Aplicación en la industria de proyectos de energía solar térmica (3ª PARTE)

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Análisis de sistemas de calor de proceso solar en la industria

El sector industrial es muy prometedor para el uso de la tecnología térmica solar, ya que supone una cuota importante de consumo de energía final total (ej. 27 % en Alemania en 2010) y predominantemente usa la energía consumida como energía térmica (74 % en Alemania en 2010). Pero los procesos industriales son complejos, por lo que es necesario comprenderlos y desarrollar los métodos que nos permitan integrar el calor solar de la forma más eficiente posible. Los sistemas térmicos solares pueden alcanzar mayor producción en la industria si lo comparamos con las aplicaciones domésticas, podemos explotar este gran potencial en orden de diseñar los sistemas de calor de proceso solar eficientemente, detectar cómo repercutirán posibles fallos en el sistema y evaluarlos.

Además del coste de inversión, la producción del sistema específica, que viene determinada por las aplicaciones de calor de procesos, es necesario calcular el coste de generación de calor solar. También es necesario considerar el grado de exactitud del perfil de carga de la aplicación.

Potencial de calor solar para procesos industriales

Estudios sobre el potencial del calor solar para procesos industrial han sido realizados para diferentes países o regiones.

En un estudio realizado por Schweiger et al. (2001) sobre el potencial del calor solar a baja y media temperatura (< 60 ºC 60-160 ºC).

o   El sector más importante que puede beneficiarse de esta tecnología es el de la comida y bebida.

o   Otros sectores importantes son el del papel, textil, piel, corcho, vehículos a motor, etc.

o   El análisis de niveles de temperatura mostró que más del 60 % de la demanda que se necesita puede ser debajo de 160 ºC y en algunos sectores la demanda está por debajo de 60 ºC.                            

Varios estudios han demostrado el potencial del calor solar han demostrado que el calor solar a baja (<60 ºC) y media temperatura (60 a 160 ºC), por ejemplo para España y Portugal Schweiger et al. 2001. Más de la mitad de las empresas pertenecían al sector de alimentos y bebidas. El análisis de los niveles de temperatura mostró que más del 60 % de la demanda térmica necesaria era de temperaturas inferiores a 160ºC.

Van de Pol et al. (2001) identificó sectores prometedores para los sistemas STS en Holanda. Estos sectores son alimentación, bebidas, textiles, papel y lavandería industrial. Barreras adicionales son la falta de techos adecuados y de tecnologías tales como CHP y bombas de calor.

Vannoni et al. (2006) describieron los resultados para procesos industriales en Grecia, Valonia (Bélgica) y unos pocos procesos industriales en Alemania. Para Alemania asumieron una producción de 400 kWh (m²a) y calculó un volumen de mercado de 150.000 m² de área de colector para la industria del reciclado de papel.                                                                                                                                                                                                                       

Análisis y rendimiento de los grandes sistemas térmicos solares

Los fallos más comunes en este tipo de sistemas (casi el 50 %) fueron pérdidas en el colector o daños en su aislamiento. Adicionalmente, a menudo ocurren defectos en el bucle del colector o daños en su aislamiento. Adicionalmente, a menudo ocurren defectos en el colector (ej. condensación en el interior del colector y daño de su envolvente).

Una monitorización en detalle de sistemas de agua caliente solar para uso doméstico encontró varios casos en los que la configuración hidráulica estaba equivocada. Los autores detectaron 5 casos en los que los caudales de retorno de los diferentes consumidores estaban combinados. Esto llevó a una mezcla de los niveles de temperatura. También se encontraron algunas tuberías conectadas de forma equivocada. Además se detectaron fallos en el control de dos sistemas. Los autores de la investigación encontraron que muchos sistemas combinados incorporaron fallos y bajos rendimientos que pueden predecirse en la fase de diseño. Un fallo que ocurrió en alrededor del 10 % de los sistemas fue un rendimiento reducido de los intercambiadores de calor.

Aproximaciones de diseño para sistemas de calor de proceso solar

A la hora de determinar el tamaño de las aplicaciones de calor de procesos es importante estimar cual es el tamaño óptimo del sistema solar. Un estudio (Gordon and Rabl – 1982) encontró que el óptimo económico es un campo de colectores ligeramente sobredimensionado con disipación del exceso de energía durante los periodos de insolación pico.

Potencial del calor solar en procesos industriales

En la figura con la que abrimos este artículo mostramos una visión general de procesos identificados como convenientes para la integración de calor solar en procesos industriales. Como vemos el rango más importante para la aplicación de calor de procesos solar es inferior a 100 ºC y entre 100 y 200 ºC.

El sector más prometedor para el despliegue de la energía térmica solar es el de alimentación y bebidas. En la industria química, las posibilidades del uso del calor residual tiene que ser investigado con más detalle, ya que gran parte del calor se consume a temperaturas superiores a 500 ºC.

Bibliograf

Christoph Lauterbach. 2014. Potential, system analysis and preliminary design of low-temperature solar process heat systems. Kessel University