El siguiente artículo está dedicado al suministro de calor renovable en empresas de tratamiento de superficies, centrándose en el suministro de calor de proceso solar.
¿Cuál es el potencial de mi empresa?
La planificación de un sistema de calor de proceso solar es relativamente compleja. Sin embargo, con las herramientas desarrolladas recientemente, es posible estimar el potencial técnico con sólo unos pocos detalles como parte de un estudio de viabilidad. Para empezar, hay que comprobar si hay tejados o espacios abiertos disponibles para la instalación de colectores solares. Lo ideal es que las superficies estén orientadas al sur, aunque una orientación este/oeste sólo dará lugar a rendimientos solares ligeramente inferiores. Además, también debería existir una demanda de calor relevante en verano a un nivel de temperatura adecuado de hasta 150 °C como máximo. Al diseñar la instalación solar térmica, debe decidirse qué disipadores de calor se van a suministrar realmente. Para ellos debe determinarse la demanda media diaria de calor en verano, así como las temperaturas de ida y retorno. Con estos datos y especificando la ubicación mediante el código postal, se puede utilizar la herramienta de predimensionamiento de www.solare-prozesswärme.info/vorauslegung.
Fig. 10: Esquema de contratación del suministro de calor
Una instalación solar térmica es más económica cuando sustituye la mayor cantidad posible de energía fósil con la menor inversión posible. En otras palabras, esto significa que una instalación solar térmica debe tener la mayor especificidad posible 
Fig. 11: Ejemplo de diseño basado en la demanda de calor en verano para un perfil de carga determinado (negro) y la curva de rendimiento solar a lo largo del año en las condiciones dadas (amarillo)Rendimiento anual (= rendimiento anual por superficie de colector en kWh/(m2a)). Para ello, debe aprovecharse la mayor parte posible del suministro anual de radiación solar sin que se produzcan excedentes de calor significativos. Por ello, en un primer paso, las instalaciones solares térmicas para la industria y el comercio se dimensionan tan grandes que los colectores puedan cubrir justo la totalidad de la demanda de calor en un día laborable de verano con un cielo predominantemente azul.
La cantidad de energía irradiada en un buen día de verano es de aprox. 7..8 kWh/(m2d) en todo el mundo. Dependiendo de la tecnología de colectores elegida y de la temperatura requerida, puede aprovecharse en torno al 50% de esta cantidad, es decir, 3..4 kWh/(m2d). Con ayuda de este valor de diseño y de la demanda de calor en un día de verano, en el siguiente paso se puede calcular la superficie de colectores recomendada.
Esta estrategia de dimensionamiento se explica a continuación mediante un ejemplo:
La figura 11 muestra un ejemplo de la evolución de la demanda diaria de calor de una planta de galvanoplastia a lo largo del año. Se aprecia claramente el aumento de la demanda de calor en invierno para ventilación y calefacción. También está claro que sigue habiendo una carga térmica base relevante los fines de semana, que puede cubrirse fácilmente con el sistema solar térmico. La demanda media diaria de calor en verano, que se fijó en 5,3 MWh/d para el diseño, está marcada por la línea roja. Las temperaturas en la red de calefacción galvánica son de 80 °C en la ida y 60 °C en el retorno.
Si se utilizan estos datos en la herramienta de predimensionamiento antes mencionada (véase la Fig. 12 a la izquierda), el valor de diseño de 3 kWh/(m2d) determinado en la herramienta da como resultado una posible superficie de colectores de 1.766m2. En combinación con un volumen de almacenamiento de 135m3, se obtiene un rendimiento específico de 346 kWh/m2 a las temperaturas dadas (véase la fig. 12 derecha). En la figura 11 se muestra el resultado de una simulación del rendimiento solar diario con este diseño. Se puede observar que no se producen excedentes ningún día, lo que significa que se puede aprovechar todo el rendimiento solar. En verano es posible obtener rendimientos significativamente superiores debido al aumento de los valores de irradiación, pero la instalación solar térmica también puede proporcionar una proporción relevante de la demanda de calor en el periodo transitorio y en los días de invierno, reduciendo así el tiempo de funcionamiento de la caldera y el uso de combustibles fósiles.
Fig. 12: Izquierda: Entrada de la información necesaria en la herramienta, derecha: Salida del diseño y estimación del rendimientoDependiendode la superficie del colector, el rango de temperatura y la progresión temporal de la demanda de calor, pueden ser necesarios diferentes volúmenes de almacenamiento para un funcionamiento eficiente del sistema. El objetivo debe ser siempre conseguir el volumen necesario con un único acumulador dentro del edificio. De este modo, además de optimizar la carga y descarga y reducir las pérdidas de calor, también se pueden mantener los costes del sistema lo más bajos posible. En el mercado hay varios fabricantes que ofrecen acumuladores preconfigurados, soldados in situ o modulares, por ejemplo de acero, plástico o PRFV. En una primera aproximación, el acumulador se diseña de forma que se pueda almacenar al menos la irradiación de un buen día de verano (3 ... 4 kWh/(m2d)). Si son necesarias varias unidades de almacenamiento en las circunstancias dadas, no deben conectarse en paralelo sino en serie.
La metodología utilizada en la herramienta también se ha incorporado a la nueva directriz VDI 3988 Calor de proceso solar térmico.
Mercado
A finales de 2018, 33.000m2 de superficie de colectores en más de 300 sistemas de calor de proceso solar están en construcción y en funcionamiento en Alemania. Los sistemas implementados están dominados por aplicaciones agrícolas en las que la biomasa (por ejemplo, astillas de madera, pellets, heno) se seca utilizando colectores de aire. En estos casos se suelen utilizar superficies de colectores más pequeñas, del orden de 60m2. Al mismo tiempo, sin embargo, el mayor sistema de calor de proceso solar de Alemania, con 1.300m2, también se utiliza para secar astillas de madera. En general, el mercado ha mostrado en los últimos años una tendencia hacia campos de colectores más grandes en muchos ámbitos de aplicación. Como muestra la figura 13, el abanico de aplicaciones es enorme. Los procesos de secado se pueden encontrar en muchas empresas industriales a diferentes niveles de temperatura. Especialmente en los procesos de secado con un elevado intercambio de aire, a menudo tiene sentido precalentar el aire con el sistema solar térmico y, en caso necesario, hacer que la caldera garantice la temperatura objetivo. Sin embargo, los sistemas de climatización para aire acondicionado y los secadores de aire recirculante en combinación con colectores de aire o sistemas guiados por agua también ofrecen un gran potencial, como demuestran algunos ejemplos de aplicación. Otro ámbito de aplicación en el que se han implantado hasta la fecha un gran número de sistemas es la limpieza de vehículos. Algunos proveedores han declarado que la solarización de sus instalaciones forma parte de su estrategia corporativa y la utilizan activamente con fines de marketing. El calor solar se utiliza aquí para calentar el agua de lavado y, en algunos casos, para mantener las naves de lavado sin hielo en invierno mediante calefacción por suelo radiante. Sin embargo, también hay numerosos ejemplos de buenas prácticas en otros sectores que requieren mucha limpieza. En particular, en la industria alimentaria, con sus elevados requisitos de higiene, todas las máquinas y salas de producción deben limpiarse a fondo al menos una vez al día, lo que se traduce en una demanda considerable de agua caliente. Por último, aunque no por ello menos importante, en muchas empresas también se limpia el propio producto, pretratándolo en soluciones acuosas o desengrasándolo. La galvanoplastia y la tecnología de superficies también ofrecen muy buenas oportunidades para utilizar el calor solar de proceso. Algunas empresas del sector ya han reconocido el gran potencial y han invertido en calor renovable.
Fig. 13: Desglose de la superficie de colectores instalada por sectores
Según las estimaciones, hay más de 1.000 sistemas instalados en todo el mundo que proporcionan calor solar de forma fiable para procesos industriales, con una fuerte tendencia al alza. Los sistemas solares térmicos a gran escala (> 1.000m2 de superficie de colectores) se están instalando sobre todo en Asia. India, China y México son pioneros mundiales en este ámbito.
Los mejores sistemas en tecnología de superficie
Huster Galvanik (Fuente: Ritter XL)Heinz Daurer & Söhne GmbH es una empresa mediana de galvanoplastia de la zona de Karlsruhe. Antes de instalar el sistema solar, dos calderas de gasóleo eran las únicas responsables del suministro de calor. Gracias a la orientación del tejado de la nave de producción hacia el este y el oeste, el rendimiento solar puede distribuirse bien a lo largo del día utilizando ambas mitades del tejado. Se ha instalado un total de 300m2 de colectores CPC que, junto con un acumulador intermedio de 15m3 conectado directamente en el interior del edificio, abastecen a varios disipadores de calor a distintos niveles de temperatura. Además de las propias cubas de galvanoplastia, el lavador de aire, los sistemas de secado y la calefacción de las salas también se abastecen con calor solar. En los meses de verano, las calderas, que alimentan de calor el mismo acumulador intermedio, pueden permanecer completamente apagadas un gran número de días. Si la irradiación es insuficiente, los colectores refuerzan el flujo de retorno, mientras que las calderas de gasóleo garantizan que se alcance la temperatura objetivo de 90 °C.
El ejemplo de Huster Galvanik demuestra que un sistema de energía solar térmica también puede proporcionar calor de forma eficiente sin un depósito de almacenamiento. En este caso, la empresa y los planificadores decidieron integrar la instalación solar térmica en el sistema en paralelo con la caldera y prescindir del acumulador. Debido a que la demanda y el suministro de radiación solar se producen a menudo de forma simultánea, aún se puede alcanzar una elevada tasa de cobertura solar del 40 %. Los colectores CPC de alta calidad con una superficie de 220m2 proporcionan calor a 90 °C para calentar los baños Galavanik. A pesar del nivel de temperatura comparativamente alto, se alcanza un rendimiento específico de 430 kWh/(m2a).
Autohaus Friedrich Hoffmann GmbH & CoKG (Fuente: Grammer Solar)En algunos talleres de pintura, como Autohaus Friedrich Hoffmann GmbH & Co KG en Sundern, el calor solar se utiliza directamente para el precalentamiento del aire. Para ello se utilizan cada vez más colectores de aire. En la empresa Lethe, especializada en el tratamiento de barcos y yates, se calientan 1.400m3 de aire por hora mediante 40m2 de colectores de aire. El aire caliente se utiliza, entre otras cosas, en el proceso de pintura. En este caso, se necesitan grandes caudales de aire a temperaturas moderadas (aprox. 22 a 24 °C) para eliminar las partículas de pintura. El calor sobrante se introduce directamente en el sistema de calefacción de la sala.
El centro de pintura de Schulte en Meppen también utiliza calor solar para el proceso de pintura (22.000m3/h a 24 °C). El calor también se utiliza para secar la pintura. Para calentar el aire hasta 70 °C, los colectores de tubos de vacío de 134m2 proporcionan 85 °C en un intercambiador de calor aire-agua. El sistema global, que se completa con dos depósitos de inercia de 5m3, proporciona 54 MWh de calor al año. Esto corresponde a una cobertura solar de alrededor del 30%.
Más información
En resumen, puede decirse que el calor solar de proceso tiene una gama muy amplia de aplicaciones y ya se está utilizando en muchas empresas para reducir los costes energéticos y, al mismo tiempo, lasemisiones de CO2 relacionadas con la producción. Este último punto puede ser especialmente relevante para las empresas de la industria de tratamiento de superficies, ya que las empresas de este sector suelen tener un alto impacto medioambiental. Al mismo tiempo, la inversión en un sistema solar térmico de calentamiento de procesos también puede reconocerse como parte del proceso de mejora continua (CIP) de acuerdo con la norma DIN ISO 50001.
Centro de pintura Schulte (fuente: s power)
En la mencionada página web independiente del fabricante www.solare-prozesswärme.info encontrará información básica y de fondo sobre el uso del calor solar en la industria y el comercio. Además de la herramienta de planificación previa aquí presentada, se presenta regularmente información actual sobre el mercado alemán y nuevos sistemas de mejores prácticas de diversos sectores. También se pueden descargar otras publicaciones relevantes, como directrices específicas del sector. En breve, el sitio web incluirá también un mapa con todas las realizaciones en Alemania, incluida la información pertinente. Además de los aspectos técnicos, también se incluirá una lista de planificadores y profesionales implicados para facilitar a las empresas interesadas la búsqueda de socios adecuados para sus proyectos.
Bibliografía
[1] ADAC, s.f., Proporción de carreteras en Alemania en relación con la superficie total del país en 2014, Statista, consultado el 7 de mayo de 2019, disponible en https://de.statista.com/statistik/daten/studie/163401/umfrage/anteil-der-strassen-in-deutschland-an-der-gesamtflaeche/
[2] Ministerio Federal de Medio Ambiente, Protección de la Naturaleza y Seguridad Nuclear, Política energética 20 años después de Chernóbil, Documentación de la Conferencia Chernóbil 1986-2006: experiencias para el futuro, Berlín, 24/25 de abril de 2006
[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,
[6] Asociación de Ingenieros Alemanes, VDI 3988, Calor de proceso solar térmico (impresión verde), Beuth Verlag, Berlín, 2018.
