ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE MEDIANA TEMPERATURA PARA CALOR DE PROCESO O. A. Jaramillo

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1 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE MEDIANA TEMPERATURA PARA CALOR DE PROCESO O. A. Jaramillo Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de México. Privada Xochicalco s/n, Temixco, Morelos 62580, México. 1. Introducción Existe una gran variedad de aplicaciones de la energía solar térmica en el rango de temperaturas entre 80 a 250 C [1]. El más importante de ellos es la producción de calor para procesos industriales, lo que representa una cantidad significativa de calor [2]. Por ejemplo, la demanda de calor industrial representa alrededor del 15% de la demanda global de las necesidades de energía final en los países del sur de Europa y países industrializados. La demanda de energía presentes en la Unión Europea para temperaturas medias y media-alta se estimaba en 2006 en alrededor de 300 TWh/a. De acuerdo con un estudio de ECOHEATCOOL hecho en 32 países, 27% de la demanda de calor de proceso industrial está entre C [3]. Con base en una serie de estudios sobre las demandas de calor industriales, se han identificado varios sectores industriales con las condiciones favorables para la aplicación de energía solar como fuente primaria de suministro de calor. Dentro de los procesos industriales más importantes que utilizan calor a un nivel de temperatura media son: esterilización, pasteurización, secado, hidrólisis, destilación y evaporación, lavado y la limpieza, y la polimerización. Uno de los objetivos de la Tarea 33/IV, la cual finalizó en Octubre de 2007, del programa de calor solar para procesos industriales de la Agencia Internacional de Energía (IEA por sus siglas en inglés) fue desarrollar, mejorar y optimizar colectores térmico de mediana temperatura. En la referencia [4] se presenta el estado del arte hasta 2005 en colectores de mediana temperatura. 2. Tecnologías de térmicas solares de medina temperatura Al momento de diseñar una aplicación de calor de proceso industrial en general se deben tomar en cuenta dos principales problemas: la intermitencia de la energía solar (nublados y el ciclo diurno-nocturno) y la temperatura de operación de los procesos. Uno de los retos de los sistemas de calor solar de proceso consiste en la integración de la energía solar que es periódica, de baja densidad y variable. Los aspectos en la integración son la selección de colectores, fluido de trabajo y dimensionamiento de los componentes. Existen en la literatura diversas metodologías para el diseño y optimización de la integración de estos sistemas a procesos industriales [5-13]. Se han integrado algunos sistemas de calor solar de proceso en industrias de manera exitosa [14], también para procesos como enfriamiento y refrigeración solar [15 y 16], e incluso sistemas híbridos térmico-fotovoltaicos [17]. En la referencia [18], se presenta el potencial de la energía solar para ser incluida como fuente primaria en procesos industriales. En dicha referencia se reportan los costos de fabricación asociados a los CSMT.

2 En la figura 1 se muestra cómo se puede llevar cabo las diferentes formas de interconexión de los colectores con los suministros de energía convencionales de tal manera que sea compatible con el proceso. La forma más fácil de lograr esto es mediante el almacenamiento de calor, que además puede permitir que el sistema funcione en períodos de baja irradiación o incluso de noche. En la mayoría de las fábricas es común que se tenga un sistema central de suministro de calor que utiliza agua caliente o vapor a presión a la temperatura necesaria para el proceso. El agua caliente o vapor a baja presión a temperatura media (< 150 C) puede ser utilizado para el pre-calentamiento de agua (u otros líquidos) y utilizarse para los procesos (lavado, teñido, etc.), para la generación de vapor, o para la conexión directa del sistema solar a un proceso individual que trabaje a temperaturas inferiores a la del suministro central de vapor. En el caso del pre-calentamiento de agua se pueden utilizar colectores solares de baja temperatura que funcionan eficientemente. Figura 1. Integración de sistemas térmicos solare para calor de proceso En la figura 2 se muestran las principales tecnologías de energía solar utilizadas para el calor de proceso. Principalmente son a) los tubos evacuados, b) reflector lineal Fresnel, c) concentrador de canal parabólico y c) concentrador parabólico compuestos. A continuación se describen brevemente: a) Los Tubos Evacuados constan de dos tubos, uno insertado en el interior del otro de mayor diámetro, formando una cámara de aire el cual es extraído o evacuado, de ahí su nombre, para formar un vacío que evitará la transferencia de calor por convección. Al tubo interior se le reviste con una aleación de Nitrato de Aluminio principalmente, para formar una superficie que capturará la radiación solar y convertirá los rayos solares en calor aprovechable mientras que el tubo exterior es construido con un cristal proveniente de la fundición de dos elementos Boro y Silicio. b) El Reflector Lineal Fresnel, también conocido como reflector Fresnel de concentración, utiliza reflectores lineales que son segmentos largos y delgados de espejos para concentrar la luz solar en un absorbedor fijo situado en un punto focal común a dichos reflectores. Estos concentradores son capaces de concentrar la energía del sol a

3 aproximadamente 30 veces su intensidad normal. La energía concentrada se a un fluido térmico que puede ser agua o bien aceite para alta temperatura. c) El Concentrador Parabólico cuenta con un espejo en forma de cilindro parabólico. En el foco se coloca un tubo conductor por donde pasa un fluido como aceite o agua. Para aplicaciones de mediana temperatura, al igual que los concentradores tipo Fresnel, son capaces de concentrar la energía del sol a aproximadamente 30 veces. d) El Colector Parabólico Compuesto (CPC) está constituido de 2 superficies parabólicas cuyo foco es el mismo, en ese foco se coloca un tubo de cobre que se pinta de negro para transformar la luz solar que llega a la superficie de cobre en calor; el CPC concentra la luz en el foco y puede aún recibir rayos con incidencia oblicua de acuerdo a su ángulo de aceptación el que puede ser aumentado con aletas de cobre soldadas a los tubos de cobre. Este conjunto permite también recibir y concentrar luz difusa de un día nublado. a) b) c) d) Figura 2. Colector a) de tubos evacuados, b) concentrador reflector tipo Fresnel, c) concentrador de canal parabólico y d) concentrador parabólico compuesto.

4 3. Consideraciones para el desarrollo y la aplicación de la tecnología solar térmica para calor de procesos. En la actualidad los CSMT son una alternativa tecnológica de bajo impacto ambiental, bajo costo de operación comparado con otras tecnologías de concentración solar y versatilidad en la disponibilidad térmica que permite atender los requerimientos energéticos de calor de procesos industriales y generación de potencia eléctrica. Particularmente esta tecnología presenta condiciones favorables en la industria de alimentos porque el tratamiento y almacenamiento de alimentos son procesos con alto consumo de energía y larga duración. Las temperaturas de estas aplicaciones puede variar desde cercanas a la temperatura ambiente hasta vapor a baja presión, y la energía se puede ser proporcionada tanto por colectores de alto rendimiento o bien con colectores de mediana concentración. Las aplicaciones solares a gran escala para calor de proceso se benefician por el efecto de escala. Por lo tanto, los costos de inversión deben ser relativamente bajos, incluso si los costos para el colector son más altos. Una forma de garantizar términos económicos es el diseño de sistemas sin almacenamiento de calor, es decir, el calor solar alimenta directamente a un proceso adecuado (ahorro de combustible). En este caso, la tasa máxima a la que el sistema de energía solar proporciona la energía no debe ser muy superior a la velocidad a la que el proceso utiliza la energía. Este sistema, sin embargo, no puede ser rentable en los casos en que el calor se necesita en las primeras o últimas horas del día, o durante noche, cuando la industria opera en un régimen de doble turno. A continuación se describen los principales impactos relacionados con la tecnología solar de mediana temperatura para calor de proceso. Impacto tecnológico: El desarrollo de una tecnología propia de CSMT que busca crear innovaciones técnicas relacionadas con el diseño, construcción y operación de sistemas de concentración solar para la generación de calor de proceso, la mitigación de contenientes y reducir los costos de operación de los procesos, sin olvidar desde luego la independencia tecnológica. Impacto social: El uso de fuentes renovables de energía permite una convivencia sustentable con el entorno, ya que este tipo de tecnologías reduce el impacto ambiental adverso que se tiene presente en los sistemas convencionales empleados en la obtención de calor. Es claro que la reducción de contaminantes impacta de manera directa en la disminución de enfermedades en vías respiratorias al reducirse los gases de la combustión, así como en la disminución de enfermedades relacionadas con agentes alérgenos y tóxicos productos de la combustión de hidrocarburos en sistemas convencionales. Impacto económico: Si bien el costo de inversión de los sistemas de fuentes renovables de energía es alto comparado con los costos de sistemas convencionales, la inversión se amortiza al paso del tiempo mediante el ahorro de combustible ya que en los sistemas de fuentes renovables el energético primario no tiene un costo asociado. Así, el uso de fuentes renovables

5 de energía como la solar tienen un impacto económico favorable pues con el paso del tiempo los principales costos asociados son sólo la operación y mantenimiento. Es claro que el uso de tecnologías de energías renovables ayuda a la diversificación energética y cuando la tecnología es desarrollada y apropiada disminuye la dependencia tecnológica ante otros países. Impacto ambiental: Como se sabe, los gases producto de la combustión de los hidrocarburos provocan efecto invernadero en la atmósfera terrestre. La innovación tecnológica propuesta ofrece una alternativa para la producción de calor evitando el uso de carburantes como el gas, diesel o combustóleo que son comúnmente utilizados en sistemas convencionales. Se ayuda también a mitigar las emisiones de CO, CO2, NOx y Azufre a la atmósfera. Sin embargo para la implementación a gran escala de CSMT se requiere considerar que la sustitución de energías convencionales favorezca a la sociedad, cuente con una seguridad de mercado ya que debe ser atractivo para la inversión de capital, y además cuente con un marco regulatorio que de sustento legal y establezca reglas y normas claras para su implementación. Desde el punto de vista técnico, se debe buscar en todo momento los siguientes puntos: Innovación que permite asegurar la dependencia tecnológica y brinde la confianza en la asimilación y utilización de la nueva tecnología; Eficiencia que le permita operar lo más cercano a las condiciones óptimas de diseño y permita el mejoramiento del rendimiento y disponibilidad termodinámica; Potencia suficiente para llevar a cabo los procesos en tiempos adecuados sin menoscabo de la reducción de la producción; Bajo costos tanto de inversión como de operación y mantenimiento, de tal suerte que la tasa de retorno sea competitiva ante sistemas convencionales; y por último el Análisis de Ciclo de Vida para evaluar los principales impactos durante todas las etapas de su existencia, desde la fabricación de materiales para su implementación hasta su desmantelamiento y posible reciclado (ver figura 3) Figura 3. Implementación de tecnologías sustentables

6 Agradecimientos Agradecemos la invitación de Fernando Hierro García, Sponsorship ViceChair de Latin American Student Energy Summit. Esta actividad se encuadra en las actividades del proyecto PAPIIT-UNAM-IT Referencias [1]. Duffie, J., and Beckman, W., (1991). Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd Ed., Wiley-Interscience, U. S. A. [2]. Kalogirou : Kalogirou, S. A., (2009). Solar Energy Engineering: processes and systems, 1st Ed., Academic Press, U. S. A. [3]. Werner S, Constantinesku N. ECOHEATCOOL, The European heat market, work package 1. Final Rep. Brussels: Euroheat & Power; [4]. Werner Weiss, AEE INTEC, Matthias Rommel, Fraunhofer, (2005). Solar Heat for Industrial Processes, Medium Temperature Collectors, State of the Art within Task 33/IV, Subtask C. Solar Heating and Cooling Executive Committee of the International Energy Agency (IEA). [5]. Govind N. Kulkarni, Shireesh B. Kedare, Santanu Bandyopadhyay, (2007). Determination of design space and optimization of solar water heating systems. Solar Energy 81 (2007) [6]. Govind N. Kulkarni, Shireesh B. Kedare, Santanu Bandyopadhyay, (2008). Design of solar thermal systems utilizing pressurized hot water storage for industrial applications. Solar Energy 82 (2008) [7]. Gordon J.M., Rabl A., (1982). Design analysis and optimization of industrial process heat plants without storage. Solar Energy, Volume 28, Issue 6, 1982, Pages [8]. Collares-Pereira M., J.M. Gordon, A. Rabl, Y. Zarmi, (1984). Design and optimization of solar industrial hot water systems with storage. Solar Energy, Volume 32, Issue 1, 1984, Pages [9]. Atkins Martin J., Michael R.W. Walmsley, Andrew S. Morrison, (2010). Integration of solar thermal for improved energy efficiency in low-temperature-pinch industrial processes. Energy 35 (2010) [10]. Häberle A., C. Zahler, F. Luginsland, M. Berger, (2008). A Linear Concentrating Fresnel Collector for Process Heat Applications. EUROSUN 2008, Lisbon, Portugal. [11]. Ahmet Lokurlu, (2007). Configurations of Worldwide First Solar Cooling Systems Using Parabolic Trough Collectors on Locations in Turkey. Proceedings of ISES World Congress 2007, Beijing, China. [12]. Li Ming, Wang Liuling. Study Of A Solar Trough Concentrating System For Application Of Solar Energy Refrigeration. Proceedings of ISES World Congress 2007, Beijing, China. [13]. Kalogirou S.A., Tripanagnostopoulos Y., (2007). Industrial application of PV/T solar energy systems. Applied Thermal Engineering [14]. Kalogirou S. A., (2003). The potential of solar industrial process heat applications. Applied Energy 76, [15]. Nagaraju (1999). 1 MW Industrial Solar Hot Water System and Its Performance. Solar Energy Vol. 66, No. 6, pp [16]. Quijera J. A., González-AlriolsM, Labidi J., (2011). Integration of a solar thermal system in a dairy process. Renewbable energy 36, [17]. Kutscher C. F., (1981). Design considerations for solar industrial process heat systems. SERI/TR , Solar Energy Research Institute, Golden, Colo. [18]. Thomas A., (1992) Operation and performance of the solar steam generation system installed at the government silk factory, Mysore. Energy Conversion and Management, 33, 3,