. Suministro de calor adicional en forma de vapor. 3. Tanque de almacenamiento térmico. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en paralelo con el sistema de calentamiento adicional, además posee un tanque de almacenamiento térmico. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado.

ii. Sin almacenamiento:

1. En paralelo:


NPO agua/aire



Figura 2. 11: NPO agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).



Donde:

1. Caldera convencional. 2. Intercambiador de calor. 3. Captador solar. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema de calentamiento convencional. La caldera intercambia energía con el sistema mediante un intercambiador de calor. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante directamente en el proceso deseado.


NPO vapor

Suministro Almacena- Proceso de energía miento de carga

Figura 2. 12: NPO vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Suministro de energía adicional en forma de vapor. 3. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en paralelo con el sistema de calentamiento adicional. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado. No existe almacenamiento térmico.

2. En serie:


NSO agua/aire



Figura 2. 13: NSO agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).



Donde:

1. Caldera convencional. 2. Intercambiador de calor para la caldera. 3. Captador solar. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

La única diferencia con la Figura 2. 11, es la conexión entre los suministros de energía solar y convencional, que en este caso es en serie.

b. Si el fluido de trabajo del captador NO es el medio de transferencia de calor empleado en

el proceso:


1. En paralelo:


SPOHX agua/aire


Figura 2. 14: SPOHX agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional. 2. Intercambiador de calor. 3. Captador solar. 4. Tanque de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema convencional a través de un tanque de almacenamiento, el cual posee también flujos de agua/aire fríos y calientes con el sistema solar para regular la temperatura de suministro del proceso. Existe un intercambiador de calor para el aporte de calor del sistema solar.




SPOHX vapor


Figura 2. 15: SPOHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Suministro de energía adicional. 2. Captador solar. 3. Intercambiador de calor. 4. Tanque de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en paralelo con el sistema adicional el cual suministra el calor directamente al proceso empleando un intercambiador de calor para el aporte de calor. Además se provee de un tanque de almacenamiento conectado al sistema solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado.

2. En serie:

a. Vapor como medio de distribución de calor:

SSOHX vapor



Figura 2. 16: SSOHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Intercambiador de calor. 3. Suministro de energía adicional. 4. Tanque de almacenamiento térmico.



5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en serie con el sistema adicional de suministro de energía a través de un tanque de almacenamiento conectado al sistema solar. Existe un intercambiador de calor conectado al sistema solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado.


1. En paralelo:


NPOHX agua/aire



Figura 2. 17: NPOHX agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional. 2. Captador solar. 3. Intercambiador de calor. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema convencional a través de un intercambiador de calor para el aporte de calor del sistema solar. La energía resultante en forma de agua/aire se suministra entonces al proceso. No existe almacenamiento térmico.


NPOHX vapor



Figura 2. 18: NPOHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).



Donde:

1. Captador solar. 2. Suministro de energía adicional. 3. Sistema híbrido (suministro de energía adicional e intercambiador de calor). 4. Tanque de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

Existen dos suministros de energía, siendo uno de ellos híbrido que se apoya en el sistema solar actuando como intercambiador de calor para aportar la energía resultante al sistema en paralelo. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado.

2. En serie:


NSOHX agua/aire



Figura 2. 19: NSOHX agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Intercambiador de calor. 3. Caldera convencional. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en serie con el sistema convencional a través de un intercambiador de calor para el aporte de calor del sistema solar. La energía resultante en forma de agua/aire se suministra entonces al proceso. No existe almacenamiento térmico.




NSOHX vapor


Figura 2. 20: NSOHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Intercambiador de calor. 3. Suministro de energía adicional. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en serie con el sistema convencional a través de un intercambiador de calor para el aporte de calor del sistema solar. La energía resultante en forma de vapor se suministra entonces al proceso. No existe almacenamiento térmico.

2. Si el proceso es de tipo cerrado:

a. Si el fluido de trabajo del captador es el medio de transferencia de calor empleado en el

proceso:


1. En paralelo:


SPC agua/aire



Figura 2. 21: SPC agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).



Donde:

1. Captador solar. 2. Caldera convencional. 3. Intercambiador de calor. 4. Sistema de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema convencional el cual suministra calor a través de un intercambiador, además existe un sistema de almacenamiento que puede utilizarse convenientemente dependiendo de la demanda del proceso y de la ganancia de energía solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante directamente en el proceso deseado, tras el proceso existe un flujo de retorno que hace que el sistema sea cerrado.


SPC vapor



Figura 2. 22: SPC vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Suministro de energía adicional. 3. Tanque de almacenamiento térmico. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en paralelo con el sistema adicional de suministro de energía a través de un tanque de almacenamiento conectado al sistema solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado. Tras el proceso un flujo residual de retorno vuelve al inicio del proceso, dividiéndose en el flujo de entrada del sistema solar y en el sistema adicional (sistema cerrado).


1. En paralelo:




NPC agua/aire



Figura 2. 23: NPC agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional. 2. Intercambiador de calor. 3. Captador solar. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema de calentamiento convencional. La caldera intercambia energía con el sistema mediante un intercambiador de calor. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante directamente en el proceso deseado. El flujo de retorno hace que el sistema sea cerrado.


NPC vapor



Figura 2. 24: NPC vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Suministro de energía adicional en forma de vapor. 3. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en paralelo con el sistema de calentamiento adicional. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso



deseado. No existe almacenamiento térmico. El sistema es cerrado ya que el flujo de salida del proceso vuelve completando ciclo.

b. Si el fluido de trabajo del captador NO es el medio de transferencia de calor empleado en

el proceso:


1. En paralelo:


SPCHX agua/aire



Figura 2. 25: SPCHX agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional. 2. Captador solar. 3. Intercambiador de calor. 4. Tanque de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema convencional a través de un tanque de almacenamiento. Existe un intercambiador de calor para el aporte de calor del sistema solar. El ciclo se cierra con el flujo de salida del proceso entrando en el tanque de almacenamiento térmico.




SPCHX vapor



Figura 2. 26: SPCHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005). Donde:


El suministro de energía termosolar (a alta temperatura) se conecta en paralelo con el sistema adicional de suministro de energía a través de un tanque de almacenamiento conectado al sistema solar. Existe un intercambiador de calor conectado al sistema solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado. El sistema es cerrado ya que el flujo de salida del proceso en cuestión se divide en dos flujos que entran de nuevo en el tanque de almacenamiento y en el suministro de energía adicional.

2. En serie:

a. Vapor como medio de distribución de calor:

SSCHX vapor



Figura 2. 27: SSCHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).



Donde:


Este sistema se diferencia del anterior en que el ciclo se cierra mediante el flujo de retorno conectado al sistema de almacenamiento solamente.


1. En paralelo:


NPCHX agua/aire


Figura 2. 28: NPCHX agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional. 2. Captador solar. 3. Intercambiador de calor. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en paralelo con el sistema adicional de suministro de energía. Existe un intercambiador de calor conectado al sistema solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado. El sistema es cerrado, ya que el flujo de salida del proceso en cuestión se divide en dos flujos, uno conectado al intercambiador de calor y el otro a la caldera. No existe almacenamiento térmico.




NPCHX vapor



Figura 2. 29: NPCHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Sistema híbrido (suministro de energía adicional e intercambiador de calor). 3. Suministro de energía adicional. 4. Tanque de almacenamiento térmico. 5. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

Existen dos suministros de energía, siendo uno de ellos híbrido que se apoya en el sistema solar actuando como intercambiador de calor para aportar la energía resultante al sistema en paralelo. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de vapor directamente en el proceso deseado. El flujo de salida se reinserta en el sistema, esto le convierte en un sistema cerrado.

2. En serie:


NSCHX agua/aire



Figura 2. 30: NSCHX agua/aire. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Caldera convencional.



2. Captador solar. 3. Intercambiador de calor. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

El suministro de energía termosolar se conecta en serie con el sistema adicional de suministro de energía. Existe un intercambiador de calor conectado al sistema solar. Finalmente se emplea la energía calorífica resultante en forma de agua/aire directamente en el proceso deseado. El sistema es cerrado, ya que el flujo de salida del proceso se inserta en el sistema en el intercambiador. No existe almacenamiento térmico.


NSCHX vapor


Figura 2. 31: NSCHX vapor. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV, 2005).

Donde:

1. Captador solar. 2. Intercambiador de calor. 3. Suministro de energía adicional. 4. Sistema de aplicación de la energía térmica al proceso.

La única diferencia con la Figura 2. 20 es que se trata de un sistema cerrado (la salida del proceso es la entrada del intercambiador).

SISTEMAS ADICIONALES

ENFRIAMIENTO SOLAR

La tecnología utilizada en estos sistemas, la refrigeración por absorción, se basa en la capacidad de absorber calor de ciertos pares de sustancias, como el agua y el bromuro de litio o el agua y el amoníaco. Su funcionamiento se basa en las reacciones físico-químicas entre un refrigerante y un absorbente, accionadas por una energía térmica, que en el caso de la energía solar es agua caliente. Es un proceso intensivo de energía. Las demandas de frío son más elevadas en las horas de sol y se incrementan en general durante el período de verano.

El funcionamiento de cualquier máquina de refrigeración por absorción se basa en tres fenómenos físicos elementales:

- Cuando un fluido se evapora absorbe calor y cuando se condensa cede calor. - La temperatura de ebullición de un líquido varía en función de la presión, es decir, a

medida que baja la presión, baja la temperatura de ebullición.



- Hay establecidas parejas de productos químicos que tienen cierta afinidad a la hora de disolver el uno al otro.

En el ciclo con agua y bromuro de litio como refrigerante y absorbedor respectivamente, el vapor del refrigerante liberado en el evaporador se absorbe en la solución absorbente y esta se diluye. Para recuperar el refrigerante y reconcentrar la solución, ésta se bombea al generador (concentrador), donde mediante el aporte de calor (por ejemplo energía solar) se libera el refrigerante por destilación. La solución concentrada se envía al absorbedor para volver a absorber refrigerante. El vapor refrigerante liberado en el generador a mayor presión y temperatura pasa al condensador.

Los sectores químicos, petroquímicos y, alimenticio y del tabaco son los más frecuentes con procesos de enfriamiento y en la mayoría de los casos se emplean enfriadoras eléctricas. La principal alternativa es, especialmente en el sector químico, el uso de enfriadoras de absorción alimentadas con gas natural.

Algunos datos del MECS (Encuesta Manufacturera de Consumo de Energía de la Agencia de Información de Energía de los Estados Unidos), indican que los procesos de enfriamiento reportan un 8,5 % de la demanda total de energía en la industria química global, y una 12,5 % de la demanda global de la industria petroquímica. Es improbable, sin embargo, que mucha de la demanda se satisfaga mediante enfriamiento solar, dadas las bajas temperaturas requeridas por los procesos químicos y las altas demandas de energías en procesos específicos, además de las amplias superficies de paneles solares que se necesitarían para cubrir estas necesidades.

Estos inconvenientes dejan sólo un sector con esperanzas de un buen potencial para procesos de enfriamientos solar, el sector alimenticio y del tabaco. De acuerdo con el MECS, los procesos de enfriamiento en estos sectores suponen un 27 % de la demanda eléctrica del sector y equivale a un 6 % del total de demanda de energía final.

Ya sabemos que el calentamiento solar es una tecnología comercialmente asentada y establecida para aplicaciones de calefacción y agua caliente residencial. Hasta el momento, el calentamiento solar ha estado limitado a un pequeño número de proyectos de prueba ya que no está particularmente bien adaptada a las altas temperaturas que generalmente se necesitan en aplicaciones industriales fuera del sector alimenticio. El enfriamiento solar es una tecnología emergente, aún en una fase de desarrollo más joven que la calefacción solar.

Las tecnologías de refrigeración se han empleado hasta el momento en la refrigeración de espacios, normalmente procesos a bajo cero, potenciados con enfriadoras eléctricas o quemadores de combustibles fósiles. Las tecnologías de adsorción son muy prometedoras para sistemas solares sin quemadores tradicionales y su capacidad oscila desde 5 KW hasta

600 KW con temperaturas del agua cuyos mínimos rondan los 50 °C o 60 °C.

Para sistemas con quemadores auxiliares, la ultracongelación hasta los -50 °C es posible, empleando enfriadores de absorción agua-amoníaco. Otras alternativas pueden ser los usos de captadores de alta temperatura, tales como el cilindro-parabólico (PTC) o el captador lineal Fresnel (LFC). Las compañías bien consagradas con experiencia en los sistemas termosolares de alta temperatura y enfriamiento solar como Solitem, ya están desplegando sistemas PTC de manera exitosa.

El problema de la ultracongelación mediante tecnología de concentración solar reside en que, donde la radiación solar directa es suficientemente fuerte para producir calor a alta temperatura para la enfriadora de absorción de agua-amoníaco, la temperatura exterior es también muy elevada. Cuanto mayor es la temperatura exterior, menor es el frío que se puede alcanzar, dado un salto de temperaturas máximo de 55 K.



La empresa china DY Refrigeration (ahora adquirida por la compañía canadiense Thermalfrost) se encuentra en un proceso de implementación de aplicaciones de enfriamiento solar por

debajo de los -30 °C en una planta de la industria láctea.

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TÉRMICA

La necesidad de almacenamiento de calor vendrá determinada por cada aplicación, dependerá de la curva de consumo e influirá obviamente en el coste total de la instalación.

En muchas industrias, la demanda de energía calorífica es más alta que el suministro anticipado de energía solar, de ahí que no exista la necesidad de almacenamiento. Esto puede ocurrir cuando el proceso requiera operatividad contínua y/o una carga más elevada que el suministro de calor entregado por el sistema solar. En este caso, la instalación de energía solar sigue siendo de bajo coste, evitando costes asociados al almacenamiento de calor. En tal configuración, el calor solar alimentará directamente al proceso o al suministro existente de calor.

Figura 2. 32: Esquema de un sistema solar sin almacenamiento. (Fuente: POSHIP project, final report, 2000).

Sin embargo si los procesos industriales no son constantes, debido a diversos motivos, tales como paradas en los fines de semana o la noche, se puede diseñar un sistema que almacene la energía acumulada para su uso posterior. El almacenamiento puede ser necesario también si hay fluctuaciones fuertes en la demanda de energía calorífica durante las horas de operación. En este caso, el tanque de almacenamiento se acopla al sistema solar, el cual pondrá en reserva la energía solar recogida sin usar durante los períodos de descanso del proceso y repondrá esta energía recogida al sistema durante los períodos de trabajo del proceso.

Figura 2. 33: Esquema de un sistema solar con almacenamiento. (Fuente: POSHIP project, final report, 2000).

El calor se puede almacenar en agua para las temperaturas bajas y en sales fundidas para las temperaturas altas. Por ende, el almacenamiento se utiliza para ayudar con la variabilidad del recurso solar (el factor más fluctuante de las plantas) y para proporcionar un suministro de



calor constante, lo cual permite el uso de EST en momentos del día sin radiación solar suficiente.

La integración de los sistemas de energía solar deben ser pensados dentro de un enfoque que tome en consideración medidas de eficiencia energética, de las cuales la recuperación de calor residual es una de las medidas principales. Así el calor solar debe integrarse tras un primer precalentamiento llevado a cabo por sistemas de recuperación de calor residual, y no como una alternativa a ellos. Incluso si la recuperación de calor residual incrementa la temperatura de trabajo en el sistema, la combinación de ambos sistemas produce mejores resultados que un sistema solar a una temperatura inferior sin recuperación de calor.

En definitiva, el almacenamiento de energía térmica permite la estabilización del proceso, reduce la intermitencia, aumenta el factor de capacidad, proporciona capacidad de “peak-shaving” (operación desplazada en el tiempo), reduce costes de generación (siempre que el coste del sistema de almacenamiento sea inferior al del aumento de potencia, obviamente).

Figura 2. 34: Combinación de un sistema termosolar con recuperación de calor residual. (Fuente: POSHIP project, final report, 2000).

Los tipos de almacenamiento de energía térmica son, principalmente: calor sensible, calor latente y termoquímico. Los requisitos técnicos para sustancias y componentes de un sistema de almacenamiento térmico son:

- Alta capacidad térmica específica (por unidad de masa o volumen). - Alta densidad. - Alta conductividad térmica. - Buena transferencia entre el fluido térmico de trabajo (HTF) y el medio de

almacenamiento. - Estabilidad química. - Químicamente compatible con HTF y componentes del sistema de almacenamiento. - Reversibilidad para gran número de ciclos de carga y descarga. - Bajas pérdidas térmicas. - Fácil de controlar.

Gracias a la Tabla 2. 4 podemos ver las opciones de sistemas de almacenamiento de energía térmica por calor sensible según el medio de almacenamiento.

Hasta la fecha, la mayoría de almacenajes de calor, se basan en el agua (por su relativo bajo precio) y su capacidad depende ampliamente del tamaño del depósito y de la temperatura de operación. Con el fin de expandir el uso de la energía termosolar, deben desarrollarse nuevos



conceptos y tecnologías de almacenamiento (no sólo para procesos industriales). Donde los grandes tanques de agua no sean viables, métodos termo-físicos (materiales de cambio de fase) podrían almacenar grandes cantidades de energía en el futuro y en períodos más largos que el almacenamiento de calor sensible, así como el empleo de materiales termoquímicos.

Con el objetivo de abordar el despliegue del mercado termosolar, los sistemas de almacenamiento deben ser más eficientes para períodos de tiempo mayores. La ESTTP ha identificado pues, el almacenamiento de calor avanzado como una de las claves de I+D del sector termosolar. El objetivo es almacenar más energía térmica en volúmenes más pequeños y sin pérdidas significativas. Por ejemplo, una mejora de la densidad de almacenamiento de 8 puntos en comparación con el agua, permitiría un 100 % de suministro de calor solar en los edificios sin incrementar el volumen actual de almacenamiento. Estos desarrollos beneficiarían, obviamente, otras aplicaciones como la implantación de la termosolar en procesos industriales.

Tabla 2. 4: Sistemas de almacenamiento de calor. (Fuente: Survey of thermal storage for parabolic trough power plants, Pilkington Solar Int. (2000).

COMBINACIÓN DEL SISTEMA SOLAR Y SUMINISTRO DE CALOR CONVENCIONAL

También llamado hibridación, consiste en el uso combinado de la energía solar y un combustible fósil o renovable. Las funciones principales de estos sistemas son: facilitar la operación estable de la central de energía térmica en transitorios, adaptar la generación a la demanda, mejorar el factor de capacidad, reducir el consumo de combustible fósil, el mantenimiento de la temperatura de los fluidos térmicos.

Existen diversas opciones tecnológicas para la integración de la energía solar a sistemas de suministro de calor convencional, como:

- Ciclo Rankine + Caldera de Gas Natural o Biomasa. - Ciclo combinado: Integración de la energía solar (vapor) en la caldera de recuperación o TV

(baja presión), pequeña fracción solar (<20%); o integración de la energía solar en el ciclo Brayton (alta temperatura).



En muchas factorías el sistema central de suministro de calor utiliza vapor a una presión correspondiente a la máxima temperatura requerida en los diferentes procesos. Las

temperaturas máximas suelen ser alrededor de 160-180 °C. El agua caliente o el vapor a baja temperatura también se puede utilizar para el precalentamiento de agua (u otros fluidos) utilizada en procesos (lavado, secado, etc.), para la generación de vapor o para el acople directo del sistema solar a un proceso en concreto que trabaje con temperaturas inferiores a la del sistema central. El uso de bajas temperaturas hacen aumentar la eficiencia del sistema solar. Además el sistema puede estar presurizado con el fin de permitir el almacenamiento a

temperaturas por encima de los 100 °C.

Figura 2. 35: Posibilidades de combinación del sistema solar con un suministro de calor existente. (Fuente: The potential of solar energy in food-industry process heat applications; Kalogirou Soteris).

El sistema de la Figura 2. 35 consiste en una formación de captadores, una bomba de circulación y un tanque de almacenamiento. El sistema no tiene retorno de agua caliente, que es lo que suele ocurrir en aplicaciones de la industria alimenticia. El agua caliente utilizada se repone con agua de la red, y también se mezcla con esta para obtener la temperatura requerida cuando la de almacenamiento es demasiado elevada. Si no se dispone de la temperatura adecuada en el tanque de almacenamiento, se recargará con una caldera auxiliar antes de su uso.

2.4. EQUIPOS

CAPTADOR SOLAR TÉRMICO

El principal componente de un sistema solar es el demanda de energía calorífica. El captador termosolar es un tipo de intercambiador de calor que transforma la energía de la radiación solar en energía interna del medio de transporte (energía calorífica del fluido de trabajo).

La escala de temperatura requerida determina el tipo de demanda de energía calorífica que se puede usar y cómo éste se ha de integrar con el sistema industrial existente. La eficiencia del demanda de energía calorífica disminuye a medida que la temperatura del fluido que se usa en el proceso (agua, glicol, aceite, etc.) incrementa, o cuando la radiación solar disponible disminuye.



Los captadores termosolares pueden clasificarse según 5 características: el movimiento del sistema, el tipo de captador, el tipo de absorbedor, la característica concentradora o no concentradora del sistema y el rango de temperatura emitido.

Centrándonos en el tipo de absorbedor empleado para obtener el calor de los rayos solares, existen 3 tipos diferentes: planos, tubulares o puntuales. Los primeros se usan en paneles que aprovechan la radiación directa y difusa, mientras que los tubulares y puntuales se utilizan en sistemas de concentración (energía solar a alta temperatura). Tipos de captadores según el movimiento del sistema:

ESTACIONARIO

Son fijos y no necesitan ningún otro mecanismo para seguir el trayecto del sol. El calor

producido por estos captadores alcanza temperaturas bajas y medias de hasta 150 °C y se ha conseguido desarrollarlos con una buena relación coste-rendimiento. Los más comunes por orden son:

Captador plano (CP o FPC)

Figura 2. 36: Imagen de un captador plano y sus principales componentes. (Fuente: Agencia Andaluza de la Energía).

Es la tecnología más sencilla para transformar la energía solar en calor. El fluido que circula por el absorbedor es principalmente agua que muchas veces se mezcla con aditivos (glicol, por ejemplo, aunque dependiendo de las temperaturas necesarias se usan diferentes productos) para evitar la congelación o daños por corrosión. Se puede alcanzar una buena eficiencia hasta

temperaturas de 100 °C, utilizando superficies selectivas, cristales con elevada transmisividad y combinado a veces con recubrimiento anti-reflectante. Además es el tipo de captador más económico.

Cuando se expone una placa metálica al Sol, se calienta, pero si además esta placa es negra, la energía radiante de Sol es absorbida en mayor medida (existen tratamientos superficiales más sofisticados que la pintura negra, que logran mejores rendimientos de la captación solar). Como consecuencia del calentamiento de la placa, ésta aumenta su temperatura con lo cual empieza a perder calor por los distintos mecanismos: por conducción a través de los soportes que lo sujetan, por convección a través del aire que le rodea y por radiación.

Si se coloca un vidrio entre la placa absorbedora y el Sol ocurre que, como el vidrio es transparente a la radiación solar pero es opaco a la radiación infrarroja (superficies selectivas), no deja pasar la radiación de mayor longitud de onda que emite la placa al calentarse. De esta



manera, se produce el efecto “trampa energética de radiaciones” que impide que la mayor parte de la energía radiante que ha atravesado el vidrio vuelva a salir; esta trampa constituye el denominado efecto invernadero.

Además el vidrio evita el contacto directo de la placa con el aire ambiente con lo que se evitarán las pérdidas por convección antes referidas. Si se completa el conjunto de la placa absorbedora con el vidrio aislándolo por la parte posterior y por los laterales se consigue que la placa pierda menos calor y, por tanto, aumente su temperatura. Todo el conjunto anterior, encerrado en una caja para sujetar todos los componentes y evitar que se deterioren por los agentes exteriores constituyen el captador solar plano.

Captadores planos sin cubierta

Conformadas por un arreglo de tubos por donde circula un fluido de trabajo, comúnmente agua. Se utiliza en en el calentamiento de agua para aplicaciones simples, ya que en general son captadores que funcionan a un bajo rango de temperatura (10-40 °C).

Su eficiencia de conversión es variable, la que disminuye a mayor diferencia de temperatura entre el medio ambiente y el captador, pero aumenta ante mejores condiciones de radiación. Con 400 W/m2 y una diferencia de temperatura entre el medio ambiente y el captador de

20°C, para esta tecnología se logra un eficiencia de 50 % y con una diferencia de temperatura

de 40°C, ésta decae a 20 %.

Los componentes principales de este tipo de sistemas son las placas absorbentes de energía, los tubos, generalmente de PVC, a través de trabajo, que son de fácil instalación pero a la vez de menor vida útil y el sistema de acumulación de energía. Es una tecnología de instalación y mantención sencilla y mientras haya radiación solar incidente con poca obstrucción, no se requiere nada adicional para su implementación. El desarrollo de la tecnología ha alcanzado ya el uso comercial, por lo que en el mundo existen diversos sistemas de este tipo implementados, no obstante el principal uso potencial para este tipo de captadores es el calentamiento de agua para piscinas. Podemos decir que esta tacnología no tiene grandes posibilidades de aplicación en la industria.

Captador de tubo de vacío (CTV o ETC)

Figura 2. 37: Imagen de un captador de tubo de vacío. (Fuente: http://greenterrafirma.com).



Son también bastante comunes y alcanza temperaturas más altas que los CP, en un rango de

50 °C a 130 °C. También pertenecen a la categoría de sistema estacionario y absorben radiación directa y difusa, utilizando un absorbedor plano.

Se compone de múltiples tubos de vidrio de vacío que contienen una placa absorbedora fundida a un tubo de calor. El calor del extremo caliente del tubo se transfiere al fluido de transferencia (agua o glicol) de un sistema de agua caliente o de calefacción de espacio hidrónico a través de un “captador”, que para protegerlo de los elementos está envuelto en aisladores y cubierto por láminas de metal o por una caja de plástico. La forma del cristal siempre es de tubo, con el fin de resistir la tensión del vacío.

El vacío que rodea el exterior del tubo reduce en gran medida la pérdida de calor por convención y conducción por lo cual resulta más eficiente que el CP, particularmente, en condiciones más frías. Esta ventaja se pierde drásticamente en los climas más cálidos, excepto en aquellos casos donde se requiera agua muy caliente.

Este tipo de captadores tienen unos elementos de bario llamados “getters”, cuya función es mantener el vacío en el interior del tubo y ofrecer un indicador visual del estado del vacío. El color plateado del bario se volverá blanco en caso de alguna presencia de aire, mostrando un mal funcionamiento del tubo.

Hay dos categorías de tubos de vacío:

• Principio de flujo directo: El fluido de trabajo del bucle del captador, fluye directamente a través del absorbedor por el tubo coaxial.

Existen muchas disposiciones posibles para los captadores de tubo de vacío. Una de ellas es similar al captador de placa plana, con el fluido de trabajo atravesando el tubo del captador. Otra configuración consiste en que sólo la salida de fluido esté conectada con el absorbedor, ya que el fluido de trabajo que se está calentando pasa por el centro del tubo absorbedor, y la tubería para la entrada de fluido está situada dentro del tubo de salida del fluido. La principal ventaja de la segunda configuración es, que permite su instalación a cualquier ángulo de inclinación deseado. Se están llevando a cabo nuevos desarrollos, como el tubo Lenz, para mejorar la transferencia de calor.

• Principio de tubos de calor: El calor del absorbedor se transfiere al fluido de transferencia de calor del bucle del captador mediante un sistema de tuberías de calor.

Se diferencia del anterior porque el fluido caloportador no está conectado al bucle solar. Las tuberías deben estar anguladas a unos grados esècíficos sobre la horizontal para que el proceso de vaporización y condensación funcione correctamente. Los captadores se pueden conectar de dos modos al sistema de circulación solar; un modo es con el intercambiador de calor prolongado directamente en el captador (“conexión húmeda”), o conectado al captador por un material conductor de calor (“conexión seca”). Una “conexión seca” permite el cambio individual de los tubos sin necesidad de vaciar el sistema al completo del fluido.

Captador Parabólico Compuesto (CPC)

Están concebidos para reducir las pérdidas de calor del demanda de energía calorífica mediante la reducción del área del absorbedor respecto al área de recolección, ya que las pérdidas son proporcionales al área del absorbedor y no al área de apertura.

Está formado por dos superficies parabólicas con el mismo centro. La concentración se obtiene empleando reflectores que fuerzan la incidencia de la radiación en un ángulo concreto de la



apertura del captador en dirección al absorbedor tubular. Un tubo de absorción se fija en este centro para transportar en forma de calor la energía solar recibida por la superficie del tubo. El CPC concentra la radiación solar sobre el centro y puede recibir también la radiación difusa, dependiendo del ángulo de aceptación. Aunque esta característica permite que el captador produzca calor incluso durante un día nublado, la absorción se limita a la superficie cilíndrica de los tubos.

Figura 2. 38: Imagen de un captador de parabólico compuesto. (Fuente: www.e-education.psu.edu).

Los CPC son candidatos naturales a cerrar la brecha entre el campo de aplicación de las bajas

temperaturas (T < 80 °C) y el campo de aplicación de temperaturas mucho más elevadas

basadas en concentradores (T > 200°C).

Los concentradores CPC pueden diseñarse para diferentes niveles de concentración (bajo o alto) dependiendo de los ángulos de aceptación. Estos concentradores pueden ser estacionarios con ajustes de inclinación temporales.

Existen numerosos tipos de captadores CPC:

• Baja concentración: Los captadores CPC sin vacío que pueden generar hasta 100 °C; y los

captadores CPC de vacío que alcanzan hasta los 200 °C.

• Alta concentración: Algunos captadores del mercado actual utilizan este concepto, donde una segunda fase de concentradores CPC concentra la radiación emergente de una línea primaria de concentradores de tipo Fresnel.

NO ESTACIONARIO

Utilizan mecanismos para seguir la trayectoria del sol. Los hay con un solo eje de giro con seguimiento este-oeste o norte-sur, y también de dos ejes que poseen dos grados de libertad que actúan como ejes de rotación. El calor producido por estos captadores alcanza

temperaturas medias y altas de hasta 300 °C. Los más comunes son:

Captador Cilindro-Parabólico (CCP)

El captador cilindro parabólico tiene un solo eje y se utiliza tanto para la producción de EST como para la generación de electricidad. Los captadores con forma parabólica a lo largo del tubo absorbedor, recorren la longitud del cilindro y concentran la radiación solar directa sobre un receptor (que consta de un tubo absorbedor con un área generalmente 25 a 35 veces más pequeña que la abertura, de aproximadamente 6 metros) ubicado en la línea focal de la parábola.



La superficie reflectante es, normalmente una lámina de aluminio o un recubrimiento reflector sobre la sección de cristal curvado que forma la parábola.

Figura 2. 39: Imagen de un captador de cilindro-parabólico. (Fuente: http://energiaunam. wordpress.com).

Figura 2. 40: Diagrama de funcionamiento de un captador cilindro-parabólico. (Fuente: DLR).

Los fluidos de calefacción, típicamente agua y aceite térmico, circulan por una tubería absorbente. El bajo coeficiente de pérdida de calor hace que este captador sea eficiente para aplicaciones que requieren altas temperaturas. Se suelen necesitar para procesos con

temperaturas entre 120 °C y 250 °C empleando como portadores de calor tanto aceite como agua a presión o vapor.

Al contrario de los captadores estacionarios, los cilindros parabólicos no pueden usar la radiación difusa (DFI por sus siglas en inglés); sin embargo, debido a su mecanismo para seguir al sol, son más eficientes para aprovechar del uso de la radiación directa normal (RDN).

Estos captadores se pueden orientar de manera norte-sur (a lo largo de su eje longitudinal) o este-oeste; la primera disposición requiere un seguimiento de la trayectoria del sol para su correcto funcionamiento sin necesidad de ningún ajuste estacional.

Suponen la tecnología de concentración solar más madura para generar calor a temperaturas

de hasta 450 °C para la generación de electricidad o para procesos de calentamiento. Los CCP pueden operar mediante dos modos:



• Modo Indirecto: El medio de transferencia de calor (normalmente aceite térmico), no se evapora en el campo de captadores.

• Modo Directo: Se genera vapor directamente en el campo de captadores. El reto principal de esta modalidad es la congelación del medio de transferencia (normalmente agua).

Captador Fresnel

Figura 2. 41 Concentrador Fresnel. (Fuente: www.es.lowtechmagazine.com).

El captador Fresnel de concentración lineal está formado por una matriz de tiras de espejo (normalmente planos) que realizan un seguimiento uni-axial, el cual permite que estas tiras reflejen la RDN hacia un receptor térmico estacionario situado a lo largo del captador. El receptor utiliza un tubo absorbedor con un concentrador secundario. Al igual que el cilindro-parabólico, estos reflectores normalmente se diseñan para seguir la trayectoria del sol a través de un eje orientado bien norte-sur, o bien, este-oeste.

Aunque este tipo de captador fue desarrollado para la generación de energía solar térmica a gran escala, la escala para la generación de calor del proceso industrial se puede reducir. Estos captadores pueden emplearse para procesos inicialmente con una capacidad térmica de 50 KW e incrementarla hasta varios MW.

Figura 2. 42: Concentrador Fresnel con dos receptores paralelos. (Fuente: Grupo de Investigación de Termodinámica y Energías Renovables, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla).

Geométricamente, los concentradores ideales son de superficie contínua, pero es difícil construir concentradores o lentes de superficie contínua de grandes dimensiones. Pueden aproximarse mediante elementos más pequeños distribuidos en un plano. Poseen un ratio de

concentración muy elevado, por lo que se pueden alcanzar temperaturas entorno a los 400 °C.



El captador Fresnel se monta fácilmente en techos planos y ofrece buena distribución del peso y baja resistencia al viento. Con esta configuración los captadores ocupan poco espacio y se colocan en zonas más cercanas a la demanda. Otras ventajas son que no existen uniones móviles en el circuitos del fluido, que el receptor y concentrador no están acoplados mecánicamente o que suponen un excelente aprovechamiento del terreno. Esta opción constituye una alternativa de bajo coste al captador de canal parabólico.

Por el contrario, puede presentar bajas concentraciones, por tanto temperaturas máximas limitadas, lo que lleven a obtener bajos rendimientos en comparación con otros captadores. Para un uso más eficiente del terreno se pueden llevar a cabo configuraciones con dos receptores paralelos.

Torre Solar (Campo de Helióstatos)

Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica, con un rango de potencia estimado entre 10 y 50 MW. Las torres solares, o sistemas de recepción central (CRS por sus siglas en inglés), utilizan cientos de miles de reflectores pequeños para concentrar los rayos solares en un receptor central ubicado en lo alto de una torre fija. Algunas plantas de torre comerciales en operación utilizan generación directa de vapor en sus receptores, mientras que otras utilizan sales “molten” como el fluido de transferencia de calor y el medio de almacenamiento. El poder de concentración del concepto de torre alcanza temperaturas sumamente altas, aumentando así la eficiencia por la cual el calor es convertido en electricidad y reduciendo los costos de almacenamiento térmico. Además, el diseño es altamente flexible, permitiendo a diseñadores escoger entre una gran variedad de helióstatos, receptores, fluidos de transferencia y bloques de poder. Algunas plantas cuentan con varias torres que alimentan un bloque de potencia.

Figura 2. 43: Imagen esquemática del funcionamiento de un campo de helióstatos solares concentradores. (Fuente: Estela Solar).

Funciona a través de la concentración de los rayos solares en la parte superior de una torre fija, lo que permite mayores temperaturas y eficiencias que los sistemas lineales. Pueden generar vapor saturado o sobresaturado directamente o utilizar sales fundidas, aire u otro fluido. Hoy en día, los campos solares de miles de pequeños helióstatos son una alternativa de menor costo para el diseño de campos, aunque cuentan con la complejidad adicional asociada al sistema de seguimiento de espejos y los sistemas de emergencia para los cambios de temperatura del receptor. El mantenimiento del sistema puede producir algunos residuos menores o cambios en condiciones naturales de escurrimientos de agua.



Figura 2. 44: Imagen de un espejo helióstato con seguimiento solar a dos ejes. (Fuente: SolarPaces).

Las partes básicas que conforman el sistema son los espejos, la torre de concentración, el sistema de conversión de energía térmica en eléctrica, el sistema de enfriamiento y el fluido de trabajo. El factor de planta se proyecta cercano al 60 % para casos de almacenamiento térmico, y entre 35-38 % sin almacenamiento, mientras la eficiencia en la conversión en la actualidad se encuentra del orden de 20-35 %. Las torres que alimentan con aire a turbinas a gas en una planta de ciclo combinado pueden ofrecer eficiencias del orden del 35 %. El capital necesario para instalar una torre se puede considerar aproximadamente 4.000 USD/KW con almacenamiento mínimo y 7.000 USD/KW con mayor nivel de almacenamiento y factor de planta de 70 %. En términos de operación y mantenimiento, según datos del año 2008, los costos son de 66 USD/kW·año. El costo medio de la energía es cercano a 17,4 cent. USD/kWh.

Figura 2. 45: Imagen aérea de una central termosolar que emplea un campo de helióstatos, Proyecto Solar “Solar Two”). (Fuente: SolarPaces).

Actualmente, existen una serie de diseños diferentes, en particular para el fluido de transferencia de calor, conservación de éste y ciclos termodinámicos. Las perspectivas a futuro indican que los principales diseños están siendo propuestos considerando una o varias torres y alternativas de diseños de receptores, así como diversas opciones de fluidos transportadores de calor y sistemas de almacenamiento. La tecnología aún no alcanza la madurez que permita



obtener mejores rendimientos en el aprovechamiento de la energía, lo que impacta en el aumento en los costos por generación de electricidad.

Un país líder es España, por sus dos plantas de Sevilla: el PS10 de 11 MW y el PS20 de 20 MW. Otros proyectos mayores se están desarrollando en Sudáfrica, Israel y el oeste de EEUU.

Discos Parabólicos

Los discos parabólicos concentran los rayos solares hacia un punto focal ubicado en sus centro. El aparato completo sigue al sol, con el disco y el receptor moviéndose en conjunto ofreciendo la mayor eficiencia en sistemas de baja capacidad de generación (decenas de kW). El calor es absorbido en un motor termodinámico que produce electricidad a partir de él, tipo Stirling de alta eficiencia con hidrógeno o helio y que cuenta con un sistema de enfriamiento que usa un fluido que trabaja en ciclo cerrado. La mayoría de los discos cuentan con un motor/generador independiente en el punto focal. Este diseño elimina la necesidad de un fluido de transferencia y de agua de enfriamiento. Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica, con un rango de potencia estimado entre 10 y 25 kW por unidad.

Figura 2. 46: Disco parabólico de concentración solar en un foco puntual. (Fuente: Estela Solar).

Los discos ofrecen el mejor desempeño de conversión solar a electricidad de cualquier sistema de CSP (Concentrating Solar Power). Una serie de características, como su tamaño compacto, ausencia de agua de enfriamiento, entre otras, los ponen en competencia con módulos fotovoltaicos, así como también con otras tecnologías CSP. La producción en masa permite ser una tecnología competitiva con sistemas de mayor capacidad, con el beneficio de las economías de escala.

Para su instalación requiere superficies de tierras entre 1,2 y 1,6 hectáreas/MW. No necesita agua, salvo para lavar los espejos. No hay piezas que se utilicen únicamente para esta tecnología, y como cualquier diseño, requiere analizar aspectos como instalación, manufactura, ubicación de espejos, soportes, algoritmos de control, entre otros. El factor de planta se proyecta en 50-60 % en el corto plazo, mientras que la eficiencia en la conversión se encuentra alrededor de 25-30 %. El costo de inversión de una planta de este tipo es de alrededor de 10.000 USD/kW, con un costo de operación y mantenimiento estimado en 48,2 USD/KW al año. El costo medio de la energía es cercano a 28,3 cent. USD por kWh.La introducción de tuberías receptoras de calor independiente para cada unidad supone un aumento en la eficiencia estimada en alrededor de 10 %. Es una tecnología que se encuentra en etapa de desarrollo y mejoramiento, y tiene prácticamente en funcionamiento sólo plantas



piloto, aunque algunos sistemas llevan 20 años en pruebas sin grandes pérdidas en su rendimiento.

Algunos países, como EEUU y otros países de Europa, poseen plantas piloto en operación, como la de Sandia National Laboratories en Nuevo México. Hay una planta de generación comercial en Maricopa, Arizona, con 60 discos que generan 1,5 MW. También en Odeillo, Francia, existe un disco parabólico de 52 kWh.

Hornos solares

Los hornos solares constituyen una variante que toma elementos de los dos sistemas anteriores, con el fin de lograr una concentración muy alta en una superficie relativamente pequeña. En ellos, un campo de helióstatos planos refleja los rayos solares paralelos y horizontales sobre un disco parabólico estático, el cual los vuelve a reflejar concentrándolos en su foco donde está situada el área de ensayos. La cantidad de luz incidente se regula mediante el atenuador de flujo, situado entre el concentrador y el helióstato.

Estos sistemas, por sus características, pueden alcanzar concentraciones equivalentes a una

temperatura de 3.500 °C, siendo especialmente adecuados para procesos que requieran

temperaturas muy elevadas (superiores a los 1.000 °C) y también para aquellos en los que el aporte energético sea necesario en forma de choque térmico. El campo de aplicación de los hornos solares comprende principalmente el tratamiento de materiales, tanto en condiciones ambientales como en atmósferas controladas y vacío, y los procesos químicos, mediante receptores conectados a reactores químicos, siendo el abanico de aplicaciones de estos sistemas cada vez más amplio.

COMPARATIVA Y CONCLUSIONES

El pequeño esquema de la Tabla 2. 5 resume las características de los captadores termosolares. Los captadores de tubo evacuado tienen una gran presencia en el mercado, de hecho, numerosos fabricantes comercializan este tipo de captadores con reflectores CPC. Recientemente, un fabricante presentó un captador de tubo de vacío entero de cristal, lo cual puede suponer un paso hacia la reducción de costes y el aumento de la vida útil. Estos captadores han demostrado que con una combinación de superficie selectiva y reducción de convección pueden alcanzar buenos rendimientos a temperaturas elevadas. El recubrimiento de vacío reduce las pérdidas por convección y conducción por lo que se puede operar a una temperatura más elevada que en los captadores planos.

Al igual que los planos, los captadores de tubo de vacío recogen la radiación directa y difusa, sin embargo su eficiencia es más elevada con bajos ángulos de incidencia. Este efecto da ventaja a los captadores de tubo evacuado frente a los captadores planos en cuanto a rendimiento a lo largo del día.

Para tener una idea del coste económico de las tecnología más presentes, veamos los precios estimados (con el montaje y la red de tuberías incluida) de algunas de estas tecnologías:

- Captador Plano: 190 €/m2. - Captador Plano Avanzado (AFP): 220 €/m2. - Captador Parabólico Compuesto: 310 €/m2. - Captador de Tubo de Vacío: 430 €/m2.



Movimiento Tipo de captador

Tipo de absorbedor

Concentración Rango de temperaturas (ºC)

Estacionario

Captador de Placa Plana Plano No 30-80

Captador de Tubo de Vacío Plano No 50-130

Captador Parabólico Compuesto Tubular Sí 80-200

Seguimiento eje único

Reflector lineal Fresnel Tubular Sí 60-400

Captador cilindro-parabólico Tubular Sí 100-450

Seguimiento a dos ejes

Reflector Disco Parabólico Puntual Sí 100-500

Captador Campo de Helióstatos Puntual Sí 150-2000

Tabla 2. 5: Tipos de captadores y sus características. (Fuente: COTTRET, Nicolas. MENICHETTI, Emanuela; Technical Study Report on Solar Heat For Industrial Processes).

La ganacia energética anual de estos sistemas, en un lugar con condiciones climáticas similares

a Sevilla (37° Latitud Norte y 5 kWh/m2), se encuentra entre 620 y 915 kWh/m2·año, y los costes energéticos resultantes obtenidos oscilan entre 0,028 y 0,05 €/kWh dependiendo del tipo de captador empleado.

Los captadores planos selectivos son los captadores solares térmicos más comunes en la industria (alrededor del 70%). Los captadores cilindro-parabólicos son relevantes en cuanto a capacidad instalada (14,5%). Estos captadores disponibles comercialmente, están condicionados a un cierto tamaño de planta mínimo (100-200 KWt) por razones económicas.

Alrededor del 80% de las plantas (en relación a un estudio de IEA-SHC) suministran calor por

debajo de 100 °C: la mayor parte son sistemas con CP o CTV que funcionan a 60-100 °C. En el

rango 100-160 °C sólo existen en operación instalaciones con CTV, mientras que por encima de

160 °C principalmente se utilizan CCP para producción de vapor o refrigeración con máquinas de absorción de doble efecto.

El rango de potencia es variable en estas tecnologías, existiendo sistemas que pueden generar desde 10 kW de potencia hasta proyectos sobre los 200 MW, permitiendo abastecer una amplia gama de demandas y hasta conectarse a la red local de distribución. El factor de planta en la actualidad es cercano al 30%, con posibilidades de duplicarlos mediante sistemas de almacenamiento térmico. Respecto de la eficiencia de conversión, esta se encuentra entre 15-35 % dependiendo de la tecnología específica de que se trate.

Las principales barreras que deben enfrentar las tecnologías CSP tienen relación con el bajo costo de los combustibles fósiles (en especial en países que, por medio de subsidios, mantienen valores de estos combustibles menores a los globales) la escasez de agua, los



permisos y acceso a la red, pues muchas veces los lugares óptimos que cuentan con agua y radiación solar se encuentran alejados de los puntos de consumo.

Una vez estudiado el perfil de temperaturas requerido en la industria en el futuro, podemos intuir que la mayoría de la demanda de energía calorífica para los procesos se puede cubrir empleando captadores de bajo coste, como el de placa plana o captadores de tubo de vacío. Solamente el 8% de la energía termosolar estimada en 2050 (5,6 EJ/año), exigirá el uso de tecnología CSP, el resto puede lograrse empleando captadores de placa plana y de tubo evacuado.

FLUIDO DE TRABAJO

Es otra de las importantes características de un sistema termosolar. Los fluidos de trabajo comunmente usados son el agua (a veces con glicol añadido para evitar la congelación) y el aire. El aire tiene características térmicas con el absorbedor solar más pobres que un sistema funcionando con líquido como fluido de trabajo. No obstante, el fuido de trabajo se elegirá dependiendo de la aplicación (por ejemplo, aire para la calefacción o el secado, líquido para aplicaciones con agua caliente, o incluso aceites especiales para aplicaciones de alta

temperatura por sus mejores características térmicas). La Tabla 2. 6 nos hace un resumen esquemático sobre el uso de aire o líquido como fluido de trabajo.

Tabla 2. 6: Comparativa entre sistemas de aire y líquido. (Fuente: COTTRET, Nicolas. MENICHETTI, Emanuela; Technical Study Report on Solar Heat For Industrial Processes).

CONTROLADORES

Como el cerebro del sistema, la función clave de un controlador es monitorizar las temperaturas y controlar las bombas asegurando que cualquier energía solar disponible se entrega al sistema de calor.

Hasta ahora, no hay controladores estándar para la energía solar térmica en procesos industriales debido a la variedad de los procesos industriales, que hacen esta estandarización my compleja. Numerosos sensores y controladores están disponibles en el mercado, pero el



desafío clave es la configuración del sistema de control: la estrategia de control debe ajustarse al sistema en concreto y su demanda de energía calorífica.

Como una cuestión de hecho, el desarrollo de cada vez mayor número de proyectos piloto permitirán desarrollar una mejor práctica de las directrices y definir sistemas de control más estandarizados para aplicaciones de la energía solar térmica a procesos industriales.

NUEVOS DESARROLLOS

CAPTADORES DE MEDIA TEMPERATURA

Esta nueva designación se utiliza para identificar los captadores con un rango de temperaturas

de operación elevado (entre 80 y 250 °C). El objetivo del Programa de Calefacción Solar y Refrigeración de la Agencia Internacional de la Energía (IEA-SHC) es desarrollar captadores aptos para aplicaciones en este intervalo de temperaturas, ya que hasta ahora hay una experiencia muy limitada. No obstante hay que realizar ajustes para el rango de temperatura media (se está llevando a cabo este desarrollo en España, Austria y Alemania). Pueden presentarse tres categorías o posibilidades:

• Captadores de placa plana mejorados: Para aplicaciones con temperaturas entre 80°C y

120°C existen muchas posibilidades de desarrollo del captador de placa plana. Para conseguirlo, es necesario disminuir las pérdidas de calor sin sacrificar demasiado el rendimiento óptico. Una mejora es el acristalamiento doble del captador con cristales anti-reflexión, el sellado hermético con relleno de gases inertes entre los paneles para reducir

la conductividad térmica, o la combinación de ambas. Podemos observar en la Figura 2. 47 un aumento de la transmisividad de energía de un 5 % con cristales antirreflexión en el captador.

Figura 2. 47: Comparativa de captadores de placa plana estándares y mejorados. (Fuente: AEE Institute for Sustainable Technologies).

• Captadores estacionarios de baja concentración: Una posibilidad importante de desarrollar este tipo de captadores es, reducir las pérdidas de calor por concentración. Por ejemplo en Portugal se está desarrollando un tipo de captador CPC estacionario sin vacío para aplicaciones de temperatura media (el factor de concentración es alrededor de 2), cuyas aletas absorben por ambas caras. Puede realizarse con los de placa plana y los de tubo evacuado. Otros son los tipo MaReCos (maximum reflector collectors).

• Pequeños captadores cilindro-parabólicos: Muy interesante especialmente para un rango



de temperaturas entre 150 °C y 250 °C. La abertura del cilindro es más baja y está comprendida entre 50 centímetros y 2,3 metros. Una de las principales ventajas de estos captadores en comparación con los empleados en la generación de energía es que son mucho más ligeros y fáciles de instalar (pueden colocarse incluso en tejados). Existe mucha experiencia disponible desde las aplicaciones de alta temperatura, donde los captadores

cilindro-parabólicos operan a 400-600 °C para la producción de energía eléctrica.

Actualmente hay, al menos, 7 tipos de captadores de concentración en desarrollo. De alcanzarse el éxito, se harían posibles muchos nuevos procesos en la industria. Los parámetros característicos han de ser fiables y lo suficientemente adecuados como para tener en cuenta las diferencias tecnológicas de los posibles conceptos, ya que las instalaciones de ensayo

necesitan adaptarse para temperaturas de operación de hasta 250 °C.

Están apareciendo en el mercado otros nuevos desarrollos para captadores de concentración solar, enfocados a nichos o necesidades específicas. Algunos de ellos pueden integrarse en

estructuras de tejados, produciendo incrementos de temperatura de más de 200 °C con una eficiencia del 60 %, como el diseño “chromasun”. Otros, sin embargo, permiten la producción combinada de electricidad, calor, desalinización y aire acondicionado a nivel del hogar.

Son captadores de concentración más elevada, por lo que requieren, al menos, seguimiento solar de un eje. La mayoría de los nuevos desarrollos utilizan espejos parabólicos para concentrar la luz solar en el receptor; otros utilizan el principio de Fresnel para alcanzar un efecto similar.

En el ámbito de los concentradores solares, todas las tecnologías utilizan una de una limitada serie de diseños ópticos disponibles. El diseño Cassegrain (Schmidt-Cassegrain, Maksutov-Cassegrain), que concentra intensamente la luz, aún no ha penetrado en el mercado de la termosolar a pesar de ser muy común en el sector de la astronomía. Un diseño similar se ha implementado recientemente en Canadá y ha sido patentado como “Sistema de Doble Espejo

Kinley”. En sus primeros tests, el sistema alcanzó los 1755 °C antes de que los termopares de platino que medían la temperatura se fundieran. Esto podría ofrecer soluciones interesantes a los problemas de fusión o incluso evaporación de pequeñas cantidades de metal.

Figura 2. 48: Dos captadores cilindro-parabólicos (módulos PTC 1000). (Fuente: Solar Industrial Process Heat, State of Art, ESTIF).

Otro dispositivo similar está instalado en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza y se conoce como “Horno Solar de Alto-Flujo”. Consiste en un helióstato plano de seguimiento solar a un eje de 120 m2 con un concentrador parabólico de radio 8,5 m. Entrega hasta 40 KW en ratios



de concentración pico, excediendo los 5.000 suns (1 sun = 1 KW/m2). La intensidad el flujo solar puede ser aumentada hasta los 10.000 suns utilizando concentradores secundarios CPC. Un obturador tipo “blind veneciano”, situado entre el helióstato y el concentrador, controla la potencia de entrada al reactor.

2.5. CRITERIOS DE DISEÑO

La IEE (Intelligent Energy Europe) con su proyecto “SO-PRO”, aspira a hacer funcionar el arranque de los mercados del calor en los procesos solares en 6 regiones europeas y está llevando a cabo estudios de instalaciones con procesos industriales a temperaturas por debajo

de los 100 °C. El proyecto tiene como fin incrementar la conciencia de los que toman las decisiones del sector industrial, formar a los profesionañes y desarrollar directrices de planificación.

El consorcio del proyecto han publicado dos artículos a principios de 2011: “Checklist for companies”, y “Solar Process Heat Generation: Guide to Solar Thermal System Design for Selectes Industrial Process”. Están dirijidos a compañias solares, instaladores, planificadores especializados, asesores e investigadores energéticos. Estos artículos son documentos cortos y prácticos, que proporcionan información técnica sobre cómo puede integrarse la energía termosolar en 4 procesos industriales seleccionados: Calentamiento de agua caliente para lavado y limpieza; calentamiento del agua de reposición para redes de vapor; calentamiento de baños o recipientes; secado convectivo con aire caliente.

Los informes publicados por el proyecto “SO-PRO” (Solar Process Heat, del IEE) sugieren que es necesario un análisis preliminar compuesto de 4 pasos consecutivos, antes del diseño del sistema termosolar apropiado: análisis del edificio y las condiciones de contorno; análisis de las características del proceso y de la red de distribución de calor; estudio de los planes a largo plazo de la compañía; análisis potencial de la optimización de los procesos y las medidas de rendimiento energético. Esta metodología debe aplicarse individualmente a cada planta, ya que cada una de ellas tiene su propio sistema de suministro de calor con sus propias condiciones.

En cuanto a la primera fase del análisis previo, el estudio del edificio y las condiciones de contorno, consisten básicamente en explicar brevemente las dimensiones del recinto, áreas sin sombra y áreas de tejado accesible con su orientación e inclinación, además del acceso a grúas. También se requiere de un cálculo aproximado del área disponible de captadores, área disponible de almacenamiento térmico, así como la distancia desde el almacenamiento hasta el campo de captadores y hasta los procesos potenciales de suministro. Todo esto con la supervisión de que no haya ninguna barrera legal que suponga futuros obstáculos.

Respecto al segundo punto, los procesos deben clasificarse según el consumo de energía térmica en procesos abiertos o cerrados, así como en contínuos y discontínuos. Prestaremos más atención a aquellos procesos abiertos con funcionamiento contínuo y sin recuperación másica ni de calor, ya que tienen el mayor potencial de integración de la termosolar. Los criterios principales en procesos óptimos para la termosolar, son:

- Demanda mayor a ¾ del año, incluido el verano. - Demanda al menos 5 días por semana. - La demanda diaria en verano no debería ser menor que en el resto del año.

El factor más importante para la integración de calor suele ser el nivel de temperatura disponible. Esto significa que son convenientes los niveles de temperatura bajos en la planta, a los cuales se pueden transferir grandes cantidades de energía térmica (mediante



intercambiadores de calor). La temperatura en el punto (o puntos) de integración influye enormemente en la temperatura del fluido en el sistema termosolar y debe ser lo más baja posible porque el campo de captadores y el almacenamiento trabajan a mayor rendimiento a bajas temperaturas. También es de gran importancia la temperatura del proceso, lógicamente.

En términos económicos, los mejores sistemas son aquellos con procesos a temperaturas por

debajo de 50 °C. Los procesos con temperaturas por encima de los 100 °C, incluso en sistemas abiertos, normalmente aumentan el nivel de temperatura disponible, ya que se aplican (o se deben aplicar) medidas de recuperación de calor. Como se ha expuesto previamente, la energía termosolar puede integrarse directamente o en la red de distribución de calor (red de agua caliente a alta temperatura o red de vapor). El suministro a nivel de la red de distribución permite una integración indirecta (precalentamiento de agua de alimentación, por ejemplo) y también integrar más energía, a excepción de algunas redes de vapor abiertas ya que los niveles de temperatura disponibles son más bajos cuando la energía termosolar se integra en los procesos directamente. Habría que seguir los siguientes pasos recomendados:

- Recopilación de los datos disponibles sobre la demanda de energía térmica en la planta. Los datos más importantes son los niveles de temperatura de los procesos térmicos y la temperatura del flujo de suministro y retorno de la red de distribución (si existiera). Otros aspectos son el tipo de sistemas de calentamiento, el recurso energético empleado, el precio de la energía, una estimación aproximada del rendimiento energético del sistema, así como la demanda de energía térmica de los procesos en un marco estacional.

- Obtener una visión de conjunto de todos los procesos térmicos con el fin de examinar su factibilidad de acoplamiento con un sistema solar. Los esquemas de procesos son muy útiles para entender todos los flujos de masa y energía. La temperatura media de entrada y salida de los procesos debe conocerse y la demanda de EST de la planta debe dividirse por procesos. Estimar si los flujos de masa requeridos para un proceso son elevados y varían o son constantes, lo cual haría más sencilla la integración. Prestar especial atención a las temperaturas bajas (por ejemplo agua fría que necesita ser calentada), ya que son los casos más idóneos para la recuperación de calor y para la integración de la EST.

- Investigar acerca de las condiciones de las instalaciones existentes (tuberías, almacenamiento, maquinaria, etc.), procesos o recursos desaprovechados (agua caliente, etc.), medidas de recuperación de calor y previsión de futuro, circuitos de condensado (cuando se use el vapor como medio de transferencia).

Si este primer análisis indica idoneidad para la integración de EST, los procesos deben ser analizados con mayor detalle. Los perfiles de carga térmica deben generarse diaria, semanal, y anualmente.

Como tercer punto de este análisis previo, hay que tener en consideración la discusión sobre los planes de futuro de la empresa, si hay planes de expansión en los procesos de producción, en la red de generación de calor, o si serán necesarios por razones de mantenimiento. Esto se debe a que si los perfiles de carga para el sistema solar van a cambiar significativamente, tales medidas afectarán al rendimiento técnico y económico de la instalación. Esto debe ser tenido en cuenta en el proceso de planificación. Si el sistema puede instalarse en el proceso de operación de otra instalación necesaria, los costes de instalación pueden verse reducidos significativamente.

El último paso a considerar en el análisis previo es el de la optimización del proceso y las medidas de eficiencia energética. Normalmente lo que se busca en estos estudios es la reducción de los tiempos del ciclo o la entrada de materia prima (no el ahorro energético). Hay que ser cauto con los cambios en los procesos de producción o en el equipo de producción que generan efectos en las demandas, por tanto no se debe diseñar un sistema termosolar hasta estar seguros de los niveles de temperatura y demanda requeridos.



Normalmente la aplicación de estas medidas (por ejemplo, recuperación de calor) suponen una importante reducción de la demanda energética y tiene un gran potencial en la mayoría de los sectores industriales. Pero el asunto es sumamente complejo, ya que las medidas que cambian el suministro de energía térmica, pueden afectar al propio proceso de producción. Por este motivo, cuando se quieren tomar medidas como la modernización de equipos, la sustitución del sistema de generación de calor, la implementación de un sistema de recuperación de calor residual, o parecen posibles o necesarios, estas medidas deben ser analizadas por expertos especializados.

Una metodología adecuada para una evaluación completa de las medidas para la recuperación de calor residual y para la optimización de los procesos térmicos es el “Pinch analysis”. Todos los procesos son analizados y se identifican medidas potenciales de recuperación de calor. Se calcula la conexión óptima teórica entre todos los procesos de consumo de calor mediante intercambiadores de calor, y así se obtiene la demanda mínima de energía externa de la planta. El proyecto EINSTEIN (Expert system for an Intelligent Supply of Thermal Energy In Industry) profundiza más en el rendimiento energético en la industria y el calor renovable en la industria. Desarrolla también un software basado en una metodología de auditoría para la industria, que ofrece resultados muy útiles en cuanto a optimización energética de las factorías y a integración de calor renovable. También presenta ejemplos prácticos de medidas de ahorro energético en la industria.

Este análisis previo proporciona un importante marco de condiciones y medidas de rendimiento energético que deberían ponerse en marcha. Para diseñar un sistema termosolar que genere calor en procesos industriales, se recomienda seguir los siguientes pasos:

1. Calcular la carga térmica del sistema termosolar (la energía térmica que la planta solar podría proporcionar teóricamente a los procesos conectados) y generar un perfil global de carga (evolución temporal de la carga térmica).

Para el diseño de sistemas termosolares, debe conocerse, como se ha indicando anteriormente, las cargas térmicas y los perfiles de carga de los procesos en una base diaria, semanal y anual. Es recomendable la medición de los flujos de masa y las temperaturas de entrada y salida de todos los procesos potencialmente viables, al menos para un día de trabajo estándar. Es también muy importante que el perfil de carga se calcule después de eliminar la energía que se ahorraría con las medidas de eficiencia energética tomadas y considerando sólo la elevación de temperatura residual tras aplicar estas medidas.

Tras decidir qué procesos deben suministrarse con EST y dónde deben estar sus respectivos puntos de integración de calor, la carga térmica y el perfil de carga para el sistema termosolar puede calcularse como se indica: Para cada proceso, obtener el flujo de fluido y la temperatura en el punto de integración (nivel de Tª disponible) con su variación en el tiempo. También determinar la Tª máxima del fluido tras la integración de calor solar (depende del proceso o de la temperatura máxima del sistema solar). La carga térmica general con su correspondiente perfil de carga se calcula sumando las cargas térmicas a suministrar por la planta solar. En definitiva, necesitamos saber, los tiempos de demanda y las cantidades (flujos), las temperaturas y las cargas energéticas a escala diaria, semanal y anual, para poder calcular valores picos y medios ya que pueden ser valores diferentes.

2. Determinar aproximadamente el área de captadores y el volumen de almacenamiento necesario, para tener una impresión del tamaño resultante de la instalación y así encontrar puntos de partida razonables para la simulación del sistema termosolar.



Podemos hacer este predimensionado aproximado del campo de captadores para encontrar puntos de partida para las simulaciones sin considerar las condiciones de contorno individuales, mediante dos métodos diferentes:

o Multiplicar el área del techo disponible para captadores por 500 KWh/m2Ap (ganancia

anual energética estimada) y dividir el resultado por la carga térmica anual del los procesos abastecidos. Para tejados planos, el área debe dividirse por 2,5 para estimar el área de inclinada de captadores que podría instalarse. Un punto de partida razonable sería un valor por debajo de 0,6 (fracción solar por debajo de 60 %). Si no fuera el caso, elegir el segundo método.

o Tomar el 40 % de la carga térmica anual de los procesos abastecidos y dividirla por 500 KWh/m2

Ap como punto de partida.

Normalmente una desviación del sur de menos de 20° no tiene influencia significativa en el

rendimiento del captador. Un ángulo de inclinación del captador de 35° es un buen punto de partida. Para los países del sur de Europa, la ganancia energética máxima anual podría encontrarse en un ángulo ligeramente menor, para países centroeuropeos el ángulo óptimo sería ligeramente mayor. Por supuesto depende del perfil de carga.

Para el predimensionado de los tanques de almacenamiento, en Europa Central normalmente 50 l/m2

Ap es un buen punto de referencia para una gran variedad de sistemas en procesos de calor industrial. En el sur de Europa podría tomarse 80 l/m2

Ap, luego se multiplica por el área de los captadores y así obtenemos el volumen de almacenamiento.

El volumen de almacenamiento óptimo depende mucho de la correlación entre la ganancia solar y el perfil de carga témico del proceso. En el caso de las pequeñas empresas, que no trabajan el fin de semana, el sistema podría almacenar la ganancia solar de esos dos días. Volúmenes de almacenamiento demasiado pequeños producen campos de captadores con temperaturas ineficientemente elevadas y pueden causar estancamiento. En el sur de Europa, la volumen de almacenamiento óptimo es, normalmente mayor que en el Europa Central, ya que las ganancias solares son mucho mayores que en Centroeuropa y se necesita mayor capacidad de almacenamiento.

3. Representar simulaciones del sistema, variando el tamaño del campo de captadores, el tipo de captador y el volumen de almacenamiento, también el concepto de sistema termosolar y los procesos de apoyo.

Hay que distinguir entre el área bruta de captadores, que es el producto de las dimensiones del contorno del captador (ancho y largo) que determina el área mínima necesaria para instalar un captador en un tejado inclinado, y el área de apertura (Ap) es igual al área de entrada de luz del captador. Este es el área, a qtravés del cual la irradiación solar entra en el captador e impacta en el absorbedor directamente o por reflexión (captadores CPC). Debido al marco del captador, el área de apertura es siempre menor que el área bruta. Normalmente, todos los valores específicos del captador como, la curva de rendimiento, los costes del captador y la ganancia de energía anual están relacionadas con el área de apertura.

El área de apertura del captador disponible (que puede ser potencialmente instalada) para una superficie inclinada, puede calcularse aproximadamente dividiendo el área sin sombra disponible por el área bruta de captadores. El número de captadores resultante debe multiplicarse entonces por el área de apertura del captador. En el caso de una superficie plana de tejado, el área sin sombra debe dividirse por un factor de 2,5 primero, para tener en cuenta la distancia ente los captadores inclinados.

A temperaturas de proceso por debajo de los 50 °C, generalmente los captadores de placa plana son las solución más económicas. Por encima de este valor, hay que llevar a cabo



simulaciones comparativas entre los diferentes tipos de captadores disponibles, considerando el área de tejado disponible y el precio del área de apertura.

Un claro ejemplo de la influencia de la temperatura del proceso y la localización geográfica en la elección del tipo de captador, es el uso de captadores de placa plana en el sur de Europa

incluso en procesos con temperaturas por encima de los 60 °C, debido a las elevadas temperaturas ambiente y la irradiación solar.

El dimensionado del campo de captadores, la elección del tipo de captador y la determinación de la inclinación óptima del captador debe estar basada en simulaciones de sistemas variantes. Dependen de muchos factores como la localización, el perfil de carga, la temperatura mínima disponible, la temperatura del proceso, el volumen de almacenamiento, etc.

Veamos una nueva comparativa entre captadores en la Tabla 2. 7:

Placa Plana Tubo de vacío

· Coste bajo · Ganancia energética anual más elevada

· Mejor ratio coste/rendimiento · Requiere menos área de captador para la misma ganancia energética.

· Capaz de sustituir un tejado convencional

· Mayor rendimiento a temperaturas de captador más elevadas y baja radiación (invierno)

· Estancamiento: mejor comportamiento de vaciado y temperaturas de estancamiento más bajas que en los de tubo de vacío con una configuración de tuberías tipo U"

Tabla 2. 7: Comparativa entre el captador de placa plana y el de tubo de vacío. (Fuente: SO-PRO).

La elección final del almacenamiento solar también debe someterse a simulaciones del sistema. El resultado también depende del tipo de almacenamiento y su concepto (almacenaje simple con buena estratificación, almacenamientos paralelos o diseños cascada), la estrategia de control para la carga y descarga y la conexión al proceso.

4. Decidir un variante del sistema termosolar, teniendo en cuenta los aspectos económicos, técnicos, relaciones públicas y planes de futuro de la industria.

El consumo de calor en calefacción para naves industriales representa una parte no despreciable de la demanda total de calor en la industria. Las naves industriales se diferencian de los edificios residenciales en que las alturas de los techos son mayores y las temperaturas

de aire requeridas están en el rango entre 15 y 18 °C. Las bajas temperaturas y el sistema simplificado son dos conceptos que presentan condiciones ideales para la aplicación de sistemas solares térmicos.

Existe una gran variedad de herramientas para simular los sistemas termosolares, pero no todas ellas son óptimas para la simulación de generación de calor solar para procesos industriales. Un criterio importante para la selección de un programa simulador es la posibilidad de introducir perfiles de carga propios en la resolución. El programa debe ser también capaz de simular un concepto de sistema muy similar al que se busca. Otro criterio también muy importante es la capacidad del software de calcular de un modo fiable los tiempos de estancamiento del sistema, así como las temperaturas de estancamiento en el campo de captadores. Las ganancias de energía de las plantas solares industriales suelen ser



significativamente superiores que para aplicaciones domésticas, debido a que el calor se emplea frecuentemente para precalentamientos.

Para el proceso de diseño, podemos basarnos en los llamados nomogramas, para acortar el intervalo de simulaciones a realizar ya que dichos nomogramas están basados en simulaciones del sistema para valores determinados. En un solo nomograma, únicamente varía el área de apertura del captador y el volumen de almacenamiento, el sistema y las condiciones de la planta como la localización, la carga térmica global, el perfil de carga, la inclinación del captador, etc. son constantes. Para variar todos estos factores, es necesario generar nuevos nomogramas para cada caso.

Un correcto diseño del sistema de calentamiento solar de procesos y una correcta instalación del mismo minimiza las necesidades de mantenimiento. El aspecto más importante para una correcta operatividad es asignar la responsabilidad de las inspecciones periódicas a una persona cualificada de la compañía energética o instaladora. Se debe disponer de una guía de mantenimiento detallada para controles regulares.

Tras la instalación del sistema, debe haber una adaptación apropiada de los parámetros de control al comportamiento del proceso, para asegurar una eficiencia máxima del sistema termosolar. También se recomienda tener monitorizados electrónicamente los parámetros del sistema y las ganancias energéticas, para que las optimizaciones se lleven a cabo fácilmente y se reduzcan las inspecciones necesa in-situ (por ejemplo, tras las vacaciones).


3. INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR EN EL SECTOR INDUSTRIAL

3.1. INTRODUCCIÓN

A finales de 2011, existía una capacidad instalada de 234,6 GWt correspondiente a un área de captador de un total de 335,1 millones de m2, operando en un total de 56 países (en un estudio del SHC-IEA) que representan 4,3 mil millones de personas (61 % de la población mundial). La capacidad instalada en esos países representan más del 95 % del mercado termosolar en todo el mundo. Una gran mayoría de la capacidad total operante se instaló en China (152,2 GWt) y Europa (39,3 GWt), los cuales suman un 81,6 % del total instalado. La capacidad instalada restante se comparte entre EEUU y Canadá (16,7 GWt), Asia sin incluir China (9,6 GWt), Latinoamérica (6,3 GWt), Australia y Nueva Zelanda (4,9 GWt), los países del sur del Mediterráneo (4,7 GWt) y algunos otros países africanos subsaharianos como Mozambique, Namibia, Sudáfrica y Zimbabwe (0,9 GWt).

El desglose de capacidad acumulada operando en 2011 por tipo de captador es; 27,9 % captadores de placa plana acristalados; 62,3 % captadores de tubo de vacío; 9,2 % captadores de agua sin vidriar; 0,7 % captadores de aire vidriados y sin vidriar.

Durante el 2011, una capacidad total de 48,1 GWt correspondiente a 68,7 millones de m2 de captadores solares se instaló en todo el mundo, lo que significa un aumento del 14,3 % en comparación con 2010. Los principales responsables de este crecimiento son China (17,6 % respecto al año anterior), otros países asiáticos (7,5 %) y Latinoamérica (5,3 %). El país que más ha crecido es Sudáfrica (aumenta un 30,2 % su capacidad instalada). Sin embargo se observa una reducción de este incremento respecto al año anterior.

Podemos observar que la mayoría de los proyectos llevados a cabo en la actualidad, son en los sectores de la alimentación y bebida, el textil, el transporte y el químico. Otra aplicación importante es la calefacción centralizada o urbana, que consiste en un sistema para distribuir el calor generado en una central para cubrir las necesidades de un área residencial y/o comercial.

En este apartado mostraremos una idea general del reparto de las instalaciones solares para procesos industriales por sectores y países más dominantes, así como ejemplos de instalaciones reales operando en la actualidad con sus correspondientes características. El objetivo del proyecto es dar información sobre las instalaciones actualmente en operatividad, y no la capacidad que en algún momento ha sido instalada.

3.2. RESUMEN DE CAPACIDAD INSTALADA

A finales de 2007, alrededor de 90 plantas térmicas solares, que operaban para aplicaciones industriales para una capacidad total de 25 MWt (aprox. 34.000 m2), fueron estudiadas a nivel mundial (IEA-SHC task 33/IV). La industria alimenticia, el equipo de transporte y el sector servicios representan los sectores con mayor número de aplicaciones. Sin embargo como muestra la Figura 3. 1 el sector textil, alimenticio y químico son las industrias con la capacidad instalada más elevada. Por ejemplo, el sector textil abarca alrededor de un 40 % de la capacidad instalada.

Instalaciones de Energía Solar en el Sector Industrial


Figura 3. 1: Plantas termosolares para procesos industriales por sectores. (Fuente: Task 33/IV; Potential for Solar Heat in Industrial Processes [Octubre 2007]).

La mayoría de estas instalaciones suministran calor a niveles de temperatura entre 60 °C y

100°C (mayoritariamente con captadores de placa plana y de tubo evacuado). Algunas

trabajan por encima de los 160 °C (principalmente usando captadores cilindro-parabólicos para la producción de vapor o enfriamiento con enfriadoras de absorción con doble efecto) y,

en muy escasas ocasiones trabajan en un rango intermedio de 100 a 160 °C (empleando sólo captadores de tubo evacuado).

En el marco de la Tarea 33/IV (IEA-SHC) se recopiló información sobre plantas de calor solar en funcionamiento en todo el mundo. Entre las 49 plantas que se estudiaron, la mayoría de los proyectos se realizaron en los sectores alimenticio y de bebidas, textil, transporte y químico (clara mayoría en la industria alimentaria). De hecho hay 12 plantas en la industria alimentaria en el procesado de pescado, carne y aceitunas. En el sector de transporte, la mayoría de las plantas son para instalaciones de limpieza y en el de la industria textil, en lavanderías.

Figura 3. 2: Plantas termosolares para procesos industriales por países. (Fuente: Task 33/IV; Potential for Solar Heat in Industrial Processes [Octubre 2007]).

Geográficamente hablando, la mayoría de las plantas solares para procesos de calentamiento están instaladas en la UE y particularmente en Austria, donde son pioneros en el uso de esta



tecnología, con un gran número de demostraciones a pequeña escala. Grecia y España también son muy activas, dadas sus particulares condiciones favorables a efectos de la disponibilidad del recursaje solacional.

De la capacidad solar total instalada en el planeta (alrededor de 196 GWt correspondientes a 280 millones de m2), los países del sur Mediterráneo (Argelia, Egipto, Israel, Jordania, Líbano, Libia, Marruecos, Territorios Palestinos, Siria, Túnez y Turquía) representan un 10%, con aproximadamente 20 millones de m2. Turquía supone más de la mitad de la capacidad instalada en estos países. En Grecia, por ejemplo, en el sector de la leche, la energía solar se emplea para producir agua caliente para el lavado de los equipos y para precalentar el agua de

entrada en calderas a niveles de temperatura de hasta 80 °C. En Austria, la calefacción de las salas de producción es la aplicación más común. El lavado de coches, camiones y contenedores generan el uso de 11 plantas en Austria, Alemania y España. Las bodegas representan 4 de cada 6 plantas en el sector de la bebida, por lo que también se consideran con un amplio potencial de uso en el futuro.

Como muestra la Figura 3. 2, Austria es el país con la mayor cantidad de plantas termosolares instaladas para procesos de calor pero los países del sur de Europa están muy a la cabeza en el despliegue de la tecnología de calor solar para procesos industriales por su buen legado solar que genera mayor rentabilidad de las plantas. Italia, Grecia, Portugal y España reúnen juntas un tercio de las plantas instaladas en octubre de 2007.

En 2010 el número de plantas solares para procesos de calentamiento en la industria se dobló, alcanzando aproximadamente 200 plantas termosolares para procesos de calor en todo el mundo – incluyendo la calefacción de los edificios industriales (IEA-SHC Task 33/IV y la investigación AEE INTEC 2010). Esto representaba una capacidad total de en torno a 42 MWt (60.000 m2). No obstante se sigue considerando que el calor solar para procesos industriales está en una fase temprana de desarrollo con un enorme potencial de aplicación.

Actualmente hay localizados 120 sistemas termosolares para procesos de calentamiento en todo el mundo, con una capacidad total de 88 MWt en 125.000 m2. Como hemos podido estudiar, en sus comienzos las aplicaciones eran experimentales y de pequeña escala, pero en los últimos años estamos apreciando un aumento de la cartera de proyectos de gran escala.

Entre estos 120 sistemas registrados, lo más llamativo es que existen 52 sistemas con un área de 0-200 m2 (exactamente 35 plantas de 0-100 m2 y 17 plantas de 100-200 m2) sumando un total de 2.250 m2, y por otro lado existen 17 plantas con un área de 1.000-40.000 m2 (en total 98.700 m2). Con más de 40.000 m2 tenemos unos 12 sistemas. Los países claramente destacados en número de plantas actualmente son, por este orden: Austria (20), Alemania (13), Grecia (13) y España (12). Esto deja un dominio absoluto de Europa (74) frente a los segundos posicionados, Asia (25).

La distribución de las instalaciones según el tipo de captador se ve dominada claramente por los captadores de placa plana con gran diferencia sobre el segundo posicionado que es el captador de tubo de vacío y el cilindro-parabólico. Esto es, teniendo en cuenta el número de plantas instaladas. Sin embargo, como se representa en la Figura 3. 3 (derecha) si el criterio que tomamos es el de capacidad instalada, las plantas con captadores de tubo de vacío quedan en última posición, aunque siguen siendo claras líderes las instalaciones con captadores de placa plana seguidas de las que utilizan captadores cilindro-parabólicos.



Figura 3. 3: Distribución de los tipos de captadores en las instalaciones solares por plantas y por capacidad. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV-SHIP [2006]).

No obstante según un estudio de la AIE (sujeto a una muestra de un número de instalaciones concreto), la distribución de las instalaciones según el rango de temperatura suele concentrarse fundamentalmente en la baja temperatura y más concretamente en el intervalo

60-100 °C, ver Figura 3. 4. Esto muestra otra evidencia de la falta de tecnología actualmente desarrollada y, por supuesto instalada, para procesos industriales a alta temperatura que recordemos, poseen un alto porcentaje de demanda en el reparto energético.

Figura 3. 4: Distribución de las instalaciones solares para procesos térmicos industriales según el rango de temperatura. (Fuente: IEA-SHC Task 33/IV-SHIP [2006]).



3.3. PROYECTOS MÁS REPRESENTATIVOS

CLASIFICACIÓN POR CAPACIDAD

1º) PROYECTO CODELCO GABRIELA MISTRAL

- Potencia de procesos: 32 MWt. - Sector y aplicación: Minería (producción de agua caliente para extracción de solventes y

minerales). - Superficie de captadores: 39.300 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 4.300 m3. - Inversión: 24 millones USD. - Lugar: Región de Antofagasta, Chile. - Diseño y construcción: eLlaima & Sunmark. - Fecha de Inicio: Septiembre 2012.

El proyecto es propiedad y está operado también por eLlaima y Sunmark. Se compone de una planta de EST que proporciona calor para la extracción de solventes y electro-obtención (SXEW) de cátodos de cobre en una instalación minera.

El sistema utiliza 2.620 captadores de placa plana de 15 m2 para calentar agua a una

temperatura por debajo de 100 °C con una fracción solar de 85-100 %. El sistema tiene una superficie de 39.300 m2 y posee una caldera de agua caliente como aporte de calor convencional alimentada por fuel. Un tanque de almacenamiento de 4.300 m3 respalda el sistema, lo cual permite que opere 24 horas al día. La instalación produce 52 GWh de energía térmica cada año y reduce el consumo de fuel un 85 % (el equivalente a una reducción de 6.500 toneladas de diesel cada año y a emisiones de CO2 de 15.000 toneladas al año). Genera una energía específica por tanto, de 1,32 MWh/año·m2.

Figura 3. 5: Vista aérea del sistema de energía solar térmica en Chile. (Fuente: Ellaima & Sunmark).

2º) SISTEMA DE CALEFACCIÓN SOLAR CENTRALIZADO O URBANO

- Potencia de procesos: 25 MWt. - Sector y aplicación: Calefacción centralizada o urbana. - Superficie de captadores: 36.305 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 900 m3. - Inversión: 24 millones USD. - Lugar: Riyadh, Arabia Saudita. - Diseño y construcción: Millennium Energy Industries (MEI). - Fecha de Inicio: Junio 2011.



Este proyecto, actualmente el más grande en su tipo de operación, se compone de una planta de energía solar térmica que proporciona agua caliente y calefacción a los 40.000 estudiantes y empleados de la Universidad Princesa Nora. Está diseñado para soportar condiciones meteorológicas extremas, como las condiciones de congelación de invierno hasta el calor intenso y las tormentas de arena.

Figura 3. 6: Campo de captadores de placa plana que abastecen calor para aplicaciones de calefacción centralizada o urbana. (Fuente: Millenium Energy Industries).

El sistema de captadores cubre un área de 36.305 m2. y los captadores presurizan agua a una

temperatura debajo de los 100 °C. A continuación el agua se utiliza para apoyar al sistema de calefacción distrital. Un sistema de almacenamiento de calor de 900 m3 permite que la planta opere las 24 horas del día. El proyecto reduce las emisiones de CO2 en 283 millones de kg durante su vida útil y sustituirá el equivalente a 94 millones de litros de diesel.

3º) PROYECTO DALY TEXTILE

- Potencia de procesos: 9 MWt. - Sector y aplicación: Fabricación textil (agua caliente para tintado y blanqueamiento). - Superficie de captadores: 13.000 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 900 m3. - Inversión: 1,1 millones € por High Fashion Ltd (empresa textil) con parte en subvenciones. - Lugar: Hangzhou, China. - Diseño y construcción: Shenzhen Quir Solar Technology. - Fecha de Inicio: 2007.

Se trata de una planta solar con un área instalada de 13.000 m2 de captadores de placa plana, complementada con un sistema de almacenamiento de calor de 900 m3 de volumen empleando agua como fluido caloportador. El objetivo de esta planta es calentar agua para procesos de tinte, así como de blanqueamiento, proporcionando agua caliente en un rango de

temperaturas del proceso de 20-60 °C (aunque la mayor parte del tiempo es a 55 °C).



La planta supone un coste específico de 84,62 €/m2, sin embargo se estima un ahorro de 310.000 € anuales lo que supondría un retorno de la inversión de 3 años.

Figura 3. 7: Imagen de la planta Daly textile en Hangzhou. (Fuente: IEA Task 49).

4º) PROYECTO MINERA EL TESORO (ANTOFAGASTA MINERAS)

- Potencia de procesos: 7 MWt. - Sector y aplicación: Minería (agua caliente para extracción de solventes y electro-

obtención de cátodos de cobre). - Superficie de captadores: 16.742 m2 captadores cilindro-parabólicos. - Almacenamiento: 127 m3. - Inversión: 14 millones USD. - Lugar: Región de Antofagasta, Chile. - Diseño y construcción: Abengoa Solar. - Fecha de Inicio: Noviembre 2012.

Figura 3. 8: Planta de EST abastecida por captadores cilindro-parabólicos. (Fuente: Abengoa Solar).

El proyecto consiste en una planta de EST que proporciona calor para la extracción de solventes y electro-obtención (SX-EW) de cátodos de cobre en una instalación minera. El sistema utiliza 1.280 captadores cilindro-parabólicos concentrados que cubren un área de 16.742 m2. Un sistema de almacenamiento de calor de 127 m3 permite que la instalación opere después del anochecer. La instalación produce 25 GWh de energía térmica al año, lo cual reduce la emisión de CO2 en 10.000 toneladas y reduce el consumo de diesel en un 55% al año.



5º) PROYECTO JIANGSU PRINTING AND DYEING

- Potencia de procesos: 6,3 MWt. - Sector y aplicación: Fabricación textil (precalentamiento en procesos de impresión y

teñido). - Superficie de captadores: 9.000 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: - - Inversión: Jiangsu Yitong Printing And Dyeing Limited Company. - Lugar: Jiangsu, China. - Diseño y construcción: Sunrain Co. Ltd. - Fecha de Inicio: 2011.

Es una planta que emplea la energía térmica para precalentar en procesos de impresión y teñido. Se compone de 9.000 m2 de área bruta de captadores instalada (unos 7.460 m2 de área de apertura). También se emplea este calor para otros diversos procesos dentro de la factoría

y el rango de temperatura de operación es en torno a los 50 °C.

Figura 3. 9: Planta solar de las empresas textiles chinas Jiangsu Yitong Printing y Dyeing Limited Company. (Fuente: IEA Task 49).

6º) PROYECTO PRESTAGE FOODS

- Potencia de procesos: 5,4 MWt. - Sector y aplicación: Fabricación de productos alimenticios (procesos de limpieza y

esterilizado). - Superficie de captadores: 7.804 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 946 m3. - Inversión: - - Lugar: St Pauls, North Carolina, USA. - Diseño y construcción: 7,5 millones €. FLS Energy (captadores de AET, Alternate Energy

Technologies). - Fecha de Inicio: 2012.

Se distribuye en 7.804 m2 de captadores de placa plana empleando agua con glicol como fluido caloportador. Posee también un sistema de almacenamiento térmico de corto plazo de 946 m3 de capacidad, apoyado por una caldera de vapor como sistema de calor convencional suplementario.



Figura 3. 10: Campo de captadores solares de placa plana para la industria Prestage Foods. (Fuente: FLS Energy).

Los procesos industriales en los que se aplica esta tecnología suelen ser de limpieza y

saneamiento de la factoría avícola con una temperatura mínima de 60 °C, hasta unos 82 °C que puede alcanzar el bucle solar. La instalación supone un coste específico de inversión de 961,05 €/m2.

7º) PROYECTO BREWERY GÖSS

- Potencia de procesos: 5,08 MWt. - Sector y aplicación: Cerveza (macerado). - Superficie de captadores: 7.270 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: - - Inversión: Asociados a Heineken. - Lugar: Austria. - Diseño y construcción: Centro de investigación de Austria AEE INTEC y Sunmark. - Fecha de Inicio: Junio 2013.

Figura 3. 11: Imagen del campo de captadores que abastecen de energía calorífica a la cervecera Göss. (Fuente: AEE INTEC).



Supuso el primer sistema termosolar a gran escala en la industria cervecera en el contexto del proyecto “SolarBrew” fundado por la UE, que tendría una capacidad total de 5,08 MWt correspondientes a 7.270 m2 de área de captadores. El proceso de maceración en la cervecera autríaca Göss, se calienta con vapor a través de un intercambiador de calor fuera del tonel de maceración aunque se introdujo una nueva placa de intercambiador de calor dentro del tonel que permite un suministro de energía híbrido. Este sistema híbrido incluye energía termosolar y calor residual proveniente de una central eléctrica y de la combustión de madera. Actualmente la planta se encuentra en proceso de monitorización y optimización.

8º) PROYECTO SHANDONG LINUO PARADIGMA

- Potencia de procesos: 4,025 MW. - Sector y aplicación: Fabricación (producción de vapor). - Superficie de captadores: 5.750 m2 captadores de tubo de vacío. - Almacenamiento: 60 m3. - Inversión: 1 millón €. - Lugar: Shandong, China. - Diseño y construcción: Linuo Paradigma Co. Ltd. - Fecha de Inicio: 2011.

Consta de 5.750 m2 de área instalada de captadores de tubo de vacío que emplean agua como fluido caloportador y un sistema de almacenamiento térmico a corto plazo de 60 m3. La energía se emplea para precalentar el agua de entrada a caldera que producirá vapor, siendo

el rango de temperaturas de 30-90 °C. La planta genera una entrega de calor solar útil de 4.313 MWh/año, lo que supone una generación específica de 0,75 MWh/año·m2. El coste específico de inversión alcanza los 173,91 €/m2.

9º) FÁBRICA DE MANUFACTURA DE FRITO-LAY

- Potencia de procesos: 4 MWt. - Sector y aplicación: Alimenticio (calentamiento de aceite para freír). - Superficie de captadores: 5.068 m2 captadores cilindro-parabólicos. - Almacenamiento: 1 m3. - Inversión: - - Lugar: Modesto, California, USA. - Diseño y construcción: Abengoa Solar. - Fecha de Inicio: Julio 2008.

Se trata del mayor sistema solar de producción de calor para procesos industriales de EEUU. Este proyecto consta de 384 captadores cilindro-parabólicos en 5.056 m2, una fábrica en funcionamiento pleno y un intercambiador de vapor y calor que maneja una superficie concentrada de 5.068 m2. Posee 1 m3 de almacenamiento térmico, lo que demuestra la elevada y constante demanda de los procesos de fabricación.

La temperatura del vapor alcanza los 250 °C y se utiliza para producir maíz y patatas fritas mediante el calentamiento del aceite para freir. La presión dentro de la instalación es 41 barias. El sistema de apoyo se mantiene con la generación de vapor alimentado por gas natural.



Figura 3. 12: Planta de EST con captadores cilindro-parabólicos. (Fuente: Abengoa Solar).

10º) PROYECTO EL NASR

- Potencia de procesos: 1330 KW. - Sector y aplicación: Productos químicos farmacéuticos (procesos generales de

calentamiento). - Superficie de captadores: 1.900 m2 captadores cilindro-parabólicos. - Almacenamiento: No existe. - Inversión: Financiado por ADF (African Development Foundation) con 2,2 millones USD. - Lugar: Cairo, Egipto. - Diseño y construcción: Lotus Solar Technologies (Propietario: NREA (New and Renewable

Energy Authority)). - Fecha de Inicio: Enero 2004.

Figura 3. 13: Foto de la instalación solar térmica en El Nasr (el Cairo, Egipto). (Fuente: IEA).

Como resultado de un estudio llevado a cabo en el marco de la planificación de los procesos industriales con energía termosolar y los sistemas de recuperación de calor residual para media temperatura, se construyó una planta piloto en El Nasr, cerca del Cairo. El estudio pretendía la previsión, a través de auditorías sobre la energía de campo, del potencial de estos sistemas para 6 subsectores industriales.



El sistema se encarga de la producción de vapor de proceso, para una compañía farmacéutica con un área reflectiva neta de 1.900 m2 de captadores tipo cilindro-parabólico (144 unidades de 6 m de longitud por 2,3 m de ancho), a 8 bar como medio de transferencia de calor. Los captadores son de fabricación e instalación local y el campo solar se distribuye en 4 bucles idénticos, con cada bucle compuesto de 6 grupos de 6 captadores cada grupo. El absorbedor térmico está fabricado de acero carbono y cubierto con un niquelado negro con absorciones de elevado rendimiento.

Operando desde 2003 produce 1,3 toneladas/hora de vapor saturado, por reducción de la presión de agua en el circuito del captador mediante una vávula flash y se distribuye a una red

de vapor saturado que opera a 7,5 bar y 173 °C, equivalente a 0,9 MWt. El condensado solar se colecta en un tanque de condensado de vuelta al tambor de expansión súbita a unos 23 bar. Ya que la presión dentro del tambor se mantiene a unos 7,5 bar, el vapor flash se genera debido a la caída repentina de presión.

La instalación solar permitió la sustitución de 7 quemadores mazout por quemadores duales óptimos para mazout y gas natural con un sistema de control automático. Además hay un sistema de toma de datos. El sistema total permite ahorrar 1.200 tep/año (alrededor del 30 % del consumo total de energía en la fábrica) y una reducción de emisiones de 3.500 tCO2/año.

Según una entrevista con el ingeniero jefe del departamento de eficiencia energética y energía termosolar de NREA, podemos saber que este proyecto decidió llevarse a cabo porque el 50 % del consumo de energía primaria total del país se usa en el sector industrial y en torno al 60 % de este consumo es para procesos de calentamiento.

En relación con los principales conflictos que aparecen durante la vida útil de estas plantas, los que suelen repetirse son los problemas de degradado del equipo, como la corrosión o las fugas en los captadores, en la granja avícola, o el polvo en el aire, en la industria cementera que necesitaba ser limpiada con mucha frecuencia.

Según NREA las principales barreras al desarrollo son la falta de inversores, la tecnología no competitiva comparada con la convencional, el elevado coste de las instalaciones, la necesidad de grandes volúmenes de almacenamiento y la necesidad de un gran área para las instalaciones, la falta de confianza en esta tecnología (ideas de poca fiabilidad).

11º) PROYECTO TYRAS S.A.

- Potencia de procesos: 706 KWt. - Sector y aplicación: Lácteo (pasteurizado y esterilizado). - Superficie de captadores: 1.000 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 50 m3. - Inversión: 175.000 €, es decir 248 €/KWt. Subvencionada al 50 %. - Lugar: Trikala (Grecia). - Diseño y construcción: Sol Energy Hellas. - Fecha de Inicio: 2001.

Se trata de un campo solar de captadores planos a lo largo de 1.000 m2. El objetivo base de la instalación es diseñar un campo termosolar centralizado al máximo rendimiento (a través de una alta energía de salida para un grupo de captadores solares), con el fin de alimentar la red de agua caliente sanitaria. Uno de las mayores dificultades para el equipo de diseño fue vencer la enorme diferencia de temperatura entre los períodos de verano e invierno (con

temperaturas bajo cero en invierno y superando los 40 °C en verano). Como apoyo se instaló una caldera de GLP y la planta dispone de un sistema de almacenamiento de 50 m3 de capacidad.



El sistema se diseñó para cubrir un 80 % de la demanda durante el período veraniego para lograr el máximo rendimiento financiero. La producción anual media ronda los 700 MWh y la instalación proporciona en torno al 70 % de la demanda total de calor de la factoría.

Figura 3. 14: Imagen del campo de captadores planos de la planta Tyras S.A. (Fuente: CRES/ Solenergy Hellas SA).

De acuerdo con Sol Energy Hellas, la producción anual de energía del campo solar, permite ahorrar 95.400 litros de diesel que representa un ahorro anual de 71.500 € (teniendo en cuenta los precios del combustible en 2008). El retorno de la inversión de tal instalación es de menos de 2 años y medio con los precios del combustible de 2008, y de menos de 3 años con los precios de 2001. Esta instalación opera de manera ininterrumpida y sin fallos desde 2001.

12º) PROYECTO COOPELDOS (COSTA RICA)

- Potencia de procesos: 595 KW. - Sector y aplicación: Café (varios procesos de secado del café). - Superficie de captadores: 860 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 1 m3. - Inversión: - - Lugar: Guanacaste, Costa Rica. - Diseño y construcción: SolarWall - Fecha de Inicio: 2005.

Figura 3. 15: Captadores solares en el tejado de una instalación de secado. (Fuente:IEA-SHC).



Se trata de una cooperativa que se dedica al secado de café y ha llevado a cabo un proyecto que prueba la utilidad de la energía solar en aplicaciones de secado, llegando a incluirse en programas de la AIE como el Task 29. El sistema está instalado a lo largo de 860 m2 del techo de la factoría y el aire calentado se emplea para dos propósitos: Calentar el silo de precalentamiento, que seca los granos de café de un 60 % de humedad hasta un 35 %; y también calentar los tambores rotativos horizontales que llevan a cabo la última fase de secado. Aquí los granos se llevan a un contenido de humedad del 12 %.

13º) PROYECTO CONTANK

- Potencia de procesos: 360 KW. - Sector y aplicación: Transporte de productos químicos (limpieza de contenedores). - Superficie de captadores: 510 m2 captadores de placa plana (selectiva). - Almacenamiento: 40 m3. - Inversión: 268.000 €, es decir 752 €/KWt (financiado parcialmente por el IDAE y el ICAEN

con 130.000 €). - Lugar: Castellbisbal, Barcelona (España). - Diseño y construcción: - - Fecha de Inicio: Marzo 2005.

La planta solar de Contank suministra energía al proceso de limpieza de contenedores para el transporte de líquidos por ferrocarril y fue construida en el marco del IEA-SHC Task 33/IV como una de los primeros sistemas de muestra.

La planta se compone de dos campos solares, que precalientan el agua, que luego es calentada

por vapor hasta los 70-80 °C, necesaria para el proceso de limpieza de los contenedores que supone el principal consumidor de calor (aprox. 46 % del calor total requerido), pero también se necesita vapor (54 % restante). El agua caliente demandada está en un rango de 70-80 m3/día.

Figura 3. 16: Foto de la Instalación solar térmica en Castellbisbal y detalle del campo de captadores. (Fuente: www.aiguasol.com).

Posee 510 m2 de captadores solares tipo plano selectivo con una inclinación de 20° y una

orientación de 24° sur-este (representando una capacidad total instalada de 357 KWt). Su volumen de almacenamiento es de 40 m3 y el caudal suministrado de agua-glicol 30 % alcanza los 16,35 l/m3h. La planta se abastece de una caldera de gas natural como sistema de energía auxiliar para la preparación de agua caliente.

La planta solar, instalada en el tejado de la fábrica, proporciona una energía térmica anual de 429 MWh (841 KWh/m2) y la correspondiente ganancia solar es de más del 20 %. La energía



solar constituye el 22 % de la energía total utilizada en la empresa. El ahorro anual estimado es de 14.300 € (considerando un precio del gas natural de 25 €/MWh). Teniendo en cuenta los costes asociados a operación y mantenimiento (1.250 €/año), el ahorro neto estará alrededor de los 13.050 €/año, con un tiempo de retorno simple de 10 años.

14º) PROYECTO DE KRAFT FOOD EN BRASIL

- Potencia de procesos: 350 KWt. - Sector y aplicación: Alimenticio (limpieza, secado, cocinado y pasteurizado de zumos, fruta

y galletas). - Superficie de captadores: 633 m2 captadores cilindro-parabólicos. - Almacenamiento: No existe. - Inversión: - - Lugar: Recife, Brasil. - Diseño y construcción: Abengoa Solar con ayuda de una empresa local (Elios Soluções

Integradas). - Fecha de Inicio: Abril 2012.

Figura 3. 17: Instalación solar de Kraft Food en Brasil. (Fuente: Abengoa Solar).

Este proyecto consiste de un sistema de EST que entrega calor para cocinar, limpiar, secar y pasteurizar zumos de fruta, galletas y dulces. Es el primer sistema de energía termosolar instalado en Sudamérica y el sistema utiliza captadores cilindro-parabólicos concentrados para

calentar vapor de agua a presión a una temperatura de 110 °C mediante el tubo central absorbedor. El campo solar representa una superficie total de área de 633 m2, los captadores están instalados en un único bucle de 150 m con una separación de 4,9 m entre las dos líneas de captadores. En un futuro el sistema se puede ampliar para satisfacer la demanda creciente de la instalación.

15º) PROYECTO STEINBACH & VOLLMANN

- Potencia de procesos: 280 KW. - Sector y aplicación: Procesado de metal (Agua caliente sanitaria). - Superficie de captadores: 400 m2 captadores de tubo de vacío. - Almacenamiento: 9 m3. - Inversión: 240.000 € (con subvenciones del gobierno por 120.000 €, es decir 300 €/ m2). - Lugar: Heiligenhaus, Alemania. - Diseño y construcción: - - Fecha de Inicio: 2008.

La compañía Steinbach & Vollmann produce cerraduras, herrajes y bisagras desde hace más de 125 años. Mediante la instalación en 2004 de un nuevo sistema de calentamiento, la empresa redujo su consumo de combustible en un 29 %. En 2008 se instaló un sistema termosolar con 400 m2 (280 KW) de captadores de tubo de vacío y 9 m3 de almacenamiento térmico. El



sistema precalienta 16 baños galvánicos (todos juntos suponen 21 m3) y también el sistema convencional de calentamiento y el sistema de agua caliente sanitaria, ambos vía impulso de

retorno. Las temperaturas requeridad para los baños oscilan entre 60-80 °C.

Figura 3. 18: Captadores de tubo de vacío (400 m2) en el tejado de Steinbach & Vollmann, situado en Heiligenhaus, Alemania. (Fuente: SO-PRO).

16º) PROYECTO HAMMERER

- Potencia de procesos: 126 KWt. - Sector y aplicaciones: Transporte (agua caliente para limpieza y calefacción de oficinas). - Superficie de captadores: 180 m2 captadores de placa plana. - Almacenamiento: 6 m3. - Inversión: millones USD. - Lugar: Austria. - Diseño y construcción: Teufel & Schwarz. - Fecha de Inicio: 2001.

Figura 3. 19: Planta de prueba “Hammerer”, Austria. (Fuente: European Solar Thermal Industry Federation).

Es un sistema creado por la compañía Hammerer del sector del transporte e instalado por la empresa termosolar Teufel & Schwarz. Consta de una capacidad de 126 KW (un serie de 180 m2 de captadores de placa plana integrados en la fachada) que producen agua caliente para la



limpieza de contenedores de transporte para camiones, además de abastecer la calefacción de las oficinas. Posee un volumen de almacenamiento de 6 m3 y su fluido de transferencia es el

agua trabajando en un rango de temperaturas del circuito solar de 20-60 °C (min/máx), rango que es también el intervalo de temperaturas del proceso de limpieza.

INSTALACIONES INNOVADORAS

A finales del 2012, se estima que unos 1.000 sistemas de refrigeración solar se instalaron en todo el mundo y que el mercado había crecido constantemente un 40-70 % al año durante los últimos 8 años. En torno al 80 % de las instalaciones de enfriamiento solar mundiales se pueden encontrar en Europa (España, Alemania e Italia) y la mayoría de dichos sistemas están equipados con captadores de placa plana o de tubo de vacío.

1º) SALAM CENTRE FOR CARDIAC SURGERY

Una de los sistemas de enfriamiento solar más grandes del mundo se sitúan en Sudán. Proporciona refrigeración a un hospital, el Salam Centre for Cardiac Surgery, a cargo de la ONG Emergency bajo condiciones operacionales críticas.

Cada hora, el Salam Centre requiere 28.000 m3 de aire frío. Esto se logra con un sistema de 288 captadores de sellado al vacío con un área total de 900 m2. Así se consigue producir 3.600 KWh con cero emisiones de CO2, una cantidad de energía que requeriría la combustión de 335 kg de gasolina por hora. Cada demanda de energía calorífica alberga la tubería de cobre alojada dentro de los tubos de vidrio con cámara de vacío por los que circula el agua, permitiendo que el sol caliente el agua por irradiación sin dispersión de calor. El agua a través de las tuberías

transfiere calor a un reservorio de 50 m3, donde el agua se almacena a unos 90 °C. La transformación de calor en energía de refrigeración tiene lugar en dos enfriadoras de absorción, donde el agua calienta una solución de bromuro de litio. Alcanzando el estado

gaseoso, el bromuro de litio elimina el calor y el agua se enfría hasta 7 °C. El agua fría entonces es recirculada en la unidad de tratamiento de aire (UTA), enfriando el aire hasta la temperatura deseada. Desde las 8 UTA instaladas en el centro, el aire es filtrado de acuerdo con las necesidades de las diferentes areas del centro. Cuando la energía solar es insuficiente para cumplir los requisitos del centro, dos calderas de gasolina se enciende automáticamente, reajustando la temperatura del agua en el reservorio, asegurando el funcionamiento óptimo de las enfriadoras.

2º) PLANTA DE CALOR SOLAR POR ABSORCIÓN EN CARCAVELOS

Otra planta innovadora, es la que se encuentra en Carcavelos, Portugal. Perteneciente a la empresa BRISA, de transporte y gestión de autopistas, se dedica a suministrar aire acondicionado solar para un centro de tráfico. La aplicación consisten en producir calefacción y aire acondicionado mediante una máquina de refrigeración por absorción de bromuro de litio de 79 KW. Posee una potencia instalada de 464 KW, a través de una superficie de captadores de 663,3 m2. Los captadores son tipo CPC, utilizando como fluido el agua-glicol a una

temperatura de trabajo de 80-90 °C, además posee una capacidad de acumulación de 20.000 litros.

En los 90, NREA formuló un programa para las pruebas de campo y diseminación, “Energía Termosolar en Procesos Industriales”, en la industria egipcia. Con este programa, la Autoridad de Energía Nueva y Renovable (NREA) implementó dos proyectos de plantas piloto (uno en la industria alimenticia y otro en la textil) con el proyecto “Renewable Energy Field Testing” (REFT). Los proyectos fueron cofinanciados por la Agencia Estadounidense para el Desarrollo Internacional (USAID) y por NREA.



3º) PROYECTO DE PROCESADO EN GRANJA AVÍCOLA

Este proyecto comenzó en 1990 y dejó de funcionar en 2005 cuando el propietario, United Chicken Company (Ministerio de Agricultura), vendió la fábrica a un inversor provado que decidió reemplazar el sistema de calor solar por uno de tipo convencional. Los objetivos del proyecto son demostrar y probar la energía termosolar en procesos industriales y los sistemas de recuperación de calor residual en industrias alimenticias. Se incorporó el diseño, la construcción, operación, instrucción y prueba de los sistemas.

El proyecto implementó 3 subsistemas los cuales eran, el sistema de calentamiento de agua, la recuperación de calor residual y el sistema de toma de datos meteorológicos.

El sistema solar se componía de 350 m2 de captadores de placa plana de fabricación local que

producían 26 m3/día de agua caliente a 50-60 °C. El sistema de recuperación de calor residual era un sistema de vapor flash que alimentaba dos escaldadores, y un sistema de retorno de condensado para precalentar la caldera.

El sistema global permitía un ahorro de 300 tep/año (alrededor del 30 % del consumo total de energía de la planta) y una reducción de emisiones de 1.200 tCO2/año.

4º) PROYECTO TEXTIL MISR-HELWAN

El segundo proyecto empezó en 1993 y se detuvo en 2005 por las mismas razones que la granja avícola. Fue organizado por la empresa Misr Helwan Textile (Ministerio de industria). Los objetivos del proyecto eran idénticos al igual que los subsistemas instalados.

El sistema de recuperación de calor residual consistía en un intercambiador de calor residual para recuperar el agua caliente descargada para drenar y para utilizarla en el proceso de blanqueo. El sistema ahorraba unos 1.500 tep/año (30 % del consumo total de energía de la planta) y alcanzaba una reducción de emisiones de 8.500 tCO2/año.

Aparecieron algunos problemas relacionados con la gran cantidad de polvo que surgía debido a la implementación de una fábrica de cemento. La experiencia adquirida en operaciones y mantenimiento del sistema solar ha sido útil para la evaluación de otros diseños de proyectos y selección de localizaciones, y especialmente las condiciones medioambientales con las partículas de cemento en el aire que influye en el rendimiento de los captadores.

3.4. SITUACIÓN GEOGRÁFICA DE LAS INSTALACIONES

La disponibilidad del recurso natural (en este caso, la radiación solar) resulta de suma importancia para determinar si se trata de una solución viable para la generación de energía.

Podemos denominar como “cinturón solar” a esa franja del globo terráqueo que ronda los 40° Latitud Norte, que presenta una radiación global media de 1.800 KWh/m2·año. En esta zona se encuentran: los desiertos del norte y sur de África, Región Mediterránea, Península Arábiga y Oriente Medio, India, Centro y noroeste de Australia, Altiplano andino, noroeste de Brasil, norte de México, suroeste de USA.

En general, los lugares con el potencial más grande para el uso de energía termosolar son los que tienen una Irradiación Global Horizontal (IGH) superiores a 2.400 MWh/m2. Las regiones de América Latina y el Caribe, desierto de Atacama en Chile y su entorno, el oeste de Brasil y el norte de México, son ideales para el uso de esta tecnología.



En particular, en Chile la mayor cantidad de radiación solar incidente se produce en el desierto. Además, cabe destacar que el norte de Chile presenta una serie de condiciones particularmente favorables para la introducción de tecnologías de CSP, pueden tomarse como referencia para ser imitadas o reproducidas en otras zonas del mundo:

• Goza de una de las mayores intensidades de irradiación solar en el mundo, con cielos despejados durante la gran mayoría del año, lo que permitiría diseñar plantas de generación eléctrica con menor cantidad de metros cuadrados de campos solares por MW a generar, el que se traduciría en una reducción del costo unitario de inversión.

• En la misma zona geográfica (norte grande de Chile) se concentran grandes centros de consumo energético, tanto eléctrico como térmico, producto de la actividad económica del sector. Dado lo anterior, se podría contar con centrales de generación localizadas cercanamente a los puntos de consumo, evitando los sobre-costos y pérdidas por transmisión de la energía a través de las largas distancias.

• La existencia de una actividad industrial asentada en la zona -con sus respectivos servicios auxiliares e infraestructura vial desarrollada – facilita la instalación de proyectos solares de generación de energía.

• Por último, Chile es el principal exportador de sales para almacenamiento térmico, actualmente en desarrollo para las plantas de CSP, por lo que pueden encontrarse nichos similares en los demás servicios auxiliares que esta industria requiere. En este sentido, el impacto económico y social (PIB, generación de empleo, formación de capital humano, sectores productivos, entre otros) es otro beneficio a considerar, sobre todo al momento de evaluar el costo neto que tendrían para el país los eventuales subsidios para la penetración de estas tecnologías.

Chile cuenta con el desierto de Atacama en el norte del país que tiene uno de los niveles de radiación solar incidente más alto del mundo (sobre 2.500 kWh/m2), lo que permite maximizar la eficiencia de estos sistemas. A partir del año 2006, España y EEUU se han transformado en países líderes en estas materias, implementando proyectos de gran escala.


4. ANÁLISIS DE LAS INSTALACIONES

4.1. INTRODUCCIÓN

Según la Agencia Internacional de la Energía, tanto a nivel mundial, como en los países de la OCDE, el industrial es el sector con el consumo energético más importante, suponiendo alrededor del 30% del total, seguido muy de cerca por el sector transporte y el residencial.

En España, el crecimiento progresivo de la demanda, así como la dependencia energética del exterior, han determinado que en los últimos años se hayan hecho importantes esfuerzos para fomentar la reducción del gasto energético, potenciando, principalmente, una gestión energética más eficiente, como demuestra la Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética 2004-2012.

De forma paralela, se ha potenciado el uso de energías renovables, a través principalmente del Plan de Fomento de las Energías Renovables, ya que se consideran un factor determinante para el cumplimiento de la normativa comunitaria relativa a la limitación de las emisiones a la atmósfera de compuestos acidificantes y de los acuerdos internacionales firmados por España en materia medioambiental, como el protocolo de Kioto, que le obliga a no incrementar sus emisiones de gases de efecto invernadero por encima del 15 % sobre los niveles de 1990.

Es entre las energías renovables, donde la solar térmica puede y debe adquirir un papel relevante, ya que permite la obtención directa de la energía térmica necesaria para muchos procesos industriales. Varios proyectos financiados por la Comisión Europea (proyectos Poship, Procesol I y II) han verificado el enorme potencial de aplicación de la energía solar térmica en la industria, así como la viabilidad técnica y económica de tales aplicaciones a corto (procesos

a baja temperatura, es decir, a menos de 80 °C), medio (procesos a media temperatura, esto

es, entre 80 °C y 250 °C) y largo plazo (procesos a alta temperatura, o sea, a más de 250 °C).

La apuesta internacional por la expansión del uso de la energía solar térmica en la industria también se evidencia por la puesta en marcha en 2004 en la Agencia Internacional de la Energía de la Tarea 33/IV sobre Calor Solar para Procesos Industriales.

4.2. IMPACTOS DEL USO DE LA EST

POTENCIA INSTALADA

Las energías renovables, apoyadas por la UE, constituyen un pilar básico en la estrategia de reforzar el desarrollo sostenible de nuestras economías y el bienestar de los ciudadanos. El objetivo más ambicioso para la termosolar, desarrollado por ESTIF, es alcanzar los 320 GWt instalados en Europa en 2020 (supone alrededor de 1 m2 per cápita un 19,7 Mtep/año de energía liberada). Conforme a la ESTTP, la meta para 2030 es tener instalada una capacidad total de 960 GWt.

Suponiendo que el 10 % del potencial calculado de calor solar para aplicaciones industriales estuviese implementado en 2020, una capacidad total de entre 10 y 12 GWt en aplicaciones industriales darían una contribución del 3-4 % al objetivo global de 320 GWt. Para la IEA la



energía solar térmica podría cubrir el 20 % a nivel global de la demanda industrial total de calor a baja temperatura.

Teniendo en cuenta estos supuestos el uso industrial de energía termosolar podría garantizar un volumen de mercado de 1.000 MWt/año, lo cual significaría un crecimiento del 50 % del volumen del mercado europeo actual (2100 MWt en 3 millones de m2 en 2006). Numerosos estudios estiman que a escala global, la termosolar puede llegar a producir 1.556 TWh (5,6 EJ) de calor para procesos industriales en 2050, y respecto a la EU25 existe un potencial de 72 TWh.

Es evidente que la mayoría de las regiones tienen el potencial para aplicar sistemas solares a procesos de producción de calor. Estos potenciales dependen básicamente del consumo general de los sectores elegidos, de su demanda para procesos de calentamiento a baja temperatura y, obviamente, de la cantidad de radiación solar disponible. Los países de la OCDE tienen un enorme potencial debido a tu elevada demanda de energía industrial. Existen nichos de mercado en muchos sectores en los cuales parte de la demanda energética a baja temperatura puede suministrarse por sistemas termosolares.

Figura 4. 1: Desglose regional del potencial termosolar para procesos de calentamiento en la industria en 2050. (Fuente: Análisis de UNIDO).

Respecto al desglose sectorial, la industria alimenticia de del tabaco poseen casi el 50 % del potencial total de energía. Esto es de gran importancia para los países menos desarrollados y en vías de desarrollo, donde la modernización de la industria alimenticia tiene un papel crítico respecto a la seguridad e higiene en la comida. Los sistemas termosolares pueden colaborar con estos países para estabilizar los precios del sector, eliminando su dependencia del petróleo u otros productos energéticos.

Análisis de las Instalaciones


Figura 4. 2: Desglose sectorial del potencial termosolar para procesos de calentamiento en la industria en 2050. (Fuente: Análisis de UNIDO).

EMISIONES

Los jefes de estado y gobierno han adoptado recientemente una política energética que no sólo ayuda a impulsar la competitividad y el suministro seguro de energía, sino que también aspira a alcanzar ahorros importantes de energía y a promover energías respetuosas con el medio ambiente. Los líderes de la UE establecieron un objetivo de recorte de las emisiones de gases de efecto invernadero de un 20 % para 2020 y un objetivo global vinculante del 20 % para las energías renovables comparado con el actual 6,5 %.

A nivel mundial, las emisiones de CO2 provocadas por el uso de la energía crecieron en 2012 un 1,9 %. El mundo está fracasando en su intento de conducir el sistema energético por una

senda más sostenible y el objetivo climático de limitar el calentamiento global a 2 °C en 2050 se hace más difícil y costoso de conseguir cada año que pasa. Con las proyecciones que se derivan de los escenarios energéticos actuales, la temperatura en la Tierra subiría en 2050

hasta 3,6 °C, nivel que está muy por encima del considerado por los expertos como límite a partir del cual la vida en el planeta cambiaría de forma significativa a como lo es en la actualidad.

China se propone reducir un 16 % su intensidad energética en 2015, la Unión Europea ha aprobado el Parlamento Europeo en la resolución de 5 de febrero de 2014 una reducción del consumo del 40 % para 2030, año en el que Japón prevé reducir un 10% el consumo eléctrico. Se observa que la eficiencia energética está ya reconocida más como una imperiosa necesidad que como una opción plausible. Pero los planteamientos actuales se quedan todavía cortos si se quiere explotar toda su potencialidad y las altas posibilidades de creación de nueva riqueza y empleo. Es preciso actuar en este caso con mayor decisión y celeridad.

En general, un incremento sustancial del uso de las energías renovables posee el potencial de contribuir en torno al 10 % del total de las reducciones de gases de efecto invernadero esperadas en 2050. Cerca de 2 gigatoneladas de CO2, lo cual representa un 25 % de la reducción de emisiones total esperada en el sector industrial. Esto equivale a las emisiones totales actuales de Francia, Alemania, Italia y España, y alrededor de un tercio de las emisiones actuales de Estados Unidos.



El uso de energía termosolar reduce significativamente el consumo directo de fuentes de energía primarias. Proporciona energía a precio, en principio, visible y estable ya que la mayoría de los costos de instalación están incluidos en la inversión inicial. Los nuevos desarrollos tecnológicos pueden cambiar la demanda de energía de calor a demanda de energía eléctrica. Por no mencionar la reducción de la dependencia energética exterior que sufre, por ejemplo España.

Las inversiones en soluciones sostenibles como la energía solar, mejorará la imagen de los proveedores en el mercado mediante el aumento del compromiso de los trabajadores y la estabilidad a largo plazo del precio de la energía.

4.3. ESTUDIO DEL POTENCIAL Y SU VIABILIDAD

Para realizar un correcto estudio del potencial energético de un país en este ámbito, así como evaluar la viabilidad de implantación, hay que considerar:

- Definición de los sectores más relevantes y adecuados del país en cuestión. - Evaluación de la demanda de energía calorífica industrial por sector y por rango de

temperatura centrándonos en procesos a baja y media temperatura (hasta 250 °C) ya que la energía termosolar es más eficiente cuando se utiliza en estos procesos.

- Cálculo del potencial técnico incluyendo todos los casos donde la instalación de sistemas termosolares se considere técnicamente factible (teniendo en cuenta algunos factores limitantes. Se puede maximizar la generación de energía con análisis de las horas, días y meses con radiación más alta.

- Estudiar la posibilidad de conectar unidades de suministro de calor convencional a la instalación solar térmica alternativa (necesaria para almacenamiento o para apoyo por descenso de la radiación).

- Disponibilidad de espacio para la instalación y, aún mejor, para integrar la instalación en edificios industriales existentes.

- Evaluación del potencial tecno-económico: costes de energía; costes de inversión, operación y mantenimiento; esquemas de financiación desde el sector público; suposición de los principales parámetros económicos (retorno de la inversión, TIR, coste del kWh, etc.).

Es importante decir, que las mayores limitaciones para la integración de calor solar en la industria son; el enorme potencial de las medidas de eficiencia energética, diversos motivos operacionales, y la ausencia de área cubierta. Adicionalmente, las compañías industriales no disponen de ningún tipo de pautas generales de planeamiento, instalación y operación para grandes instalaciones solares. Si al menos pudiésemos eliminar algunas de esas limitaciones, seríamos capaces de alcanzar datos tan interesantes como los expuestos anteriormente.

BARRERAS AL CRECIMIENTO

Vamos a intentar identificar las principales barreras que actualmente evitan que la tecnología termosolar satisfaga una porción importante de la tarta de demanda final de energía.

• Conciencia: El número de instalaciones termosolares en la industria es muy reducido, y la gran mayoría de los responsables de tomar decisiones relevantes en la industria nunca han oído hablar siquiera de los sistemas termosolares.

• Confianza únicamente en tecnología probada a largo plazo: La mayoría de los gerentes son conservadores y prefieren el uso de energías convencionales (con precios variables e



impredecibles) a tomar riesgos potenciales de interrupción de la producción (riesgos de transición).

• Coste del sistema: Al igual que la mayoría de la tecnología renovable, los sistemas termosolares tienen elevados costes de inversión (a pesar de que durante las operaciones se ahorre energía convencional). Esto supone una gran barrera evolutiva frente a los menores precios de los combustibles fósiles ya que el tiempo de retorno de la inversión se dispara.

• Falta de tecnología: En el caso de las industrias que demandan temperaturas elevadas, nos encontramos con ausencia de nuevos diseños y materiales que cumplan estas condiciones. También existen carencias en las cadenas de suministro debido al pobre desarrollo.

• Falta de herramientas y guías de planificación: No existen estas pautas estándar para facilitar la integración de estos sistemas ya que muy pocas instituciones y empresas tienen mucha experiencia con estos sistemas.

• Falta de formación energética: Difícilmente los profesionales puedan ofrecer soluciones relacionadas con la energía solar a sus clientes, si no tienen conocimiento sobre la materia. También existe una falta de formación hacia los diseñadores e instaladores que carecen de conocimientos para instalar sistemas complejos de un modo fiable y sostenible.

Existen también otro tipo de barreras más técnicas que impiden o dificultan el desarrollo en áreas, sectores o circunstancias más específicas y puntuales como; el área requerida por los captadores solares, las condiciones de radiación solar o alcanzar los niveles de alta temperatura que se requieren en muchas aplicaciones (muy poca experiencia en estos secotres a estas escalas).

CONSIDERACIONES ECONÓMICAS

En la industria, los costes energéticos suponen un muy alto porcentaje de los costes totales de producción por lo que los gerentes de las compañías prestan especial atención en como disminuirlos.

Los tiempos de recuperación de la inversión para los equipos de producción suelen exigirse entre 3 y 10 años. Estos números son difíciles de obtener con la energía solar, más aún si el ahorro de energía es el único beneficio que consideramos. Sin embargo existen nuevas fórmulas prometedoras de financiación por terceros: de este modo, la empresa distribuidora de energía asume los costes de inversión del equipo solar y el consumidor paga por la energía consumida.

Para hacernos una idea, el coste de las instalaciones termosolares para procesos de calentamiento en Europa oscila desde 180 €/m2 hasta 500 €/m2. Este coste depende del diseño del sistema, el tamaño, los componentes seleccionados (por ejemplo, la elección del

tipo de captador) y de factores específicos de cada país (por ejemplo el salario). La Figura 4. 3 nos muestra un reparto proporcional de dichos costes en una instalación solar.

Independientemente del sector de aplicación, las instalaciones térmicas para procesos térmicos solares tienen aún costes más elevados que los sistemas convencionales. Pero si se planea y mantiene correctamente, la vida útil de un sistema solar puede durar más de 20 años y en tal caso, podría llegar a ser un sistema competitivo. La generación de energía solar térmica para procesos a baja temperatura puede oscilar entre 2 y 8 cent.€/KWh, dependiendo fuertemente de la localización, el proceso sostenido y las temperaturas requeridas.



Figura 4. 3: Distribución de los costes de instalación para sistemas solares térmicos de grandes dimensiones. (Fuente: SO-PRO Project, [EU 2011]).

Hasta ahora, se necesitan ayudas e incentivos para acortar el tiempo de retorno financiero y alinearlo con exigencias comerciales. La mayoría de los países europeos han puesto en marcha planes de apoyo dedicados, a veces diferenciando según la situación geográfica o según aspectos tecnológicos. Sin embargo las tecnologías solares térmicas todavía reciben apoyo limitado en comparación con las tecnologías renovables para generación de electricidad.

Es cierto que las energías renovables no son rentables en países con políticas de subvenciones favorables a los combustibles fósiles. La IEA estima que actualmente los combustibles fósiles siguen recibiendo alrededor de 550.000 millones USD al año en todo el mundo.

La competitividad de las renovables frente a los combustibles fósiles depende fuertemente de las políticas nacionales y de las fluctuaciones de los precios de la energía en los mercados internacionales. Respecto a la base de datos de Precios de la Energía e Impuestos de la IEA, entre 1998 y 2009 el coste del gas natural para el usuario rondaba los mínimos de 16 USD /tonelada equivalente de petróleo (tep) en Rusia en 2000 y unos máximos de 953 USD/tep en 2008 en Hungría (varíando en una proporción de casi 60). A finales de 2009, los precios de usuario máximos y mínimos variaban en una proporción de 10 (90 USD/tep en Kazajistán frente a 870 USD/tep en Dinamarca).

De un modo similar, los precios del carbón variaban en una proporción de 30, con mínimos de 13 USD/tep en Kazajistán en 2003 y máximos de 422 USD/tep en Suiza en 2008. A finales de 2009, los precios diferían en una proporción de 15, entre 26 USD/tep en Kazajistán y 373 USD/tep en Austria.

Si existiera un mercado de carbón líquido efectivo y eficiente que estuviera en su lugar, el precio del CO2 sería uno de los principales factores que determinasen el éxito de las energías renovables y la mezcla de combustibles fósiles. A corto plazo, la infraestructura existente es una barrera significativa para impulsar el cambio de precio en los combustibles. Pero a largo plazo, si el precio se estabiliza en el mercado del carbono y los mayores consumidores de



energía se involucran más directamente, los combustibles ricos en carbono, como el carbón verían su papel reducido en beneficio de los combustibles pobres en carbono, como el gas natural y las renovables. El único sustituto del carbón a medio plazo es la biomasa, a través de tecnologías de pre procesado, sin ningún reemplazamiento del equipo existente, especialmente en sectores donde el contenido de carbono en el combustible es fundamental para el proceso industrial (sector del acero, hierro, químico y petroquímico).

La competitividad económica de la energía termosolar en la industria, se verá favorablemente afectada por los elevados precios del carbón. Dentro de las renovables, la energía solar tiene una ventaja competitiva sobre la bioenergía, y es que no está expuesta a la volatilidad de los precios de las materias primas.

El incremento de esta competitividad pasa por la reducción de los costes de la tecnología mediante el aprendizaje y arranque del despliegue de los sistemas solares en regiones y sectores seleccionados donde la radiación solar sea abundante y lo más constante posible durante el año. El desarrollo en las zonas donde actualmente ya es una energía competitiva, facilitará y extenderá la difusión, el atractivo económico y la confianza a otras regiones y sectores.

ESCENARIOS PARA EL DESPLIEGUE DEL MERCADO DE LOS SISTEMAS TERMOSOLARES

Esta sección informa de una serie de análisis de posibles escenarios y perspectivas para la termosolar, llevados a cabo a nivel europeo. Por ejemplo, en el marco del proyecto RESTMAC que tenía el objetivo de evaluar la contribución de la energía solar térmica al objetivo de la UE del 20 % en energías renovables. Para tal fin, se dirigieron encuestas detalladas en 5 países representativos (Austria, Dinamarca, Alemania, Polonia y España). Esta información recogida fue extrapolada a los 27 países de la UE yse calculó la demanda de energía calorífica y frío futura para 2020, 2030 y 2050, teniendo en cuenta una caída de la demanda global de energía debido a las medidas de eficiencia energética. El estudio calculó el porcentaje de energía solar térmica en la demanda de energía calorífica y frío. Además el estudio desarrolla 3 escenarios diferentes: Business as usual (BaU), Advance Market Deployment (AMD) y Full R&D and Policy (RDP).

Veamos los supuestos efectuados en cada uno de los escenarios:

1. Supuestos del escenario BaU (Lo Mismo de Siempre): - No hay reducción de la demanda de energía calorífica y frío en comparación con 2006. - Mecanismos de apoyo político moderados: Exceptuando para algunos países a la

vanguardia sin obligaciones solares para nuevos edificios residenciales; Subvenciones (10-30 % del coste del sistema) para edificios residenciales y precios de la energía (fósil) moderados.

- Baja tasa de I+D y por lo tanto sin soluciones para el almacenamiento de alta densidad energética o respecto a captadores con nuevos materiales; Sin soluciones suficientes y económicamente competitivas para el enfriamiento solar.

- Mayor enfoque en sistemas solares térmicos para preparación de agua caliente (fracciones solares 50-70%) en el sector residencial; sistemas combinados solares con baja fracción solar (10-20 %); Difusión del mercado marginal en todos los otros sectores.

- Bajas tasas de crecimiento de la capacidad instalada (7-10 % anual hasta 2020).

2. Supuestos del escenario ADM (Despliegue del Mercado Avanzado):



- Reducción moderada de la demanda de calefacción comparada con 2006 (depende del país pero de media: -5 % en 2020, -10 % en 2030 y -20 % en 2050).

- Mecanismos de apoyo político: Obligaciones solares para todos los edificios residenciales nuevos; subvenciones para los edificios residenciales, comerciales y de servicios existentes, al igual que para aplicaciones industriales (10-30 % del coste del sistema) o un incremento constante moderado de los precios de la energía (fósil).

- Tasa mediana de I+D y por consiguiente soluciones para el almacenamiento de alta densidad energética y para captadores con nuevos materiales; soluciones suficientes y económicamente competitivas para el enfriamiento solar en el 2020.

- Mayor enfoque en sistemas combinados solares para preparación de agua caliente y calefacción en el sector residencial; sistemas combinados solares con baja fracción solar (10-20 %) hasta 2020 y fracción solar media (20-50%) a partir de 2020; Difusión moderada del mercado en todos los otros sectores.

3. Supuestos del escenario RDP (I+D y Política):

- Reducción significativa de la demanda de energía calorífica comparado con 2006 (-10 % en

2020, -20 % en 2030 y -30 % en 2050). - Mecanismos de apoyo político al completo: Obligaciones solares para los edificios

residenciales, comerciales y de servicios nuevos y existentes, al igual que para aplicaciones industriales de baja temperatura o precios elevados de la energía (fósil).

- Alta tasa de I+D y por tanto, soluciones a la rentabilidad del almacenamiento de alta densidad energética y captadores de nuevos materiales; soluciones suficientes y económicamente competitivas disponibles para el enfriamiento solar en 2020.

- Mayor enfoque en sistemas combinados solares para preparación de agua caliente y calefacción en el sector residencial; sistemas combinados solares con baja fracción solar (10-20 %) hasta 2020 y fracción solar elevada (50-100%) a partir de 2020; Difusión sustancial del mercado en todos los otros sectores.

- Elevada tasa de crecimiento de la capacidad instalada (20 % anual hasta 2020).

Los principales resultados de este análisis de escenarios son:

• El escenario BaU ilustra un moderado crecimiento anual de la capacidad instalada hasta 2035. Sobre el 2035, se estima que la capacidad instalada se sature. De hecho, bajo este escenario la mayor aplicación de los sistemas termosolares se considera la preparación de agua caliente y los sistemas combinados (es un sistema solar que proporciona tanto calefacción y refrigeración solar, como agua caliente de un demanda de energía calorífica común) con bajas fraciones solares. En torno a 2030 casi todo el potencial de estas aplicaciones debería estar explotado y la capacidad anual instalada se reducirá al reemplazamiento de sistemas obsoletos.

• Tanto el escenario RDP como el AMD están basados en el supuesto de que la principal aplicación de la tecnología solar térmica con los sistemas combinados de calefacción y ACS (combisystems) en los sectores residencial y servicios en los países centroeuropeos y del norte del continente, además de los sistemas combinados que proporcionen calefacción, agua caliente y aire acondicionado en los países del Mediterráneo.

• Adicionalmente, se asume una difusión moderada del mercado sustancial en otros sectores. Los sistemas combinados solares proporcionarán calor para agua caliente y calefacción (también refrigeración donde se requiera) y tendrán la capacidad de alternar a almacenamientos de energía de alta densidad cuando esté disponible sin cambios en el área del captador. Empleando almacenamientos de energía de alta densidad, incrementaría significativamente la fracción solar.



Los resultados del estudio muestran que la energía solar térmica podría abastecer desde 33 Mtep hasta 133 Mtep (respectivamente en los escenarios BaU y RDP) de la energía final en la UE. Esto corresponde a una capacidad instalada de entre 679 GWt hasta 2.716 GWt.

La contribución de los sistemas termosolares a la demanda de energía calorífica a baja temperatura de la UE debería ser del 8 % bajo el escenario BaU y del 47 % bajo el escenario RDP en 2050, frente al 0,2 % en 2006, si suponemos una reducción de la demanda de energía calorífica del 31 % respecto al nivel de 2006. El área de captadores total resultante debería ser entre 970 millones m2 (BaU) y 2.880 millones m2.

Teniendo en cuenta el escenario RDP, el calor industrial (a baja temperatura) proveniente de sistemas solares térmicos representará alrededor del 20 % de la contribución total de la termosolar y, en torno al 45 % de la demanda total de calor a baja temperatura.

4.4. ACCIONES Y MEDIDAS DE CAMBIO

El potencial de utilización de la energía solar térmica en el sector industrial en América Latina y a nivel mundial es considerable. Teniendo en cuenta los costes actuales de la tecnología y circunstancias favorables del recurso solar, esta tecnología es un sustituto viable a los hidrocarburos para generar el calor que se necesita en los procesos industriales, particularmente a temperaturas bajas y medias.

Sin embargo, a pesar de los importantes beneficios, la EST está infrautilizada. Para aumentar la expansión de esta, será vital sensibilizar a la industria y a los poderes públicos de sus beneficios evidentes. Este enorme potencial solo puede llevarse a cabo si, particularmente en el período de transición, se crean políticas favorables al desarrollo e inversión por parte del sector privado

Hay un mensaje claro para las compañías nacionales y europeas; existe un oportuno y, hasta ahora, casi inexplotado mercado para aplicar la tecnología termosolar. Por tanto, hay que estudiar el sector más propicio y representativo de cada país y explotar su potencial. Las principales acciones que deben acometer los responsables de elaborar las políticas energéticas son:

- Incentivos económicos para empresas con deseo de invertir en termosolar (préstamos con bajos intereses, reducción de impuestos, apoyo financiero directo, etc.).

- I+D+i y reducciones de coste a través de economías de escala. A largo plazo será necesario establecer un precio para las emisiones de gases de efecto invernadero, para fomentar el desarrollo del mercado renovable.

- Llevar a cabo numerosos proyectos de muestra y pruebas piloto de plantas termosolares en la industria, incluyendo soluciones avanzadas e innovadoras. Así se ganará más experiencia y seguridad en esta tecnología emergente. Además, para potenciarlo aún más, esto podría llevarse a cabo en los sectores industriales más óptimos para la EST, como el de la alimentación o el textil y así, que se establezcan herramientas y pautas de planeamiento para el futuro.

- Proporcionar información (talleres y campañas) al sector industrial relacionado acerca del coste real de la producción y el uso de energías convencionales y de los beneficios del uso de la tecnología termosolar.

- Ofrecer formación a los profesionales del sector (instaladores, proyectistas, etc.). Únicamente unos amplios programas de formación

- Apoyo a nuevas investigaciones e innovaciones enfocadas a mejorar la madurez técnica, la reducción de costes y, especialmente, las aplicaciones a altas temperaturas, pero también a captadores de media temperatura, la mejora de los fluidos caloportadores, etc.



Actualmente la energía solar térmica en procesos industriales, está basada en las tecnologías disponibles. Desde los departamentos de I+D+i se está desarrollando tanto los nuevos componentes con una calidad adecuada para aplicaciones industriales específicas, como el refinamiento de las configuraciones de productos ya disponibles.

A pesar de que el calor solar en procesos industriales esté aún en su infancia, el incremento del número de plantas en desarrollo, especialmente en la Unión Europea, están generando más experiencia y retroalimentación a su campo de estudio. Programas nacionales, como el PROSOL Industrial en Túnez, o a través del desarrollo de los proyectos CDM en Marruecos, se incrementa el interés en estas tecnologías, con la perspectiva de reducir la dependencia fósil. Otras iniciativas, como la “Global Solar Water Heating Market Transformation and Strengthening Initiative” representa un paso delante de gran relevancia en cuanto al compartir conocimientos y acceso a la información.


5. RESUMEN Y CONCLUSIONES

Se ha tenido como objetivo realizar un proyecto enfocado al estado del arte de la energía solar térmica, intentando describir de manera lo más completa posible su entorno y desarrollo pero sobretodo abarcando los aspectos más relevantes y trascendentes en el sector industrial en la actualidad.

Hemos empezado situando el contexto energético a varios niveles, para ir acotando poco a poco los temas en los que residía nuestro mayor interés, como los equipos, los diferentes sistemas existentes, los sectores y sus procesos de aplicación, todo ello para finalmente realizar un análisis muestrario de varias instalaciones solares que, debido a su tamaño, innovación o ámbito de aplicación, nos han parecido de gran importancia ilustrativa.

Al haber estado, cada uno de los temas abordados orientados a la actualidad, además de haber realizado numerosos estudios, con datos lo más reciente posibles, sobre la situación actual y los potenciales de esta tecnología, se ha terminado el proyecto haciendo una reflexión de los impactos, barreras y posibles mejoras que existen en estos momentos con respecto a la energía solar térmica.

Algunas de las conclusiones más destacadas se plasmarán a continuación. Empezando por el obvio crecimiento que está sufriendo la tecnología solar y más aún la solar térmica en procesos industriales, debemos reseñar que a pesar de que nuestro país esté entre los pioneros y los más avanzados entorno a este recurso energético, existen otros países como Austria que no bajan los brazos y es por ello que todos los responsables a los que atañe este mercado sean capaces de superar las barreras existentes y que no permiten que, a día de hoy, la EST esté mucho más implantada de lo que está.

Tras el estudio de los sectores y procesos más susceptibles de ser abordados por la EST, hemos podido observar que existe un amplísimo abanico y diversidad de posibilidades de aplicación y que el mayor impedimento o dificultad no reside en el sector ni el proceso en sí, ya que aparte de ser preferible buscar una demanda de energía constante a lo largo del día, lo más complicado es integrar el sistema solar a nuestro proceso. Dado el fuerte contraste entre los diferentes procesos industriales, resulta muy difícil adoptar una metodología de implantación fija a nivel de los procesos, por ello es más sencillo adaptar el sistema solar a nivel de suministro (antes del proceso). También hemos observado la importancia de los sistemas de almacenamiento térmico que, para casi todos los sectores, resulta indispensable para poder conseguir un suministro constante de energía térmica. Este factor es, a la vez, uno de los que provocan un aumento considerable en el coste final de la instalación.

En cuanto a los tipos de captadores solares estudiados, sabiendo que la mayoría de ellos tiene un mercado objetivo diferente, vemos la importante presencia del captador solar de placa plana, que ofrece un equilibrio precio-eficiencia bastante atractivo, además de la facilidad de implantación, intuimos que también es motivo de su mayor inserción en el sector, la experiencia de éxito de los que han probado esta tecnología ya que una barrera muy pronunciada es la postura de miedo de los industriales a la ineficacia y a la pérdida de producción instantánea.

El número de plantas termosolares con objetivos de calentamiento de procesos industriales, se concentra básicamente en la baja temperatura, y los países con mayor implantación son países altamente desarrollados (Austria, EEUU y España). No obstante el potencial reside

Resumen y conclusiones


fundamentalmente en los países de la OCDE y en China (abarcan un 67 % del futuro potencial termosolar). Además el dominio, como ya hemos dicho, de los captadores de placa plana es claro, tanto en número de plantas (72 %), como en capacidad instalada (63 %). Según las 16 plantas seleccionadas para nuestro proyecto, prácticamente todos los tipos de captadores instalados (placa plana, tubo de vacío y cilindro-parabólicos) siguen un ratio de capacidad/superficie constante y en torno a 0,7 KW/m2. Hay puntos que se escapan sustancialmente de este valor, y esto puede deberse a la fuerte influencia de la política del sistema de almacenamiento térmico adoptada por la industria en cuestión, ya que un mayor almacenamiento térmico permitiría reducir la superficie de captadores instalada, pero esto a su vez incurriría en un gasto importante de la instalación.

Quizás, según algunos criterios, la reducción de los gases de efecto invernadero emitidos como consecuencia de la implantación de la EST (energía limpia) puede parecer un efecto secundario o de menos importancia. Sin embargo, dejando a un lado los argumentos éticos o similares, la toma de decisiones por parte de los estamentos gobernantes puede influir en el cumplimiento de nuevas leyes y normativas tanto para preservar el medioambiente, como para potenciar el desarrollos de estas tecnologías. Un claro ejemplo es el “reciente” protocolo de Kioto, que podría ser un precedente a futuras nuevas normativas. De hecho este es uno de los más fuertes argumentos o soluciones que proponen los expertos para disparar este desarrollo.

La realidad de la importancia de la EST en la industria a determinados niveles de temperatura es algo más que comprobado además de la evidente rentabilidad que esta proporciona si se cuenta con ciertos apoyos de financiación, lo que hace responsable de este desarrollo a toda la sociedad al completo (desde los pequeños y medianos industriales, hasta por supuesto gobiernos, organizaciones y confederaciones mundiales). No obstante, dejando a un lado el largo mercado (sin experimentar) que poseen los procesos a alta temperatura que requieren

de mayor esfuerzo de I+D, la media y baja temperatura (por debajo de los 250°C) ya ha experimentado una gran aceptación en los sectores que la han implantado. Sin embargo, es razonable pensar, que todas las barreras existentes que impiden la materialización de este elevado potencial no son de tipo técnico, ni puramente económico, ya que en cualquier gobierno de los países más idóneos para el aprovechamiento solar, aparecen intereses personales y políticos que, cuanto menos, permiten poner en duda la veracidad real de dichas barreras al crecimiento.


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ANEXOS

ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS

AFP Advanced Flat Plate (Captador de Placa Plana Avanzado)

CCP Captador Cilindro Parabólico (ó PTC)

EST Energía Solar Térmica

GLP Gas Licuado de Petróleo

LFC Linear Fresnel Collector

POSHIP Potential of Solar Heat in Industrial Processes project

PROSOL Programa Solar – Túnez

RDN Radiación Directa Normal

UTA Unidad de tratamiento de aire

Organizaciones e Instituciones

Euroheat & Power Es una organización que une y combina el sector de calor y energía con los sectores de calefacción distrital y de refrigeración a lo largo de Europa y el mundo. Posee miembros de 30 países diferentes

EU25 Conjunto de países con derecho a plena libertad de movimientos. Estados miembros: Austria, Bélgica, G.Bretaña, Chipre, República Checa, Dinamarca, Estonia, Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, Islandia, Irlanda, Italia, Letonia, Liechtenstein, Lituania, Luxemburgo, Malta, Países Bajos, Noruega, Polonia, Portugal, Suecia, Eslovaquia, Eslovenia y España

ESTIF European Solar Thermal Industry Federation

ESTTP European Solar Thermal Technology Platform

IDEA Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (Ministerio de Industria)

ICAEN Instituto Catalán de Energía

IEA International Energy Agency (Agencia Internacional de la Energía)

IEA-SHC International Energy Agency’s Solar Heat and Cooling Programme

NREA New and Renewable Energy Authority - Egipto

OCDE Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos

OME Observatoire Méditerranean de l’Energie

USAID United State Agency for International Development

UNEP United Nations Environment Programme

UNIDO United Nations Industrial Development Organization (Organización de Desarrollo Industrial de las Naciones Unidas.

Unidades

Baria 1 Baria = 0,10 Pa

GWe Gigawatt eléctrico

GWt Gigawatt térmico

K Grados Kelvin

KW Kilowatt

m2 Metros cuadrados

MW Megawatt

Pa Pascal

USD United States Dollar

tCO2 Toneladas de CO2

Tep Toneladas equivalentes de petróleo. 1 Ktep (1.000 tep) = 4,19 · 10

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proyecto fin de carrera - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/5474/fichero/pfc... ·...

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