sistemas de climatización gas-solar por absorción

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1 > reportaje sistemas de climatización gas-solar por absorción La climatización es una de las aplicaciones del binomio gas-solar con un mayor potencial de crecimiento para los próximos años. Las puntas de consumo eléctrico cada vez más altas en verano, con la consiguiente sobrecarga de las líneas eléctricas, y la elevada insolación en estos meses hacen de esta tecnología un sistema ideal para su aplicación en los sectores terciario y residencial. Héctor Rubio Plana, Desarrollo de Soluciones Energéticas y Proyectos MDL, Gas Natural sdg, s.a. Los sistemas de climatización gas-solar se verán favorecidos por la reglamentación nacional e internacional, aprobada en los últimos años, referente a la eficiencia energética en la edificación. Ésta obliga a los promotores de nuevas construcciones a la instalación de captadores solares para preparación de agua caliente sanitaria (en torno al 60% de contribución solar mínima y hasta el 70% en algunos municipios). Así se presenta la oportunidad de proyectar instalaciones que también sean aptas para otros usos, como puede ser la climatización. Por qué es interesante la producción de frío mediante energía solar? La demanda de refrigeración cada vez más alta en los meses de verano peninsulares exige encontrar una solución que mejore la eficiencia del proceso de producción de frío. Nuestro país goza del privilegio de disponer de unos niveles de irradiación muy altos en gran parte del territorio, lo cual supone una oportunidad para hacer frente a la reducción en el consumo eléctrico y de combustibles fósiles. Actualmente, la producción eléctrica a partir de estos combustibles supone alrededor de un 53% del total de generación. La combinación de tecnologías cada vez más avanzadas de captación solar, junto con el desarrollo de máquinas enfriadoras por absorción de altas prestaciones, hace que los sistemas de refrigeración accionados por energía solar sean una alternativa cada vez más interesante, en términos de energía primaria, respecto a los sistemas de climatización eléctricos por compresión. Cómo es un sistema de refrigeración mediante energía solar térmica? En general, se componen de un sistema de captación de energía solar, una máquina enfriadora por absorción, un sistema de intercambio y acumulación y un sistema de control. Este diseño permite aprovechar la energía contenida en la radiación solar y transferirla a un fluido de trabajo. Posteriormente, la máquina de absorción transforma esta energía térmica en frío apto para climatización. En cuanto a la tecnología de refrigeración por absorción, en realidad, ésta fue descubierta antes que la de 15

2 compresión y se comenzó a comercializar a mediados del siglo XX. Sin embargo, no ha sido hasta las últimas décadas cuando este ciclo ha ido ganando terreno, gracias a la aparición de los equipos multietapa y a las mejoras en su eficiencia. Igual que ocurre con el ciclo de compresión, esta tecnología se basa en transferir la energía desde un foco frío a otro caliente por evaporación a baja presión de un fluido refrigerante. En este caso, en lugar de un compresor, se utiliza una fuente de calor para mantener vivo el proceso. La Figura 1 muestra un esquema del funcionamiento del ciclo de absorción de simple efecto. Los mejores rendimientos en los sistemas de absorción se alcanzan cuando al ciclo mostrado se le añade una nueva etapa de generación, a más alta temperatura, constituyendo un ciclo de doble efecto. Éstos suponen una mejora del ciclo convencional al trabajar a temperaturas más elevadas en el generador y, en la práctica, se alcanzan valores de rendimiento (COP 1 ) superiores al 1,3, frente a los 0,7 del simple efecto. Como consecuencia, para el accionamiento de los sistemas de absorción de doble efecto, se precisa una fuente de calor entre 170 y 180 C (entre 80 y 90 C para máquinas de simple efecto), lo cual sólo se consigue Figura 1. Esquema del ciclo Li-Br de refrigeración por absorción de simple efecto Vapor de agua 3. Generador 4. Condensador LiBr + agua cond. Solución fuerte caliente solar Int. calor 2. Absorbedor Vapor de agua 1. Evaporador LiBr + agua Solución débil 7ºC Carga Refrig. 12ºC Bomba solución Bomba refrigerante Tabla 1. Comparativa tecnologías de captación solar Tipo de captadores Aplicaciones Rango Temp. Ventajas Planos Alta Eficiencia Absorción de simple efecto ~100 C De vacío Absorción de simple efecto 80 C 150 C Inversión reducida Fácil mantenimiento Muchos fabricantes Pérdidas térmicas reducidas Mayores temperaturas y eficiencias Cilindro-parabólicos (CCP) Absorción de doble efecto < 200 C Tecnología probada Elevada eficiencia óptica Varios desarrollos comerciales 16 Captador lineal Fresnel Absorción de doble efecto < 20 C Inversión inferior a CCP Menor peso y ocupación por kwh producido Menor impacto visual Sin juntas hidráulicas móviles Tubo receptor estático Espejos prácticamente planos Posibilidad de regular la potencia producida

3 mediante captadores solares térmicos de concentración. En cambio, los captadores solares de baja temperatura serán suficientes para máquinas de simple efecto. Entre las posibles alternativas que ofrece el mercado de captadores solares para estas aplicaciones encontramos: Captadores planos de alta eficiencia: son captadores planos convencionales a los que se han introducido algunas mejoras para incrementar su eficiencia (vidrio con mejores prestaciones ópticas, mejor aislamiento, etc.). Captadores de vacío: con el fin de reducir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio, en los captadores de vacío se elimina el aire. Existen diseños muy diferentes de este tipo de captadores en función de los fabricantes y aplicaciones de destino. Captadores cilindro-parabólicos (CCP): son captadores de concentración y están compuestos básicamente por un espejo cilindroparabólico acoplado a un sistema de seguimiento, que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola. La radiación solar concentrada produce el calentamiento del fluido que circula por el interior del tubo receptor. Captadores Fresnel: son también captadores de concentración y su principio de funcionamiento es similar al de los CCP. En este caso el receptor parabólico se descompone en varios espejos, cada uno de los cuales realiza el seguimiento de forma independiente, reflejando la radiación sobre un único receptor que permanece estático en la parte superior (en las imágenes). En la tabla 1 puede verse una comparación entre las diferentes tecnologías y las aplicaciones de cada una de ellas. 'Refrigeración solar por absorción en el sector terciario El proyecto Refrigeración solar por absorción en el sector terciario está siendo desarrollado por Gas Natural s d g, s.a. en colaboración con los grupos de termotecnia y automática de AICIA (Asociación de Investigación y Cooperación Industrial de Andalucía) y cuenta con el apoyo económico de la Corporación Tecnológica de Andalucía. Captador lineal Fresnel (Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla) Este proyecto ha sido presentado también al Programa de Incentivos a la Innovación y al Desarrollo Empresarial promocionado por la Agencia IDEA de la Junta de Andalucía. El objetivo principal del proyecto es implantar el uso de instalaciones de refrigeración con aprovechamiento de la energía solar térmica en edificaciones del sector terciario, con criterios de máxima eficiencia energética y respeto medioambiental, estableciendo las bases de diseño a partir de la puesta en conjunto de tecnologías existentes, o el desarrollo y mejoras necesarios. El objetivo es aprovechar la energía solar térmica en edificaciones del sector terciario En el marco de este proyecto se ha construido una planta de demostración de refrigeración solar de alta eficiencia, que es una de las primeras en su género a nivel mundial, ya que presenta la particularidad y novedad de que incorpora un equipo de absorción de doble efecto asociado a captadores solares de media temperatura de tipo Fresnel. Esta planta permitirá determinar el máximo aprovechamiento de la energía solar térmica para la producción de frío para refrigeración de edificios del sector terciario y residencial con gas natural como energía de apoyo. Los resultados obtenidos en la operación de esta instalación piloto, adecuadamente monitorizada, permitirán determinar las líneas de optimización técnica, medioambiental y económica que este tipo de instalaciones debe reunir y establecer los criterios para el diseño de instalaciones similares. La planta de demostración se ubica en el edificio denominado Plaza de América, construido para la Expo 92 y actual emplazamiento de la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Este edificio presenta unas características idóneas a nivel de disponibilidad de espacio en la azotea para la instalación de los captadores solares, a nivel de demanda de refrigeración, de fácil acceso y, por supuesto, por tratarse de un edificio público relacionado con una universidad facilita el acceso a investigadores de alta cualificación. El Grupo Gas Natural cederá la planta piloto a la Universidad de Sevilla a la finalización del proyecto con objeto de que se continúe utilizando para programas de I+D y formativos de la propia universidad. En la figura 2 se puede ver un esquema de principio simplificado de la planta de refrigeración solar instalada. En el circuito primario de la instalación se calienta un fluido caloportador mediante un captador solar de concentración hasta la temperatura de trabajo. La energía térmica recogida por los captadores solares se utiliza como fuente de alta temperatura para accionar la máquina de absorción de doble efecto. Gracias a este aporte energético, la máquina de absorción producirá un caudal de agua fría que será distribuido para la climatización del edificio. El equipo de absorción de doble efecto instalado utiliza un par absorbente-refrigerante de LiBr-agua y ha sido suministrado por Frigicoll- BROAD. Tiene una potencia nominal de refrigeración de 174 kw f con un 17

4 Figura 2. Esquema de principio de la planta de refrigeración solar de Sevilla Sistema de control Gas Natural Máquina absorción de doble efecto fría Captador solar Fresnel sobrecalentada 13 bar/180ºc Circuito de agua refrigeración sobrecalentada 13 bar/165ºc Circuito primario Río Guadalquivir 18 COP de 1,34, lo cual representa una mejora notable de la eficiencia energética de esta instalación frente a otras de simple efecto. En invierno, este equipo puede funcionar produciendo calor con un rendimiento similar al de una caldera convencional. Como todos los equipos de este tipo, precisa de un sistema de disipación del calor generado en el absorbedor y condensador, para lo cual se utiliza una captación de agua del río Guadalquivir que actúa como sistema de refrigeración. De esta forma, se evita la instalación de torres de refrigeración, con los requerimientos de mantenimiento y costes asociados que éstas comportan. Adicionalmente, la máquina de absorción instalada incorpora un quemador de gas natural que entra en funcionamiento como fuente de energía auxiliar, de forma que se garantiza la disponibilidad del servicio en momentos de carencia de potencia térmica desde el lado solar. El captador solar seleccionado es de tipo Fresnel, suministrado por la firma alemana PSE AG, y es capaz de calentar el fluido caloportador (agua sobrecalentada) hasta 195ºC. Este sistema consta de 176 espejos distribuidos en 11 filas de 64 metros de largo que se orientan en función de la posición del sol, con el fin de reflejar su radiación hacia un único tubo situado en la parte superior por el que circula el fluido de trabajo. De esta forma se concentra la radiación solar a lo largo de este eje y se aumenta la temperatura del fluido de trabajo. El área de captación es de 352 m 2, con lo que se consigue una potencia calorífica máxima cercana a los 180 kw. En una ampliación de este proyecto, está previsto incluir en la instalación un sistema de almacenamiento térmico con materiales de cambio de fase para los momentos en que existe exceso de producción solar, de forma que pueda utilizarse la energía almacenada para producción de frío en periodos de baja insolación. La potencia media utilizada para climatización de la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla está alrededor de 500 kw de frío, por lo que en los momentos de mayor insolación, la instalación de refrigeración solar puede aportar aproximadamente un tercio de la potencia necesaria. De tal forma que, funcionando en condiciones óptimas, se estima un ahorro anual de emisiones entorno a las 34 toneladas de CO 2, que variará en función de la demanda y de las condiciones de insolación registradas. En paralelo, en el marco de este proyecto también se está desarrollando una herramienta informática de libre difusión para la selección y optimización de sistemas de refrigeración por absorción alimentados con energía solar térmica. Los resultados obtenidos de la planta piloto construida serán los que permitirán validar e implementar la citada herramienta. Además, los

5 El uso de gas natural como combustible proporciona una energía de apoyo al campo solar en los momentos en que la irradiación es insuficiente para accionar la máquina de absorción modelos informáticos desarrollados servirán para complementar y extender el uso de la herramienta de referencia para la certificación energética de edificios: CALENER. Por qué la energía solar combinada con el gas natural? El uso del gas natural como combustible proporciona una energía de apoyo al campo solar en los momentos en que la irradiación es insuficiente para accionar la máquina de absorción. Algunos modelos de máquinas de absorción existentes en el mercado permiten su funcionamiento mediante varias fuentes de calor alternativas: ya sea mediante agua caliente procedente de un campo de captación solar o de una caldera de gas, o bien directamente a través de un quemador de llama directa. El COP del ciclo de absorción es inferior al de los ciclos por compresión normalmente utilizados, pero en términos de eficiencia energética el proceso de conversión de energía primaria en frío mediante un sistema solar + absorción es mejor que el de compresión, ya que cuando la electricidad se toma directamente de la red hay que considerar que el rendimiento global del sistema es función del mix de generación eléctrico y de las pérdidas por transporte y distribución. En la actualidad este último valor es del orden del 38% respecto de la energía primaria utilizada. En cuanto a las ventajas principales de la refrigeración solar destacamos: Reducción de la demanda de energía eléctrica punta, y por tanto de la energía primaria necesaria para su generación. Descarga de las redes eléctricas en los periodos de gran demanda. Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, tanto por la electricidad no consumida como por los refrigerantes convencionales no utilizados. Disponibilidad de una fuente energética inagotable. Coincidencia de la máxima producción solar con la máxima demanda de aire acondicionado. Las principales tecnologías involucradas en estos sistemas captación solar, acumulación de energía y refrigeración por absorción requieren todavía importantes esfuerzos para su optimización. En cualquier caso, si bien los costes de inversión en materiales y equipos para un sistema de climatización solar son sensiblemente más altos que los de un sistema convencional por compresión, existen determinadas aplicaciones de usos intensivos donde el menor coste de la energía, utilizando el binomio solar-gas natural pronto podrá justificar inversiones de este tipo. 1 COP ('coeficient of performance') es la relación entre la energía útil obtenida y la energía introducida en el ciclo. Sin embargo, cuando se trata de comparar sistemas eléctricos con sistemas a gas es más representativo el REP (ratio de energía primaria), que se define como la relación entre energía útil obtenida y la energía primaria introducida en el sistema, ya que así se tiene en consideración el rendimiento del motor y el rendimiento de producción y distribución de electricidad nacional.