Calor solar para la industria de pintura

La integración de energía solar como fuente de calor industrial en una planta de manufactura de pinturas representa una solución viable para avanzar hacia una industria de pintura con cero emisiones. En este proyecto estudiamos la viabilidad de implementar un campo solar térmico capaz de suministrar aire caliente industrial con energía solar a 200ºC, cubriendo gran parte de la demanda térmica del proceso.

Este tipo de solución permite la descarbonización de procesos térmicos industriales y ofrece una alternativa competitiva con un coste nivelado del calor solar industrial (LCOH) alrededor de €20/MWh. Esto muestra claramente la viabilidad económica del calor solar en sectores con alta demanda térmica como este. No solo promovemos el ahorro energético, sino que también mejoramos las expectativas económicas del cliente.

¿Y cómo lo hacemos en práctica? Los ingredientes más importantes en la producción de pintura son:

• Resina – se utiliza para unir el resto de los componentes y otorgarle a la pintura sus cualidades adhesivas.
• Disolvente – actúa como transportador de los demás componentes. A medida que la pintura se seca, el disolvente se evapora y la solución se solidifica.
• Pigmento – da el color a la pintura.
• Aditivos – se incorporan para que la pintura sea más fácil de usar, y le otorgan diversas cualidades útiles, como un secado rápido y resistencia a las grietas y las rozaduras.

Desde el punto de vista energético, la resina es la más importante de todos estos ingredientes. Su producción contiene varios procesos que necesitan aire y agua caliente con temperaturas alrededor de 200ºC y 80ºC respectivamente para el secado. Te mostramos como se descarbonizan abajo.

Generación del calor

Empezamos con la generación del calor, y para esto utilizamos Captadores cilindroparabólicos (CCP). Ya hemos discutido como operan en un texto previo (aquí), así que no vamos a sumergirnos profundamente otra vez. Lo importante es que en el campo entra agua a unos 122ºC y el este la lleva a 245ºC, abasteciendo de manera económica unos 70% de la demanda anual de calor en la planta. Los 30% que sobran se pueden proporcionar por una caldera eléctrica para completar la descarbonización, o por la caldera de gas natural que ya estaba presente en la fábrica.

Ilustración 1 Captadores cilindroparabólicos

Sistema de almacenamiento

Gracias al sistema de almacenamiento térmico solar, es posible garantizar la operación 24/7 y la continuidad de los procesos, incluso en ausencia de sol. En este caso, la demanda térmica del cliente es relativamente baja (56 GWh/año), que permite la instalación de un sistema de almacenamiento (TES) con tanque termoclina. Esta tecnología se caracteriza por el uso de un solo tanque que alberga tanto el agua caliente procedente del campo solar, como el agua fría que tiene pendiente entrar allí y calentarse. Los dos tienen una densidad diferente a causa de su temperatura diferente, que les permite estar separados. Se forma una capa, llamada la termoclina, con gradiente térmico pronunciado entre las partes caliente y fría del tanque (Ilustración 2).

Ilustración 2: Operación de tanque de almacenamiento con termoclina

La tubería del tanque está conectada de modo que refuerza la separación – cuando el sistema se carga, el agua caliente entra por la parte superior del tanque y permanece allí por su densidad baja. En períodos de descarga, el agua fría que ha pasado su energía al cliente entra por la parte baja del tanque y se mantiene allí a causa de su densidad alta. El esquema arriba visualiza estos modos de operación.

Los sistemas con tanque termoclina tienen una clara ventaja económica frente los sistemas de almacenamiento con dos tanques. Simplemente necesitan la mitad de tuberías y tanques, que se equivalente a unos costes menores. Su desventaja principal es que ofrecen un peor nivel de control de la temperatura de los flujos salientes y, además, tienen un límite práctico en su tamaño: más allá de ciertas dimensiones, mantener una capa de termoclina definida y estable se vuelve técnicamente complicado debido a la dinámica de fluidos y los efectos de difusión del calor.

Suministro de energía

Para suministrar el aire caliente al cliente, tenemos que resfriar el agua saliente del campo solar y transferir su energía al aire y para esto utilizamos un intercambiador de calor. Los intercambiadores de serpentín son especialmente eficientes en este ámbito, gracias a su larga superficie de transferencia. El intercambiador consiste en tubos por donde pasa el agua caliente (Ilustración 3, derecha). Los tubos tienen aletas de metal que extienden su superficie y mejoran la transferencia de calor al aire. Toda esta tubería se monta en una instalación con rejas para reducir el ensuciamiento de las aletas. En la ilustración abajo se ven claramente los dos pares de entradas y salidas del fluido (los cuatro tubos en las esquinas del intercambiador) y la reja detrás. Ventiladores grandes crean un corriente de aire que pasa en dirección perpendicular a los tubos en una serie de intercambiadores como este. El aire con temperatura ambiental entra por un lado y sale a 200ºC por el otro.

Ilustración 3: Tubos de intercambiador con aletas (derecha) e intercambiador completo (izquierda)

El agua que sale del serpentín todavía está bastante caliente y tiene mucha energía térmica. 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.

Ilustración 4: Intercambiador de calor de tubo y carcasa

Reposición de agua y conclusión

Con todo el calor transmitido al cliente el agua fría (en el contexto del sistema, por lo menos) vuelve al tanque termoclina para esperar su siguiente vuelta. En este caso, el sistema solar térmico funciona en un circuito cerrado. Es decir, el agua circula únicamente entre el campo solar, el tanque de almacenamiento y los intercambiadores de calor con el cliente, sin salir del sistema. Como el sistema requiere que el agua cumpla con características específicas y no podría funcionar de forma segura con agua tomada directamente de la red, es bastante ventajoso operar en circuito cerrado. Así basta con tratar una sola vez el volumen inicial de agua, y únicamente se requiere reponer pequeñas cantidades en caso de pérdidas, reduciendo significativamente los costes de desalinización y el control del contenido químico del agua.

Y eso es todo: así funciona este tipo de sistema para la producción de aire caliente con almacenamiento térmico. Hemos logrado una cobertura solar del 70 % de la demanda térmica, posicionando a los clientes como pioneros en la descarbonización tanto de la industria de pinturas como del sector químico en general.

En FersiSolar sabemos cómo diseñar, construir y manejar tales plantas y ayudarte a descarbonizar tu consumo de calor industrial. El momento de actuar por el clima es ahora, y la solución ya existe. Contáctanos.