Proyecto Singular y Estratégico I N V I S O 2007

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1 JORNADAS 2010 DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ESTRATEGIAS ACTIVAS EN LA INGENIERÍA Evaluación y Resultados (20/04/2010) Nuevos Avances en Refrigeración Solar y Sistemas de Trigeneración M. Izquierdo; A. González; J. D. Marcos; M. E. Palacios; E. Martín Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC), C/Serrano Galvache, Nº 4, Madrid, Universidad Carlos III de Madrid, Avda de la Universidad 30, Leganés, Madrid,

2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN: TECNOLOGÍA FRIGORÍFICA, SOCIEDAD, MEDIOAMBIENTE; METODOLOGÍA. 2. ESTADO DEL ARTE DE LA CLIMATIZACIÓN: COMPRESIÓN MECÁNICA; REFRIGERACIÓN SOLAR ; TRIGENERACIÓN 3. FUNDAMENTOS DEL PSE INVISO, SUBPROYECTO SP3: GENERACIÓN SOSTENIBLE DE ENERGÍA EN VIVIENDAS. 4. RESULTADOS 5. PERSPECTIVAS DE FUTURO. 6. CONCLUSIONES.

3 1.INTRODUCCIÓN Máquinas frigoríficas para climatización Accionadas por electricidad: Compresión mecánica Accionadas por calor: Absorción; Adsorción; Desecantes. Llama Directa. Refrigeración Solar Calor Residual: Trigeneración Biomasa

4 IMPACTO AMBIENTAL DE LÁS MÁQUINAS CONDENSADAS POR AIRE ACCIONADAS POR ELÉCTRICIDAD El problema de la climatización de edificios: Refrigerantes (R22; R407C; R410A; R134a, etc.) Destrucción del ozono: (R22 0,025) IMPACTO AMBIENTAL Potencial de efecto invernadero directo a 20 años R407C: R410A: R422D: Potencial de efecto invernadero indirecto: CO 2, Consumo de agua: en la central termoeléctrica. Intentos de la Unión Europea para sustituirlos (R22)

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS MÁQUINAS UTILIZADAS EN REFRIGERACIÓN SOLAR Y TRIGENERACIÓN Refrigerante Potencial destructor del ozono: 0 Potencial de efecto invernadero directo: amoniaco: 0. agua: natural. Potencial de efecto invernadero indirecto: CO 2 del combustible de la electricidad Consumo de agua en la torre de refrigeración Contaminación por legionelosis. Si utilizan calor renovable o residual la única emisión de CO 2 es la producida al generar la electricidad que consumen los equipos auxiliares

6 METODOLOGÍA Refrigeración de un chalet de 90m 2 Eficiencia energética estacional. Máquina frigorífica de compresión mecánica (eléctrica): COP = Q e /(W c +W ea ) Máquina frigorífica de absorción COP = Q e /(Q g +W ea ) Q e : demanda de refrigeración de la vivienda, kwh/día. W c : electricidad absorbida por el compresor, kwhe/día. Q g : demanda de calor de máquina de absorción, KWh/día. W ea : electricidad absorbida por los equipos auxiliares. P el : precio de la electricidad; 0,19 /kwhe (Invierno). P GN : precio del Gas Natural; 0,051 /kwh (media periodo de calefacción) Precio del agua: 0,002 /litro

7 4. ESTADO DEL ARTE DE LA REFRIGERACIÓN SOLAR a) MÁQUINAS FRIGORÍFICAS CONDENSADAS POR AGUA Absorción Simple Efecto: bromuro de litio-agua. Absorción Doble Efecto: bromuro de litio-agua. Adsorción (sólida). b) MÁQUINAS FRIGORÍFICAS CONDENSADAS POR AIRE Absorción Simple Efecto: bromuro de litio agua. Absorción Simple Efecto: agua-amoniaco. c) OTRAS MÁQUINAS Deshumidificadores (desecantes): enfriamiento

8 2. ESTADO DEL ARTE DE LA CLIMATIZACIÓN: COMPRESIÓN MECÁNICA CONDENSADA POR AIRE Carga térmica máxima: 7 kw. Demanda media diaria: 40 kwh. Precio de la electricidad: 0,19 /kwh (media de 4 recibos). COP estacional = 2,4 (Danfoss). COP estacional referido a energía primaria: 0,8, aprox. Coste del kwh de frío: 0,19/2,4 = 0,079 /kwhf. Coste diario de la electricidad: 0, = 3,16 /día. Inversión inicial: , aproximadamente. No consume agua; no genera contaminación por legionela Puede utilizar electricidad de origen solar (comentario)

9 CARACTERÍSTICAS COMUNES DE LAS MÁQUINAS CONDENSADAS POR AGUA UTILIZADAS EN REFRIGERACIÓN SOLAR (I) Absorción de simple efecto. Adsorción (sólida). Desecantes: enfriamiento evaporativo. Temperatura de trabajo: 75ºC-90ºC. Eficiencia energética COP = 0,4-0,6. Área de colector plano: 6-7 m 2 /kw. EJEMPLO Demanda solar estacional: 65%; 26 kwh. Demanda no solar: 35%; 14 kwh.

10 CARACTERÍSTICAS COMUNES (II) Consumo medio diario de combustible, electricidad y agua Demanda: 26 kwh con energía solar. Consumo de combustible: 0 /día Electricidad (equipos auxiliares): (20/100) 26= 5,2kWhe 0,19 /kwhe = 0,99 /día. Potencia de la torre de refrigeración Q a + Q c = 18 kw. Agua: 18kW/2.500 kj/kg 3.600s/h = 26 kg/h 6h/día~150kg/día 0,002 /kg~ 0,3 /día Demanda: 14 kwh, con Gas Natural (tarifa para viviendas). Coste del combustible (GN): 0,051/0,6 14 = 1,2 /día. Electricidad equipos auxiliares: (20/100) 14= 2,8 kwhe 0,19 /kwhe = 0,53 /día

11 CARACTERÍSTICAS COMUNES (III) Consumo combustible, electricidad y agua Coste de la energía: 0,99+1,20+0,53=2,72 /día; Coste del agua: 0,3 /día. Coste energía equipos auxiliares: 0,99+0,53= 1,52 /día Coste total del kwh de frío: 3,02 /día Ahorro en el coste de la energía: 0,14 /día como máximo INVERSIÓN INICIAL Coste de 45 m 2 de colectores planos: Máquina frigorífica: Inversión inicial mínima: Tiempo de amortización: muy largo Viabilidad económica?

12 ABSORCIÓN: DOBLE EFECTO CONDENSADO POR AGUA Temperatura de trabajo: 145ºC-160ºC. COP térmico: 1,2. COP referido a energía primaria: 0,75. Potencia de la torre de refrigeración: 11 kw. Consumo de agua: 11/2.500 (3.600)= 10 kg/h (máximo). Volumen grande: máquina +torre de refrigeración. Máquina más pequeña en el mercado: 16 kw. Inversión inicial: alta. Hasta ahora no se han desarrollado máquinas de doble efecto de adsorción (sólida), desecantes ni de amoniaco.

13 ABSORCIÓN: DOBLE EFECTO CONDENSADO POR AGUA a) Máquina sin energía solar Coste del frío producido con Gas Natural Demanda total: 0,051/1,2 40=1,70 /kwh Equipos auxiliares: (20/100) 40= 8 kwhe 0,19 /kwhe = 1,52 /día Agua: 10kW/2.500 kj/kg 3.600s/h = 14 kg/h 6h/día~84kg/día 0,002 /kg~ 0,17 /día Coste total: 1,70 + 1,52+0,17 =3,39 /día Ahorro en el coste de la energía: - 0,23 /día, negativo Inversión inicial: máquina+torre >máquina eléctrica Inconveniente: contaminación por legionella.

14 b) Refrigeración Solar Colector: concentrador parabólico, lente de Fresnel, etc Electricidad (equipos auxiliares): (20/100) 26= 5,2kWhe 0,19 /kwhe = 0,99 /día Coste del frío producido con Gas Natural: 0,051/1,2 14=0,6 /día Consumo eléctrico de los equipos auxiliares: (20/100) 14= 2,8 kwhe 0,19 /kwhe =0,53 /día Coste del agua: 0,17 /día Coste total = 0,99+0,60+0,53 +0,17~ 2,29 /día Ahorro en el coste de la energía: 0,87 /día Viabilidad de los concentradores en edificios:? Inversión inicial:máquina+torre+concentrador >>> máquina eléctrica. Contaminación por legionela. Amortización?.

15 ABSORCIÓN: SIMPLE EFECTO CONDENSADO POR AIRE Rotartica (I) Demanda solar, 26 kwh (65%) Temperatura de trabajo: 85ºC-102ºC; COP = 0,4-0,6. Área de colector: 9-10 m 2 /kw (ECOS, 2009) Consumo de agua: 0 kg. Consumo de electricidad de los equipos auxiliares: 20/ ,19 = 0,99 /día.

16 ABSORCIÓN: SIMPLE EFECTO CONDENSADO POR AIRE Rotartica (II) Demanda con Gas Natural: 14 kwh Coste del combustible: 0,051/0,6=0,133 14= 1,19 /día. Consumo electricidad equipos auxiliares: 0,2/ ,19=0,53 /día Coste de la energía: 0, 99+1,19+0,53= 2,71 /día. Ahorro en el coste de la energía: 0,45 /día Coste de 65 m 2 de tubos de vacío: Coste de la máquina frigorífica: Inversión inicial mínima: Amortización? Otros inconvenientes: se necesitan dos máquinas no existe en el mercado.

17 SP3: GENERACIÓN SOSTENIBLE DE ENERGÍA EN IVIENDAS RESUMEN DE VIABILIDAD Máquina eléctrica: Coste de la electricidad: 3,16 /día+inversión inicial: , aproximadamente. Refrigeración solar: simple efecto condensado por agua: absorciónadsorción-desecantes: Coste de la energía: 3,02 /día+inversión inicial (50m 2 colector) Refrigeración con doble efecto condensado por agua: a) Sin energía solar: coste de la energía: 3,39 /día; Inversión inicial> máquina eléctrica b) Con energía solar: coste de la energía: 2, 29 /día+ Inversión inicial (concentradores parabólicos, o similares > colector plano o de vacío). Refrigeración solar con máquina de absorción condensada por aire: Coste dela energía: 2,71 /día+ Inversión inicial (una máquina Rotartica es insuficiente) + 65m 2 colector

18 3. FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: INNOVACIÓN EN REFRIGERACIÓN SOLAR. PROPUESTA PSE INVISO SUBPROYECTO SP3 1. Sistemas de calefacción solar-refrigeración solar. 2. Colectores planos para trabajar a 85ºC-110ºC. 3. Absorbedor de nueva generación enfriado por aire. 4. Máquinas condensadas por aire más eficientes. 5. Refrigeración solar más eficiente. 6. Trigeneración más eficiente.

19 PROTOTIPO DE CALEFACCIÓN-REFRIGERACIÓN SOLAR DEL CSIC, LA POVEDA, ARGANDA DEL REY, MADRID 4. RESULTADOS t oco Storage tank t oahe Exp. vessel Collectors PHE t itan t owg t owhe t t iwe iwhe t oafc t ico t ind Pump t otan Boiler t iwg t owe Fancoil Primary C. Secondary C. Tertiary C. Solar Facility Absorption Chiller room

20 MÁQUINA DE ABSORCIÓN DE DOBLE EFECTO Y LLAMA DIRECTA CONDENSADA POR AIRE; PATENTADA 2009

21 MÁQUINA DE DOBLE EFECTO DE LLAMA DIRECTA CONDENSADA POR AIRE (NO EXISTE EN EL MERCADO) Coste del frío producido con Gas Natural Vivienda 90 m 2. Demanda total: 0,051/1,2 40= 1,7 /día Equipos auxiliares:(20/100) 40=8kWhe 0,19 /kwhe=1,52 /día Coste total: 1,7 + 1,52 =3,22 /día Ahorro en el coste de la energía: - 0,06 /día Inversión inicial prototipo investigación (7 kw): Inversión inicial no comparable porque no está comercializada En el umbral de competitividad con la eléctrica condensada por aire en el precio de frío. Muy superior desde el punto vista ambiental.

22 MÁQUINA DE ABSORCIÓN DE SIMPLE- DOBLE EFECTO CONDENSADA POR AIRE PARA REFRIGERACIÓN SOLAR Y TRIGENERACIÓN; PATENTADA 2009

23 ABSORCIÓN: SIMPLE-DOBLE EFECTO CONDENSADO POR AIRE (I) Temperatura de trabajo simple efecto: 85ºC-110ºC. COP = 0,6 Refrigeración Solar: Área de colector; 9,5 m 2 /kw. Trigeneración: recuperación de calor residual hasta ºC Consumo de agua: 0 kg. Aporte solar estacional: 26 kwh (65%). Consumo electricidad equipos auxiliares: 20/ ,19 = 0,99 /día.

24 ABSORCIÓN: SIMPLE-DOBLE EFECTO CONDENSADO POR AIRE (II) Temperatura de trabajo del doble efecto de llama directa: ºC; COP: 1,2 Coste del Gas Natural: 0,051/1,2=0,067 14= 0,60 /día. Coste de la electricidad (equipos auxiliares): 20/ ,19 = 0,53 /día. Coste de la energía: 0,99+0,60+0,53= 2,12 /día. Ahorro en el coste de la energía: 1,04 /día Coste de 65 m 2 de colectores planos: Coste del Prototipo Amortización para refrigeración solar+calefacción solar? Trigeneración: exporta la electricidad a la red; utiliza el calor residual en el simple efecto; Si se agota el calor residual, utiliza el doble efecto, autoconsumo eléctrico, calefacción con calor residual, no consume agua, no genera legionella.

25 CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN: SIMPLE-DOBLE EFECTO CONDENSADO POR AIRE (III) Disminuye el coste de la energía, respecto al simple efecto condensado por aire, en 1,12 /día. Los colectores solares planos son más fiables. No consume agua. No contamina por legionella. Otra ventaja: Ahorro de energía en calefacción: 65% de la demanda, aproximadamente. Refrigeración solar+calefacción solar: se aproxima a la viabilidad energética y económica. Trigeneración: calefacción+refrigeración+electricidad; es viable desde los puntos de vista energético, económico y ambiental

26 5. PERSPECTIVAS DE FUTURO 1. Máquinas de doble efecto condensadas por aire de llama directa generando la demanda para varias viviendas. 2. Disminuir el área de colectores; mejorar su rendimiento, reducir la demanda, espesor de aislante óptimo. 3. Colaborar con empresas para explotar las patentes, reducir el coste de los prototipos, introducir la trigeneración en INVERNADEROS Y EDIFICIOS. Prototipo de 40 kw en construcción. 4. Mejorar la eficiencia de las máquinas de absorción. Diseño y experimentación de máquinas con mayor eficiencia. ÉSTE ES NUESTRO PRÓXIMO OBJETIVO.

27 6. CONCLUSIONES (I) 1. Las máquinas frigoríficas eléctricas utilizadas en la climatización de edificios tienen un PEID muy alto. El coste del frío es económico. No consumen agua ni contaminan por legionella. 2. Las tecnologías de absorción, adsorción y desecantes, tal como son concebidas actualmente, tienen grandes dificultades económicas para ser viables. 3. La refrigeración solar debe reducir el coste del frío y la inversión inicial. Incluir la calefacción solar. Zona climática con las dos aplicaciones.

28 6. CONCLUSIONES (II) 4. Máquinas de doble efecto y llama directa condensadas por aire en el umbral de la viabilidad económica. Con una pequeña reducción del precio del gas es viable. 5. Trigeneración con máquina de simple-doble efecto condensada por aire en una sola unidad: exporta electricidad, autoconsumo eléctrico de los equipos auxiliares, calor residual para calefacción, no genera legionella. 6. Nuestro próximo objetivo es investigar máquinas más eficientes y mejorar el rendimiento del campo de colectores para aumentar la viabilidad económica.

29 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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IMS Calefacción S.L. Tel: Pol.Ind. Río Gállego, calle G, parcela 28-1 Fax: San Mateo de Gallego (Zaragoza-España) FRÍO SOLAR Autor: AB, JME www.cpcsolar.com info@cpcsolar.com Demanda energética en verano Los sistemas de refrigeración son cada vez más demandados en los meses más calurosos. En España se instalan anualmente

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