Energía solar en procesos de calefacción industrial

Más allá de las aplicaciones de baja temperatura, hay varios campos de aplicación potenciales para la energía solar térmica en procesos de temperatura media y medio-alta, lo que representa una cantidad significativa de calor. Por ejemplo, la demanda de calor industrial representa aproximadamente el 15% de la demanda global de energía total en los países de la Unión Europea. La demanda actual en la UE para temperaturas medio y medio-altas se estima en unos 300 TWh /a.

De una serie de estudios sobre la demanda de calor industrial, han sido identificados varios sectores industriales con condiciones favorables para la aplicación de la energía solar. Los procesos industriales más importantes que utilizan el calor a un nivel de temperatura media son la esterilización, pasteurización, el secado, la hidrólisis, la destilación y la evaporación, lavado y limpieza, y la polimerización. Algunos de los procesos más importantes y el rango de las temperaturas requeridas para cada uno se muestran en la Tabla 1.

Las aplicaciones solares a gran escala para calor de proceso se benefician por el efecto de escala. Por lo tanto, los costes de inversión debe ser relativamente bajos, incluso si los costes para el colector son más altos. Una forma de garantizar términos económicos es el diseño de sistemas sin almacenamiento de calor, es decir, el calor solar alimenta directamente a un proceso adecuado (ahorro de combustible). En este caso, la tasa máxima a la que el sistema de energía solar proporciona la energía no debe ser muy superior a la velocidad a la que el proceso utiliza la energía. Este sistema, sin embargo, no puede ser rentable en los casos en que el calor se necesita en las primeras o últimas horas del día, o durante noche, cuando la industria opera en un régimen de doble turno.

Tabla 1: Rangos de temperatura para varios procesos industriales

Los tipos de industria que habitualmente utilizan más energía son las industrias alimentarias y las de fabricación de productos minerales no metálicos. Algunos determinados tipos de industrias alimentarias pueden emplear calor de proceso solar son las industrias lácteas (centrales lecheras), de embutidos (salchichón, salami, etc) y en la industria de la cerveza. La mayoría del calor de proceso en los alimentos y la industria textil es utilizado para aplicaciones tan diversas como el secado, cocción, limpieza y extracción. Existen condiciones favorables en la industria de alimentos porque el tratamiento y almacenamiento de alimentos son procesos con alto consumo de energía y larga duración. Las temperaturas de estas aplicaciones puede variar desde cercanas a la temperatura ambiente hasta vapor a baja presión, y la energía se puede ser proporcionada tanto por una placa plana o colectores de bajo radio de concentración.

El principio de funcionamiento de los colectores y otros componentes de los sistemas de energía solar convencionales se aplican también a las aplicaciones de calor de procesos industriales. Sin embargo, estas aplicaciones tienen algunas características únicas, entre las que se destacan la escala en que se aplican y la integración del abastecimiento de energía solar con una fuente auxiliar de energía convencional y el proceso industrial.

Al momento de diseñar una aplicación de calor de proceso industrial en general se deben contemplar dos principales problemas: el tipo de energía a emplear y la temperatura a la que se va a entregar el calor. Por ejemplo, si se necesita agua caliente para limpieza en la elaboración de alimentos, la energía solar debería provenir de un calentador de líquidos. Si un proceso requiere de aire caliente para el secado, un sistema de calefacción de aire es probablemente la mejor opción entre los sistema de energía solar. Si el se necesita vapor para operar un esterilizador, el sistema de energía solar debe ser diseñado para producir vapor de agua, probablemente con colectores concentradores.

Otro factor importante que se requiere para la determinación del sistema más adecuado para una aplicación particular es la temperatura del fluido que alimenta al colector. Otros requisitos se refieren al hecho de que la energía puede necesitarse a una temperatura determinada o en un rango de temperaturas y también de posibles requerimientos de saneamiento de la planta que deben ser cumplidos, por ejemplo en aplicaciones de procesamiento de alimentos.

Otra consideración importante es que, en muchos procesos industriales se necesitan grandes cantidades de energía en espacios pequeños. Por lo tanto, puede ser un problema la ubicación de los colectores. En caso de necesidad, los colectores pueden ser ubicados en terrenos o edificios adyacentes. Sin embargo, la localización de colectores en dichas zonas puede resultar en largos recorridos de tuberías o conductos, que causan pérdidas de calor, y que deben ser considerados en el diseño del sistema. Cuando sea posible, y cuando no se dispone de superficie terrestre, los colectores se pueden montar en filas sobre el techo de una fábrica. En este caso se debe evitar y considerar las sombras entre las filas de colectores adyacentes. Sin embargo, la superficie de colector puede estar limitado por la zona del techo, su forma y orientación. Además, los techos de los edificios actuales no están diseñados u orientados para alojar una colección de colectores, y en muchos casos, se deben instalar estructuras de apoyo para los colectores en los techos existentes. Por lo general, es mucho más rentable si los nuevos edificios son diseñados para permitir el montaje de colector y facilitar el acceso.

En un sistema solar industrial de calor de proceso, debe hacerse la interconexión de los colectores con los suministros de energía convencionales de una manera compatible con el proceso. La forma más fácil de lograr esto es mediante el almacenamiento de calor, que además puede permitir que el sistema funcione en períodos de baja irradiación o incluso de noche.

Posibilidades de combinar el sistema de energía solar con el suministro de calor existente.

El sistema central de suministro de calor en la mayoría de las fábricas utiliza agua caliente o vapor a presión a la temperatura necesaria para el proceso que requiera mayor temperatura. El agua caliente o vapor a baja presión a temperatura media (< 150 ° C) puede ser utilizado para el pre-calentamiento de agua (u otros líquidos) y utilizarse para los procesos (lavado, teñido, etc.), para la generación de vapor, o para la conexión directa del sistema solar a un proceso individual que trabaje a temperaturas inferiores a la del suministro central de vapor. En el caso del pre -calentamiento de agua se pueden utilizar colectores solares de baja tecnología que funcionan eficientemente.

Sistemas Solares Industriales de Aire y Agua

Los dos tipos de aplicaciones que emplean colectores solares de aire son las aplicaciones de circuito abierto y de recirculación. En un circuito abierto, el aire caliente se utiliza en aplicaciones industriales donde, a causa de los contaminantes, la recirculación del aire no es posible. Algunos ejemplos de ello son la pulverización de pintura, el secado, y el suministro de aire fresco a los hospitales. Cabe señalar que calefacción de aire exterior es una operación ideal para los colectores, ya que funciona de forma muy cercana a la temperatura ambiente, y por lo tanto es más eficiente.

En sistemas de recirculación de aire, una mezcla de aire reciclado de la secadora y aire ambiental se suministra a los colectores solares. El aire calentado por el sol suministrado a una cámara de secado se puede aplicar a una gran variedad de materiales, como madera y cultivos de alimentos.

Del mismo modo, los dos tipos de aplicaciones que emplean colectores solares de agua son los sistemas de calefacción de agua de un solo paso y los de recirculación. Estos últimos son similares a los sistemas de calefacción doméstica de agua. Los sistema de un solo paso se emplean por ejemplo en el agua para limpieza en las industrias de alimentos donde el reciclado del agua utilizada no es práctico debido a los contaminantes recogidos por el agua en el proceso de limpieza.

Sistema industrial de calefacción de proceso simple con una configuración en serie con la calefacción auxiliar.

Un sistema de energía solar puede entregar energía a la carga, ya sea en serie o en paralelo con la calefacción auxiliar. En un arreglo en serie, la energía se utiliza para pre-calentar el fluido de transferencia de calor de carga, que, si es necesario, puede calentarse más por el calentador auxiliar para alcanzar la temperatura requerida. Si la temperatura del líquido en el tanque de almacenamiento es superior a la requerida por la carga, se utiliza una válvula de tres vías, llamada también válvula de templado, para mezclar con fluido de alimentación o de retorno más frío. En la configuración paralela, puesto que la energía no puede ser entregada a la carga a una temperatura inferior a la de la temperatura de la propia carga, el sistema solar debe ser capaz de alcanzar la temperatura requerida antes de que la energía pueda ser entregada.

Sistema industrial de calefacción de proceso simple con una configuración en paralelo con la calefacción auxiliar.

Sistema industrial de calefacción de proceso simple con una configuración en paralelo con una caldera de vapor .

Por lo tanto, es preferible una configuración serie a una paralela, ya que proporciona una menor temperatura media de funcionamiento del colector, lo que conduce a una mayor eficiencia del sistema. La alimentación en paralelo, sin embargo, es común en los sistemas de producción de vapor.

Una de las características de diseño más importantes a considerar cuando se diseña un sistema solar de calefacción industrial es la adecuación de la fuente de energía solar a la carga. La carga de calefacción y refrigeración varía día a día. No obstante, en los sistemas de calefacción de procesos industriales las cargas son bastante constantes y las pequeñas variaciones se deben a la variación estacional de la temperatura del agua de alimentación.