El siguiente artículo está dedicado al suministro de calor renovable en empresas de tratamiento de superficies, centrándose en el suministro de calor solar de proceso.
Comenzando con una presentación de la necesidad de este tema, los autores se adentran en el potencial del suministro de calor térmico solar en la industria, así como en el comercio y los servicios. A continuación se analizan el amplio campo de aplicación y los posibles sumideros de calor, antes de explicar los fundamentos técnicos del diseño y el funcionamiento de un sistema solar térmico. La integración del calor renovable, en particular, representa un reto importante, por lo que los autores también lo tratan en detalle. Además de las cuestiones técnicas, los aspectos económicos también deben ser correctos. La información sobre subvenciones y costes llave en mano lleva al cálculo de los costes de producción de calor solar y al modelo de negocio de contratación. En la sección sobre diseño preliminar y evaluación de la viabilidad, el lector aprende cómo debe diseñarse realmente un sistema de forma sensata, antes de que se presenten los desarrollos actuales del mercado y los sistemas con mejores prácticas.
Introducción
Desde el cambio de milenio, el suministro energético en Alemania está experimentando una transformación masiva. En los próximos años y décadas, la trayectoria actual de un abastecimiento energético basado en el carbón, el gas y la energía nuclear debe modificarse fundamentalmente en favor de un abastecimiento energético renovable. El concepto anterior de suministro de energía fósil está dando paso cada vez más a un suministro de energía descentralizado y renovable. En los últimos años, los debates y los procesos de transformación se han centrado sobre todo en el sector eléctrico. Las turbinas eólicas y los sistemas fotovoltaicos caracterizan el paisaje. A pesar del debate en curso sobre los pros y los contras de las distintas tecnologías y sobre si se han alcanzado o no los objetivos de protección del clima, la transición energética en el sector eléctrico puede considerarse un éxito en general. En 2017, por ejemplo, un tercio de la electricidad se suministró a partir de fuentes renovables. Sin embargo, un análisis intersectorial del consumo energético alemán revela que la electricidad solo representa alrededor del 20 % del consumo total de energía.
El sector de la calefacción consume la mayor parte de la energía
Fig. 1: Mapa de irradiación deAlemaniaMás del 50% del consumo de energía en Alemania es atribuible al suministro de calor. A pesar de esta enorme relevancia del sector de la calefacción, el urgentemente necesario inicio de la transición a la calefacción se ha quedado dormido. No despertar a este gigante dormido es especialmente fatal si se tiene en cuenta que la electricidad puede generarse, transportarse y distribuirse por toda Alemania o incluso Europa, lo que significa que todos los consumidores de electricidad consumen cada vez más electricidad verde sin que ellos tengan que hacer nada. Sin embargo, el calor debe generarse localmente, lo que significa que las empresas industriales y comerciales en particular tienen la responsabilidad individual de organizar su propio suministro de calorcon la menor cantidad posible de CO2 en los próximos años. Sólo la industria alemana necesita más de 520 TWh de calor al año, lo que equivale aproximadamente al consumo total de electricidad en Alemania. En la actualidad, este calor procede casi exclusivamente de combustibles fósiles. La generación de calor renovable se restringe en gran medida al limitado combustible biomasa, que tiene un campo de aplicación muy amplio, pero que en el futuro debería utilizarse para aplicaciones más exigentes (sector del transporte, calor a alta temperatura). Sin embargo, ya existen tecnologías maduras para el calor de proceso renovable. La energía solar térmica y las bombas de calor pueden proporcionar el calor necesario por debajo de 150 °C sin emisiones y a precios más bajos que los combustibles fósiles. Un posible futuroimpuesto sobre las emisiones de CO2 aumentará la presión para cambiar a una infraestructura de producción lo más respetuosa posible con el clima. Con su elevada demanda de calor por debajo de 100 °C, la industria de superficie es un sector especialmente adecuado para el uso de calor de proceso renovable.
Potencial del calor de proceso renovable
Los colectores solares térmicos convierten la radiación solar incidente en calor utilizable. La figura 1 muestra la irradiación total anual en Alemania, que ronda los 1.200 kWh/(m2a) de media. Como muestra la figura, el potencial de irradiación muestra un ligero gradiente de norte a sur, aunque las diferencias sean sólo del orden del 10%. Los valores de irradiación ligeramente inferiores en el noroeste siguen siendo suficientes para un uso razonable de las instalaciones solares térmicas en toda Alemania. En las zonas cercanas al ecuador, la suma anual de irradiación puede ser notablemente superior, de hasta 2700 kWh/(m2a). A diferencia de los sistemas fotovoltaicos, los colectores solares térmicos aprovechan todo el espectro de radiación, lo que se refleja en rendimientos específicos más elevados.
En la industria alemana se necesitaron alrededor de 750 TWh de energía en 2017 (BMWi, 2018). La figura 2 ilustra que solo una cuarta parte es atribuible a la electricidad, mientras que alrededor de tres cuartas partes se utilizaron para proporcionar calor. Una gran proporción de este calor se requiere a un nivel de temperatura relativamente alto por encima de 250 °C, lo que se debe a la gran importancia de la industria pesada en Alemania. Aunque el calor en este rango de temperatura puede suministrarse teóricamente mediante energía solar térmica, ello requeriría colectores solares de concentración, que tienen poco sentido en Alemania desde un punto de vista técnico y económico. Lo mismo ocurre con el rango de temperaturas entre 150 y 250 °C. Por lo tanto, para la utilización de tecnologías de suministro de calorsin CO2, la atención debería centrarse en el rango de temperaturas por debajo de 150 °C, que representa más de una cuarta parte de la demanda de calor industrial. Teniendo en cuenta las medidas de eficiencia, el espacio limitado (en los tejados) para los colectores y la divergencia entre la demanda de calor y el suministro de radiación solar, existe un potencial de 50 millones demetros cuadrados de superficie de colectores en Alemania. Si además se tiene en cuenta la demanda de calor en el sector del comercio, la industria y los servicios, se pueden aprovechar otros 100 millones dem2 de potencial. A primera vista, puede parecer una tarea descomunal, pero una comparación con otros órdenes de magnitud demuestra que se trata de dimensiones bastante realistas. En Alemania, por ejemplo, las minas de lignito a cielo abierto ocupan una superficie de 2.300 millones dem2 (BMU 2006) e incluso las autopistas cubren una superficie de 570 millones dem2 (ADAC s.f.). Como ya se ha mencionado al principio, el sector de la electricidad va muy por delante del de la calefacción. Hasta la fecha, ya se han instalado unos 450 millones dem2 de colectores fotovoltaicos.
Fig. 2: Desglose de la demanda de electricidad y calor en la industria alemana en: 2017
Según los objetivos del Gobierno alemán, al menos el 50 % del calor total consumido debería proceder de fuentes renovables para 2050. A la vista del Acuerdo de París sobre el clima, ni siquiera esto parece suficientemente ambicioso. Sin embargo, la cuota de las tecnologías renovables en el consumo de calor en Alemania lleva años estancada en un bajo nivel de dos dígitos (actualmente el 13 %). La mayor parte corresponde a la combustión de biomasa, cuyo potencial, ya limitado en Alemania, se está reduciendo aún más debido a la competencia por la tierra (alimentos) y la utilización (por ejemplo, combustibles líquidos). Las bombas de calor también aportarán su contribución en el futuro, pero hay que subrayar aquí que sólo reduciránlas emisiones de CO2 si se utiliza electricidad procedente de fuentes de energía renovables y se dispone de una fuente de calor adecuada. La electricidad renovable para calefacción directa sólo debe utilizarse para la gama de altas temperaturas. Los sistemas solares térmicos pueden utilizarse de forma razonable con todas las tecnologías mencionadas y también pueden combinarse con sistemas de cogeneración. En el futuro, el éxito de la transición térmica dependerá de la combinación adecuada de tecnologías en los sistemas integrados de suministro de calor.
Una ventaja frente a los sistemas fotovoltaicos para la generación de electricidad es el hecho de que los sistemas solares térmicos se consideran medidas de eficiencia y, por lo tanto, no generan costes administrativos. Ni la instalación ni la puesta en marcha de un sistema solar térmico tienen que registrarse, ni los rendimientos solares tienen que transmitirse a una oficina central.
Sectores y ámbitos de aplicación
El calor solar de proceso puede utilizarse de muchas maneras diferentes. Se pueden encontrar aplicaciones y procesos con un nivel de temperatura adecuado en casi todas las industrias. La figura 3 ofrece una visión general de algunos sectores industriales especialmente relevantes en Alemania y de los respectivos procesos con importantes necesidades de calor.
Fig. 3: Resumen de sectores industriales y procesos relevantes con rango de temperatura
En las empresas de tecnología de superficies hay muchos procesos adecuados que pueden calentarse con energía solar térmica. Los baños calentados (por ejemplo, para cualquier proceso de pulverización o inmersión), que se encuentran sobre todo en la galvanoplastia, pero también en otros sectores para el tratamiento previo y posterior, ofrecen muy buenas condiciones marco. Además, siempre hay que tener en cuenta los sistemas de ventilación. Aunque el nivel de temperatura aquí es muy bajo, la enorme necesidad de aire suele dar lugar a un consumo de calor considerable. En casi todas las empresas de la industria de tratamiento de superficies hay un secador al final de la cadena de procesos. También en este caso, el calor solar puede integrarse de forma muy eficiente, ya sea utilizando colectores de aire para generar aire caliente directamente o utilizando colectores guiados por agua junto con un intercambiador de calor aire-agua para calentar el aire de secado. Si el secado se realiza a través de sistemas de ventilación, se puede integrar otro intercambiador de calor en el propio sistema o integrar un intercambiador de calor solar en el circuito de calefacción convencional. Por último, pero no por ello menos importante, el calor solar puede utilizarse para suministrar agua caliente, por ejemplo para los procesos de limpieza y lavado. Además, el calor sobrante puede utilizarse para la calefacción de espacios en cualquier momento del periodo de calefacción, de modo que no se pierda calor.
Tecnología
Fig. 4: Esquema de una instalación solar térmica para el suministro de un disipador de calor (WS) con los componentes más importantes: colector y acumulador intermedio. También se muestran las bombas, los intercambiadores de calor y una válvula de tres vías La instalación termosolar es sólo un "ahorrador de combustible". Esto significa que no sustituye a la potencia de la caldera convencional, sino que sólo reduce el tiempo de funcionamiento de la caldera y, por tanto, el uso de combustibles fósiles. El sistema de calefacción convencional sigue siendo necesario en cualquier caso como reserva para los periodos de baja radiación. Sin embargo, dependiendo del tamaño del sistema solar térmico y del diseño de los componentes, el consumo final de energía (gas, madera, petróleo, electricidad, etc.) suele reducirse entre un 20 y un 50 %.
En la figura 4 se muestra la estructura básica de un sistema solar térmico. La pieza central es el colector, que, junto con un acumulador de calor, puede proporcionar una parte considerable de la demanda de calorsin emisiones de CO2, especialmente en los meses de verano. El principio de funcionamiento de un sistema solar térmico es siempre el mismo. La radiación solar se convierte en calor en el colector mediante el absorbedor. A continuación, este calor se transfiere al fluido caloportador del circuito solar. Por razones de protección contra las heladas, se suele utilizar una mezcla de glicol y agua. En los casos en los que, debido a las condiciones ambientales o a un sistema de calefacción activo, puede garantizarse la ausencia de heladas, actualmente existen en el mercado sofisticados sistemas que utilizan agua como medio. Esto se traduce en la correspondiente reducción de costes. En caso de temperaturas muy elevadas en el colector, también se puede utilizar un aceite térmico en el circuito del colector. Además del colector, suele ser necesario un acumulador intermedio, ya que el suministro de radiación solar rara vez coincide con la demanda de calor. Con ayuda de un acumulador, el calor solar puede almacenarse, por ejemplo, durante el día para la noche o durante el fin de semana para el siguiente día laborable, de modo que pueden alcanzarse altos índices de cobertura solar a pesar del desplazamiento temporal entre irradiación y demanda. En la mayoría de los casos, se utilizan tanques de almacenamiento de agua, que son especialmente rentables y respetuosos con el medio ambiente en comparación con otras tecnologías de almacenamiento de energía. Los tanques de almacenamiento de agua funcionan sin presión hasta 95 °C o con presión hasta 120 °C y están disponibles en el mercado con prácticamente cualquier volumen de almacenamiento. Debido a los diferentes medios (mezcla de glicol y agua en el circuito colector y agua en el circuito de almacenamiento), el acumulador y el colector suelen estar separados hidráulicamente por un intercambiador de calor.
Si se utiliza agua como medio de transferencia de calor en el circuito solar, se puede prescindir del intercambiador de calor. Las válvulas de tres vías en el flujo permiten estratificar el calor solar en función de la temperatura. También suele instalarse un intercambiador de calor entre el acumulador y el disipador de calor. Esto permite el calentamiento controlado y orientado a la demanda del medio de distribución en el lado del disipador de calor, ya que ahora los caudales de capacidad pueden regularse específicamente a ambos lados del intercambiador de calor. Dependiendo de la aplicación, el fluido del lado del disipador de calor también puede ser un ácido o un álcali, lo que también hace necesaria la separación hidráulica.
Selección de un colector adecuado
Fig. 5: Colectores adecuados con el rango de temperatura correspondiente para el suministro de calor de proceso solarLatemperatura que debe suministrar una instalación termosolar esdecisivapara la selección de un colector adecuado. Cuanto mayor sea la temperatura requerida, más complejo deberá ser el diseño del colector. Los colectores descubiertos, como los utilizados en piscinas al aire libre o para la calefacción de piscinas, no desempeñan un papel importante en las aplicaciones industriales debido al bajo nivel de temperatura posible. Gracias a su diseño sencillo, los colectores planos son especialmente rentables y el método preferido para temperaturas bajas y procesos de precalentamiento. Los colectores planos estándar permiten alcanzar temperaturas de hasta 80 °C (véase la figura 5). Con la ayuda de una doble cubierta transparente, se pueden reducir las pérdidas de calor de los colectores planos y alcanzar temperaturas de hasta 110 °C de forma eficaz. Los colectores de tubos de vacío utilizan el principio de aislamiento de un termo para reducir las pérdidas de calor, lo que permite alcanzar temperaturas aún más elevadas que en los colectores planos. Dependiendo de si este tipo de colector está equipado con un espejo en la parte posterior (colector CPC) o no, el rango de aplicación razonable para estos colectores es de entre 80 ... 150 °C. Estos colectores son especialmente interesantes para el sector industrial, ya que los nuevos desarrollos permiten cargas muy bajas en los tejados. Los tubos pueden girarse individualmente, de modo que pueden orientarse perfectamente hacia el sur independientemente de la orientación del tejado. Esto evita la necesidad habitual de inclinar los colectores, lo que se traduce en menores cargas de viento, que suelen ser más problemáticas que las cargas estáticas del propio colector a la hora de comprobar la capacidad de carga del edificio. Los colectores de concentración funcionan según el principio del cristal ardiendo. Se alinean continuamente en la dirección del sol, enfocando los rayos solares entrantes en el punto focal del absorbedor y, por tanto, pueden proporcionar temperaturas de hasta 400 °C. Sin embargo, como estos colectores sólo pueden utilizar la radiación solar directa y una gran parte de la radiación que llega a Europa Central es difusa, los colectores de concentración son más adecuados para el sur de Europa.
El caso especial de los colectores de aire
Los colectores de aire son un caso especial. Éstos prescinden de un medio de transferencia de calor líquido y utilizan aire en su lugar, lo que cambia por completo el diseño del sistema. Los colectores de aire son adecuados cuando se necesitan grandes cantidades de aire caliente, por ejemplo, para aplicaciones de secado o ventilación. Están disponibles como colectores planos (hasta 80 °C) o tubulares (hasta 180 °C). Aunque es posible almacenar el aire caliente, esto sólo suele ser posible con gran esfuerzo. Los colectores de aire se caracterizan por los bajos costes del sistema y los altos rendimientos específicos.
- Continuación
Bibliografía
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[3] Ministerio Federal de Economía y Energía, Facts and Figures Energy Data, 2018
[4] Ministerio Federal de Economía y Energía, Prozess wärme aus erneuerbaren Energien: Umsteigen und von Förderung profitieren, disponible en https://www.deutschland-machts-effizient.de/KAENEF/Redaktion/DE/Foerderprogramme/energieeffizienz-in-der-wirtschaft-modul-2-prozesswaerme.html, consultado el 14 de mayo de 2019
[5] Bundesnetzagentur, Bundeskartellamt, s.f., Gaspreise* für Gewerbe- und Industriekunden in Deutschland in den Jahren 2008 bis 2018 (in Euro-Cent pro Kilowattstunde), Statista, disponible en https://de.statista.com/statistik/daten/studie/168528/umfrage/gaspreise-fuer-gewerbe-und-industriekunden-seit-2006/, consultado el 14 de mayo de 2019,
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