Energía solar térmica para procesos industriales

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1 Energía solar térmica para procesos industriales E. Rojas e I. Cañadas CIEMAT-PSA En España, las instalaciones de energía solar térmica han estado tradicionalmente enfocadas al suministro de energía para agua caliente sanitaria (ACS) y para el acondicionamiento de piscinas, denotándose la aplicación a los procesos industriales como bastante marginal y esporádica. En este artículo se revisan brevemente las posibilidades tecnológicas de suministrar energía térmica a procesos industriales a través de un sistema solar, resaltando aquellas que en la actualidad se consideran económicamente interesantes. 1. Introducción De acuerdo a la última estadística publicada por la Agencia Internacional de la Energía, tanto a nivel mundial, como en los países de la OCDE, el industrial es el sector con el consumo energético más importante, suponiendo alrededor del 30% del total, seguido muy de cerca por el sector transporte y el residencial, [1]. En España, de acuerdo a la Encuesta de Consumos Energéticos, [2], este gasto energético supuso más de millones de euros en Las principales fuentes de energía utilizadas en la industria fueron electricidad (51,3% del total), gas (23,8%) y productos petrolíferos (gasóleo, fuelóleo y otros) con un 19,4 % (Tabla I). Estas cifras suponen un incremento del 3,9% respecto a 2001, último año en que se realizó esta encuesta. El crecimiento progresivo de la demanda, así como la dependencia energética del exterior, han determinado que en los últimos años se hayan hecho importantes esfuerzos para fomentar la reducción del gasto energético, potenciando, principalmente, una gestión energética más eficiente, como demuestra la Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética De forma paralela, se ha potenciado el uso de energías renovables, a través principalmente del Plan de Fomento de las Energías Renovables, ya que se consideran una factor determinante para el cumplimiento de la normativa comunitaria relativa a la limitación de las emisiones a la atmósfera de compuestos acidificantes y de los acuerdos internacionales firmados por España en materia me- dioambiental, como el protocolo de Kioto, que le obliga a no incrementar sus emisiones de gases de efecto invernadero por encima del 15% sobre los niveles de 1990 [3]. Es entre las energías renovables donde la solar térmica puede y debe adquirir un papel relevante, ya que permite la obtención directa de la energía térmica necesaria para muchos procesos industriales. Varios proyectos financiados por la Comisión Europea (proyectos Poship, Procesol I y II) han verificado el enorme potencial de aplicación de la energía solar térmica en la industria, así como la viabilidad técnica y económica de tales aplicaciones a corto (procesos a baja temperatura, es decir, a menos de 80ºC), medio (procesos a media temperatura, esto es, entre 80ºC y 250ºC) y largo plazo (procesos a alta temperatura, o sea, a más de 250ºC). La apuesta internacional por la extensificación del uso de la energía solar térmica en la industria también se evidencia por la puesta en marcha en 2004 en la Agencia Internacional de la Energía de la Tarea 33/IV sobre Calor Solar para Procesos Industriales, [4]. Sin embargo, en España, hasta la fecha, las instalaciones de energía solar térmica han estado principalmente enfocadas al suministro de energía para agua caliente sanitaria (ACS) y para el acondicionamiento de piscinas, siendo los procesos industriales una aplicación bastante marginal y esporádica. En este artículo se revisan brevemente las posibilidades tecnológicas de suministrar energía térmica a procesos industriales a través de un sistema solar, resaltando aquellas que en la actualidad son económicamente interesantes. 160 Ingeniería Química

2 Tabla I. Distribución del consumo energético por tipos de energía y agrupaciones de actividad [2] Carbón Productos y derivados petrolíferos Gas Electricidad Otros Total Agrupaciones de actividad (%) (%) (%) (%) (%) Ind. extractivas y del petróleo Alimentación, bebidas y tabaco Textil, confección, cuero y calzado Madera y corcho Papel, edición, artes gráficas Industria Química Caucho y materias plásticas Prod. minerales no metálicos diversos Metalurgia y fabric. prod. Metálicos Maquinaria y equipos mecánicos Mat. y equipo electrónico y óptico Material de transporte Ind. manufactureras varias TOTAL Energía solar térmica 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 (Fig. 1). Para aplicaciones que requieran un fluido a baja temperatura (menor de 100ºC), se trabaja con sistemas sin seguimiento y con pequeña/ninguna concentración. Los sistemas con captadores de placa plana son los más utilizados, seguidos por los tubos de vacío, los colectores de baja concentración como son los cilindro-parabólicos compuestos (CPCs) y los de placa plana con doble cubierta. Debido a la baja densidad energética de la radiación solar, para niveles de temperatura por encima de los 100ºC es necesario utilizar sistemas solares de concentración, lo que implica el seguimiento del Sol. Los sistemas más adecuados para aplicaciones de media temperatura (hasta 400ºC),utilizan colectores cilindro-parabólicos. Estos colectores redirigen la radiación solar gracias a una superficie espejada, de sección transversal parabólica, hacia el receptor. Este receptor suele ser un tubo cilíndrico por cuyo interior circula el fluido a calentar y puede llegar a tener una superficie hasta 25 veces menor que el área de captación de la energía solar (área de apertura). En aplicaciones que requieren altas temperaturas (superiores a 400ºC), es necesario incrementar el flujo energético incidente sobre el receptor, así como reducir las pérdidas energéticas al exterior, lo que se consigue utilizando concentradores de foco puntual. Existen tres tipos de sistemas: Discos parabólicos: Los sistemas de disco parabólico consisten en un concentrador de superficie especular que enfoca los rayos del sol y los refleja en un receptor instalado por encima del disco en su punto focal. Cada disco puede ser una unidad independiente o ser un mó- dulo de un sistema múltiple para producir potencia. El fluido en un disco parabólico puede alcanzar temperaturas hasta 1.500ºC y puede producir hasta 50 kw de electricidad o 150 kw de potencia térmica. Sistemas de receptor central: En un sistema de receptor central, un campo de helióstatos concentradores, dirigidos por un sistema de seguimiento solar, refleja la energía solar de baja densidad que incide sobre la superficie terrestre sobre una zona focal común, situada normalmente a suficiente altura por encima del campo que componen los citados helióstatos para evitar excesivas interferencias con los más próximos. En la zona focal, se sitúa un receptor que absorbe la energía reflejada por el campo de helióstatos, dependiendo la potencia absorbida (hasta cientos de megavatios) del tamaño del receptor y del tamaño del campo de helióstatos. El sistema entrega calor al fluido de transferencia a temperaturas que sobrepasan los 1.000ºC, pudiendo ser utilizado en instalaciones industriales como calor de proceso, convertido en electricidad o utilizado en reacciones químicas. Hornos solares: Los hornos solares constituyen una variante que toma elementos de los dos sistemas 161

3 INGENIERIA QUIMICA cuatro sectores industriales adecuados para la integración de calor solar. De acuerdo a la denominación de la Tabla I, se trata de: Alimentación, bebidas y tabaco: productos lácteos, conservas vegetales y frutales, preparados cárnicos, productos de bollería y pastelería, secado de productos, destilerías, etc. Textil y cuero: teñidos, curtido, lavanderías, etc. Industria química: cosméticos, detergentes, fármacos, etc. Caucho y materias plásticas. Los principales sectores industriales que, por sus características y altos requerimientos energéticos, pueden ser identificados como susceptibles de ser tratados mediante calor de proceso solar de alta temanteriores, con el fin de lograr una concentración muy alta en una superficie relativamente pequeña. En ellos, un campo de helióstatos planos refleja los rayos solares paralelos y horizontales sobre un disco parabólico estático, el cual los vuelve a reflejar concentrándolos en su foco donde está situada el área de ensayos. La cantidad de luz incidente se regula mediante el atenuador de flujo, situado entre el concentrador y el helióstato. Estos sistemas, por sus características, pueden alcanzar concentraciones de hasta soles, lo que equivale a una temperatura de 3.500ºC, siendo especialmente adecuados para procesos que requieran temperaturas muy elevadas (superiores a los 1.000ºC) y también para aquellos en los que el aporte energético sea necesario en forma de choque térmico. El campo de aplicación de los hornos solares comprende principalmente el tratamiento de materiales, tanto en condiciones ambientales como en atmósferas controladas y vacío, y los procesos químicos, mediante receptores conectados a reactores químicos, siendo el abanico de aplicaciones de estos sistemas cada vez más amplio. 3. Claves para la integración en un proceso industrial La energía demandada en una industria puede tener diferentes formas, pudiéndose agrupar en dos modalidades generales: energía eléctrica (para motores, compresores, máquinas de frío y otros) y energía térmica (procesos metalúrgicos, calentamiento de fluidos y producción de vapor, principalmente). Esta energía térmica, tradicionalmente, suele estar suministrada por calderas y, en algunos casos más innovadores, por la recuperación de calor residual de otras fases del mismo proceso industrial. A la hora de integrar un sistema solar a un proceso industrial hay que tener en cuenta varias consideraciones: el rango de temperaturas de trabajo, el medio de transferencia de calor a utilizar y el perfil de consumo del proceso. Al igual que se diferenciaban los diferentes sistemas solares térmicos según el nivel térmico proporcionado, los procesos industriales pueden clasificarse según el nivel de temperatura requerido (baja, media y alta temperatura), de tal forma que es este nivel de temperatura el que determina el sistema solar térmico apropiado. Los procesos industriales por debajo de los 250ºC (a baja y media temperatura) son, en la actualidad, económicamente rentables y cuentan con varios ejemplos reales de instalaciones solares térmicas integradas. Bajo este límite de temperaturas, se pueden distinguir Figura 1. Necesidad de concentración de sistemas solares térmicos según la temperatura requerida Estos sectores comparten unos mismos procesos para los que se necesita baja/media temperatura (Fig. 2), como son la esterilización y pasteurización, secado, hidrolizado, destilación y evaporación, limpieza y lavado, etc. Los procesos industriales a alta temperatura (por encima de 400ºC), al igual que los de media y baja temperatura, son procesos susceptibles de ser tratados mediante calor de proceso solar, aunque su viabilidad técnica y económica se encuentra aún en fase de investigación; se han desarrollado con éxito numerosos proyectos a escala preindustrial (decenas o centenas de kw). Cabe destacar que, aunque la tecnología solar térmica necesaria para abordar estos procesos a escala industrial existe y ya es comercial, para otras aplicaciones, como la generación de electricidad y en el caso de la generación de calor solar para procesos industriales, es necesario desarrollar dispositivos, prototipos e instalaciones específicas para cada tipo de proceso, adecuando los receptores y reactores a las especificaciones y requerimientos del sistema, de manera que se pueda demostrar en cada caso su viabilidad tecnológica. 162

4 peratura son aquellos que por lo general implican procesos de síntesis, obtención y tratamiento de materiales, residuos o productos químicos a alta temperatura, tales como: Industria metalúrgica. Industria química. Industria cerámica. Producción de cemento, cal y yeso. Fabricación de vidrio. Tratamiento de residuos a alta temperatura. Figura 2. Nivel de temperatura requerido para diferentes procesos industriales según sectores, [5] A nivel nacional, actualmente se está desarrollando el proyecto SolarPro, financiado por el Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica, cuyo coordinador es el Ciemat, en el que se pretende demostrar la viabilidad tecnológica de la utilización de hornos solares como sistema de aporte energético a diferentes procesos productivos industriales y de eliminación de residuos cuyo denominador común es la alta temperatura. A nivel internacional, se ha demostrado la viabilidad a pequeña escala de la producción de hidrocarburos e hidrógeno, la síntesis de productos químicos o el tratamiento de materiales con sistemas solares térmicos de alta concentración. Evaluaciones técnicas y económicas realizadas a algunos de estos procesos indican que no sólo podrían ser viables económicamente a corto o medio plazo, sino que supondría una reducción potencial considerable de las emisiones de CO 2. Una vez determinado el nivel de temperatura requerido, se ha de tener en cuenta la posible sinergia entre los medios de transferencia de calor en el proceso industrial y el utilizado en el sistema solar. Así, por ejemplo, si el proceso industrial requiere aire caliente para secado, sinterizado, etc., lo más adecuado en la mayoría de los casos es que el fluido que se calienta en el sistema solar sea también aire. Si, por el contrario, se trata de un proceso de limpieza o de cocinado de alimentos, será líquido el medio de transferencia común utilizado en ambos sistemas: el industrial y el solar. El medio de transferencia en un sistema solar determina, principalmente, el diseño del receptor. Así, cuando se trabaja con gases/aire, el receptor suele ser algún tipo de matriz volumétrica, mientras que si se trabaja con líquidos el receptor suele tener una configuración tubular. Sin embargo, por cuestiones económicas y de diseño, existen muchos casos en donde los medios de transferencia de calor en el proceso in- dustrial y en el sistema solar son totalmente distintos. Por último, a la hora de optimizar la integración de un sistema solar, es necesario tener en cuenta la variación temporal o perfil de consumo del proceso industrial y su coincidencia con niveles de insolación solar altos. Es importante resaltar que los perfiles de consumo de un proceso industrial suelen ser muy diferentes de los perfiles que suelen aplicarse para cálculos de instalaciones solares térmicas en otro tipo de integraciones, como son las de consumo residencial o ACS. Los procesos industriales más interesantes para acoplar un aporte solar son aquellos, por ejemplo, con altos consumos energéticos térmicos en verano. Así, para media y baja temperatura son las conserveras de vegetales, la fabricación y envasado de zumos, etc., las industrias mejores candidatas. 4. Instalaciones en operación En este apartado se describen brevemente algunas de las instalaciones solares más recientes integradas en procesos industriales en España. Asimismo, se menciona una instalación en Egipto, en don- 163

5 INGENIERIA QUIMICA de se utiliza un sistema solar con colectores cilindro-parabólicos. - La Española Alimentaria Alcoyana, S.A. (Sevilla) La instalación solar térmica se encuentra en la Española Alimentaria Alcoyana, S.A., en Ginés (Sevilla), una planta de tratamiento y envasado de aceitunas, y fue puesta en marcha en 2003 [7]. Los 151m 2 de captadores planos aportan energía al agua de reposición de las calderas de vapor (precalentamiento) a través de tres depósitos de acumulación de litros cada uno. Las calderas de gasóleo pirotubulares producen vapor a 180ºC en un circuito prácticamente abierto, ya que la mayoría de los procesos no permiten la recuperación del condensado. El agua precalentada por la instalación solar Figura 3. Esquema de la instalación solar térmica en La Española, [7] Figura 4. Esquema de la instalación solar térmica en Montesierra, [7] se mezcla con una pequeña fracción del condensado en un depósito tampón de unos litros, para posteriormente entrar en las calderas (Fig. 3). Esta instalación fue telemonitorizada durante un año por la Agencia Andaluza de la Energía (antigua SODEAN). Teniendo en cuenta el perfil de consumo del proceso industrial (cerrado los fines de semana y el mes de Agosto), el rendimiento real de la instalación está en torno al 46%. Con un ahorro de unos litros de gasóleo al año, [8], el tiempo de amortización estimado de la instalación es de unos tres años. - Matadero Montesierra (Jerez de la Frontera, Cádiz) Esta instalación solar también aporta energía precalentando el agua de reposición de una caldera de gasóleo, que proporciona vapor para el proceso de limpieza y desinfección de las instalaciones y maquinaria utilizadas en el proceso productivo del matadero. El campo de captadores planos tiene una superficie de unos 79m 2 y está conectado al sistema convencional por medio de un intercambiador y un depósito de almacenamiento de litros (Fig. 4, [7]). Instalada en 2004, se estima un ahorro anual de unos 3690 euros, lo que supone un tiempo de amortización de unos siete años. 164

6 - Parking de camiones cisterna de Contank (Castellbisbal, Barcelona) La más reciente instalación solar se ha puesto en marcha a principios de Se trata de una instalación de 510m 2 en el Parking Service Castellbisbal, S. A. de Contank, una empresa dedicada al transporte intermodal de productos químicos a granel. El sistema solar (Fig. 5) proporciona agua caliente a 80ºC, alimentando una caldera que produce el vapor que posteriormente se utiliza para el lavado de las cisternas y contenedores. Una de las peculiaridades de este sistema es el campo de captadores, los cuales son más grandes de lo habitual (~18m 2 /captador) y están inclinados unos 20º menos que lo que por latitud suelen estar los captadores planos. Este diseño fue así elegido al establecerse un compromiso entre el aprovechamiento del área del tejado donde están instalados y el rendimiento de los captadores planos. Figura 5. Foto de la instalación solar térmica en Castellbisbal y detalle del campo de captadores,[9] ción en funcionamiento con colectores cilindro-parabólicos, en la década de los 80 llegaron a estar en operación tres instalaciones, [6]: En Lactaria Castellana, en Alcorcón (Madrid), el sistema solar producía vapor que era utilizado para la pre-esterilización de productos lácteos. En Carcesa, en Mérida (Badajoz), se producía vapor para la esterilización de productos cárnicos. En Enusa, en Juzgado (Salamanca), el sistema solar estaba acoplado a una máquina de absorción para el aire acondicionado de algunas de las naves de trabajo. 5. Conclusiones La energía solar térmica es la energía renovable que por sus ca- racterísticas se perfila como la más adecuada para la generación de la energía térmica necesaria en procesos industriales. Varios proyectos financiados por la Comisión Europea y por diferentes países, entre ellos España, han verificado el enorme potencial de aplicación de la energía solar térmica en la industria, así como su viabilidad técnica y económica. Como hemos presentado en este artículo, la energía solar térmica puede suministrar calor de proceso a distintos niveles de temperatura, siendo numerosos los sectores industriales que ofrecen condiciones favorables para su integración. Así, para instalaciones de baja y media temperatura, los sistemas solares ofrecen excelentes posibilidades técnico-económicas para la integración en diferentes procesos de industrias, principalmente, de productos de alimentación (conser- - Empresa farmacéutica (El Nasr, Egipto) Recientemente (Enero, 2004) se ha puesto en marcha una instalación solar con colectores cilindro-parabólicos en una empresa farmacéutica de El Nasr, cerca de El Cairo (Egipto), [10]. Por un campo solar de unos 1.900m 2 circula agua presurizada a 8 bar, la cual, tras pasar por una válvula de flash, se convierte en vapor a unos 173ºC (Fig. 6). Aunque en España, en la actualidad, no existe ninguna instala- Figura 6. Foto de la instalación solar térmica en El Nasr (El Cairo, Egipto) 165

7 INGENIERIA QUIMICA veras, lácteas, cárnicas, etc.) y bebidas. Respecto a los sistemas de media y alta temperatura (aplicables a industrias químicas, producción de cal, tratamiento de residuos, etc.), se han desarrollado con éxito diferentes proyectos a escala preindustrial. Podemos afirmar, por tanto, que más allá de las aplicaciones para suministrar ACS, la integración de calor solar en procesos industriales es ya una realidad al ser una opción técnicamente viable y económicamente rentable para procesos de baja/media temperatura, como demuestran las instalaciones en funcionamiento en España y en el resto del mundo, y una opción de futuro no muy lejana para procesos de media y alta temperatura. 6. Referencias [1] Internacional Energy Agency Key world energy statistics Edición (2004). [2] Instituto Nacional de Estadística Encuesta de Consumos Energéticos Datos definitivos [3] Plan de Fomento de las Energías Renovables. IDAE (1999). [4] [5] Schweiger et al, The potential of solar heat in industrial processses. A state of art review in Spain and Portugal. EuroSun Copenahagen (Junio 2000). [6] Meier et al, Economic evaluation of the industrial solar production of lime. Energy Conversion and Management 46, (2005). [7] [8] López et al. Análisis energético de instalación solar térmica en aplicación industrial. Proceedings del XII Congreso Ibérico y VII Iberoamericano de Energía Solar. Vol. 1 pp Editores M. Vázquez & J. F. Seara (2004). [9] [10] 166