Invitación a la XL SNES ANES - VI CIER

Invitación a la XL SNES ANES - VI CIER

Para su consideración:

La ANES (Asociacion Nacional de Energía Solar) organiza la XL Semana Nacional de Energía

Solar ANES - VI CIER, a celebrarse del 3 al 7 de octubre 2016 en Huatulco, Oaxaca, México. Los

objetivos de este congreso son promover y estimular la investigación, docencia, aplicación

tecnológica y divulgación de la energía solar a nivel internacional.

Se le invita cordialmente "Mr Mario Najera" a la XL SNES ANES - VI CIER.

Esperando contar con la participación "Mr Mario Najera" para enriquecer la difusión, desarrollo y

alcances de la XL SNES ANES - VI CIER, le saluda muy atentamente,

Dr. Alberto Valdés Palacios

Diseño y optimización técnico económica para sistemas de calor solar para procesos

industriales mediante simulación dinámica en TRNSYS

Mario Nájera-Trejo, Ignacio R. Martín-Domínguez, Jorge A. Escobedo-Bretado

Unidad Durango, Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Victoria 147, Durango, 34000, México, 6188110774, [email protected].

RESUMEN

Este artículo presenta una metodología para estimar la rentabilidad económica de sistemas térmicos solares, mediante modelado, simulación dinámica y adicionalmente análisis paramétrico como herramienta esencial para el estudio de diferentes diseños del sistema. Por otra parte el análisis económico que considera los costos de inversión requeridos para la implementación del sistema y el valor presente de los costos de operación/mantenimiento. Se presentan dos casos de estudio para su análisis económico.

ABSTRACT

This paper presents a methodology to estimate the economic profitability of solar thermal systems by means of modeling, dynamic simulation and additionally parametric analysis as an essential tool to study different system designs. In addition, the economic analysis that considers the capital costs required by the system implementation, the present worth of operating and the maintenance costs. Two cases are presented for economic analysis.

Palabras claves: Simulación, TRNSYS, Solar, Optimización.

INTRODUCCION

Actualmente el desarrollo tecnológico para la conversión térmica de energía solar y su uso subsecuente en procesos industriales se encuentra en sus etapas iniciales de desarrollo y se considera con un enorme potencial de aplicación en un gran rango de sectores industriales. De acuerdo con el balance nacional de energía, la industria utiliza más del 30% del total de la energía del país. Por otra parte, estudios realizados por la agencia de energía considera que cerca del 60% del consumo de energía a nivel industrial ocurre en procesos térmicos a temperaturas por debajo de los 250°C.

Existen grupos en México trabajando en esta temática, sin embargo la complejidad de SHIP (Solar Heat for Industrial Processes) involucra diversas etapas de desarrollo que demandan una sinergia de especialistas. Entre algunas de estas etapas se encuentran la caracterización del proceso, auditoria y optimización energética, integración conceptual de SHIP, modelado y simulación, optimización técnica y económica, factibilidad, ingeniería de detalle, construcción y puesta en marcha, evaluación de desempeño, impactos ambientales y dictamen técnico.

En este estudio se da a conocer una metodología para la etapa de modelado, simulación y optimización técnico económica de sistemas térmicos solares aplicados en procesos industriales. Sin embargo la variabilidad climatológica y la complejidad de los diversos procesos industriales hacen imprescindible el contar con el conocimiento y las herramientas de cómputo versátiles para el desarrollo de esta etapa. Por otra parte en el tema de optimización de sistemas de captación solar y almacenamiento térmico es obligatorio involucrar los factores económicos. Con ello es posible obtener la configuración del proyecto SHIP más costeable, considerando la inversión inicial del equipo de captación solar con almacenamiento térmico, costos de mantenimiento y además del costo del combustible que será remplazado en el periodo de vida de esta instalación.

NOMENCLATURA

SPWF Valor presente de una serie de gastos (Series Present Worth Factor) GPWF Valor presente de un gradiente (Gradient Present Worth Factor)

i Tasa de interés anual (interest)

n Periodo de análisis (Number of periods) G Gradiente (Gradient)

R Importe anual (Uniform Amount)

Aux Cantidad de energía Auxiliar (Auxiliary Energy)

eff Eficiencia del calentador (Efficiency) EC Costo de la energía (Energy Charge)

PCA Power Cost Adjustment (Interés anualizado del LPG) PW Present Worth (Valor presente)

ANTECEDENTES

El uso de la tecnología solar se ha ido incrementando a un paso acelerado en las últimas décadas. Sin embargo existen metodologías para el diseño de sistemas térmicos solares que aún carecen de confiabilidad. Esto constituye una amenaza para esta industria tecnológica aun en desarrollo, ya que a raíz de malos resultados en su implementación se puede generar desconfianza y difamación, inhibiendo el crecimiento de esta noble industria. Para el correcto desarrollo de proyectos a gran escala, es absolutamente necesaria una planeación que considere una serie de pasos tales como la caracterización de los procesos, auditoria y optimización energética, integración conceptual, modelado y simulación, optimización técnica económica, análisis de factibilidad, ingeniería de detalle, construcción, evaluación de desempeño, impacto ambiental y reporte técnico. Cada uno de estos pasos demanda una gran cantidad de conocimientos y esfuerzo.

Actualmente, la mayoría de los procesos industriales que requieren calor utilizan un sistema de calentamiento basado en algún tipo de combustible fósil para proveer la demanda de energía, por lo que un sistema térmico solar es usualmente acoplado a un proceso térmico industrial ya existente.

Los sistemas de calor solar para procesos industriales necesitan ser modelados y simulados de manera dinámica computarizada con el fin de determinar el comportamiento a lo largo de periodos de tiempo extendidos, usualmente un año y por lo tanto se debe analizar su desempeño. Esto se requiere debido a la continua variabilidad en el suministro de energía del sol, acoplado a un almacenamiento de energía y sobre todo la demanda impuesta por dicho proceso industrial.

METODOLOGIA

Simulación

TRNSYS es un paquete de cómputo utilizado en la simulación dinámica de sistemas principalmente térmicos y que tiene como finalidad la obtención de datos que ayuden a optimizar la eficiencia tanto térmica como económica de diferentes sistemas.

La implementación de un sistema térmico solar para un proceso industrial requiere de una planeación minuciosa, sin embargo este artículo se enfoca en la parte de simulación y optimización. Una vez aplicada la optimización energética y haber determinado los puntos de integración del sistema termo solar, se realiza la simulación del sistema a lo largo de un año típico. El sistema puede estar representado por una configuración simplificada del arreglo de colectores solares con almacenamiento térmico y un sistema de calentamiento auxiliar como se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Diagrama de la configuración simplificada del sistema termo solar

Los parámetros para determinar el desempeño energético del sistema que pueden ser calculados a partir de la simulación y que además son parámetros clave para la optimización son: la ganancia solar del sistema, energía solar incidente, ahorro de energía del sistema convencional o sistema auxiliar de energía.

Análisis Paramétrico

Una vez definidos estos parámetros como resultados de la simulación, es imprescindible realizar una variación paramétrica del sistema con el fin de tener la capacidad de comparar los resultados primeramente desde el punto de vista térmico/energético y después utilizar los resultados de esta variación para optimizar el funcionamiento del sistema desde el punto de vista económico. Optimizar el sistema basado solo en el análisis energético, lo óptimo sería instalar el mayor número de colectores posibles, así como la mayor cantidad de almacenamiento térmico, sin embargo en la práctica esto no resulta ser lo más efectivo, ya que el análisis económico representa una parte primordial en el dimensionamiento y optimización de cualquier sistema térmico. Algunos de los parámetros a variar pueden ser: el área de captación solar, relación volumen de almacenamiento/área de captación, inclinación de los colectores y en algunos casos dependiendo del proceso es posible variar la temperatura de operación y el flujo másico del fluido de térmico. Cabe mencionar que cada combinación paramétrica es una simulación diferente, por lo que se deberá tomar en cuenta el tiempo de cómputo requerido para llevar a cabo este tipo de análisis.

Análisis Económico

Es posible diseñar muchos diferentes sistemas que cumplan con el servicio esperado. Sin embargo el costo de inversión, mantenimiento y operación de cada diferente diseño será sin duda diferente uno de otro. El costo de inversión considera la compra e instalación de equipo necesario. Una parte muy significativa se debe al uso de almacenamiento térmico, el cual es un parte esencial en la mayoría de los proyectos termo-solares. Sin embargo, este costo por lo general varía de forma no lineal dependiendo de la capacidad del tanque.

Dado que por lo general no es posible sustituir completamente el consumo de combustibles fósiles por energía solar, el costo de operación depende de la cantidad de combustible aún utilizado a lo largo de un año típico de operación. Dicho costo energético se puede considerar que ocurre al final de cada año, a lo largo de la vida útil del sistema, siendo afectado en años subsecuentes por el incremento del costo de combustibles. Con ello se tienen flujos de efectivo al final de cada año, que se van incrementando geométricamente a lo largo de la vida útil del sistema. Para poder estimar la rentabilidad económica de un diseño propuesto, se requiere obtener el Valor Presente (PW) de la serie de flujos anuales de efectivo incurridos, para poder sumarlo con el Costo de Inversión que ocurre al inicio del proyecto. Con ello se obtiene el costo, a valor presente, incurrido por la planta industrial como consecuencia de implementar y operar un determinado sistema termo-solar. El costo de cada diferente diseño de sistema analizado será diferente, y el marco de referencia lo constituye el valor presente de la operación del sistema que no implementa tecnologías solares y opera quemando combustibles fósiles durante el mismo periodo de tiempo antes considerado.

La descripción matemática de lo anterior está dada por la cantidad a valor presente (1) como resultado de la multiplicación del gasto uniforme (4) por la serie de factores a valor presente (2) más el valor del gradiente (5) multiplicada por el valor presente del gradiente (3). La cantidad anual (R) es el costo anualizado típico de la energía y está calculado en base a la energía auxiliar (Aux) que se obtiene paramétricamente por las simulaciones considerando la eficiencia del equipo utilizado como respaldo (eff). El gradiente (G) es el resultado de multiplicar la cantidad anual (R) por el incremento anual en el costo de la energía (PCA).

PW



R

*

SPWF



G

*

GPWF

i

i

i

SPWF

)

1

(

1

)

1

(

































i

n

i

i

i

i

GPWF

)

1

(

)

1

(

1

)

1

(

1

EC

eff

Aux

R

*



G



R

*

PCA

Una vez que el costo de operación es obtenido, se suma a la inversión inicial con el fin de obtener el costo total del proyecto. Los numerosos resultados de las corridas paramétricas se acomodan en una tabla dinámica para calcular el costo total del proyecto de cada resultado. Basados en los resultados se obtiene una gráfica en la que se observa el punto de inflexión para el mínimo costo del proyecto.

RESULTADOS

En esta sección se presentan dos casos de estudio con ciertas variantes. El primer caso de estudio consta de un sistema de calefacción de un Invernadero agrícola de 1.6 hectáreas asistido con energía solar, utilizando concentradores cilíndrico-parabólicos (Absolicon T160). Se incluyó en el análisis económico el costo de operación para hacer una proyección financiera del proyecto, comparando el costo de la climatización del invernadero con calefacción a Gas L.P. contra el costo al incluir concentradores solares, considerando la vida útil promedio de un concentrador solar como 20 años. Los ejemplos no incluyen costos de instalación, los cuales en la práctica son de gran impacto, sin embargo a menudo son calculados como una fracción de la inversión del proyecto que varía dependiendo del proveedor. Las simulaciones desarrolladas en estos proyectos pueden ser reutilizadas para el análisis de aplicaciones similares, realizando las modificaciones correspondientes. Los componentes utilizados en la simulación se muestran en la Fig. 2

Fig. 2 Simulación en TRNSYS del sistema de calentamiento mediante concentradores solares de canal parabólico incorporando un tanque de almacenamiento térmico y calentador auxiliar.

En este proyecto, el costo de operación se ve principalmente afectado por la energía utilizada en la caldera auxiliar. De esta forma, una vez que el costo de operación es obtenido, se suma a la inversión inicial con el fin de obtener el costo total del proyecto. Los numerosos resultados de las corridas paramétricas se acomodan en una tabla dinámica para calcular el costo total del proyecto de cada resultado. Basados en los resultados se obtiene una gráfica en la que se puede observar claramente el punto de inflexión para el mínimo costo del proyecto. Analizando la Fig. 3, se observa que al incrementar el número de colectores se pueden percibir mayores ahorros, hasta un punto en donde el aumento en el número de colectores incrementa el costo de inversión por encima del ahorros determinado a ese periodo de análisis. En otras palabras, el proyecto más costeable según el análisis de económico de ciclo de vida, con una proyección financiera a veinte años se logra con un sistema de 20 concentradores solares.

Por otro lado es posible realizar un análisis del periodo de retorno de inversión contra el dimensionamiento del equipo solar. Este es considerado como el tiempo en que la inversión inicial se iguala con el ahorro neto en el costo de la energía a valor presente. Graficado, resulta en una curva con un puto de inflexión que determina el dimensionamiento del sistema para el tiempo más corto de retorno de inversión. La curva del periodo de retorno de inversión en la Fig. 4 indica que para un diseño del sistema térmico solar de 12 concentradores se tiene el menor tiempo para el retorno de inversión.

Fig. 4 Periodo de retorno de inversión del proyecto de climatización solar de un invernadero agrícola

Otro ejemplo de esta optimización se presenta cuando es necesario calcular el óptimo volumen de almacenamiento y área de colectores solares a la vez. En este caso se calculó el óptimo número de colectores solares de placa plana y la relación optima de almacenamiento para un sistema Combi (calefacción y agua caliente doméstica). El cálculo del periodo de retorno de inversión para la configuración del sistema de menor costo (señalado en la Fig. 6) es muy cercano a los 9 años.

Fig. 6 Comportamiento económico de un sistema Combi

CONCLUSIONES

El análisis de un sistema de calentamiento por medio de energía solar relaciona una gran cantidad de parámetros que definen su comportamiento. La naturaleza variable de algunos de esos parámetros, como la radiación disponible o la temperatura ambiente, hace necesario el uso de simulaciones computacionales para su estudio.

Mediante la metodología presentada en este artículo fue posible minimizar el consumo de GasLP en distintos proyectos, determinando la óptima inversión desde el punto de vista económico con un análisis de ciclo de vida. A menudo el análisis de periodo de retorno de inversión es más usado por inversionistas que buscan inversiones de bajo riesgo y menor tiempo de recuperación, sin embargo existen inversionistas que buscan maximizar sus ganancias, por lo que optimizan en base al tiempo de vida de los equipos.

REFERENCIAS

INE, & SEMARNAT. (2009). Cuarta comunicación nacional ante la convención marco de las naciones únicas sobre el cambio climático. p. 70–82

Leckner, M., & Zmeureanu, R. (2011). Life cycle cost and energy analysis of a Net Zero Energy House with solar combisystem. Applied Energy, 88(1), 232–241.

Wallin, J., Bastien, D., & Claesson, J. (2012). The Influence of Energy Conservation on the Performance of Solar Thermal Systems – A Cold Country Case Study. Energy Procedia, 30, 1069–1078.

Ampatzi, E., & Knight, ukIan. (2012). Modelling the effect of realistic domestic energy demand profiles and internal gains on the predicted performance of solar thermal systems.

STOECKER, W. F. Design of thermal systems. 3rd ed. McGraw-Hill; 1989.

Martín-Domínguez, I. R., Burciaga-santos, J. A., & Castro-, P. E. (2011). TRNSYS simulation and optimization of a solar- thermal collection and storage system for the heating of agricultural greenhouses. p. 1–20

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo económico recibido por parte del: Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (CeMIE-Sol),

A través del Proyecto:

P13 “Laboratorios de pruebas para baja y media temperatura, laboratorio para el diseño e integración de sistemas termo solares asistido por computadora”

Perteneciente a la Convocatoria 2013-02, del:

FONDO SECTORIAL CONACYT - SENER - SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA. Para el desarrollo y presentación de éste trabajo.

$8,580.00 12 Colectores

Mario Najera

Diseño Y Optimización Técnico Económica Para Sistemas De Calor Solar Para Procesos Industriales Mediante Simulación

Dinámica En Trnsys