03 enero 2015

Diseñando un sistema solar térmico para procesos industriales (3ª PARTE)



Ver 2ª PARTE

Valores de diseño simulados

En la figura anterior vemos cómo varía la carga de diseño en función de varios niveles de temperatura y tipos de colector.

Dimensionado del almacenamiento de calor

Para dimensionar el tamaño del almacenamiento de calor debemos considerar tanto el perfil diario como semanal. La capacidad disponible del almacenamiento depende de la temperatura de retorno de proceso y la temperatura máxima en el almacén.


En la siguiente figura se muestran capacidades de almacenamiento específico (l/m2 de colector) para diferentes temperaturas de retorno. Se asume una temperatura máxima de almacenamiento de 110 ºC para procesos con temperatura del flujo entre 90 y 95 ºC.



Un volumen de almacenamiento específico de 50 l/m2 de colectores es adecuado para proyectos grandes.

Influencia del perfil de carga

La determinación de un perfil de carga para una planta o proceso industrial es a menudo difícil de obtener y necesita mucho esfuerzo. El perfil diario, semanal y los cambios anuales llevarán a obtener el perfil de carga del proceso. Un sistema térmico solar que trabaje solamente seis u ocho meses al año llevará a una considerable reducción en el rendimiento.

Potencial del mercado

En un profundo estudio llevado a cabo por ESTIF en 2006, se identificaron procesos a baja temperatura (<250 ºC) y a alta temperatura (>250 ºC) en la Europa EU-27. De acuerdo con este estudio, el 34 % del consumo de energía final es calor a baja temperatura (< 250 ºC) y el 15 % es calor a alta temperatura. La baja temperatura representa el 70 % del mercado en Europa, fuertemente impulsado por la demanda de calor doméstica.

En EU, solamente alrededor de un tercio de la demanda de energía en el sector industrial está relacionada con la electricidad, el resto de la demanda es calor.

El hecho de que una parte significativa del calor consumido en la industria esté en el rango de baja (<100 ºC, 30 %) y media temperatura (entre 100 ºC y 400 ºC, 27 %), sugiere que las aplicaciones térmicas solares son una tecnología prometedora para el sector industrial. Entre otra podemos mencionar la industria química, papelera, procesado de alimentos, sector textil, etc. Las posibles áreas de aplicación incluyen diferentes procesos tales como secado, lavado, producción de vapor de proceso, reacciones químicas, calderas, etc.
Un análisis llevado a cabo en España dentro del proceso POSHIP confirmó los resultados anteriores, existe un importante potencial de despliegue en industrias tales como la alimentaria, textil y transporte, con más del 60 % de calor requerido por debajo de 160 ºC.

Entre otros procesos industriales que requieren temperaturas medias, la desalinización y el tratamiento de agua son particularmente prometedores para el uso de energía térmica solar, ya que estas aplicaciones son a menudo necesarias con altas radiaciones solares.

Distribución de costes de un proyecto de térmica solar industrial

Independientemente de la aplicación industrial, los procesos de calor solar industrial pueden requerir inversiones considerables. Pero si se planifica convenientemente, la vida útil de un sistema solar puede ser superior a 20 años por lo que con estos plazos es en muchas ocasiones competitivo. Algunos estudios indican que los costes de generación solar de procesos a baja temperatura pueden moverse en un rango que va de 0,02 a 0,08 €/kWh.

Implantación de la tecnología

La implantación de esta tecnología es reciente, pues los datos muestran que a finales de 2007 unas 90 plantas térmicas solares para aplicaciones industriales (capacidad de 25 MWth y 34.000 m2) se habían construido en todo el mundo. La distribución por sectores es la que mostramos en la siguiente figura:


Geográficamente hablando, la mayoría de las plantas solares para calentamiento de procesos se instalaban en EU y particularmente en Austria, que fue pionera en el uso de esta tecnología, con muchas plantas de demostración a pequeña escala. Grecia y España comenzaron también a ser muy activas en ese periodo, dado que las condiciones de ambos países son muy buenas en términos de disponibilidad de recurso solar.



A partir de ese momento comienza el despliegue de esta tecnología de forma más amplia, pues en 2010 ha había aproximadamente 200 plantas funcionando.

Ejemplos de proyectos pioneros

Planta para limpieza de contenedores en Barcelona

En 2004 se construyó esta planta para un proceso de lavado de contenedores, que necesitaba agua caliente a 70 – 89 ºC (aproximadamente un 46 % de los requerimientos térmicos totales) y vapor (el 54 % restante). Se requerían entre 70 – 80 m3 de agua caliente al día. Además del sistema solar, se utilizaba una caldera de gas para la preparación del agua caliente.

El sistema térmico solar está compuesto por dos campos solares con colectores planos de alrededor de 500 m2, representando una capacidad instalada total de 357 kWth, y un sistema de almacenamiento de 45 m3.
La producción de calor anual es de alrededor de 429 MWh y esto supone cubrir alrededor del 22 % de la energía usada en la compañía.

Plantea láctea en Trikala, Grecia

En 2001  se construyó un sistema solar con capacidad para más de 706 kWth, lo cual representa más de 1.000 m2 de colectores planos. El objetivo fue la instalación de un campo solar centralizado con la máxima eficiencia para alimentar la red de agua caliente sanitaria. Una de las principales dificultades del diseño fue superar las diferencias de temperatura muy altas que tienen lugar entre los periodos de verano e invierno. Se instaló una caldera de apoyo y un depósito de almacenamiento de agua caliente de 50 m3.

El sistema solar se ha diseñado para cubrir el 80 % de la carga durante el periodo de verano en orden de alcanzar el rendimiento financiero más alto posible.

La producción anual promedio es alrededor de 700 MWh, lo cual proporciona alrededor del 7 % de todas las necesidades de la planta.

Bibliografía

  • Technical Study Report on Solar Heat for Industrial Processes (SHIP) State of the art in the Mediterranean region.
  • Intelligent Energy for Europe (IEE) “Solar Process Heat” (SO-PRO) project.
  • Solar Heat in Industrial Processes, it´s applicability in South Africa. Centre for Renewable and Sustainable Energy.
  • Potential, system analysis and preliminary design of low-temperature solar process heat systems. Christoph Lauterbach. February 2014

Palabras clave

Preheating of make-up water
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