Guía de diseño de aplicaciones con energía térmica solar para aplicaciones no residenciales (4ª PARTE)

Ver 3ª PARTE

Acoplamiento del sistema térmico solar con los procesos

La integración de calor solar en procesos de producción industrial es todo un desafío. Los sistemas de calentamiento existentes se basan en vapor o agua caliente de calderas que normalmente se diseñaron para temperaturas mucho más altas (150 – 180 ºC) comparado con aquellas que los procesos necesitan (100 ºC o menos) para mantener diferencias de temperatura pequeñas. Por el contrario, el sistema térmico solar siempre se acoplará al suministro de calor existente a la temperatura más baja posible. Sin embargo, para precalentamiento de fluidos, el calor solar se introducirá sólo después de los sistemas de precalentamiento por los sistemas de recuperación de calor de los residuos, y no como una alternativa a aquellos sistemas. En la siguiente figura mostramos esta aplicación.

Incluso si la recuperación del calor de los residuos eleva la temperatura de trabajo en el sistema térmico solar, la combinación de ambos sistemas produce mejores resultados que un sistema térmico solar a bajas temperaturas pero sin recuperación de calor.

Hoy en día, una de las metodologías de evaluación de la recuperación de calor más usada es el análisis “pinch”.  Este método se basa en el análisis de las corrientes  de calor y frío en el proceso, dando consejos fundamentales sobre la posibilidad y la posición correcta de los intercambiadores de calor para la recuperación de los procesos. Esto permite desarrollar soluciones integrales para aplicaciones de energía térmica solar en procesos industriales. Desde el punto de vista de la energía, los chorros que constituyen una capa del flujo del proceso  pueden ser clasificados en dos grupos: chorros calientes, es decir, chorros que deben ser enfriados, y chorros fríos, es decir, chorros que deben calentarse.

Cuando hay un gran número de chorros, la selección del mejor acoplamiento entre estos sistemas no es obvio. La metodología pinch proporciona una forma esquemática de encontrar las soluciones óptimas para la implementación de técnicas de recuperación de calor.

El sistema térmico solar puede ser acoplado con sistemas de suministro de calor convencionales de varias formas, incluyendo acoplamiento a procesos específicos, precalentamiento de agua, y generación de vapor en el sistema central (ver siguiente figura).

Cuando sea posible, un acoplamiento directo de los sistemas térmicos solares a uno o varios procesos es preferido debido a que las temperaturas de trabajo son más bajas. El acoplamiento directo a un proceso puede ser principalmente llevado a cabo en los siguientes dos modos:

• Precalentamiento de un fluido de circulación (ej. agua feed-up, retorno de circuitos cerrados, precalentamiento de aire). Esta solución es factible si la circulación es continua o periódica. Si la circulación es discontinua, debe introducirse un depósito de almacenaje. La temperatura de trabajo del sistema térmico solar es más bajo que la temperatura de proceso final requerida. La fracción solar más pequeña y la temperatura de trabajo media. Para fracciones solares muy pequeñas, la temperatura de trabajo media puede ser más cercana a la temperatura de entrada del fluido (o retorno).
• Calentamiento de baños de líquido o cámaras calientes (ej. secado): La demanda de energía es tanto para calentamiento como para arranque operacional, ya sea concentrado en las primeras horas de la mañana o periódicamente cada vez que el fluido usado es reemplazado con fluido nuevo, y manteniendo la temperatura de operación, que es generalmente una carga casi constante.

Los intercambiadores de calor existentes para calentamiento de baños requieren vapor a temperaturas que son demasiado altas para un sistema térmico solar. La introducción de intercambiadores de calor adicionales con área de intercambio más grande en baños existentes no es siempre posible debido a la falta de espacio u otras restricciones técnicas. En algunos casos, un intercambiador de calor externo en combinación con una bomba de circulación puede ser utilizado.

Si los baños de proceso está bien aislado, puede ser usado para almacenamiento de calor solar. Por ejemplo, mantener la temperatura del sistema durante un fin de semana puede reducir la demanda de calor para arranque el lunes por la mañana.

En casi todas las industrias, es posible acoplar un sistema térmico solar al sistema de suministro de calor. Esto puede hacerse ya sea calentando el agua de alimentación para las tuberías de vapor (el nivel de temperatura se eleva cuando se incrementa la recuperación del condensado) o por un generador de vapor solar.

Demanda de calor y almacenamiento

Otro desafío en la aplicación de la energía térmica solar a los procesos de producción industriales es la dependencia de tiempo del suministro de energía solar y la demanda térmica de los procesos. Muy pocas líneas de producción funcionan con una carga constante a lo largo del día. La mayoría de los procesos en las compañías más pequeñas trabajan en uno o dos turnos por día y muestran un modo de operación por lotes.

Cuando la demanda de calor del proceso es continuo durante las horas soleadas sin ruptura las fines de semanas, la carga es siempre más alta que las ganancias solares.  Por lo tanto, el sistema térmico solar puede ser diseñado sin almacenamiento permitiendo que el calor solar alimente directamente el proceso o el sistema de suministro térmico. Esto permite construir sistemas térmicos solares a menor coste al eliminar los costes de almacenamiento.

En caso de una demanda semanal constante, pero con fuertes fluctuaciones en la demandad diaria durante los periodos operacionales (ej. picos de demanda, rupturas cortas de operación, es necesario el almacenamiento de 20 – 80 l/m² de colector, dependiendo del perfil de demanda del calor de proceso.

Si las fluctuaciones diarias vienen juntas con la ruptura del fin de semana (cinco días de operación por semana), entonces el tamaño de almacenamiento recomendado es de 80/150 l/m². El almacenamiento de fin de semana no se recomienda generalmente para pequeños sistemas. Cuanto más grande es el tamaño del sistema, más efectivo es el almacenamiento térmico durante largos periodos (ej. fines de semana). Un almacenamiento de fin de semana llega a ser económico para sistemas con capacidad instalada de alrededor de 350 kWth, lo cual corresponde a 500 m² o más de disposición de colectores.

De las consideraciones previas, los criterios clave para la factibilidad de una planta de calor de proceso son los siguientes:

• Nivel de temperatura: El calor solar a temperaturas por encima de 150 ºC es técnicamente factible pero económicamente razonable sólo en localizaciones favorables; aplicaciones a baja temperatura (menos del 60 %) ofrecen la mejor economía.
• La demanda continua y cuasicontinua (de otra manera se necesita almacenamiento y los costes de la planta se incrementan).
• Técnicamente es posible introducir un intercambiador de calor en el equipo existente o circuito de suministro de calor para el sistema térmico solar.

Ejemplos de plantas de calor solar integradas en procesos

La mayoría de las plantas que están operativas en este momento están en los sectores de alimentación, bebidas, textiles y transporte (ej. lavado y pintura de componentes de automóviles). Las aplicaciones principales difieren entre países. En Grecia, por ejemplo, varias lecherías solares están en operación mientras que en Alemania la aplicación más común corresponde con las instalaciones de lavado de vehículos.

La mayoría de estos proyectos suministran calor a niveles de temperatura entre 60 y 100 ºC y por lo tanto, los colectores de placa plana son convenientes. Los colectores planos se usan en alrededor de un 65 % de los sistemas operacionales. Algunas plantas están trabajando a temperaturas por encima de 160 ºC, y en algunos proyectos se opera por encima de 160 ºC.

Bibliografía:

·         ASHRAE GreenGuide. The Design, Construction, and Operation of Sustainable Building
·         Handbook of energy efficiency and renewable energy

Palabras clave:

Empirical correlation approach, one-day repetitive method