Revisión del estado actual de las aplicaciones de energía solar de baja y media temperatura en procesos industriales

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Revisión del estado actual de las aplicaciones de energía solar de baja y media temperatura en procesos industriales Autor: Juan Tirado Pérez Tutor: D. José Julio Guerra Macho Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Trabajo Fin de Máster Máster Habilitante en Ingeniería Industrial Revisión del estado actual de las aplicaciones de energía solar de baja y media temperatura en procesos industriales Autor: Juan Tirado Pérez Tutor: D. José Julio Guerra Macho Catedrático de Universidad Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 2 3 Trabajo Fin de Máster: Revisión del estado actual de las aplicaciones de energía sola de baja y media temperatura en procesos industriales Autor: Juan Tirado Pérez Tutor: José Julio Guerra Macho El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 4 5 Agradecimientos A mi abuela Paquita. A mis padres y a mis hermanos. A mis amigos. A mi tutor, Don José Guerra. ¡Muchas gracias a todos, de corazón! Juan Tirado Pérez Noviembre de 2018 6 Índice Agradecimientos ........................................................................................................ 5 Índice ......................................................................................................................... 6 Índice de Tablas ......................................................................................................... 9 Índice de Figuras ...................................................................................................... 10 1 Introducción ....................................................................................................... 13 1.1 Acuerdo de París. Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. .................................................................................................................. 13 1.2 Nuevos escenarios ........................................................................................... 15 1.2.1 Escenario basado en las nuevas políticas .................................................. 15 1.2.2 Escenario basado en las políticas actuales ................................................ 15 1.2.3 Escenario de descarbonizacion ................................................................. 15 1.3 Un futuro incierto… .......................................................................................... 16 1.4 …Pero basado en las renovables ..................................................................... 17 1.5 Energía solar térmica ....................................................................................... 19 1.6 Contenido del trabajo ...................................................................................... 21 2 Procesos térmicos en la industria ...................................................................... 22 2.1 Clasificación ..................................................................................................... 22 2.2 Sistemas de la instación industrial ................................................................... 23 2.2.1 Sistema de generación térmica: ................................................................ 23 2.2.2 Sistemas de distribución: ........................................................................... 24 2.2.3 Sistema de almacenamiento: .................................................................... 25 2.2.3.1 Almacenamiento de calor sensible (SHTES): ....................................... 25 2.2.3.2 Almacenamiento de calor latente (LHTES): ......................................... 26 2.2.3.3 Almacenamiento termoquímico: ........................................................ 26 2.2.4 Sistemas de transferencia de calor ............................................................ 27 2.2.4.1 Intercambiadores externos: ................................................................ 27 2.2.4.2 Intercambiadores internos .................................................................. 28 2.2.4.3 Sistemas de calentamiento directo ..................................................... 28 2.2.4.4 Evaporadores y secaderos ................................................................... 28 2.3 Temperaturas de trabajo ................................................................................. 29 2.3.1 Procesos térmicos a baja temperatura 𝑻 < 𝟏𝟎𝟎 º𝑪:............................... 29 2.3.2 Procesos térmicos a media temperatura 𝟏𝟎𝟎 º𝑪 < 𝑻 < 𝟒𝟎𝟎 º𝑪: ......... 29 2.3.3 Procesos térmicos a alta temperatura 𝑻 > 𝟒𝟎𝟎 º𝑪 ................................ 30 2.4 Sectores y procesos .......................................................................................... 30 3 Sistemas de energía solar térmica en la industria ............................................. 32 7 3.1 Introducción ..................................................................................................... 32 3.2 Tecnologías en uso ........................................................................................... 33 3.2.1 Calentador solar de aire............................................................................. 33 3.2.2 Captadores solares .................................................................................... 35 3.2.2.1 Clasificación en función del rango de temperaturas ........................... 35 3.2.2.1.1 Sistemas térmicos solares para baja temperatura (<150 ° C) ....... 35 3.2.2.1.2 Concentradores solares para temperatura media y alta (150 ° C en adelante) 38 3.2.2.2 Consideraciones adicionales ................................................................ 42 3.2.2.3 Fluidos de trabajo ................................................................................ 43 3.2.2.4 Conclusiones ........................................................................................ 43 3.2.3 Frío Solar .................................................................................................... 45 3.3 Integración en procesos industriales ............................................................... 46 3.3.1 Integración a nivel de suministro .............................................................. 47 3.3.1.1 Integración a nivel de suministro con vapor ....................................... 48 3.3.1.1.1 Generación solar directa de vapor ................................................. 49 3.3.1.1.2 Generación indirecta solar de vapor .............................................. 49 3.3.1.1.3 Precalentamiento de agua de alimentación de la caldera ............ 50 3.3.1.1.4 Precalentamiento de agua de reposición ...................................... 51 3.3.1.2 Integración a nivel de suministro con fluido caloportador ................. 51 3.3.1.2.1 Integración directa a nivel de suministro con fluido caloportador 52 3.3.1.2.2 Integración en serie a nivel de suministro con fluido caloportador 52 3.3.1.2.3 Energía solar térmica para depósitos y cascadas .......................... 53 3.3.2 Integración a nivel de procesos ................................................................. 54 3.3.2.1 Integración a nivel de procesos mediante intercambiador externo ... 55 3.3.2.1.1 Integración de energía solar térmica para un producto o procesos mediante intercambiador externo .................................................................. 55 3.3.2.1.2 Integración de energía solar térmica en un circuito intermedio de agua mediante intercambiador externo ......................................................... 56 3.3.2.1.3 Integración de energía solar térmica para el calentamiento de baños, maquinaria o tanques empleando intercambiador externo ............... 57 3.3.2.1.4 Integración de energía solar térmica para el calentamiento de flujos de entrada empleando intercambiador externo .................................. 58 3.3.2.2 Integración a nivel de procesos con intercambiador interno ............. 59 3.3.2.3 Integración a nivel de procesos con vapor y presión reducida ........... 59 3.3.2.3.1 Integración a nivel de procesos para la generación de vapor en vacío………………………………………………………………………………………………………....59 3.3.2.3.2 Integración a nivel de procesos para la generación de vapor a baja presión………………………………………………………………………………………………………60 14 Según datos recopilados por la World Energy Outlook 2016, el incremento de capacidad de generación de energía renovable supero a la de combustibles fósiles, hecho que nunca se había producido anteriormente Este hecho conlleva que las relaciones entre el aumento de actividad económica, el crecimiento de la demanda de energía global y las emisiones de gases efecto invernadero estén comenzando a debilitarse. A pesar de que esta nueva transición energética está acarreando un importante avance, queda un largo camino por recorrer. Es el sector eléctrico el que presenta un proceso menos tortuoso para la deseada reducción de los efectos invernaderos ya que los costes en relación a la energía solar, principalmente fotovoltaica, han caído entre un 40 y un 80 por ciento. A pesar de este importante abaratamiento, esta energía apenas supone un 1% de la generación eléctrica a nivel mundial. En los sectores de uso final y energía primaria se ha produce un mayor apalancamiento de las tecnologías convencionales, debido a que son sistemas altamente estudiados, relativamente baratos y con gran capacidad de adaptarse a distintas situaciones. La descarbonizacion de los sistemas de energía es una de las prioridades perseguidas por los gobiernos a nivel mundial. Unos de los principios firmados en el setenta aniversario de las Naciones Unidas reza acerca de “asegurar un acceso real, posible, moderno y sostenible a la energía para todos en el año 2030”. La ausencia de acceso universal a la energía, con alrededor de una de cada seis personas sin posibilidad de electricidad aumenta el riesgo de enfermedades pulmonares y respiratorias, al tener que emplear combustibles fósiles o biomasa. Esto no es más que solo un ejemplo de inseguridad energética. Millones de personas sufren a diario cortes en el suministro eléctrico, comprometiendo actividades industriales, granjas, explotaciones mineras que causan importantes pérdidas económicas, fundamentalmente en países en vías de desarrollo. Todo esto unido a precios de energía desorbitados debido a los conflictos que afectan a países tradicionalmente exportadores de combustibles fósiles como Irak, Libia o Venezuela. Son los gobiernos los que sitúan el precio de la energía como principal prioridad en tiempos de incertidumbre económica como en el que nos encontramos. El principal efecto es un aumento de la polución atmosférica debido al empleo de combustibles derivados del petróleo. Sin embargo, los gobiernos y empresas tratan de financiar y financiar a corto y medio plazo nuevas energías favorables al medio ambiente. Es el 1 de junio de 2017 el día en el que el presidente de los Estados Unidos, Donald Trump retira a su país del acuerdo “en pro de los intereses económicos de la nación”. Todo esto no hace más que reforzar el compromiso del resto de países que comunicaron que no se retirarían del acuerdo. Aun así, existe cierta preocupación por la reducción de la transferencia de tecnología y financiación internacional que supone la retirada de 15 EEUU en el proceso de transición energética. 1.2 Nuevos escenarios La Agencia Internacional de la Energía, de aquí en adelante, IEA, desarrolla 3 escenarios posibles a futuro en función de las distintas políticas que se lleven a cabo, de la forma más o menos estricta con la que se aplique el Acuerdo de París y teniendo en cuenta posibles políticas internas desarrolladas por las grandes potencias. 1.2.1 Escenario basado en las nuevas políticas Basado en los nuevos anuncios y planes gubernamentales, este escenario refleja la forma en la que los gobiernos, individualmente o en conjunto, ven desarrollarse sus sectores energéticos en las próximas décadas. Tomando como punto de partida las políticas y medidas ya tomadas, esta opción también teniendo en cuenta los objetivos metas e intenciones que se han anunciado incluso si todavía no se ha incluido en la legislación. Para que este escenario tome forma, se toma como componente básico el Acuerdo de Parías, que proporciona una fuente de orientación rica y autorizada para este escenario. Cuando persisten incertidumbres considerables, la medida y la rapidez con la que se cumplen los compromisos dependen de restricciones financieras, de mercado, de infraestructura o financiera. En estos casos, los objetivos que propone la IAE pueden cumplirse más tarde. Por otro lado, también hay casos en los que la demanda de energía, las circunstancias macroeconómicas y las tendencias de costos llevan a los países a ser más ambiciosos en el sector energético aceleren este escenario. 1.2.2 Escenario basado en las políticas actuales Describe un camino para el sistema energético mundial que no incluye la implementación de nuevas políticas o medidas más allá de las que ya cuentan con el respaldo de las instituciones en 2018. No se hacen concesiones para medidas adicionales, continuando con las medidas actuales hasta el horizonte 2020. Estos posibles resultados constituyen el escenario con unas expectativas más baja, debido a que los compromisos actuales tienen un tiempo de implementación muy lento. 1.2.3 Escenario de descarbonizacion El escenario de descarbonizacion tiene un enfoque muy diferente al de los anteriormente mencionados. El escenario basado en las políticas actuales y el escenario basado en nuevas políticas comienzan con ciertas suposiciones políticas que dirigen al sector energético hacia un determinado punto. El escenario de descarbonizacion parte de una cierta visión en el que cual debe terminar el sector energético, volviendo de ese 16 punto al presente. Este escenario, también llamado Escenario 450, tiene como fin limitar el aumento de la temperatura promedio global del planeta 2 grados por encima de los niveles preindustriales en 2100. Este acuerdo ya fue mencionado en la convención que tuvo lugar en Cancún y en el que no hubo acuerdo y también se ha utilizado como criterio en los informes del panel intergubernamental sobre el cambio climático. Como tal, se ha convertido en un punto de referencia ampliamente reconocido para las políticas gubernamentales y las estrategias empresariales sobre el cambio climático Este escenario se basa en las energías renovables, en particular de la eólica y solar para lograr las reducciones necesarias de CO2 previstas. En el pasado, este escenario se apoyaba en la mejora de las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono, que evolucionan a ritmo lento en la práctica, lo que implica una restricción en su forma de crecimiento. 1.3 Un futuro incierto… Las proyecciones que ofrece la IEA permiten observar diferentes trayectorias tanto para el PIB mundial, la energía primaria demandad y las emisiones de CO2 desde 2015 en adelante y observar con fluctúan en base a las políticas definidas en el anterior punto. La trayectoria del PIB crece anualmente un 3.4% en el periodo hasta 2040. Esto significa que la economía será el doble de la que tenemos actualmente. Sin embargo, la energía requerida varía sustancialmente en función de cada escenario. Pla demanda de energía primaria sube hasta el 43% en el escenario de políticas actuales, un 31% con las nuevas políticas y un 9% con el escenario de descarbonizacion. Las emisiones de CO2 suben hasta el 36% con las políticas actuales, un 13% con las nuevas políticas y cae hasta un 43% en el escenario de descarbonizacion. Figura 2 - Trayectorias del PIB, energía primaria demandada y emisiones de CO2 [2] 17 Se puede observar en la Figura 2 que entre los años 2014 y 2015 se produce un descenso de las emisiones de CO2. Esto puede ser debido a la fuerte recesión que sufrió la economía mundial durante estos años, con EEUU a la cabeza. Pero no cabe duda de que las nuevas políticas comienzan a surtir efecto en lo que se refiere a las emisiones. Para comprobar el verdadero alcance y eficiencia en el desarrollo de estas nuevas tecnologías, será necesario esperar algún tiempo. La muestra el por qué es un desafío convertir el descenso de las emisiones de CO2 en una caída sostenida. Suponiendo un incremento anual del PIB del 3%, significa que se deben producir importantes mejoras en la intensidad energética y nuevas tecnologías para sostener este importante aumento, a la vez que se ofrece una reducción de emisiones. El crecimiento se centra en economías emergentes, donde la actividad económica sigue siendo suficientemente asociada a la energía intensiva. Pero el resultado global sigue siendo una tendencia al alza como observamos en la Figura 3. Figura 3 - Demanda de energía por región en el Escenario de Nuevas Políticas y MGV [2] 1.4 …Pero basado en las renovables A tenor de lo desarrollado en el punto anterior, se puede afirmar sin temor a duda que en nuestros días es más importante que nunca lograr un suficiente cupo de energía que nutra de energía proveniente de fuentes renovables. En la Figura 4, teniendo en cuenta un Escenario de Nuevas Políticas para el horizonte 2040, que como se trató en el punto 1.2, se trata de un escenario moderado, tiene un peso de alrededor del 20% de la energía primaria lo que refleja la importancia de un desarrollo adecuado de esta rama energética. 18 Figura 4 - Energía global primaria en el Escenario de Nuevas Políticas en 2040 [2] En un escenario mucho más optimista en torno a lo que emisiones de CO2 se refiere, el Escenario 450, las energías renovables aportan más de un 50% del total de energía primaria en el horizonte 2040 como se puede apreciar en la Figura 5. Figura 5 - Evolución de la potencia instalada en un Escenario 250 [2] Siendo este escenario muy positivo, no es descartable que en un futuro no muy lejano se produzca un crack en torno a los países exportadores de combustibles fósiles, miembros de la OPEP o no. Esta situación generará una gran inestabilidad que podría incluso paralizar la industria europea, ya que las reservas actuales de la UE son ínfimas 19 en relación al consumo diario. Por lo tanto, esta descarbonización es totalmente necesaria para mejorar la autosuficiencia y el autoabastecimiento de energía, factores que pueden hacer que la economía europea y más concretamente la española, estén dotadas de una estabilidad ante imprevistos externos que ahora mismo no existe. Y esta descarbonizacion pasa por la necesidad de una fuerte apuesta en renovables. 1.5 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. La energía solar es una fuente renovable y abundante que proporciona soluciones sostenibles en procesos industriales, a pesar que en ciertas ubicaciones este tipo de energía no sería factible. En otros muchos otros lugares, la radiación solar es abundante e implantando sistemas adecuados podríamos lograr el objetivo de 0 emisiones. 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 forma: 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 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). 20 Figura 6 - Energía primaria global consumida [3] Como se observa en la Figura 6, un 30% del total del calor de consumido en la industria se concentra en procesos de baja temperatura, como secado, lavado, limpieza o esterilizado. Un 22% se destina a procesos de media temperatura, entre 150 ºC y 400ºC. Entre estos procesos destaca el destilado y algunos otros relacionados con la minería o metalurgia. Es en estos procesos de baja y media temperatura en los que se centra la energía solar térmica para procesos industriales ya que son temperaturas la cuales pueden alcanzarse fácilmente con la tecnología que actualmente existe en el mercado, yendo desde captadores solares a discos parabólicos. El principal inconveniente con el que se encuentran las pequeñas y medianas industrias para integrar los sistemas de energía renovable en sus procesos de producción es el gran coste económico. Otra gran desventaja se centra en la necesidad de asegurar un suministro de energía continuado, lo que a priori parece difícil con los sistemas de energía solar. Las regiones industrializadas de Europa, Asia y América del Norte usan de una forma exitosa energía solar térmica en procesos industriales. El uso de energía solar para la generación de electricidad es algo que también se está convirtiendo en popular en diferentes partes del mundo. Todas estas aplicaciones son altamente dependientes de la radiación solar. Si la región y la estacionalidad no es significativa, no sería necesario un sistema de almacenaje extra. Sin embargo, en lugares en los que se reduce considerable la radiación solar durante los meses de invierno, sería necesario un sistema de almacenaje energético que proporcione esta energía para que el sistema sea operativo. 21 1.6 Contenido del trabajo En este TFM se explican los fundamentos de los procesos térmicos en la industria, manteniendo una visión global y centrándose en los diferentes sistemas que componen esta producción de energía térmica (generación, distribución, almacenamiento y transferencia de calor). Posteriormente, se tratan los distintos sistemas para la producción de calor mediante energía solar en procesos industriales. Las siglas mundialmente usadas para denominar estos procesos son SHIP (Solar Heat for Industrial Process) y describen los sistemas que proporcionan energía solar térmica en las industrias. Se determinan los principales tipos de captadores, el rango de temperatura con el que trabajan, los fluidos empleados. Mención aparte requieren los sistemas de integración, que han alcanzado un alto nivel de madurez y se describen en el apartado 3.3. De acuerdo con las principales informaciones de procesos solares térmicos industriales, se han identificado los principales procesos y sectores industrial con más potencial para estas aplicaciones. De esta forma, quedarán explicadas las principales aplicaciones de la energía solar térmica. Se detalla en profundidad un ejemplo de esta integración, la planta solar Miraah en Omán, la de mayor potencia en el mundo, que produce vapor de alta calidad para inyectar en el subsuelo en el proceso de recuperación de hidrocarburos EOR. Finalizará con una serie de conclusiones que engloban las principales ideas recogidas en el desarrollo de este TFM. 22 2 PROCESOS TÉRMICOS EN LA INDUSTRIA El presente punto tiene como principal fin ordenar, clasificar y clarificar los principales procesos que proporcionan calor empleados actualmente en la industria. Estos procesos que pueden producir el calor de una forma muy diversa, están compuestos tanto por los propios elementos que generan el calor como por los equipos de transferencia de calor que transportan el calor desde el sitio de combustión hasta el lugar de uso final. 2.1 Clasificación Una primera clasificación surge en torno al lugar en el que se produce la energía térmica. Un sistema en el que el calor se produce dentro del área o material a calentar puede considerarse como directo mientras que otro en el que el calor se produce fuera y es transportado mediante un sistema de distribución se consideraría como indirecto. Otra clasificación posible se centra en la el tipo método empleado para producir calor. Por un lado, existen los procesos de que emplean combustión, como el sistema de caldera de la Figura 6. La energía es producida mediante la quema de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Los gases que se producen en la combustión podrían estar en contacto directo con el material a calentar o podrían contribuir a la generación de vapor o agua caliente en las calderas. Figura 7 - Sistema de combustión [4] Existen otros procesos que emplean electricidad para transferir el calor al material, ya sea directa o indirectamente. Estos procesos eléctricos poseen bajos rendimientos debido principalmente al efecto Joule. En los procesos eléctricos directos se produce transmisión de corriente a través de ellos o se excitan los electrones presentes en el material. En los procesos indirectos, el material calentando transfiere el calor producido al material a calentar. Algunos de estos procesos eléctricos se usan para curado, secado, 23 etc… Ejemplos de procesos térmicos basados en la electricidad son los hornos de arco eléctrico observable en la Figura 8, laser, microondas o secado por radiofrecuencia. Figura 8 - Horno de arco eléctrico [5] 2.2 Sistemas de la instación industrial La instalación industrial está formada por distintos sistemas para poder producir la energía térmica. 2.2.1 Sistema de generación térmica: Es el proceso industrial por el cual a partir de ciertos combustibles como como derivados del petróleo, carbón, gas natural biomasa o a partir de electricidad se logra producir energía en forma de calor. Este calor depende fundamentalmente del combustible empleado y el fluido caloportador. Sistemas de cogeneración son los más empleados en grandes industrias ya que permite obtener electricidad a partir de un alternador, y vapor y agua caliente a partir de distintos intercambiadores. Con procesos de cogeneración podemos reducir las pérdidas respecto a la energía primaria en unas cifras entorno al 13%, lo que se puede contemplar en la Figura 9. Es destacable el poco uso que tiene la energía eléctrica en los sistemas de generación, ya que posee importantes pérdidas debido al efecto Joule. Su uso se restringe a nivel residencia y sector servicios principalmente. En la Tabla 1, se puede observar un resumen de las principales tecnologías de generación. 30 2.3.3 Procesos térmicos a alta temperatura (𝑻 > 𝟒𝟎𝟎 º𝑪) Necesario para la fabricación de materiales, cerámicas o vidrio. Este calor es creado mediante el empleo de gases de combustión, inducción eléctrica como, por ejemplo, el arco eléctrico. 2.4 Sectores y procesos Basándose en los estudios de Euroheatcool realizados a nivel europeo y exportables a nivel mundial, la industria química, no metálica y metálica poseen las temperaturas de demanda más altas. Otras ramas como la alimentaria y la papelera usan casi en exclusiva media y baja temperatura. Figura 15 - Estimación de calor industrial demando [7] Los procesos industriales que se encuentra debajo de 250 ºC son actualmente rentables y existen plantas que ya operan a esos niveles. Esta es el área más prometedora para la tecnología solar térmica ya que en estos sectores se puede alcanzar el 100% de la energía calorífica requerida. Muchos de estos procesos son compartidos en las distintas industrias como alimentación, textil, química, caucho, etc…Los más importantes son la esterilización, pasteurización, secado, hidrolizado, destilación, evaporación, limpieza y lavado. Normalmente, la mayoría de la energía consumida en la industria está compuesta por una mezcla de las distintas fuentes de energía, dependiendo de la disponibilidad de combustibles, situación geográfica y avance tecnológico del país en cuestión. 31 Las industrias del metal, química, alimentaria y papelera son las que más calor demandan. Es la electricidad la que domina este ranking, como se puede observar en la Figura 17. Figura 16 - Sectores industriales y procesos con mayor potencial [6] Este punto se desarrollará con más detalle en el capítulo 4 de este trabajo. El carbón es la más usada para procesos indirectos debido a su alto contenido de impurezas asociados con la combustión. Además, en Europa y Norteamérica, el uso de gas natural y derivados del petróleo líquidos también son muy empleados, lo que repercute al alza en su uso global. La biomasa se emplea en zonas en las que se encuentre disponible ya que su coste es menor que el de los combustibles fósiles, por ejemplo, Suecia o Finlandia. La energía solar posee aún un bajo porcentaje, aunque se prevé que aumente en los próximos años debido a los beneficios medioambientales que conlleva y a una reducción de los gases de efecto invernadero, en función de los distintos escenarios que se contemplen. Figura 17 - Origen de la energía consumida [7] 32 3 SISTEMAS DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN LA INDUSTRIA 3.1 Introducción La energía solar térmica puede satisfacer una cantidad sustancial de demanda de calor en aplicaciones industriales y procesos agrícolas alimentarios en un país determinado, independientemente de la situación geográfica. En las economías desarrolladas, la energía solar térmica puede proporcionar aproximadamente la mitad de este consumo de energía mediante el suministro de agua caliente y vapor en un rango de temperatura de hasta 400 °C. En los países en desarrollo, especialmente en aquellos donde la agricultura, la industria textil, de ladrillos y de alimentos son importantes, la energía solar térmica puede proporcionar aire caliente y agua caliente necesaria para el curado, secado, teñido, lavado, ebullición, pasteurización y esterilización. En general, existen tres grupos de tecnologías solares térmicas que son útiles para calor de proceso industrial: captadores solares de aire, sistemas solares de agua y concentradores solares. Los captadores solares de aire se encuentran principalmente en la industria de procesamiento de alimentos para reemplazar el secado a base de gas o aceite o para reducir el deterioro de los alimentos debido al secado al aire libre. Son construidos localmente y su coste depende de los materiales de construcción locales y del coste de la mano de obra. Los sistemas de agua solares convencionales, como los captadores de placa plana (FPC en inglés) o los captadores de tubos de vacío (ETC en inglés), se utilizan principalmente en aplicaciones residenciales, pero pueden instalarse fácilmente en tejados industriales para proporcionar una demanda de calor de hasta a 125°C. Existen más de cien sistemas en todo el mundo, desarrollado localmente. Actualmente, un pequeño número de las grandes empresas internacionales venden estas tecnologías, pero la mayoría de los sistemas solares de calentamiento de agua son fabricados localmente por pequeñas y medianas empresas. Esto sucede en países como Brasil, China, Sudáfrica o Turquía, donde los costes son de tres a diez veces más bajos que en los Estados Unidos o en países europeos. Una serie de diseños más avanzados de FPC y ETC son en el mercado y puede generar temperaturas de hasta 250°C; sin embargo, también son más caros que los FPC y ETC convencionales. Los concentradores solares incluyen captadores parabólicos, captadores cilindro parabólicos lineales y captadores lineales Fresnel. En la India, los fabricantes locales venden principalmente captadores de discos parabólicos que pueden generar temperaturas de hasta 400°C. Alrededor de 80 proyectos comerciales se han instalado en la India, principalmente para la industria alimentaria. Actualmente existen alrededor 33 de veinte sistemas comerciales en todo el mundo en lo que se refiere a concentradores solares. 3.2 Tecnologías en uso Las tecnologías de calentamiento y enfriamiento solar recogen la energía térmica del sol y la transfieren a un fluido de transferencia de calor. Si el fluido de transferencia de calor es agua o aire, el agua tibia o el aire caliente se pueden usar directamente o canalizarse a un tanque de almacenamiento. En los sistemas indirectos, el fluido de transferencia de calor pasa a través de un intercambiador de calor para calentar el fluido del proceso. En el caso del enfriamiento solar, el fluido calentado se utiliza en un dispositivo llamado enfriador de absorción para impulsar el enfriamiento de los fluidos del proceso. El 99% de las tecnologías de calefacción y refrigeración solar se utilizan para proporcionar agua caliente o calefacción de espacios en hogares residenciales, pero también se puede utilizar para proporcionar calor de proceso para procesos industriales. En este último caso, las tecnologías son similares a las utilizadas en aplicaciones residenciales con tres excepciones: • La cantidad de calor y enfriamiento requerido en los procesos industriales es mucho mayor. • Las necesidades de calor y enfriamiento a menudo son continuas por lo que se necesitan sistemas de control complejos adicionales. • Los niveles de temperatura requeridos para el calor del proceso son a menudo más altos, por lo que se necesitan concentradores y otras tecnologías avanzadas para elevar la temperatura. El uso de la energía solar en procesos industriales se ha estudiado desde la década de 1970 pero debido a los altos costos de capital y los bajos costos de carbón y gas para aplicaciones industriales, solo se ha llevado a cabo un despliegue limitado en los últimos treinta años. Las tecnologías de calor de proceso solar se pueden subdividir en tres amplias áreas de tecnología. Los secadores solares a gran escala se aplican principalmente en la industria de procesamiento de alimentos y utilizan equipos de circulación natural o de convección forzada para recoger la radiación solar para aplicaciones de secado. Los captadores de calor de proceso solar se utilizan para proporcionar agua caliente o calefacción de espacios en una variedad de diferentes sectores de la industria. Por otro lado, también existen tecnologías que nos proporcionan frío solar, que se tratan en el apartado 3.2.2 3.2.1 Calentador solar de aire Las tecnologías de calentamiento solar de aire se utilizan principalmente para evitar el 34 deterioro y alargar la vida útil, mantener o mejorar la calidad del producto y facilitar el transporte de productos alimenticios naturales o para precalentar el aire de las calderas. Si bien las tecnologías de calentamiento solar de aire se han utilizado durante siglos, los nuevos desarrollos en el diseño de convección y el almacenamiento de energía térmica están aumentando la gama de aplicaciones para esta tecnología, especialmente para reemplazar la biomasa tradicional o los combustibles fósiles como una fuente de secado en los países en desarrollo. El método más simple y más comúnmente utilizado para aplicaciones alimenticias es secar al aire libre (también llamado secado al sol). En estas circunstancias, sin embargo, los productos alimenticios son susceptibles de deterioro, contaminación y ataques de animales. Las tecnologías de secado solar pueden abordar algunos de estos problemas al proporcionar un recurso barato y un flujo de aire más consistente y de mayor temperatura para deshidratar productos ya que bastantes industrias utilizan gas o carbón para secar sus productos, pero este hecho dispara los costes operativos, que pueden llegar hasta el 50%. Sin embargo, también requieren inversiones de capital, mantenimiento y un sistema de calefacción de respaldo para asegurar el secado cuando no haya sol disponible. La congelación, los sobrecalentamientos o las fugas son imposibles cuando el fluido caloportador es el aire. Por ello, los calentadores solares de aire trabajan del lado de la seguridad incluso en periodos de no funcionamiento y en condiciones difíciles. El único mantenimiento se centra en el cambio del filtro de admisión de aire. Figura 18Captador solar de aire [8] 35 Un ejemplo se puede encontrar en el captador proporcionado por la empresa alemana Grammer Solar, compuesto por un absorbedor de aluminio negro por el que se aspira el aire. Sobre el mismo, una cubierta de vidrio solar de seguridad transparente y un aislamiento trasero de lana mineral. Algunos de los principales ejemplos de uso de esta tecnología los encontramos en secaderos de semillas, virutas de madera, biomasa, pastos o incluso en procesos de lacado. 3.2.2 Captadores solares Las instalaciones térmicas utilizadas para uso industrial son similares a las utilizadas en edificios residenciales, especialmente para aquellas aplicaciones en las que solo se requieren temperaturas bajas (<150 ° C) a medias (150 ° C - 400 ° C). Para temperaturas más altas (> 400 ° C), se requieren captadores solares más avanzados o concentrados. Los sistemas térmicos solares que usan reflectores, lentes u otros elementos ópticos para redirigir y concentrar la radiación solar en un absorbente se denominan "captadores de concentración solar". 3.2.2.1 Clasificación en función del rango de temperaturas 3.2.2.1.1 Sistemas térmicos solares para baja temperatura (<150 ° C) Los captadores convencionales de placa plana (FPC) y los captadores de tubos al vacío (ETC) proporcionan niveles de temperatura de hasta 120 ° C. Figura 19 - Captador Solar Plano (FPC) [8] 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 36 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. Los captadores de tubo de vacío 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, 37 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 específicos 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. Figura 20 - Captadores de tubo de vacío [8] 38 Para aplicaciones de baja temperatura, como el tratamiento de aguas residuales de tratamiento de aguas residuales en climas fríos, también existe un buen potencial en los captadores sin esmaltar. Los captadores no esmaltados se utilizan principalmente para calentar piscinas o en regiones tropicales, pero cuando una fracción solar baja es aceptable y un pequeño aumento de temperatura puede hacer una contribución importante, los sistemas sin esmaltar son mucho más económicos que los sistemas acristalados en aplicaciones industriales. La tecnología de captador solar, especialmente la tecnología FPC y ETC, está madura y tiene un enorme potencial para sistemas de calor de procesos industriales a baja temperatura, especialmente en regiones con una industria en crecimiento como India y China. Otra área de aplicación para la energía solar es en procesos de desalinización con temperatura de funcionamiento de hasta 110 ° C, especialmente en regiones con alta irradiancia solar y donde la energía solar térmica puede reemplazar el aceite como combustible. Hay una serie de técnicas que se utilizan para crear temperaturas más altas. Primero, se han desarrollado varios diseños avanzados para FPC y ETC, como el material de aislamiento transparente para FPC (hasta 150 ° C), acristalamiento múltiple para FPC (hasta 110 ° C) o el uso de gas inerte o un ultra alto vacío (hasta 150 ° C). Otra opción es colocar el ETC y el FPC en los rastreadores para que estén frente al sol durante todo el día. 3.2.2.1.2 Concentradores solares para temperatura media y alta (150 ° C en adelante) Para aplicaciones de calor de proceso a temperatura media, algunos diseños avanzados de FPC pueden proporcionar temperaturas de hasta 200 ° C. Sin embargo, la principal tecnología utilizada para el calor a temperatura media son las tecnologías de concentración solar. En el caso más simple, los concentradores parabólicos compuestos (CPC) se colocan detrás de los tubos de vacío del ETC, reflejando la luz solar directa y difusa en el absorbente, también llamados tubos de vacío de CPC. Se pueden usar concentradores similares para FPC. Dependiendo de la configuración del espejo, se pueden lograr factores de concentración de hasta 4: 1, aunque la concentración de CPC generalmente es de alrededor de 1.5 o menor. Combinado con la tecnología de vacío ultra alto, estos ETC pueden proporcionar temperaturas nominales de hasta 200 ° C. Otros concentradores solares para el proceso de obtención de calor son similares a las tecnologías utilizadas para producir energía solar concentrada, excepto que, en la mayoría de los casos, son más pequeños (de 10 kW a 2 MW). Sin embargo, en lugar de utilizar el calor para producir energía, el calor se utiliza directamente en los procesos industriales. 39 Figura 21 - Concentrador parabólico compuesto [8] Ejemplos de concentradores solares son los platos parabólicos ya sea con vidrio plano o curvo, foco fijo o en movimiento, concentradores parabólicos y captadores de Fresnel lineal. Los concentradores pueden usar varias formas, por ejemplo, comederos, discos cilíndricos, tiras de espejo necesarios para concentrar la luz solar en el absorbente. Los captadores lineales de Fresnel son similares a los captadores cilindroparabólicos, a excepción de los espejos que se colocan en una superficie horizontal en diferentes ángulos a un receptor fijo ubicado varios metros sobre el campo del espejo. Además, para la producción de calor de procesos industriales, los Fresneles lineales a menudo deben adaptarse a las áreas de techos y terrenos disponibles alrededor del sitio industrial, lo que da como resultado diferentes longitudes de filas de captadores y diferentes orientaciones. Estos captadores de alta concentración pueden producir temperaturas de hasta 400 ° C y son extremadamente interesantes para aplicaciones de calor de procesos industriales. El renovado interés en estas tecnologías ha llevado al desarrollo de nuevos prototipos en varios institutos de investigación de todo el mundo y se están volviendo más populares, especialmente para la calefacción y refrigeración de distrito Los platos parabólicos ya se usaban en la antigüedad, y consisten en un plato de reflector parabólico que enfoca la luz solar en el punto focal frente al plato. El plato puede consistir en espejos planos unidos a marcos de madera, acero o aluminio. Algunos platos son estáticos y deben ajustarse manualmente (2-3 veces al día) para seguir el sol, mientras que otros rastrean el sol automáticamente. 46 FPC y ETC para impulsar sistemas de aire acondicionado y enfriamiento de losas en el rango de + 20 ° C a -10 ° C, mientras que los concentradores solares pueden usarse para impulsar la refrigeración hasta -20 ° C. En 2013, se instalaron aproximadamente 1 000 sistemas de refrigeración solar, de los cuales 135 eran sistemas a gran escala. En 2007, solo el 10% de los sistemas de mayor escala fueron para aplicaciones industriales. Algunos ejemplos recientes en la industria incluyen un sistema de enfriamiento en una fábrica de cosméticos en Grecia en 2007 (2x 350 kW de enfriamiento con 2 700 m2 de FPC con adsorción), una bodega en Túnez en 2012 (12 kW de enfriamiento) y, en India, alrededor de diez proyectos. proporcionando refrigeración solar, principalmente para refrigeración de espacios. Además, se ha desarrollado un sistema de almacenamiento en frío híbrido térmico-biomasa para proporcionar refrigeración para productos agrícolas, con una capacidad de enfriamiento de 15 kW. 3.3 Integración en procesos industriales 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 necesita 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. La tecnología necesaria es muy parecida en comparación a la empleada en el sector doméstico salvo por tres consideraciones importantes: 1. La demanda exigida en un proceso industrial es mucho mayor. 2. Los procesos pueden ser continuos exigiendo un control más preciso. 3. Las temperaturas de los procesos normalmente son mayores, por lo que es necesario instalar captadores con una mayor concentración. Una vez que alcanzada una visión general de los captadores existentes actualmente en 47 el mercado, es importante definir unos criterios para elegir el captador idóneo para el proceso industrial. Existen algunos aspectos especialmente relevantes y que son necesarios considerar para identificar el captador óptimo como el espacio disponible, la temperatura de control y la forma de integrar la nueva instalación. La energía solar requiere de grandes áreas para poder instalar los captadores. Normalmente, todas las industrias disponen de un área no usada, normalmente en las azoteas de los edificios. Esta área debería ser suficiente, teniendo en cuenta ciertas excepciones. Otro punto importante se centra en la temperatura de operación ya que las industrias suelen ser bastantes sensibles en este punto. Sin embargo, el sistema de captadores debería proporcionar esta temperatura de operación sin ningún problema, siempre apoyado por un sistema auxiliar necesario ya que el sol es una fuente de energía variable. 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. Tabla 4 - Integración de los sistemas de energía solar térmica en la industria [10] Para encontrar un concepto de integración adecuado para un consumidor de calor, primero debe identificarse el nivel de integración. 3.3.1 Integración a nivel de suministro Para un punto de integración en el nivel de suministro, se distingue entre el vapor y los medios de transferencia de calor líquidos. Los conceptos de integración para los medios de transferencia de calor líquido son válidos para agua caliente, medios sintéticos o aceites termales. Los diferentes soportes sólo provocarán diferencias en el tipo de 48 intercambiador de calor requerido. En principio, los conceptos de integración para los medios de transferencia de calor líquido también son válidos para el aire como medio de transferencia de calor. Mediante el uso de vapor, se pueden realizar tres conceptos de integración diferentes: generación de vapor solar (integración paralela), calentamiento de agua de alimentación de la caldera y calentamiento de agua de manivela (integración en serie). La integración paralela se puede realizar directa o indirectamente (e.g., con el aceite termal o el agua presurizada). Los conceptos para la integración en serie para el agua de alimentación de la caldera de calor o el agua de maquillaje difieren principalmente en el nivel de temperatura respectivo y las posibles medidas de recuperación de calor que deben tenerse en cuenta. Además de la integración paralela y en serie del calor solar en sistemas convencionales de suministro de calor con medios de transferencia de calor líquido, también existe la posibilidad de calentar almacenajes o cascadas que forman parte del sistema de suministro de calor convencional. La tabla 4 resume las todas las posibles integraciones a nivel de suministro. Para trabajar con las distintas distribuciones, se empleará la siguiente abreviación. Debido a que se trata de nivel de suministro, se usara SL. La tercera letra será S o L en función de si se trata de vapor o líquido. La cuarta letra revela el nivel de integración. Level of integrat ion Heat transfer medium Conventional way of heating Solar heat integration concept Supply Level S Steam PD /PI parallel integration (direct or indirect) FW heating of feedwater M W heating of make-up water L Liquid PD /PI parallel integration (direct or indirect) RF return flow boost Tabla 5 - Integración a nivel de suministro [10] 3.3.1.1 Integración a nivel de suministro con vapor Si se requieren niveles altos de temperatura para la integración paralela y por tanto, para la generación del vapor solar, se debe elegir cuidadosamente los captadores adecuados. Debido al hecho de que los principales sistemas que trabajan con vapor se encuentran a una temperatura de 150º, se debe trabajar normalmente con captadores de concentración. Por tanto, los datos de irradiación de la ubicación yn la que se instalen 49 deben tenerse en cuenta. 3.3.1.1.1 Generación solar directa de vapor Para la integración de este sistema, se necesita un tanque que alimente a los captadores. Este tanque a su vez es alimentado por lo captadores por una mezcla agua-vapor que se separa. El agua vuelve a circuito de los captadores mientras que, si la presión es suficiente, el vapor se introduce en el circuito de vapor convencional como se puede observar en la Figura 25. Figura 25 - Generación solar directa de vapor [10] Mientras que el sistema solar esta alimentado el circuito, la caldera convencional reduce su producción de vapor a una cantidad similar a periodos de carga baja. Las posibles bajas eficiencias de este sistema vienen influenciadas por la relación entre la potencia solar instalada y la capacidad del sistema convencional, por la carga típica y la integración del vapor en la caldera. 3.3.1.1.2 Generación indirecta solar de vapor Como se puede observar en la Figura 26, la integración de este sistema es muy similar a la anterior. La diferencia se basa en la presurización de agua o aceite térmico como sistema caloportador que alimenta al intercambiador para la evaporización. Cabe destacar la importancia de que el intercambiador opere a la misma presión que el sistema de vapor convencional. 50 Figura 26 - Generación solar indirecta de vapor [10] 3.3.1.1.3 Precalentamiento de agua de alimentación de la caldera La integración de la energía solar térmica en el proceso de precalentamiento de agua de alimentación tiene lugar después de la desgasificación. Este proceso se puede observar en la Figura 27. Figura 27 - Precalentamiento de agua de alimentación de la caldera [10] 51 La temperatura del agua de alimentación de la caldera depende de la presión de suministro de la caldera y está generalmente en la gama de 160 - 220 °C. Normalmente, el agua de alimentación de la caldera es precalentada por un economizador antes de entrar en la caldera de vapor, alrededor de 30 ºC. La diferencia de temperatura restante la suministra la energía solar térmica. Basándose en el dimensionamiento de los economizadores, no siempre es posible un precalentamiento solar del agua de alimentación de la caldera antes del economizador. 3.3.1.1.4 Precalentamiento de agua de reposición La última integración de los sistemas de vapor se centra en el precalentamiento del agua de reposición para compensar las pérdidas de condensación causadas por la destilación flash, purgas y el consumo directo de vapor. En principio, el agua puede ser calentada antes de la desgasificación. Sin embargo, las fuentes de calor residual dentro de la caldera pueden disminuir ostensiblemente el potencial de esta variante. Este tipo de precalentamiento viene representado en la Figura 28. Figura 28Precalentamiento de agua de reposición [10] 3.3.1.2 Integración a nivel de suministro con fluido caloportador Empleando fluidos caloportadores, se pueden emplear otros conceptos para la integración de sistemas de energía solar térmica. Además de la integración paralela, también es posible calentar depósitos o cascadas que se integren en el sistema de suministro de calor convencional. Debido a la relevancia en la industria, la aplicación principal de estos conceptos de integración se centra en los circuitos de agua caliente. Sin embargo, también se pueden aplicar a medios sintéticos de transferencia de calor y aceites temarles que emplean 52 temperaturas de 250 hasta 400 ºC. 3.3.1.2.1 Integración directa a nivel de suministro con fluido caloportador Para la integración de energía solar térmica en circuitos de agua caliente, el retorno se divide antes de la caldera convencional y se dirige parcialmente a través del sistema de captadores solares de concentración como se puede observar en la Figura 29. Posteriormente, este flujo dividido vuelve al flujo principal. Por lo tanto, es control del sistema de energía solar térmica tiene que asegurar que el flujo se calienta hasta la temperatura requerida. Esta integración puede ser directa, como es el caso de la Figura 30 o indirecta, para lo cual habría que emplear un intercambiador. Figura 29Integración directa en paralelo a nivel de suministro con fluido caloportador [10] 3.3.1.2.2 Integración en serie a nivel de suministro con fluido caloportador La integración en serie es similar a la anterior con la diferencia que en el retorno el fluido es precalentado, lo que se puede contemplar en la Figura 30. Por lo tanto, no existe una temperatura fija que deba ser alcanzada en los sistemas térmicos solares. Este sistema puede no ser deseado por el operador de planta si la eficiencia del sistema convencional se ve afectado de una forma negativa 53 Figura 30 - Integración en serie a nivel de suministro con fluido caloportador [10] 3.3.1.2.3 Energía solar térmica para depósitos y cascadas Hay muchos tipos diferentes y posibilidades de conexión para depósitos de agua caliente y cascadas en la industria. La Figura 31 lo ilustra. Existen depósitos con volumen fijo o variable. Basándose en el número real de depósitos y su configuración, el calor solar se puede utilizar para precalentar las corrientes de entrada o para mantener la temperatura del almacenamiento. Además, las cascadas de agua caliente se pueden suministrar con calor solar. Generalmente el agua caliente en retorno alimenta a una cascada y se calienta por inyección del vapor. El concepto de integración de las cascadas de agua caliente es similar a la integración en serie de suministro con fluido caloportador, ya que el flujo de retorno se precalienta antes de entrar en la cascada. Figura 31 - Integración en depósitos de agua caliente y cascada [10] 54 3.3.2 Integración a nivel de procesos Basándose en la categoría del consumidor de calor en combinación con la forma convencional de suministro de energía térmica, se pueden aplicar diferentes conceptos de integración para el calor solar. A nivel de procesos, se distinguen tres clases generales de conceptos de integración. La primera clase es la integración de un intercambiador de calor externo que es alimentado por energía solar térmica. Por lo tanto, existen cuatro conceptos de integración básicamente modelables: integración de un intercambiador de calor externo adicional para el producto o medio de proceso en serie al convencional, calefacción solar de un circuito intermedio de agua caliente, calor solar para el calentamiento externo de baños, maquinarias o tanques, y precalentamiento de los flujos de entrada de los medios de producto o proceso. La segunda clase es la integración de una superficie adicional del cambiador de calor dentro de los baños, de los mecanismos o de los tanques. La tercera clase es la generación solar de vapor con vacío o baja presión. Level of integration Heat transfer medium Conventional way of heating Solar heat integration concept Process level E external heat exchanger PM heating of process medium IC heating of intermediate hot water circuit HB heating of bath, machinery, or tank IS heating of input streams I internal HEX S steam supply V vacuum steam LP low pressur steam Tabla 6 - Integración a nivel de procesos [10] 55 3.3.2.1 Integración a nivel de procesos mediante intercambiador externo 3.3.2.1.1 Integración de energía solar térmica para un producto o procesos mediante intercambiador externo Este concepto de integración es el más como ya que solo introducimos un intercambiador operado mediante energía solar térmica en serie a la fuente de calor convencional. Permite calentar un producto o un agente empleado en un proceso. Se puede observar en la Figura 32. Figura 32Integración de energía solar térmica para un producto o procesos con intercambiador externo [10] En la Figura 33 se puede contemplar un ejemplo de esta integración en un proceso de esterilización en el que se emplea agua como fluido caloportador. Figura 33 - Integración en un proceso de esterilización con autoclave [10] 62 Figura 44 - Tipos de procesos de baja y media temperatura con energía solar térmica Figura 45Sectores y procesos industriales con más potenciales para usos de ETS [11] A continuación, se desarrollan los principales procesos que se encuentran en la industria. 4.1.1 Calentamiento de agua El proceso de calentar agua con fuentes de energía convencional funciona con un equipamiento mucho más pequeño que con intercambiadores. Para integrar un sistema de energía solar térmico, el diseño debería estar centrado en operar en los niveles más bajos de temperatura después de incrementar al máximo la eficiencia del captador. El calentamiento solar de agua (SWH) constituye la mayor parte de la industria solar térmica con costes más beneficios que todas las demás tecnologías solares disponibles. Precalentamiento de agua Calentamiento de baños y tanques Secado Otros procesos 63 Figura 46 - Industrias que trabajan con sistemas solares de calentamiento de agua [12] 4.1.2 Procesos de secado En los procesos de secado, la humedad debe ser eliminada del material como condición primaria. La mayoría de los procesos de secado se centran en el secado en el secado de comidas, plantas, frutas y minerales, Con el calentamiento con calor solar, el secado lo produce el aire caliente. Por lo tanto, los sistemas solares pueden trabajar con sistemas de aire directamente o intercambiadores. El potencial que tiene estos sistemas puede beneficiar a plantas, frutas, maderas, textiles, cueros, etc… Figura 47 - Industrias que trabajan con sistemas de secado solar [12] 4.1.3 Procesos de precalentamiento La energía térmica solar es perfecta para los procesos de precalentamiento con 64 aplicaciones de baja temperatura. El calor desperdiciado, aire comprimido de compresores, equipos de producción de frio y gas de las maquinas sirven como alternativa térmica. Algunos de los ejemplos típicos son agua caliente y el agua que alimenta una caldera. Figura 48 - Industrias que trabajan con procesos de precalentamiento solar [12] 4.1.4 Procesos de producción de vapor El calentamiento por vapor solar se realiza con fuentes de energía convencionales que funcionan con equipos más pequeños, como los intercambiadores de calor. Para integrar un sistema de energía solar, el diseño debe centrarse en operar a los niveles de temperatura más bajos después de aumentar la eficiencia del captador. Estas aplicaciones constituyen la mayor parte de las aplicaciones térmicas solares industriales, con la rentabilidad de todas las tecnologías térmicas solares disponibles en la actualidad. Figura 49Industrias que trabajan con sistemas de producción solar de vapor [12] 4.1.5 Procesos de pasteurización y esterilización Las industrias lácteas pueden utilizar la energía solar para operaciones de proceso, ya que funcionan ininterrumpidamente. Entre los procesos solares empleados, la pasteurización y la esterilización son los que consumen la mayor parte de la energía dónde la mayor diferencia se encuentra en la fase en la que se encuentra el medio. La pasteurización embotellada requiere un medio de transferencia de calor porque es imposible aplicar un intercambio de calor directo. El medio de transferencia de calor se puede conectar a una planta térmica solar para pasteurizar y esterilizar. 65 Figura 50Industrias que trabajan con sistemas solares de pasterización y esterilización [12] 4.1.6 Procesos de lavado y limpieza Los procesos de lavado requieren un gran volumen de agua caliente, lo cual representa una gran oportunidad para el uso de energía solar térmica en prácticamente todos los sectores comerciales como botellas, barriles y contenedores en industrias alimenticias, metálicas, barnizado, galvanizado, industrias textiles, lavanderías, etc… Figura 51 - Industrias que trabajan con sistemas solares para lavado y limpieza [12] 66 4.2 Sectores potenciales 4.2.1 Industria del automóvil Las industrias automovilísticas operan diferentes tipos de procesos de producción que consumen una gran cantidad de energía como electricidad o calor. Las fuentes de energía utilizadas en los procesos de producción de automóviles son principalmente la electricidad, productos derivados del petróleo como el gas natural y otras fuentes. Actualmente, Sudáfrica, India y España están empleando sistemas de calentamiento de procesos solares en sus sistemas de producción. Las operaciones son calentar el agua utilizada en el proceso de aplicación de pintura, lavar los componentes del motor en la unidad de fabricación de automóviles, la línea de pretratamiento de la carrocería y la preparación de la superficie de la lámina de la carrocería. Aquí se utilizan diferentes tipos de captadores solares y la temperatura máxima que se puede alcanzar es de 120 ° C. Los procesos de producción típicos en la industria del automóvil que requieren energía térmica se explican a continuación en detalle, con las temperaturas requeridas en el proceso y el medio de transferencia de energía térmica como agua caliente, aire caliente o vapor a presión. Figura 52 - SHIP en la industria automovilística [12] 4.2.2 Industria cervecera En la industria cervecera, la energía solar térmica se puede utilizar para procesos tales como generación de vapor, proceso de malteado, detención de la germinación de granos, refrigeración por aire, conservación con aire caliente, suministro de energía de máquinas de lavado, procesos de secado y horno. Las plantas de malteado y las fábricas de cerveza consumen calor para sus procesos térmicos a niveles de temperatura entre 25 ° C y 120 ° C. Resulta factible suministrar calor a este nivel de temperatura que no es más alto que la cantidad real requerida, pero en realidad a menudo es decidido por el consumidor que necesita la temperatura más alta. Varios países europeos, China, Sudáfrica están contribuyendo, como se recoge en el apartado 1.1 Acuerdo de París. Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático., a reducir las emisiones de dióxido de carbono al involucrar el calentamiento del proceso solar en las cervecerías. Las operaciones de proceso más importantes son el lavado y limpieza, alcanzado 67 temperaturas de 120 ° C. También es importante el precalentamiento de botellas mediante con captador de aire o captador de placa plana que entrega una temperatura máxima de 60 °C. Otras operaciones que se pueden considerar son la pasteurización y esterilización. Figura 53SHIP en la industria cervecera [12] La conversión del calor de la energía obtenida de los recursos de energía renovable puede garantizar un proceso de producción de cerveza respetuoso con el medio ambiente para el futuro. Para aumentar la eficiencia energética general, la integración de la energía térmica solar obtenida de las tecnologías de captadores solares térmicos es considerada una alternativa real para satisfacer las demandas del calor de los procesos típico a baja temperatura. 4.2.3 Industria alimentaria Los procesos industriales más comunes donde se usa el calor de procesos industriales en el rango de temperaturas medias y bajas son la pasteurización, esterilización, hidrolización, secado, evaporación, destilación, limpieza y lavado, cada uno de los cuales se encuentra presente en el ámbito de la industria alimentaria. La industria alimentaria se identifica como el sector industrial dominante en la actualidad para los sistemas de calentamiento de procesos solare, en cuyos procesos son los captadores solares de placa plana y los captadores paralelos los sistemas más usados La mayoría de los países de Europa, América del Norte, América del Sur y Asia utilizan sistemas de energía solar térmica de procesos industriales en sus propias industrias. 68 4.2.4 Industria papelera La única industria papelera que emplea energía solar térmica se encuentra en la India. La industria del papel de la India representa aproximadamente el 2,6% de la producción total de papel en el mundo. El consumo de combustible en la industria del papel en la India comprende electricidad, biomasa, carbón y combustible de petróleo. Figura 54SHIP en la industria alimentaria [12] Para reducir los efectos de los gases de efecto invernadero, el consumo de combustibles fósiles debe reducirse, además de mantener el suministro de energía requerido para la industria del papel, que solo puede lograrse mejorando la eficiencia de utilización del combustible y sustituyendo el combustible fósil mediante el aprovechamiento de fuentes de energía renovables. El 75% de la energía total utilizada en la industria del papel es esencial para el proceso de calentamiento a temperaturas bajas e intermedias, por lo que se trata de un sector con un amplio potencial para la aplicación de la energía solar térmica. Figura 55 - SHIP en la industria papelera [12] Los procesos como el blanqueo y el lavado con agua caliente, la fabricación de pulpa, el secado y el calentamiento del agua de alimentación de la caldera consumen la mayor parte del calor del proceso, utilizando un medio de transferencia de calor como agua, 69 vapor, aire o aceite, según los requisitos específicos del proceso. Las industrias del papel aún carecen de la atención adecuada para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero mediante la utilización adecuada de los recursos de energía renovable. 4.2.5 Industria farmacéutica La industria farmacéutica tiene una importante demanda de energía para producir productos farmacéuticos y para la formulación del producto final. La temperatura de la mayoría de los procesos oscila entre 160 y 180 ° C, dependiendo del proceso y del producto específico. Las industrias farmacéuticas se identifican como el sector industrial más prometedor para los países europeos y norteamericanos donde la economía depende en un alto grado de este tipo de industrias. Hoy en día, solo Egipto y Grecia están tratando con industrias farmacéuticas basadas en el proceso de calentamiento solar para la generación y el enfriamiento de vapor de proceso, donde otras operaciones operan a baja temperatura. Figura 56 - SHIP en la industria farmacéutica [12] 4.2.6 Industria textil La industria textil requiere un suministro continuo de agua como la mayoría de los otros sectores industriales. El requisito de temperatura para el agua se encuentra en un nivel más alto, alrededor de los 80 ºC, lo que requiere una cantidad considerable de energía térmica. Si se sigue empleando combustibles convencionales para alcanzar esta demanda de agua, los impactos ambientales también aumentarán en consecuencia. El calentamiento solar de agua utilizando calor de procesos solares es un candidato potencial para reemplazar las fuentes de combustibles fósiles convencionales en la industria textil para reducir sustancialmente el impacto ambiental. Entre los siete países donde las industrias textiles están equipadas con sistemas de calentamiento por proceso solar, Grecia, China e India son los dominantes. El calentamiento de agua es la operación de proceso común que trabaja con captadores 70 de placa plana para obtener una temperatura máxima de 100 ° C. Otras operaciones importantes de proceso incluyen precalentamiento solar, pintura y procesos de producción textil. Figura 57SHIP en la industria textil [12] 4.2.7 Procesado de minerales Las tecnologías de calentamiento de procesos solares se pueden utilizar para calefacción de temperatura moderada y generación de vapor, que son procesos útiles en las industrias de procesamiento de minerales. Estas aplicaciones de SHIP son particularmente convenientes en minas remotas donde el precio de los combustibles es mucho más significativo que en áreas urbanas. El calentamiento de gases o líquidos a bajas temperaturas se puede lograr con sistemas solares térmicos. Los sistemas de calefacción solar con temperaturas de fluido de hasta 150 ° C se pueden lograr fácilmente con tecnologías no concentradoras, mientras que las temperaturas de hasta 400 ° C se pueden lograr utilizando tecnologías de concentración simples. Las posibles aplicaciones de técnicas concentradoras en el procesamiento de minerales se pueden dividir en grupos de procesos térmicos, procesos químicos y procesos de reducción carbotérmica. Los procesos térmicos solares incluyen el desarrollo de hornos solares para la descomposición térmica de la piedra caliza para producir cal hasta con temperaturas de hasta 1130 ° C. También se ha propuesto el calentamiento solar térmico del aire para aplicaciones industriales, por ejemplo, un material con alta conductividad térmica y capacidad de calor podría utilizarse para formar un lecho permeable al calor utilizando energía solar térmica. El aire caliente luego pasa a través de la cama donde se pueden alcanzar temperaturas de hasta 850 ° C. El aire precalentado se puede usar para procesos de fundición metalúrgica como el calentamiento regenerativo. Sudáfrica, Chile, Austria y Alemania son países industrializados dominantes y dinámicos basados en la minería, donde el sistema de calentamiento de proceso solar ya está incorporado y opera en minas, principalmente para operaciones de limpieza, minería y calentamiento de agua. Otras operaciones específicas de la mina incluyen procesos electro-ganadores, baño de níquel, productos químicos desengrasantes con 71 captador de placa plana y captador de tubo. Figura 58SHIP en la industria minera [12] El sector minero aún presenta numerosas áreas en las que existen enormes posibilidades de sistemas de calentamiento por procesos solares de baja temperatura, temperatura media y alta temperatura que se integren para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. 4.2.8 Industria química Existen varios procesos de producción química que requieren calor a un nivel de temperatura relativamente bajo donde la energía solar se utiliza de manera complementaria en el precalentamiento primario con otras fuentes de energía. Existen áreas dentro del proceso de calentamiento solar industrial en la industria química que trabajan exclusivamente a una temperatura de proceso baja. Los procesos más comunes donde se usa la energía solar térmica son el calentamiento de agua, el calentamiento con vapor, el proceso de limpieza y pintura con captador de placa plana, donde actualmente la temperatura máxima alcanzada es de 130 ° C. Figura 59 - SHIP en la industria química [12] 4.2.9 Agricultura La energía solar térmica se utiliza ampliamente en las industrias agrícolas y pesqueras de diferentes países, principalmente para el secado de productos agrícolas, el calentamiento de agua mediante diferentes tipos de captadores solares que varían según la capacidad de la planta y los requisitos de rango de temperatura. La mayoría de las industrias tienen aplicaciones de un rango de temperatura de baja presión con captador de aire, captador de placa plana y captador de canal paralelo. 78 Figura 67Fases en la inyección cíclica de vapor [14] Los mejores resultados indican que en los primeros ciclos se tendrá una relación de 30 barriles de aceite producido por 1 barril de agua inyectado. 5.2.3.2 Inyección continua de vapor La inyección continua de vapor es conocida también como desplazamiento de vapor o empuje por vapor, contribuye con poco más de dos tercios de la producción por procesos térmicos. Generalmente se aplica a yacimientos poco profundos de aceite pesado con altas viscosidades, altas saturaciones y buena permeabilidad. Para implementar este proceso de recuperación adicional de hidrocarburos es necesario contar con al menos dos pozos: un inyector y otro productor. Normalmente los pozos se distribuyen en arreglos geométricos ya establecidos. El proceso consiste básicamente en inyectar continuamente vapor dentro del perímetro del yacimiento. El vapor calienta al hidrocarburo por lo que reduce su viscosidad, además forma un frente que va desplazando lentamente al aceite hacia las zonas productoras. Este desplazamiento se logra por destilación de vapor del aceite, extracción con solvente y empuje de gas. Las saturaciones en zonas barridas por el vapor registran reducciones de hasta 10 por ciento, lo anterior indica que los factores de recuperación se encuentran en un rango de 50 a 60 por ciento del volumen original. 79 Figura 68 - Proceso de inyección continua de vapor [14] Para obtener mejores resultados, se puede implementar conjuntamente inyección cíclica de vapor en los pozos productores. 5.3 Tecnología solar aplicada Enclosed Trough representa un enfoque completamente nuevo para el diseño y construcción de captadores solares de concentración. Al ser una tecnología muy prometedora pero debido al altísimo coste e inversión, se decide en crear una planta piloto que opera desde 2012. El sistema de canalización cerrada está protegido por una estructura de piel de vidrio, esencialmente un invernadero agrícola simplificado. La planta en cuestión abarca una superficie de 17.280 m2 con una producción máxima de más de 7 MW térmicos. Como se observa en Figura 69, los canales parabólicos ligeros están suspendidos dentro del invernadero. La industria agrícola de invernaderos ha desarrollado ya más de 30,000 hectáreas de invernadero en las últimas décadas, instalándose en todo el mundo en una amplia gama de climas. Están disponibles a bajo costo, y al proporcionar apoyo estructural y aislar a los captadores solares del viento y la humedad, reducen sustancialmente el coste total del sistema de energía solar. 80 Figura 69 - Diagrama de Enclosed Trough [15] El uso total de material en el campo solar por unidad de vapor producido se reduce significativamente en comparación con las arquitecturas CSP más antiguas. El uso total de material por m2 de abertura del concentrador se ha comparado con la planta Andasol, con una reducción de 134 a 40 kg, impulsada por una reducción del 84% en el hormigón y una reducción del 56% en el metal. El uso de vidrio fue comparable a 12 kg / m2, pero GlassPoint usa vidrio claro y plano de menor costo para el acristalamiento, a diferencia de los espejos de vidrio curvo de Andasol. Los espejos de GlassPoint son de una construcción ligera de nido de abeja de aluminio. Como resultado del menor uso de material y la eficiencia de conversión competitiva, la arquitectura de canal cerrado produce un menor coste por MMBTU de la producción de vapor en comparación con las tecnologías térmicas solares anteriores. La arena, el polvo y la humedad del viento en el ambiente son importantes en muchos entornos referidos a campos petroleros, primordialmente desérticos. La condensación durante la noche en las superficies cargadas de polvo produce barro y se requiere de un lavado húmedo. Así mismo, las tasas de acumulación de polvo son altas. Técnicos de GlassPoint han observado tasas de suciedad que producen una caída del 12% por semana en la recolección de energía solar entre lavados en la planta de GlassPoint en el valle de San Joaquín en California, mientras que Masdar ha medido hasta un 30% de disminución por semana en los EAU. La estructura de invernadero de GlassPoint está equipada con un sistema automatizado de lavado de techos capaz de limpiar toda la superficie del techo cada noche mientras los captadores están fuera de servicio. La mayoría del agua de lavado se devuelve en el sistema de canalones y se puede recuperar para su reutilización. La infiltración de polvo se minimiza mediante una unidad de tratamiento de aire que 81 proporciona aire filtrado y seco a una ligera sobrepresión dentro de la estructura en todas las condiciones, incluidas las tormentas de polvo o arena. Estas medidas han demostrado ser efectivas para proporcionar una producción de energía constante en las condiciones de los campos petroleros. Figura 70 - Planta piloto Miraah de 7 MW [13] Las pequeñas pérdidas debidas a la transmisión del vidrio del techo y el sombreado estructural están más que compensadas por el control de suciedad y la protección contra el viento que ofrece esta arquitectura. Debido a la ausencia de fuerzas del viento que actúan sobre los captadores, un reflector liviano puede brindar una alta precisión óptica de manera constante. El reflector ligero permite un sistema de puntería de cable. El ángulo de seguimiento se mide con inclinómetros con una precisión de 0,01 grados. Los actuadores dedicados colocados cada pocos metros a lo largo de cada canal reducen la torsión del captador. El control de puntería en bucle cerrado produce menos de 0.5 mrad de error de puntería en cientos de puntos dentro del invernadero. La precisión de la señalización se mantiene sin tener en cuenta la velocidad del viento, ya que los captadores siempre operan en un entorno sin viento. El bajo peso del captador permite una instalación simple y totalmente suspendida de todo el sistema de canal, incorporando un receptor de posición fija y un reflector que gira sobre él. El receptor fijo permite un sistema de vapor directo de alta presión muy simple y seguro, libre de rótulas o mangueras y sus costos, riesgos de seguridad y requisitos de mantenimiento. El sistema de vapor directo elimina otros costos y riesgos de tecnologías más antiguas, como los intercambiadores de calor y el acondicionamiento, almacenamiento y riesgo de incendio de fluidos de transferencia de calor. 82 Figura 71 - Esquema simplificado de la planta piloto [15] El bajo peso del captador permite una instalación simple y totalmente suspendida de todo el sistema de canal, incorporando un receptor de posición fija y un reflector que gira sobre él. El receptor fijo permite un sistema de vapor directo de alta presión muy simple y seguro, libre de rótulas o mangueras y sus costos, riesgos de seguridad y requisitos de mantenimiento. El sistema de vapor directo elimina otros costos y riesgos de tecnologías más antiguas, como los intercambiadores de calor y el acondicionamiento, almacenamiento y riesgo de incendio de fluidos de transferencia de calor. Se emplea una tecnología de receptor patentada, que utiliza un receptor de 60 mm con un sistema de absorción selectiva de aire estable y pantallas de convección de vidrio. La estructura del invernadero lleva los receptores y los canales. Los receptores están suspendidos de la estructura por varillas de acero, como se contempla en la Figura 69. Los canales se apoyan desde los tubos receptores utilizando barras similares. Estos enlaces no rígidos se adaptan a la expansión y contracción térmica diaria de los receptores y canales a la vez que mantienen la alineación precisa del sistema óptico. El proceso de la caldera del generador de vapor de un solo paso aloja agua de alimentación con sólidos disueltos totales de hasta 30,000 ppm y produce un 80% de vapor de calidad a 100 bar, que coinciden con las especificaciones típicas de OTSG de combustible, empleadas anteriormente. Se presta especial atención a la fracción de líquido de salida para evitar la precipitación de sólidos disueltos como depósitos de incrustaciones dentro de los tubos del evaporador. Incluso con el manejo de las concentraciones de sólidos, algunas incrustaciones ocurren inevitablemente debido a excursiones en la calidad del agua o la química. El diseño del sistema incorpora características para permitir la limpieza del receptor. 83 5.4 Desarrollo del proyecto y situación actual. La construcción de la planta piloto se desarrolló en 11 meses, hasta la producción del primer vapor como se puede observar en la Figura 72. Figura 72 - Timeline de la construcción [15] Debido a ciertos acontecimientos internacionales, los envíos de materiales se retrasaron en bastantes ocasiones. Pero gracias a que se siguió un plan de construcción conservador, se logró terminar a tiempo sin retrasos significativos. Durante el proceso, surgieron importantes inconvenientes como la necesidad de trabajar dentro del invernadero en plena época estival, alcanzando temperaturas de más de 50 ºC. Debido a esto, se cambiaron la mayoría de los turnos de los trabajadores a franjas horarias nocturnas, lo que derivó en una mejora del confort y la productividad. Una vez terminada la construcción, se produjo el primer vapor en diciembre de 2012 y se realizan diversos estudios para comprobar la viabilidad de la planta de 1 GW, en función de distintas consideraciones. Como se puede observar en la Figura 73, la planta comenzó a producir vapor a un ritmo de 50 toneladas por día, mejorando las cantidades proyectadas. Figura 73 - Toneladas de vapor introducidas al sistema por la planta piloto [15] 84 Después de 100 días de operación, se alcanzó un 97% de la producción teórica, mejorando el tiempo previsto para alcanzarlo. Figura 74 - Funcionamiento de la planta frente al modelo previsto [15] Otro tema delicado se centraba en el sistema de lavado del techo del invernadero. Es logró un aumento de la transmisión de en torno al 10% en ciclos de lavado de un mes. Estudios independientes sometieron a 2300 ciclos de lavado este tipo de cristal, sin encontrar una pérdida de transmisión detectable. Estos 2300 ciclos suponen una estimación de un periodo de 12 años. Sin embargo, se requieren nuevos estudios para conocer el proceso de lavado en un periodo de tiempo superior. Figura 75 - Transmisión del techo sucio y tras lavado [15] 85 En la Figura 76, se observa la producción diaria de vapor, que en días claros sobrepasa las 50 toneladas estimadas. Los días en los que la producción es en torno a 0, son días de tormenta de arena, que a su vez generan los días siguientes una menor producción debido a la suciedad acumulada. El resto de días de baja producción se debieron a la existencia de nubes o calima, lo que reduce la transmisión. Figura 76 - Producción diaria de vapor [15] El proyecto piloto opera hoy en día produciendo un promedio de50 toneladas de vapor libre de emisiones por día. El vapor solar se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente de PDO, lo que ayuda a facilitar la producción de petróleo y reduce el uso de gas. El éxito del piloto ha permitido seguir con la segunda fase de este proyecto, la construcción de la planta solar de concentración para EOR más grande del mundo. Figura 77 - Proyecto Miraah [13] 86 La dimensión de este proyecto ridiculiza cualquier otra planta EOR instalada hoy en día. Cuenta con una extensión de 3 km2, de los que 1.9 corresponden al campo solar. La construcción comenzó en 2015, siguiendo la estructura del proyecto piloto, produciéndose el primer vapor en el año 2017. La cantidad de energía renovable producida a lo largo de los 30 años de vida útil del sistema es más de 9,000 veces la energía utilizada en todos los materiales, fabricación, transporte y construcción del sistema. En comparación con un sistema solar fotovoltaico con la misma producción de energía, los generadores solares de vapor requieren aproximadamente la mitad de energía para construirse y son aproximadamente dos veces más eficientes. Figura 78Sistema de captadores en la planta Miraah [13] Este megaproyecto está divido en 36 sectores, de los que actualmente hay ya 6 en funcionamiento. Miraah se está construyendo utilizando un proceso de implementación secuencial que divide el proceso de construcción en pasos estandarizados y fácilmente repetibles. Los equipos especializados se mueven de bloque en bloque para completar una tarea específica, como el acristalamiento de invernaderos o la instalación de nuestros espejos parabólicos ligeros, optimizando el proceso en el camino para acelerar la implementación, controlar los costos y garantizar una calidad constante. 87 6 RESUMEN Y CONCLUSIONES A lo largo de este TFM se explican los fundamentos de los procesos térmicos en la industria, manteniendo una visión global y centrándose en los diferentes sistemas que componen esta producción de energía térmica (generación, distribución, almacenamiento y transferencia de calor). Posteriormente, se tratan los distintos sistemas para la producción de calor mediante energía solar en procesos industriales. Las siglas mundialmente usadas para denominar estos procesos son SHIP (Solar Heat for Industrial Process) y describen los sistemas que proporcionan energía solar térmica en las industrias. Se determinan los principales tipos de captadores, el rango de temperatura con el que trabajan, los fluidos empleados. Mención aparte requieren los sistemas de integración, que han alcanzado un alto nivel de madurez y se describen en el apartado 3.3. De acuerdo con las principales informaciones de procesos solares térmicos industriales, se han identificado los principales procesos y sectores industriales con más potencial para estas aplicaciones. De esta forma, quedarán explicadas las principales aplicaciones de la energía solar térmica. Se detalla en profundidad un ejemplo de esta integración, la planta solar Miraah en Omán, la de mayor potencia en el mundo, que produce vapor de alta calidad para inyectar en el subsuelo en el proceso de recuperación de hidrocarburos EOR. No cabe duda de que el mundo se encuentra en una situación ciertamente importante en lo que respecta a las energías renovables. Las emisiones de CO2 contribuyen a destruir la capa de ozono y generan el denominado efecto invernadero. El cambio climático y el aumento de la temperatura mundial es un hecho que se prueba día tras día. Desastres naturales, temporales, lluvias torrenciales o sequías azotan el mundo con virulencia. Cierto es que estos desastres naturales se han producido asiduamente desde que tenemos constancia. Pero tampoco es menos cierto que en los últimos años ha aumentado la frecuencia con la que aparecen, generando importantes pérdidas tanto económicas como humanas. El Acuerdo de París, firmado por la mayoría de los países del mundo, es visto como una vía de escape hacia un futuro más respetuoso con la naturaleza. Este acuerdo prevé una serie de medidas para reducir las emisiones contaminantes drásticamente hasta 2040, con restricciones en combustibles fósiles, los más empleados para la generación tanto de electricidad como de calor en todos los sectores de la sociedad. Desde mi punto de vista, la clave de esta transición no se encuentra en las prohibiciones que puedan ser impuestas desde los gobiernos a industrias, sector servicios o ciudadanos de a pie sino en el fomento del cambio mediante la creación de una conciencia social que impulse la transformación.