7. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LOS SISTEMAS DE FRÍO SOLAR POR ABSORCIÓN.

Transcripción

1 7. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LOS SISTEMAS DE FRÍO SOLAR POR ABSORCIÓN Introducción. Dentro del proyecto europeo POSHIP ( The Potential of Solar Heat in Industrial Processes ) se llevó a cabo el análisis del potencial de aprovechamiento de la energía solar en la industria de España y Portugal. Se obtuvieron datos de la energía solar disponible y de la producción de calor, así como de los costes asociados a estos sistemas. En las Figuras adjuntas se muestra la eficiencia de colectores de diferentes tecnologías, así como la producción energética anual por unidad de superficie de colector en función de la temperatura de proceso para las localidades de Barcelona y Huelva. Las tecnologías de colectores consideradas son: CPC: colector de tubo de vacío con concentrador parabólico compuesto. FPC: colector plano. ETC: colector de tubo de vacío. EFPC: colector plano evacuado. PTC: colector parabólico de seguimiento solar. Figura 103. Eficiencia de colectores estáticos. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 186

2 Figura 104. Producción solar anual en Barcelona y Huelva. Las Figuras indicadas corresponden a un sistema solar con 100% de utilización de la energía captada, que funciona todo el año sin interrupción y con demanda siempre superior a la producción. Esta aproximación es realista para sistemas industriales con una demanda alta y continua de calor. Se observa como las tecnologías de colectores estáticos diferentes al colector plano convencional pueden llegar a duplicar la energía disponible. Así, a 100ºC en Huelva, un colector plano puede producir 300 kwh/m 2 mientras que un tubo de vacío con CPC llega a los 700 kwh/m 2 a esa temperatura. A unos 60ºC esa diferencia queda reducida a 100 kwh/m 2. Para los colectores parabólicos de seguimiento solar, la energía obtenida es superior a la de los colectores estáticos. Además, este tipo de colectores es menos sensible a variaciones en la temperatura del absorbedor. Esto es debido a que la baja superficie de captación provoca una disminución en las pérdidas de calor, respecto a colectores estáticos. Por otro lado, el seguimiento solar permite captar la energía también al amanecer y al atardecer. Respecto al análisis económico de las distintas tecnologías, la tabla siguiente muestra los costes de los principales sistemas de colectores. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 187

3 Costes de inversión de colectores en є/m Tipo de colector Respecto al área total Respecto al área del absorbedor Tubo de vacío Tubo de vacío+cpc Plano evacuado Parabólico de seguimiento Plano Tabla 30. Coste del sistema solar por m 2 instalado Comparativa de diferentes tipos de colectores estáticos. Con el fin de valorar el rendimiento de diferentes tecnologías de colectores solares, se ha determinado la superficie de colectores solares necesaria para obtener una contribución solar a la demanda de frío de un 60%, aproximadamente. Los tipos de colectores solares considerados son: CPC: colector con concentrador parabólico compuesto (SOLEL CPC 2000). FPC: colector solar plano selectivo (Sonnenkraft FK500). ETC: colector de tubo de vacío. Colector Superficie absorbedora Fracción Aporte Solar Solar Total Frío Calefacción Frío m 2 kwh kwh kwh % CPC FPC ETC Tabla 31. Aporte solar para sistemas con diferentes tipos de colectores solares. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 188

4 Partiendo de costes unitarios para los diferentes colectores (coste de instalador) se han comparado los costes totales para los campos de colectores de tamaños diferentes, según se muestra la tabla siguiente. Se observa un sobrecoste para el campo de colectores solares de 30% de los colectores planos selectivos y 40% de los colectores de tubo de vacío respecto a los colectores de CPC. Colector Superficie absorbedora Coste unitario Coste total colectores Sobrecoste (*) m 2 Ptas/m 2 MPta Ptas CPC ,28 - FPC , ETC , (*) Respecto al sistema más económico. Sólo coste de material para colectores solares. Tabla 32. Comparación de costes. El rendimiento de los colectores solares CPC está situado entre el de los colectores planos selectivos y los colectores de tubo de vacío. El coste de estos colectores, no obstante, es solo ligeramente mayor al de los colectores planos convencionales e inferior al coste de los colectores planos selectivos o de vacío, por lo cual este tipo de colectores es altamente recomendable para sistemas de frío por absorción Costes de inversión y explotación. Los costes de inversión de los sistemas de refrigeración solar son notablemente superiores a los costes de inversión de las soluciones con sistemas convencionales. Esto es en menor medida aplicable a los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante ya que el mayor coste está en el sistema de ventilación, incluido tanto en el sistema solar como en el convencional, y el coste adicional de la instalación de colectores solares se ve, en parte, compensado por la ausencia de la máquina de refrigeración por compresión incluida en la configuración del sistema convencional. Por otro lado, se puede prever que el coste de explotación de los sistemas de aire acondicionado solares sea notablemente inferior al coste de explotación de un sistema convencional, principalmente si en el edificio en cuestión el pico de consumo eléctrico lo provoca el compresor de la máquina Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 189

5 frigorífica convencional y ello obliga a contratar una mayor potencia eléctrica disponible. Aunque un cálculo preciso de lo que cuesta un sistema de aire acondicionado solar depende de cada caso, en términos generales el coste anual, es decir, el coste total, incluyendo la inversión (coste de capital), el coste de explotación y mantenimiento, etc., de un sistema de aire acondicionado solar es actualmente superior al coste anual de un sistema convencional. En cuanto a los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante, se prevé que con una reducción moderada del coste de componentes (prácticamente dentro de la gama de negociaciones con los distribuidores), este tipo de sistemas de aire acondicionado solares puedan ya competir económicamente con las soluciones convencionales de algunas aplicaciones. En los sistemas que utilizan máquinas frigoríficas térmicas es necesario avanzar más para mejorar su rendimiento económico. Si bien se prevén reducciones de costes importantes de las máquinas frigoríficas de adsorción y de los colectores de tubo de vacío, aún se requieren mayores avances para aumentar la eficiencia (COP) de las máquinas frigoríficas. Una mayor experiencia de los fabricantes, proyectistas e instaladores de este tipo de sistemas dará lugar a un descenso de los costes de planificación, instalación y control. Con estas medidas, los sistemas pueden alcanzar, poco a poco, una gama de costes cercana a la de los sistemas convencionales pero siempre ahorrando importantes cantidades de energía primaria, con lo que se contribuye a reducir las emisiones nocivas para el medio ambiente Análisis de viabilidad de un sistema industrial de frío solar. Ejemplo 1. Se presenta a continuación un análisis de viabilidad simple de un sistema de frío solar basado en una demanda de 1500 MWh/año de frío a ser suministrados por una máquina de 1 MW. Datos de partida: Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 190

6 Balance energético comparativo de sistema de absorción solar y sistema de compresión eléctrico: Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 191

7 Balance económico comparativo de sistema de absorción solar y sistema de compresión eléctrico: Como elemento clave para ahorrar energía primaria es necesario o una fracción solar alta o calor residual disponible. Por otro lado para ser además económico es necesario un alto porcentaje de calor residual. Las máquinas de absorción tienen un COP inferior a las de compresión eléctricas por lo cual, el consumo de gas para suministrar calor a una máquina de absorción puede ser del orden de 5 veces superior a la energía primaria consumida en una máquina de compresión. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 192

8 Ejemplo 2. En el siguiente ejemplo, se comparan dos sistemas de refrigeración distintos de un hotel en Atenas: Sistema de referencia : sistema de refrigeración convencional mediante compresión mecánica. Sistema solar (S): sistema de refrigeración mediante absorción de energía solar; campo solar constituido por colectores con placas planas. En las Tablas 33 y 34 se incluye información relativa a los datos de diseño de cada instalación de refrigeración; los resultados del balance energético anual obtenidos mediante programas de simulación y la evaluación energética correspondiente. Datos generales Análisis energético Unidades Sistema de referencia (R) Tipo de colector - - Área del colector (absorbedor) Volumen unidad almacenamiento de calor Volumen unidad de almacenamiento lado frío Caudal de aire (unidad tratamiento de aire) Potencia calorífica del calentador Potencia nominal de la unidad de compresión convencional Potencia nominal de la unidad de absorción solar Potencia nominal de la torre de refrigeración Resultados del balance energético anual Consumo eléctrico total anual (incluyendo bombas, ventiladores, Sistema solar (S) Colector de placa plana m m m m 3 /h 0 0 kw 18,8 17,9 kw 29,4 0 kw 0 29,4 kw 0 74,6 kwh Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 193

9 control) Consumo eléctrico anual de la unidad de kwh compresión / absorción Calor anual requerido para enfriamiento / kwh deshumidificación Calor anual requerido para calentamiento / kwh humidificación Calor total anual kwh Calor total anual de la segunda fuente de calor kwh (combustible fósil) Cantidad anual de la fuente de calor fósil kwh (energía primaria) Radiación anual sobre el colector kwh Calor anual producido por el colector solar kwh Producción de frío global anual (enfriamiento, kwh deshumidificación) Producción de frío anual por compresión kwh Demanda eléctrica máxima kw 10,0 2,9 Consumo de agua total anual m ,3 Evaluación energética Calor solar útil anual kwh Eficiencia colector bruta anual % - 38% Eficiencia colector neta anual % - 30% COP anual de la unidad de compresión - 3,00 0,00 COP anual de la unidad de producción de frío - 0 0,65 solar Consumo anual de energía primaria kwh Ahorro anual de energía primaria kwh Ahorro relativo de energía primaria % - 47% Salida neta útil específica del colector kwh/m Ahorro energético primario específico kwh/m Tabla 33. Análisis energético Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 194

10 Costes de inversión Sistema de colectores solares y estructuras soporte Unidad de almacenamiento de calor Fuente de calor adicional (por ejemplo, caldera de gas, etc) Costes de instalación (tuberías, bombas, etc) Unidad de tratamiento de aire (desecación) Unidad de compresión convencional Unidad de absorción solar Torre de refrigeración Unidad de almacenamiento de frío Análisis económico Unidades Sistema de referencia (R) Sistema solar (S) Euro Euro Euro Euro Euro 0 0 Euro Euro Euro Euro 0 0 Bombas Euro Sistema de control Euro Costes de planificación Euro Costes de inversión total sin subvenciones de Euro financiación Financiación (apoyo de Euro 0 0 inversión) Financiación de los Euro colectores solares Coste de inversión total final Euro Costes anuales Factor anual, equipamiento convencional % 6,7 6,7 Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 195

11 Factor anual, sistema solar (colectores, % - 5,1 almacenamiento) Coste capital Euro Coste de mantenimiento, Euro inspección Coste eléctrico anual (consumo) Euro Coste eléctrico anual (pico Euro máximo) Coste combustible fósil anual Euro Coste consumo de agua anual Euro Coste anual total Euro Coste extra anual del sistema solar Euro Coste de operación y mantenimiento anual Euro Evaluación comparativa Tiempo payback a - 25,7 Coste de ahorro de energía primaria EURO/kWh - 0,005 Tabla 34. Análisis económico. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 196