¿Puede la refrigeración con energía solar térmica de concentración reducir el consumo de electricidad en la refrigeración industrial?
¿Puede descarbonizarse la demanda de refrigeración?
La demanda de refrigeración está aumentando en los procesos industriales y los edificios, impulsada por temperaturas ambiente más altas y requisitos más estrictos de control de procesos. En la actualidad, la mayor parte de esta demanda se cubre mediante sistemas de compresión de vapor, el mismo principio que se utiliza en los aparatos de aire acondicionado y frigoríficos convencionales, en los que un compresor accionado eléctricamente hace circular un refrigerante.
Dado que los sistemas de compresión de vapor funcionan con electricidad, una mayor demanda de refrigeración incrementa el consumo eléctrico y puede aumentar las cargas eléctricas punta. En muchas regiones, la demanda de refrigeración alcanza su máximo cuando las temperaturas son más altas, lo que incrementa la carga eléctrica en periodos en los que la red ya puede estar limitada.
En las instalaciones industriales que requieren tanto calor de proceso como refrigeración, la refrigeración accionada térmicamente (por absorción) puede ayudar a descarbonizar la industria sin trasladar a la electricidad una demanda adicional de refrigeración.
¿Qué es la refrigeración por absorción y cómo funciona?
La refrigeración por absorción ofrece una alternativa al producir frío a partir de calor en lugar de electricidad. Este artículo se centra en las enfriadoras de absorción accionadas por calor, que utilizan energía térmica para impulsar el ciclo de refrigeración.
Desde el punto de vista conceptual, el objetivo termodinámico sigue siendo el mismo que en los sistemas de refrigeración convencionales: se extrae calor de una fuente a baja temperatura y se rechaza hacia un foco a mayor temperatura. Lo que cambia en una enfriadora de absorción es la forma de accionar el ciclo.
En lugar de compresión mecánica, la energía térmica impulsa la separación y circulación de los fluidos de trabajo. El calor absorbido del circuito de agua enfriada se rechaza finalmente a través del circuito de agua de refrigeración.
A continuación se explica con más detalle el ciclo termodinámico.
¿Dónde se utiliza la refrigeración en los procesos industriales?
La refrigeración se requiere en rangos de temperatura y etapas de proceso específicos, según el sector y la operación.
En la industria de alimentación y bebidas, la refrigeración se necesita en múltiples etapas: enfriamiento rápido tras un tratamiento térmico, conservación a unos 2–8°C, congelación por debajo de 0°C y control de la fermentación entre aproximadamente 5 y 30°C. También suele aplicarse refrigeración adicional antes del envasado para estabilizar las condiciones del producto.
En sectores como papel, química y farmacia, la refrigeración está directamente vinculada al control del proceso. Se utiliza para extraer calor de equipos y corrientes de proceso, mantener las temperaturas de reacción, condensar vapores y facilitar procesos de cristalización o separación. En aplicaciones químicas y farmacéuticas, el control de temperatura puede abarcar desde niveles de refrigeración bajos (2–8°C o inferiores) hasta un enfriamiento controlado próximo a las condiciones ambientales.
La demanda de refrigeración forma parte del propio proceso y sus requisitos vienen determinados por la producción, la seguridad y la calidad del producto.
¿Puede la energía solar térmica de concentración (CST) suministrar refrigeración industrial?
La energía solar térmica de concentración (CST) puede proporcionar la energía térmica necesaria para accionar enfriadoras de absorción. Un campo solar transfiere calor mediante un fluido térmico a un intercambiador de calor conectado a la enfriadora, a menudo con apoyo de almacenamiento de energía térmica (TES) para prolongar el funcionamiento más allá de las horas solares. Según el perfil de operación requerido y la contribución solar, el sistema también puede incluir aporte térmico de respaldo.
Para las plantas que ya están considerando calor industrial con energía solar térmica de concentración, el mismo campo CST puede suministrar calor de proceso y energía térmica a una enfriadora de absorción. Esto permite que la energía solar térmica de concentración cubra tanto la demanda de calor de proceso como la de refrigeración dentro del mismo sistema térmico.
Esto resulta especialmente útil para la CST para la descarbonización industrial cuando una planta tiene necesidades tanto térmicas como de refrigeración: el calor solar térmico de concentración puede sustituir parte del aporte térmico procedente de combustibles fósiles y, al mismo tiempo, accionar la refrigeración por absorción.
¿Cuáles son los principales componentes de un sistema de refrigeración por absorción?
Desde el punto de vista técnico, el sistema está compuesto por intercambiadores de calor, bombas, torres de refrigeración y unidades absorbedor–generador.
La diferencia entre la refrigeración convencional y la basada en absorción se ilustra en las Figuras 1 y 2.
Figura 1: Diagrama esquemático básico de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.
Figura 2: Diagrama esquemático básico de un sistema de refrigeración por absorción.
El sistema puede entenderse mediante tres circuitos que interactúan entre sí:
- Circuito de refrigerante, donde se produce la refrigeración mediante un cambio de fase
- Circuito de solución (LiBr), que permite la absorción y la regeneración
- Circuitos auxiliares, incluidos el agua enfriada, el agua de refrigeración y el aporte térmico
Figura 3: Enfriadora de absorción de simple efecto de LiBr
La configuración descrita aquí corresponde a una enfriadora de absorción de simple efecto, el tipo más habitual, que funciona con un aporte térmico a temperatura moderada y normalmente utiliza LiBr–agua como par de trabajo.
¿Cómo funciona una enfriadora de absorción?
El sistema funciona con un par agua–bromuro de litio, en el que el agua actúa como refrigerante.
Evaporador – donde se produce la refrigeración
El refrigerante entra en el evaporador a mayor presión y temperatura y se expande hasta condiciones próximas al vacío. Esta rápida caída de presión, desde aproximadamente 101.3 kPa (ambiente) hasta unos 0.7–1 kPa, provoca una evaporación súbita y la correspondiente disminución de temperatura.
En estas condiciones, el agua hierve a 4–7°C, lo que permite absorber calor del circuito de agua enfriada. Aquí es donde se produce la refrigeración.
La Figura 4 ilustra la relación presión–temperatura que permite la evaporación a baja temperatura.
Figura 4: Diagrama de fases del agua (presión frente a temperatura)
Absorbedor – mantenimiento del ciclo
El vapor entra en el absorbedor, donde una solución concentrada de LiBr absorbe el vapor de agua y forma una solución diluida. El LiBr tiene una gran afinidad por el agua, lo que permite que la solución absorba el vapor procedente del evaporador. El absorbedor funciona a unos 30–40°C y a presiones próximas a 1 kPa.
Durante la absorción se libera calor, que se elimina a través del circuito de agua de refrigeración. Esto mantiene las condiciones de baja presión necesarias en el evaporador.
La Figura 5 muestra el comportamiento termodinámico del sistema LiBr–agua.
Figura 5: Diagrama de Dühring para la solución de LiBr–agua
Generador – separación accionada por calor
La solución diluida se envía al generador, donde se aporta energía térmica. A temperaturas de 80–110°C y presiones de 6–10 kPa, el refrigerante se separa de la solución, regenerando el absorbente concentrado.
Este paso sustituye la compresión mecánica por energía térmica.
Condensador – cierre del ciclo
El vapor de refrigerante se condensa a 30–45°C, rechazando calor a través del circuito de agua de refrigeración. El refrigerante líquido vuelve al evaporador, mientras que la solución regenerada de LiBr regresa al absorbedor, completando el ciclo.
La solución diluida se envía al generador, donde se aporta energía térmica. A temperaturas de 80–110°C y presiones de 6–10 kPa, el refrigerante se separa de la solución, regenerando el absorbente concentrado.
Este paso sustituye la función de un compresor utilizando calor en lugar de trabajo mecánico.
¿Cómo puede integrarse la refrigeración accionada por CST en los procesos industriales?
Los sistemas industriales suelen combinar calor de proceso con necesidades de refrigeración y frío, como ocurre en sectores como alimentación, química, farmacia y fabricación. Los requisitos de refrigeración abarcan desde la conservación a baja temperatura hasta el control de temperatura específico del proceso y la extracción de calor.
Para las plantas que utilizan energía solar térmica de concentración para procesos industriales, la refrigeración por absorción ofrece otro uso para la energía térmica generada por el campo CST. En lugar de suministrar únicamente calor de proceso, el calor de energía solar térmica de concentración (CST) también puede accionar la refrigeración allí donde la planta lo necesite.
Aunque la refrigeración por absorción es una tecnología madura, su uso con energía solar térmica de concentración sigue siendo relativamente limitado. Integrar la refrigeración por absorción con energía solar térmica de concentración (CST) puede ayudar a descarbonizar el calor industrial y reducir el consumo de combustibles fósiles sin añadir la misma carga eléctrica punta asociada a la refrigeración por compresión de vapor.
