Appsol – Energía solar para industria

Motivación

“La industria chilena consume un 22,3% de la matriz de energías secundarias, y un 64,5% de esa fracción corresponde al uso de combustibles fósiles. Gran parte de dichos combustibles se importa, lo que significa un 16% de la balanza comercial (Aduanas año 2013). En relación a esto, cabe destacar lo siguiente:

El costo de la energía térmica en la industria ronda los 100 USD$/MWh (Estimación propia).

Un 74% de la industria tiene demandas térmicas con temperaturas de operación bajo 250°C (ENIA 2012).

Chile tiene la radiación más elevada del planeta y tiene una radiación promedio muy superior a la de países como España, Alemania, Grecia, Holanda, Dinamarca, Suiza, Suecia, etc. (Todos referentes de la energía solar).

De las instalaciones solares nuevas (entre los años 2009-2012), un 96% de los proyectos fueron realizados en el sector residencial.

Creemos que este escenario necesita cambiar y que la mejor alternativa es explotar el potencial que existe de energía Solar Térmica para aplicaciones industriales. Appsol es una herramienta para facilitar este proceso.

De esta forma Creemos que es posible:

Convertirnos como país en un referente internacional en el conocimiento de las tecnologías solares para aplicaciones térmicas.

Que la industria productiva se vuelva más competitiva a través del uso de esta energía sustentable.

Que la balanza comercial se incline positivamente hacia las exportaciones y que se relaje la dependencia económica del precio de los combustibles fósiles.

Resultado

Terminado el proyecto, se han obtenido numerosas conclusiones como resultado de un análisis de toda la información levantada acerca de las industrias y de evaluar por medio de APPSOL el potencial técnico-económico, el detalle se puede obtener en la documentación del proyecto, pero a modo de resumen, a continuación se presentan las preguntas que nos realizamos a la hora de proponer e imaginar el proyecto Appsol. Estas preguntas, que se detallaron en la metodología, ya en su mayoría pueden ser respondidas.

La respuesta es afirmativa, en distintos rubros y regiones, constituyendo un mercado en sí mismo. Es así como se han logrado cuantificar un potencial de casi 400.000 m2 de SST en procesos no-mineros y más de 1,5 millones de m2 en aplicaciones de minería del cobre.

La rentabilidad de los SST requiere suficiente recurso solar, alta demanda y costos razonables de la energía de referencia. La primera de las variables es prácticamente descendiente a medida que más al sur del país se encuentren los proyectos. Respecto a la segunda, verificamos que la mayor parte de la demanda se concentra en la RM (dejando fuera del análisis a la minería en la II región). Finalmente, el costo de la energía de alternativa también es estimable, ya que en la zona norte el acceso a los combustibles es más difícil y por lo tanto son más costosos, mientras en el sur, el acceso a la leña es más directa y a valores muy bajos, lo que hace muy difícil que los SST alcancen a ser competitivos. De la misma forma que con la distribución geográfica, los rubros presentan o no viabilidad en función de condiciones de contexto que no siempre son sus procesos, pero dadas dichas condiciones los rubros con mayores potencial son: Cobre, Cárnica, Aceite, Lácteos, Alimentos para animales, Panaderías, Azucareras, Viñas, Cerveceras, Bebidas no alcohólicas, Textil, Curtido, Aserraderos y la de Artículos de Hormigón.

Para aplicaciones industriales no mineras, las fracciones solares rentables por lo general alcanzaban valores de hasta el 35%. Esta situación es muy diferente en aplicaciones de minería, donde como prácticamente el total de estas permiten sistemas rentables en torno al 70%.

La tecnología dominante es, sin lugar a dudas, el captador de placa plana (FPC), excepto en aplicaciones de refrigeración, dominadas por captadores de tubo de vacío (ETC) y de concentración (PTC).

Dado que existe la viabilidad y la oportunidad, los impedimentos parecen ser el desconocimiento mutuo (solar vs industria y viceversa) y la madurez del mercado solar del país.

objetivo principal del proyecto APPSOL. Así también capacitar a proveedores e instaladores dándoles herramientas concretas que permitan facilitar la inserción de proyectos de esta índole en el país. Así es como APPSOL ha desarrollado un manual de instalación de SST en procesos industriales y una herramienta de análisis de prefactibilidad de SST aplicable a procesos industriales para que proyectistas puedan utilizar libremente y así dar un primer acercamiento a sus clientes y a las soluciones. Capacitar en el desarrollo de proyectos es la siguiente etapa del proyecto APPSOL y permitirá que el mercado aprenda de la implementación de tecnologías, y al mismo tiempo la industria productiva aprenda que existe potencial de reducción de energía en sus procesos gracias a la implementación de SST en sus plantas industriales.

Metodología

El proyecto fue planteado en 10 paquetes de trabajo (work packages) que pueden ser analizados de forma separada según sus objetivos y resultados.

El WP1 es el hilo conductor de la parte técnica del proyecto, aquella que analiza y determina el potencial. Parte caracterizando la Industria chilena, para terminar determinado los escenarios de potencial de implantación de la energía solar térmica en sus procesos térmicos industriales.

El WP2 recopila todos los datos de contorno no tecnológicos (climatologías y zonas geográficas, precios alternativos de la energía, indicadores económicos nacionales, etc.) necesarios para el desarrollo de los análisis, los ordena y genera hipótesis de trabajo y escenarios derivados de su variabilidad.

El WP3 es el levantamiento de todas las operaciones que resultan de interés para aplicaciones de energía solar térmica. La construcción de dicha base de datos consistió en el levantamiento de las operaciones de cada una de las 31 industrias pre-seleccionadas, que resultó en 65 operaciones tipo.

El WP4 consiste en el estudio del estado del arte de la tecnología solar térmica, su disponibilidad y sus costos, a la vez que se determinarán la mejor tecnología disponible (MTD) para cada zona geográfica y los esquemas de integración para el conjunto de las aplicaciones.

El WP5 representa el núcleo de cálculo energético del proyecto. En él se simularon cada uno de los casos en sus distintos escenarios, pero siempre desde un punto de vista energético, dado que los cálculos de viabilidad económica quedan circunscritos al WP1. En total, se hicieron más de 30.000 simulaciones dinámicas.

El WP6 corresponde al análisis de barreras que pueden influir en la generación de proyectos de energía solar térmica. Estas barreras son de tipo económico/financiero, estructura/madurez de mercado, por cuestiones legislativas u otros fenómenos de diversas índoles.

El WP7 es la tarea que valida las anteriores con casos reales. Consistió en la visita de 11 industrias y el levantamiento de la información con respecto de caracterización de procesos (WP3), análisis de viabilidad (WP5 y WP1) y análisis de barreras (WP6). El análisis de estas industrias permitió afinar los resultados y entender otro tipo de fenómenos recurrentes en la industria.

El WP8 es la solidificación de los resultados en la herramienta disponible en esta misma página. El toolkit de Appsol utiliza todas las bases de datos generadas durante el proyecto, y también contempla un modelo de regresión que permite trabajar de forma simplificada a partir de todas las simulaciones generadas.

INDUSTRIAS

A partir de las 1649 industrias seleccionadas de la encuesta nacional de industrias (ENIA), se agruparon 31 industrias tipo. Este es el listado de dichas industrias.

Tecnología

1. Colectores Planos (FPC)

Consisten en una parrilla de tubos capilares, normalmente de cobre o aluminio (por sus buenas propiedades de conducción térmica), en contacto con una superficie de gran absortibidad óptica. La mayoría de colectores planos tienen una cubierta en su parte frontal (en caso contrario sería un UGPC) por lo que necesitan de una estructura para distribuir los diferentes elementos, típicamente de aluminio.

2. Colectores sin Cubierta (UFPC)

Este tipo de colectores están concebidos para temperaturas de operación muy bajas, en torno a los 35°C (calentamiento de piscinas, evaporadores de bombas de calor, precalentamiento de procesos térmicos industriales). Por este motivo no tiene cubierta de cristal ni aislamiento, con lo que no es necesario una caja metálica para alojar estos elementos y en consecuencia son constructivamente más sencillos que los FPC.

Esta simplificación constructiva queda justificada por la notable reducción de costos que representa y que, para ciertas aplicaciones de muy baja temperatura, puede compensar la pérdida de rendimiento que conlleva.

3. Colectores Solares de Tubo Vacío (ETC)

Como su nombre indica, los colectores de tubo de vacío están formados por hileras de tubos de cristal conectados en paralelo a una tubería de cabecera. En cada uno de estos tubos de vidrio se ha realizado el vacío a fin de reducir al máximo las pérdidas de calor por conducción y convección interna. Su geometría tubular es necesaria para soportar la diferencia de presión entre la atmosfera y el vacío del interior.

El nivel de vacío es la característica esencial para mantener la eficiencia de los colectores de tubo de vacío, a la par que la propiedad cuya fiabilidad a largo plazo es más difícil de garantizar. Por consiguiente la calidad de los materiales y las garantías propuestas por el fabricante merecen especial atención para este tipo de tecnología.

Los colectores de tubos de vacío se pueden clasificar en dos grandes grupos:

Colectores de tubo de flujo directo

Colectores de tipo heat pipe

4. Colector Cilíndrico - Parabólico (PTC)

Principio de funcionamiento

Un colector cilíndrico-parabólico es, un reflector especular con sección transversal parabólica cuya función es concentrar la radiación directa sobre un tubo absorbente, que se encuentra en su línea focal. El coeficiente de concentración de esta tecnología es el más elevado, sobre los 70-80, por lo que las temperaturas alcanzables son las más elevadas, en cuanto a tecnologías de colectores de media temperatura se refiere.

Se pueden llegar a alcanzar temperaturas entorno a los 500°C, por lo que el fluido caloportador, que puede ser agua a sobrepresión (para un rango inferior de temperaturas) o aceite térmico.

Sigue siendo la tecnología más utilizada y más desarrollada para la generación de energía eléctrica a partir de energía solar.

La capacidad de concentración de este tipo de reflectores requiere que los rayos solares lleguen de forma perpendicular a la superficie de apertura, esto implica que los colectores cilindro parabólicos han de ser dotados de sistemas de seguimiento solar para obtener un rendimiento razonablemente alto durante varias horas al día.

Zonas Geográficas

A partir de un análisis casuístico de diferentes zonas climáticas, se terminaron por identificar 28 escenarios en los cuales es interesante evaluar el potencial de manera diferenciada. Cada uno de estas zonas no sólo introduce las variables meteorológicas, sino que también los costos de la instalación y el costo de la energía alternativa para la evaluación económica.

Simulaciones
CURVAS APPSOL

La información recopilada por los WP1, WP2, WP3 y WP4 conforma una base de datos de más de 30.000 casos a simular. Cada uno de estos casos representa un sistema solar térmico distinto y proviene de una conjugación diferente en las variables de entrada.

Esta información alimenta un modelo matemático-físico programado en Trnsys. Un software especializado en simulaciones dinámicas de sistemas energéticos.

Al realizar los cálculos para un año tipo de funcionamiento, el modelo construido entrega la fracción solar que el sistema solar térmico será capaz de cubrir. Es decir, qué fracción de la demanda térmica de la industria será cubierta por energía solar y en definitiva el ahorro energético que el sistema genera.

Si se agrupa la información por rubros, entonces se puede calcular la curva “característica” de cada rubro. Esta curva representa las fracciones solares como una función de la relación entre la energía solar incidente y la demanda de cada industria.

Estas curvas son la decantación de las 30.000 simulaciones en tan sólo un par de constantes y parámetros matemáticos, los cuales en conjunto con los parámetros económicos (costos de las tecnologías, costos de operación y mantención, tasas de interés, tasas de retorno, etc.) sirven para evaluar el desempeño de las instalaciones en térmicos técnicos y pecuniarios. A continuación un ejemplo de esta curva: