Calor industrial solar
Muchas veces hemos discutido la importancia de la descarbonización del calor de proceso en las industrias y hemos sostenido que la energía solar de concentración podría tener un papel importante en esto. Pero ¿cómo se reemplazan los combustibles fósiles en términos prácticos? En este texto nos adentramos de lleno en el tema.
Arriba tenemos el esquema que nos va a guiar. Nos centraremos en un caso en que proporcionamos calor industrial en la forma de vapor a 180ºC y agua caliente de 85ºC. Temperaturas como estas son típicas para la industria alimentaria y son en la mira de diferentes proyectos de descarbonización industrial. Por ejemplo, en Sevilla captadores cilindroparabólicos producen agua caliente presurizada con temperatura de 210ºC, mientras en Finlandia un sistema eléctrico en la planta de Herkkumaa Oy produce vapor a 180ºC. Idealmente, el sistema va a proporcionar calor a dos temperaturas diferentes para alcanzar la mayor eficiencia energética posible.
Generación del calor
Empezamos con la generación del calor, y para esto utilizamos Captadores cilindroparabólicos (CCP) o Fresnel lineares (LF). Ambos lineales son tecnologías de concentración solar que funcionan mediante la reflexión de la radiación solar hacia un tubo receptor por el que circula un fluido térmico. En el caso de que hablamos en este texto, en que nos gustaría producir vapor a unos 180ºC, el fluido de trabajo sería agua presurizada.
En el campo entra agua a unos 95ºC y el este la lleva a 245ºC (más tarde discutiremos porque 245ºC y no 180ºC). Si se tratara de temperaturas más altas, sería necesario utilizar aceites térmicos, pero a temperaturas tan bajas no hay ningún problema en usar agua que es más barata y fácil de operar.
Los captadores cilindroparabólicos (Ilustración 1) utilizan espejos curvados con forma parabólica en un eje longitudinal. Estos espejos siguen el movimiento del sol a lo largo del día y concentran la radiación solar en una línea focal donde se encuentra el tubo receptor. Este tubo está cubierto por una envoltura de vidrio para reducir las pérdidas térmicas y contiene el agua que calentamos. El campo solar consistiría en filas de captadores que calientan el agua hasta la temperatura deseada. Añadiendo más filas en paralelo, se incrementa la potencia del sistema. En comparación con los Fresnel lineales, los CCP son más eficientes en la conversión de energía solar en calor, y por esto necesitan menos espacio para proporcionar la misma capacidad.
Ilustración 1: Captador cilindroparabólico (izquierda) y campo solar de captadores (derecha)
En cambio, los captadores Fresnel lineales emplean múltiples espejos planos o ligeramente curvados, dispuestos en filas paralelas en el suelo. Cada espejo se orienta de forma independiente para reflejar la luz hacia un tubo receptor fijo, ubicado en una estructura elevada. Aunque la concentración solar no es tan precisa como en los cilindroparabólicos, los sistemas Fresnel tienen un menor coste de materiales y un diseño más ligero, lo que les permite integrarse incluso en las cubiertas de las plantas industriales.
Ilustración 2: Captador Fresnel lineal y campo de captadores
Antes de cerrar esta sección, no debemos olvidar que el campo solar no podría proporcionar económicamente 100% del calor necesario. Se necesita otro sistema que opere en paralelo el solar y se active cuando la energía termosolar no sea suficiente. Este puede ser la caldera de combustibles fósiles que fue reemplazada con la instalación del sistema termosolar para evitar costes adicionales, o puede ser una caldera eléctrica o de biomasa para conseguir una descarbonización completa.
Al final, la energía termosolar es una de las herramientas para reducir el uso de fuelóleo y gas natural en las industrias y disminuir su huella de carbono, pero no es la única. Se pueden utilizar estas otras energías renovables en conjunción con la termosolar en casos con poco espacio libre cerca de la planta o en lugares con poca irradiación.
Sistema de almacenamiento
Cuando ya hemos producido el calor, tenemos que almacenarlo hasta el momento oportuno de su uso. La manera más fácil sería de tener un tanque bien aislado y dejar el agua presurizada procedente del campo solar allí. Así evitamos la necesidad de instalar un intercambiador para pasar el calor del agua al material usado por el sistema de almacenamiento (TES).
Ilustración 3: Tanques de almacenamiento térmico con agua presurizada
¿Y por qué producimos agua a 245ºC? Primero, si tenemos que proveer vapor a 180ºC, es importante tener una temperatura más alta en el TES para asegurarnos que siempre seríamos capases de extraer al menos 180ºC, aun cuando el campo solar no había funcionado durante un rato y la temperatura en el tanque ha bajado un poco. Segundo, si sacamos calor de un material enfriándolo, la cantidad de energía depende de la diferencia entre la temperatura inicial y la temperatura final (Tcaliente – Tfrío). Si Tcaliente sube 70% y Tfrío no cambia, la misma cantidad de material podría almacenar ~70% más calor. Esto es importante, porque un TES mas voluminoso va a ser más caro también.
¿Y si subir la temperatura de producción es mejor, porque nos quedamos sólo con 245ºC? Primero, mantener el agua líquida en 245ºC necesita presiones considerables de 40 bares. Subir la temperatura más significa subir la presión, que requiere componentes más duros y caros. Segundo, las regulaciones de seguridad se van más rigurosos con la subida de la presión por razones obvias, que encarece el sistema aún más.
Dicho todo, 245ºC es una temperatura que equilibra estos factores y nos permite utilizar un tanque de almacenamiento de tamaño razonable que sigue siendo suficientemente barato.
Suministro de energía
Hemos alcanzado el momento deseado de proveer el calor generado al consumidor industrial. Empezando con el vapor, la manera más fácil de producir vapor desde agua presurizada sin subir su temperatura es de reducir la presión (evaporación súbita o steam flashing en inglés) poniendo el agua en una cámara flash. Lo que sucede es que, a menor presión, el punto de ebullición del agua baja —y como ya estaba más caliente que ese nuevo punto de ebullición, una parte «hierve» al instante sin añadirle más calor.
Buena parte del agua va a permanecer líquida bajo la nueva presión, así que todavía tenemos una mezcla de agua líquida y vapor. Para separarlos, se utiliza un tambor de vapor. Este recipiente permite que el vapor ascienda y se libere por la parte superior, mientras que el agua más densa cae al fondo. De esta forma, se obtiene vapor limpio por una salida superior que suministramos a la planta industrial y agua caliente por una salida inferior.
Ilustración 4: Intercambiador de calor de tubo y carcasa
El agua separada aún contiene energía térmica útil. Para aprovecharla, se puede usar un intercambiador de calor tipo tubo y carcasa (Ilustración 4). En este sistema, el agua caliente fluye por los tubos o por la carcasa, mientras que el otro circuito de agua (el que queremos calentar) circula en la parte opuesta. El calor se transfiere a través de las paredes de los tubos sin mezclar los fluidos, calentando así eficientemente un segundo bucle de agua para otros usos en la planta. Una vez sacado el calor, esta agua llega a través de una línea de retorno al intercambiador de calor para repetir su ciclo.
Reposición de agua y conclusión
Por último, nos queda el grupo de sistemas de reposición de agua. El sistema descrito opera con un ciclo abierto, esto significa que el vapor utilizado en el proceso industrial no se puede condensar y utilizarse otra vez. Por lo tanto, tenemos que abastecer el sistema constantemente con agua para compensar por estas pérdidas. Al entrar, se presuriza hasta alcanzar los 40 bares al que opera el sistema. Luego entra en un tanque de suministro, donde espera que llegue su turno de entrar en el campo solar.
Así integramos la energía termosolar renovable en el consumo de calor en las industrias si se trata de suministro de calor con temperatura debajo de 250ºC. Los mismos campos solares pueden alcanzar hasta los 425ºC de calor con unos cambios en el sistema de almacenamiento térmico y el fluido de trabajo. La industria puede ser en el sector alimentario, textil, químico, papelero o cualquier otro que necesita calor. En FersiSolar sabemos cómo ayudarte a descarbonizar tu consumo de calor industrial. El momento de actuar por el clima es ahora, y la solución ya existe. Contáctanos.
