Los principales objetivos de este proyecto son los siguientes:

Transcripción

1 1. INTRODUCCIÓN Objetivos. El presente proyecto surge con el objetivo de realizar una investigación del estado del arte de la producción de frío a partir de energía solar. La mayoría de los edificios de hoy se refrigeran mediante sistemas de refrigeración mecánica o aire acondicionado. En ambos casos, se precisa un equipo refrigerador. Durante la operación refrigeradora el equipo consume electricidad. El consumo cuantioso de electricidad es característico en todas las sociedades modernas. En Europa el consumo de electricidad ha aumentado un factor 12 en los últimos 50 años. Hoy día el crecimiento anual de consumo eléctrico es dos veces mayor que el crecimiento de consumo de combustibles fósiles. Los sistemas de refrigeración de edificios también tienen un alto factor de simultaneidad que, según lo expuesto, conduce a una sobrecarga de la red eléctrica. Actualmente, el fuerte crecimiento de la compra de aparatos de aire acondicionado ha contribuido notablemente a elevar el consumo de electricidad. Debido a esta situación y a todos los problemas medioambientales derivados de la utilización de las máquinas de refrigeración convencionales, resulta interesante la tecnología de refrigeración solar, la cual emplea como fuente de energía, la energía solar, sustituyendo así a las máquinas de refrigeración convencionales de compresión mecánica. Los principales objetivos de este proyecto son los siguientes: 1. Presentación y análisis de las distintas tecnologías de refrigeración solar. 2. Realización de un estudio detallado del sistema de refrigeración solar por absorción. Para ello, se analizan tres aspectos distintos de esta tecnología de refrigeración: - Estado del arte de las máquinas de refrigeración solar por absorción (tanto condensadas por aire como por agua) de los principales suministradores del mercado. - Dimensionamiento de las instalaciones de refrigeración solar por absorción. - Análisis económico de este tipo de instalaciones. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 4

2 1.2. Descripción del contenido del proyecto. Como consecuencia de los numerosos problemas derivados de la utilización de las máquinas de refrigeración convencionales, resulta muy recomendable la instalación y empleo de las máquinas de refrigeración solar. Para justificar este hecho, en el apartado 1 Introducción se expone el problema que existe hoy en día relacionado con la elevada demanda energética, siendo la refrigeración uno de sus principales causantes, así como los inconvenientes de las máquinas de refrigeración convencionales y las ventajas de las instalaciones de refrigeración solar. En el apartado 2 Refrigeración se estudian dos procesos convencionales de refrigeración: la refrigeración por compresión y por absorción de vapor. El estudio del estado del arte de las distintas tecnologías actuales de refrigeración solar se recoge en el apartado 3, el cual se ha elaborado tras haber llevado a cabo una investigación para conocer con detalle el estado del arte de cada una de estas tecnologías, empleando para ello varios libros y artículos seleccionados de diversas bases científicas de datos. Los fundamentos teóricos recopilados en el apartado 3, se complementan con el apartado 4 ( Estado del Arte de las Máquinas de Refrigeración por Absorción ), en el cual se describen las características de los principales modelos de máquinas de refrigeración por absorción operativas hoy día en el mercado de los suministradores más relevantes. Entre estos suministradores, cabe destacar los que se indican a continuación: Broad, Cogenie Thermax, Carrier, Trane, York, Climatewell, Rotártica y Yazaki. Por último, en este capítulo, se realiza una comparativa de los distintos modelos de máquinas de refrigeración por absorción de los principales fabricantes actuales. A continuación, en el apartado 5, Tecnologías de Captación Solar para Aplicaciones de Refrigeración Solar, se muestran los tipos generales de captadores solares disponibles hoy en día, en función de la tecnología de refrigeración seleccionada y de las condiciones del lugar, por ejemplo, de la disponibilidad de radiación. No es objetivo de este proyecto realizar un estudio detallado del dimensionamiento de las instalaciones de refrigeración solar por absorción. A pesar de esto, en el apartado 6, se describen los principales criterios de diseño y ecuaciones para el modelado de las instalaciones de refrigeración solar por absorción. Además, en este apartado, se analizan varios ejemplos de aplicación práctica de frío solar, en los cuales se describe el diseño del sistema de refrigeración solar. En el apartado 7, Análisis Económico de los Sistemas de Frío Solar por Absorción, se indican los costes de los principales sistemas de colectores, se realiza una comparativa entre los mismos y, por último, se incluyen varios ejemplos de análisis de viabilidad de sistemas industriales de frío solar. En el último apartado, se resumen las principales conclusiones extraídas de la elaboración del presente proyecto. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 5

3 1.3. Antecedentes. El progresivo crecimiento del consumo energético en España en los últimos años, asociado al crecimiento económico del país, ha despertado las señales de alarma ante la imposibilidad, no muy lejana, de seguir abasteciendo la demanda energética. España se encuentra con la necesidad de replantearse el actual patrón de consumo de energía ya que, de no ser así, se prevé muy complicado el atender los niveles de demanda que se alcancen dentro de 40 años. La actual coyuntura energética se sitúa ante dos importantes retos: - Por un lado, cubrir el incremento progresivo en la demanda energética. - Y por otro, reducir las emisiones de CO 2 hasta los límites fijados para España dentro del compromiso con el protocolo de Kyoto. En España, debido a la carencia de significativos yacimientos de petróleo se deberán buscar alternativas energéticas sostenibles que, al mismo tiempo, reduzcan la emisión de CO 2 a la atmósfera. Figura 1. Evolución de la demanda eléctrica en España en GWh. (Fuente: Boletín Estadístico de REE 2008). En este sentido, en el campo de la climatización, el fuerte crecimiento en la compra de aparatos de aire acondicionado ha contribuido de forma considerable a elevar este consumo de electricidad, especialmente en los días más calurosos del año. Según el IDAE (2006) el consumo eléctrico en la refrigeración de los edificios en España supone el 11,1% del total. El 2% de este consumo (580 GWh, aproximadamente) corresponde al consumo eléctrico del sector residencial (Figura 2). Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 6

4 Figura 2. Evolución del consumo eléctrico de los aparatos de aire acondicionado en España, en GWh. (Fuente: IDAE 2006). Como consecuencia del aumento del nivel de vida en los países industrializados, asistimos a una constante expansión del mercado del frío; tanto para usos comerciales como industriales, domésticos o de confort. Las instalaciones frigoríficas son sistemas complejos que transforman las fuentes de energía comerciales con el objetivo de producir temperaturas inferiores a la del ambiente. Esta conversión no es directa. La energía comercial se transforma en energía mecánica y posteriormente en energía fluido-mecánica que es transportada por el refrigerante. Este, fluye a través de los componentes del ciclo, experimentando cambios de estado e intercambiando calor con el medio ambiente interior y exterior. El refrigerante es el agente que transporta la energía. Debido a su naturaleza química, sus emisiones, no deseadas, son uno de los responsables de la destrucción del ozono estratosférico y del aumento del efecto invernadero a nivel planetario. Otro aspecto de estos refrigerantes es su contenido en Flúor, gas que se ha convertido en especial objeto de atención por parte de la Unión Europea. Se pretende minimizar la emisión de gases de efecto invernadero fluorados (incluyendo los HFCs) para sistemas de refrigeración, aire acondicionado y bombas de calor. A la solución de todos estos problemas surgidos en el campo de la climatización puede contribuir la tecnología de refrigeración solar: máquinas capaces de producir frío y/o calor, y que pueden llegar a convertirse en una alternativa real a los convencionales aparatos eléctricos de compresión mecánica, ya que emplean como fuente de energía la energía solar. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 7

5 1.4. Frío Solar. El frío solar se basa aparentemente en una idea contradictoria: aprovechar el calor del sol para conseguir frío. Consiste básicamente en transformar la energía solar para climatizar en verano los espacios interiores de una estancia. La tecnología para generar frío a partir del calor aportado con energía solar, permite aprovechar las instalaciones solares durante todo el año. De esta forma, se podría aprovechar la radiación en invierno para la calefacción y en verano, cuando se producen grandes excedentes térmicos, transformarla en frío. 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 la tecnología de refrigeración solar un sistema ideal para su aplicación en los sectores terciario y residencial. En Europa, aproximadamente el 50 % de la demanda energética se relaciona con la calefacción, pero la demanda de energía para refrigeración está aumentando de manera meteórica. En varios países, los picos de consumo eléctrico ya no se dan en invierno, sino en verano. Por ello, debe forzarse una evolución del mercado hacia la refrigeración generada a partir de fuentes renovables, con el objetivo principal de evitar que siga aumentando el consumo energético. La energía solar térmica y demás energías renovables pueden reemplazar el consumo de grandes cantidades de combustibles fósiles y, con ello, contribuir a la reducción de las emisiones de CO 2 y otras sustancias nocivas. Las aplicaciones del frío solar se ven favorecidas por las acciones nacionales e internacionales, aprobadas en los últimos años, referentes a la mejora de la eficiencia energética en la edificación. Entre otras, se obliga a los promotores de nuevas construcciones y de rehabilitaciones de importancia a la instalación de captadores solares para preparación de agua caliente sanitaria (en torno al 60% de contribución solar mínima y, en algunos casos, hasta el 70%). Así, se presenta la oportunidad de proyectar instalaciones que también sean aptas para otros usos, como puede ser la climatización. A día de hoy, la tecnología del frío solar aún no es suficientemente madura en cuanto al desarrollo del acoplamiento de sistemas en la refrigeración solar. Sin embargo, se espera que a medio plazo de produzca un aumento considerable del mercado con dicha aplicación; mercado que demandará soluciones eficaces optimizando los recursos disponibles en los edificios. El frío solar parece una contradicción, pero, efectivamente, la refrigeración solar a día de hoy, aún con elementos que deben ser mejorados a efectos de rendimiento o rentabilidad de los equipos, constituya una realidad que abre la puerta al desarrollo, en el medio plazo, de un nuevo mercado que demande soluciones eficaces que optimicen los recursos disponibles en los edificios. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 8

6 Ámbitos de aplicación. Posibles ámbitos de aplicación de la tecnología de refrigeración solar: - Apoyo a las industrias de refrigeración convencionales, especialmente en verano. - Conservación de alimentos y medicinas en regiones pobres no dotadas de suministro eléctrico. - Acondicionamiento de aire Ventajas e inconvenientes. Las principales ventajas e inconvenientes de la tecnología de refrigeración solar son las siguientes: Ventajas: - Máxima producción de frío en época de alta demanda (verano). Los sistemas de refrigeración solar tienen la gran ventaja de que se utilizan cuando coinciden los niveles máximos de demanda y de producción (obteniéndose así rendimientos muy altos), ya que las necesidades de climatización de un edificio se producen en la época de más radiación solar. Son especialmente eficientes y adecuadas para edificios que precisan de refrigeración y calefacción intensivas como es el caso del sector residencial y terciario, que necesitan refrigeración intensiva durante tantos meses como hoteles, centros comerciales, oficinas, etc., cada vez con más demanda de confort. - Es idónea para emplazamientos alejados de la red eléctrica. - Utiliza energía renovable no contaminante, evitando así todos los problemas medioambientales del consumo eléctrico y ahorrando consumo de combustible, debido al elevado consumo energético necesario para climatizar edificios. - Con los sistemas de refrigeración solar se evitan los problemas de dispersión energética que las instalaciones de energía solar térmica tienen en verano, al no disponer de sistemas de disipación de calor. - Nos permite aprovechar las instalaciones de energía solar durante todo el año evitando sobretemperaturas durante el verano, reduciendo el período de amortización de los equipos, el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 9

7 - España goza del privilegio de disponer de niveles de irradiación muy altos en gran parte del territorio, lo cual supone una ventaja para hacer frente a la reducción en el consumo eléctrico y de combustible fósiles. Actualmente, la producción eléctrica a partir de estos combustibles supone alrededor de un 53% del total de generación. - La refrigeración solar tiene una gran facilidad para ser combinada con otro tipo de aplicaciones, como el hidrógeno, los sistemas de evaporación, trigeneración, etc. - El funcionamiento de la climatización solar es ideal con otras instalaciones térmicas presentes en edificios, por ejemplo, ACS, piscinas, etc. Inconvenientes: - Producción de frío intermitente durante el día. Se requiere radiación solar, por tanto, durante la noche no se puede producir frío debido a la falta de radiación solar. - Las instalaciones de refrigeración solar tienen un bajo rendimiento (COP). La eficiencia de estas instalaciones es inferior que las de refrigeración convencional. - Elevado tamaño de las instalaciones de refrigeración solar. A día de hoy, no se disponen de unidades de pequeño tamaño. - Los costes iniciales de las instalaciones de refrigeración solar son más altos que los sistemas de refrigeración convencionales. En algunas ocasiones, las instalaciones de refrigeración solar quedan fuera de los incentivos para energía solar térmica. - En algunas ocasiones, se requiere una torre de refrigeración húmeda Oportunidades. Las principales oportunidades de la tecnología de refrigeración solar a destacar en la actualidad son los siguientes: - No existen alternativas comerciales a los sistemas de climatización convencionales. - Escasez de tecnologías para sacar partido de los elevados niveles de irradiación en verano. - Soporte de la administración para promover tecnologías solares. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 10

8 - Sistema de distribución de gas infrautilizado en verano. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 11