Evaluación del potencial técnico económico de la tecnología de concentración solar Fresnel para la generación de vapor en la industria agroalimentaria en el Ecuador

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL TÉCNICO – ECONÓMICO DE LA TECNOLOGÍA DE CONCENTRACIÓN SOLAR FRESNEL PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR EN LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA EN EL ECUADOR. TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. CAIZA VITERI CARLOS GABRIEL carlos.caiza01@epn.edu.ec. DIRECTOR: SORIA PEÑAFIEL RAFAEL ANDRÉS, D.Sc. rafael.soria01@epn.edu.ec. CODIRECTOR: ORDOÑEZ MALLA FREDDY, Ph.D. freddy.ordonez@epn.edu.ec. Quito, junio 2019.

(2) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Carlos Gabriel Caiza Viteri, bajo mi supervisión.. ______________________ Rafael Soria Peñafiel, D.Sc. DIRECTOR DE PROYECTO. _________________________ Freddy Ordoñez Malla, Ph.D. CODIRECTOR DE PROYECTO. i.

(3) DECLARACIÓN. Yo, Carlos Gabriel Caiza Viteri, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. _____________________ Carlos Gabriel Caiza Viteri. ii.

(4) DEDICATORIA Dedico el presente trabajo de titulación a mis padres, Juan Carlos y Yolanda, por su apoyo incondicional durante toda mi vida. A mi hermano, Giancarlo, para quien espero ser ejemplo e inspiración.. iii.

(5) AGRADECIMIENTO Agradezco a mi padre, por haberme educado con paciencia, amor y firmeza; inculcándome valores y siendo mi ejemplo a seguir. A mi madre, que con ternura ha sabido guiarme durante toda mi vida. A mi hermano, por contagiarme su alegría y ser mi confidente. Un agradecimiento especial al Dr. Rafael Soria y al Dr. Freddy Ordóñez, quienes compartieron sus conocimientos y siempre estuvieron dispuestos a prestarme su ayuda. A mis amigos del colegio y la Poli, que hicieron más bonita la vida estudiantil. En especial a Henry y Diego, que son mis otros hermanos que la vida me ha dado.. iv.

(6) ÍNDICE CERTIFICACIÓN .....................................................................................................................i DECLARACIÓN ...................................................................................................................... ii DEDICATORIA ...................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTO .............................................................................................................. iv ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................... viii ÍNDICE DE TABLAS.............................................................................................................. x RESUMEN ............................................................................................................................ xii ABSTRACT.......................................................................................................................... xiii INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 14 Justificación ......................................................................................................................... 15 Objetivo general .................................................................................................................. 16 Objetivos específicos........................................................................................................... 16 Alcance ................................................................................................................................ 16 1.. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 18. 1.1. Recurso solar y potencial para concentración solar en Ecuador.............................. 18 1.2. Sistemas de concentración solar ............................................................................... 20 1.2.1. Tecnologías de concentración solar ......................................................................... 21 1.2.2. Concentrador solar lineal tipo Fresnel ...................................................................... 23 1.3. Situación actual en el Ecuador sobre aprovechamiento de energía solar con concentradores .......................................................................................................... 26 1.4. Actividades industriales que utilizan calor para sus procesos .................................. 27 1.5. Calor de proceso industrial provisto con energía solar ............................................. 29 2.. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 32. 2.1. Caso de estudio ......................................................................................................... 33 2.1.1. Productos elaborados ............................................................................................... 34 2.1.2. Procesos que utilizan vapor ...................................................................................... 34 2.1.3. Generación de vapor ................................................................................................. 35 v.

(7) 2.1.4. Equipos de consumo de vapor ................................................................................. 36 2.1.5. Demanda térmica ...................................................................................................... 38 2.2. System Advisor Model (SAM) .................................................................................... 44 2.2.1. Modelos SAM y bases de datos ............................................................................... 45 2.2.2. Variables de entrada y salida .................................................................................... 47 2.2.3. Datos de entrada ....................................................................................................... 50 2.3. Escenarios.................................................................................................................. 55 2.4. Costo nivelado del calor (LCOH) ............................................................................... 60 2.4.1.Costo nivelado del calor para el sistema de concentración solar Fresnel (‫ )ݎ݈ܽ݋ݏܪܱܥܮ‬......................................................................................................................... 62 2.4.2.Costo nivelado del calor para el sistema de generación de vapor con caldera (‫ )ܽݎ݈݁݀ܽܿܪܱܥܮ‬..................................................................................................................... 64 2.5. Análisis de sensibilidad .............................................................................................. 66 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................. 67. 3.1. LCOH para el escenario referencial_ideal ................................................................ 67 3.2. LCOH para el escenario referencial_generación flexible .......................................... 69 3.3. LCOH para el escenario referencial_GLD cte ........................................................... 69 3.4. LCOH para el escenario referencial_GLD_2p........................................................... 70 3.5. LCOH para el escenario alternativo_ideal ................................................................. 71 3.6. LCOH para el escenario alternativo_generación flexible .......................................... 72 3.7. LCOH para el escenario alternativo_GLD cte ........................................................... 73 3.8. LCOH para el escenario alternativo_GLD_2p ........................................................... 74 3.9. Comparación de LCOH para todas las variantes ...................................................... 75 3.10. Costo total anual de generación de vapor ................................................................. 76 3.11. Análisis de sensibilidad (estudio paramétrico) .......................................................... 77 3.11.1.Variación del precio del combustible ....................................................................... 78 3.11.2.Variación del costo unitario por kWt instalado del campo solar .............................. 79 3.11.3.Variación del Carbon Price ...................................................................................... 81 4.. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ............................................................ 83 vi.

(8) BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 85 ANEXO 1 ............................................................................................................................. 89 ANEXO 2 ............................................................................................................................. 97 ANEXO 3 ........................................................................................................................... 105 ANEXO 4 ........................................................................................................................... 111. vii.

(9) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Mapa de irradiación normal directa (DNI) media (anual y diaria) mundial. ..... 19 Figura 1.2. Mapa de irradiación normal directa (DNI) media (anual y diaria) para Ecuador. ............................................................................................................................................. 20 Figura 1.3. Principales tecnologías de concentración solar. .............................................. 22 Figura 1.4. Esquema de un concentrador solar lineal Fresnel. .......................................... 24 Figura 1.5. Configuraciones del receptor: triangular (A y D), vertical (B) y horizontal (C). 25 Figura 1.6. Capacidad instalada de proyectos solares para Ecuador según IRENA. ....... 26 Figura 1.7. Posibles puntos de integración del calor de proceso industrial solar. ............. 30 Figura 2.1. Mapa de DNI promedio diario para Ecuador con zonas mayores a 4,5 kWh/m^2/día. ....................................................................................................................... 33 Figura 2.2. Distribuidor de vapor. ........................................................................................ 36 Figura 2.3. Consumo de vapor diario. ................................................................................. 42 Figura 2.4. Curva de carga.................................................................................................. 43 Figura 2.5. Esquema de integración del campo solar. ....................................................... 44 Figura 2.6. Diagrama de flujo SAM. .................................................................................... 45 Figura 2.7. Modificadores del ángulo de incidencia (IAM). ................................................ 54 Figura 2.8. Escenarios y variantes de análisis. .................................................................. 55 Figura 2.9. Generación del sistema híbrido en la variante ideal. ....................................... 57 Figura 2.10. Generación del sistema híbrido en la variante generación de calor flexible (Gen.flex). ............................................................................................................................ 58 Figura 2.11. Generación del sistema híbrido en la variante gestión por el lado de la demanda. Constante todo el día (GLD cte). ....................................................................... 59 Figura 2.12. Generación del sistema híbrido en la variante gestión por el lado de la demanda. Constante en dos niveles de carga (GLD_2p). ................................................. 60 Figura 2.13. Costo unitario vs potencia. ............................................................................. 63 Figura 3.1. LCOH_solar para Pichincha, Loja e Imbabura en términos relativos con respecto al LCOH de la locación de Pichincha................................................................... 68 Figura 3.2. LCOH_solar para las cuatro variantes. ............................................................ 76 Figura 3.3. Costo total anual de generación de vapor del sistema híbrido caldera – Fresnel. ................................................................................................................................ 77 Figura 3.4. Variación del precio del petróleo desde el 2019 al 2050. ................................ 78 Figura 3.5. Costo total anual de generación de vapor variando el precio del combustible. ............................................................................................................................................. 79. viii.

(10) Figura 3.6. Costo total anual de generación de vapor variando el costo unitario por kWt instalado del campo solar.................................................................................................... 81 Figura 3.7. Costo total anual de generación de vapor variando el Carbon Price. ............. 82 Figura 0.1. Ángulos de incidencia del colector. .................................................................. 94. ix.

(11) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Comparación entre principales tecnologías CSP. ............................................. 23 Tabla 1.2. Rangos de temperatura para diferentes procesos industriales. ....................... 27 Tabla 2.1. Productos elaborados en la Planta de Elaborados y Embutidos de PRONACA. ............................................................................................................................................. 34 Tabla 2.2. Procesos que utilizan vapor. .............................................................................. 35 Tabla 2.3. Datos de la caldera. ........................................................................................... 35 Tabla 2.4. Consumo nominal de vapor por equipo. ............................................................ 38 Tabla 2.5. Potencia térmica nominal de los equipos de consumo de vapor. ..................... 39 Tabla 2.6. Demanda térmica diaria. .................................................................................... 41 Tabla 2.7. Variables de entrada en SAM, para el modelo de generación de calor de proceso industrial con colectores solares Fresnel. ............................................................. 47 Tabla 2.8. Variables de salida en SAM, para el modelo de generación de calor de proceso industrial con colectores solares Fresnel. ........................................................................... 49 Tabla 2.9. Datos de entrada para SAM. ............................................................................. 50 Tabla 2.10. Datos para la modelación del concentrador LF-11 en SAM. .......................... 52 Tabla 2.11. Modificadores del ángulo de incidencia del concentrador LF-11. ................... 53 Tabla 2.12. Costo de capital, operación y mantenimiento (O&M) anual del sistema Fresnel ............................................................................................................................................. 63 Tabla 2.13. Datos del bunker y caldera .............................................................................. 66 Tabla 3.1. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario referencial_ideal. ................................................................................................................. 67 Tabla 3.2. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario referencial_generación flexible. .......................................................................................... 69 Tabla 3.3. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario referencial_GLD cte............................................................................................................. 70 Tabla 3.4. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario referencial_GLD_2p. ........................................................................................................... 71 Tabla 3.5. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario alternativo_ideal. ................................................................................................................. 72 Tabla 3.6. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario alternativo_generación flexible. ........................................................................................... 73 Tabla 3.7. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario alternativo_GLD cte. ............................................................................................................ 74. x.

(12) Tabla 3.8. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario alternativo_GLD_2p............................................................................................................. 75 Tabla 0.1. Costo nivelado del calor de Fresnel y caldera para el escenario referencial_ideal. ............................................................................................................... 111. xi.

(13) RESUMEN En el presente trabajo se plantea evaluar el potencial técnico – económico de la tecnología de concentración solar Fresnel para generar vapor en la industria agroalimentaria en el Ecuador. Por medio de simulaciones de plantas de concentración solar Fresnel en el modelo System Advisor Model (SAM), se calculó el rendimiento y el costo nivelado de calor (LCOH), para posteriormente, compararlo con el de una caldera a bunker, en un escenario base y en un escenario alternativo (sin subsidio al combustible). Se observó que la tecnología Fresnel tiene un potencial técnico importante para generar calor de proceso en la industria, pero, a corto plazo, no es viable económicamente debido a los subsidios al combustible fósil. Adicionalmente, se realizaron análisis de sensibilidad variando el precio del bunker, el costo unitario por kWt instalado del campo solar y agregando un costo adicional que es el Carbon Price, que indican que con un precio de bunker de 3,2 USD/galón, una reducción del 40% en el costo unitario por kWt instalado y con un Carbon Price mayor a 110 USD/t CO2, comenzaría a mostrarse interesante la instalación de concentradores solares Fresnel.. Palabras clave: Calor de proceso industrial, concentración solar Fresnel, costo nivelado de calor (LCOH), SAM.. xii.

(14) ABSTRACT The present work proposes to evaluate the technical - economic potential of the Fresnel solar concentration technology to generate steam in the agro alimentary industry in Ecuador. By means of simulations of Fresnel solar concentration plants in. System. Advisor Model (SAM), the performance and the levelized cost of heat (LCOH) were calculated, to later compare it with a boiler that works with fuel oil, in a base scenario and an alternative one (without fuel subsidy). It was observed that Fresnel technology has an important technical potential to generate industrial process heat, but it is not economically viable in the short term, due to fossil fuel subsidies. Additionally, sensitivity analyzes were carried out varying the bunker price, the unit cost per kWt installed of the solar field and adding an additional cost that is the Carbon Price, which indicates that with a bunker price of 3.2 USD/gallon, 40% reduction in the unit cost per kWt installed and with a Carbon Price greater than 110 USD/t CO2, then the installation of Fresnel solar concentrators would be interesting.. Keywords: CSP Fresnel, levelized cost of heat (LCOH), industrial process heat, SAM.. xiii.

(15) EVALUACIÓN DEL POTENCIAL TÉCNICO – ECONÓMICO DE LA TECNOLOGÍA DE CONCENTRACIÓN SOLAR FRESNEL PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR EN LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA EN EL ECUADOR INTRODUCCIÓN El consumo de energía a nivel nacional en el 2015, según el Balance Energético Nacional 2016, fue de 90.591 kBEP (miles de barriles equivalentes de petróleo), donde el sector del transporte consume 43.538 kBEP y el sector industrial 17.840 kBEP; además, en el sector industrial, el consumo de diésel y de electricidad representan 38% y 31%, respectivamente, del total de energía final, siendo estas las principales fuentes de energía para sus procesos [1]. Respecto a los gases de efecto invernadero (GEI), en 2015, en el Ecuador el sector energía generó 44 millones de toneladas de ‫ܱܥ‬ଶ ௘ , siendo el sector industrial el responsable. de cerca del 15% del total emitido [1]. Es por esto que hoy en día, se enfoca el estudio y desarrollo de proyectos en los cuales se reemplace a las fuentes de energía tradicionales por energías renovables, como la solar. El estado ecuatoriano, por medio del Instituto de Investigación Geológico Energético (IIGE), ha desarrollado varios proyectos con los cuales busca impulsar la diversificación de la matriz energética y la transformación de la matriz productiva, mediante el uso de tecnologías solares térmicas de concentración para el suministro de calor a medias y altas temperaturas. Como caso puntual, la industria agroalimentaria utiliza vapor para sus procesos de producción, el cual es actualmente generado principalmente por calderas que utilizan combustibles fósiles. El rango de temperatura del vapor es de 80 a 120°C, que también se puede conseguir por medio de un concentrador solar lineal Fresnel o de cilindro parabólico [2]. Por ser una tecnología relativamente nueva en el país, no existen estudios que evalúen su potencial en procesos industriales en Ecuador, teniendo como ventaja que la tecnología Fresnel puede ser desarrollada fácilmente por la industria local ya que esta utiliza materiales reflectores y componentes absorbedores más simples y menos costosos con respecto a los de cilindro parabólico [3].. 14.

(16) Es por esto que se plantea evaluar el potencial de la tecnología de concentración solar Fresnel como alternativa al uso de combustibles fósiles para la generación de calor de proceso en la industria agroalimentaria del Ecuador, que no emita GEI, permita diversificar la matriz energética y que pueda ser desarrollada por la industria metalúrgica nacional.. Justificación En varios países del mundo, se han desarrollado estudios del potencial de las aplicaciones del calor de proceso industrial solar (SIPH, por sus siglas en inglés, de Solar Heat Industrial Process) como en Estados Unidos [2], Alemania [4], España, Portugal [5], Chipre [6], México [7], etc.; probando diferentes tipos de tecnologías de concentración solar, entre ellas la concentración lineal Fresnel. A pesar de que las realidades de los países mencionados son diferentes a la ecuatoriana, estos trabajos previos brindan la pauta para el desarrollo de este trabajo. Adicionalmente, en el Ecuador no existe este tipo de estudios, que muestren alternativas al uso de combustibles fósiles para la producción de calor de proceso industrial. Para este estudio se utilizará el software System Advisor Model (SAM), que evalúa el rendimiento y costos de proyectos específicos de energía renovable en escala local, simulando la operación horaria de la planta a lo largo de su vida útil. Además, permite optimizar la operación y diseño de la planta para alcanzar objetivos como el de mínimo costo nivelado de la energía producida (LCOE), mínimo consumo de agua, etc [8]. En la evaluación del potencial de tecnologías de concentración solar para la generación de calor de proceso es necesario, primero, determinar las zonas con mayor irradiación directa normal (DNI, del inglés, Direct Normal Irradiation) y donde, a la vez, se encuentren las industrias que hagan uso de calor de proceso. Después, para la tecnología de concentración solar en estudio, se evalua su potencial técnico usando software de simulación o de forma experimental, posteriormente, se realiza un análisis económico. Esta metodología la siguen autores como Kurup et. al. [2], y Kalogirou [6]. En el 2017 se realizó un estudio del Potencial de Cogeneración y Trigeneración en el Ecuador elaborado por instituciones del estado ecuatoriano y UCUENCA EP, en el cual, se identificó empresas en los sectores industrial, comercial, hospitalario y hotelero del país que. 15.

(17) consumen una cantidad importante de electricidad y combustibles fósiles en sus procesos productivos. Se analizaron 555 empresas a nivel nacional, obteniendo un potencial técnico factible de cogeneración de 597,8 MW. De las 555 empresas analizadas, 190 son del sector agroalimentario (alimentos y agroindustria), con un potencial de cogeneración de 182,9 MW [9]. Se realizará la evaluación del potencial técnico–económico de la tecnología de concentración solar Fresnel para la generación de vapor en la industria, debido a que son sistemas que podrían desarrollarse en el país, tienen un relativo bajo costo de inversión inicial, y, facilidad de instalación y mantenimiento; características que beneficiarían a la agroindustria en sus procesos de producción, reduciendo costos y aumentando su productividad.. Objetivo general Evaluar el potencial técnico – económico de la tecnología de concentración solar Fresnel para la generación de vapor en la industria agroalimentaria en el Ecuador.. Objetivos específicos ·. Realizar un estudio del potencial teórico en el Ecuador para concentración solar con tecnología Fresnel, para determinar zonas con potencial donde se encuentren las empresas agroalimentarias.. ·. Simular en SAM plantas de concentración solar Fresnel para generación de calor de proceso y calcular el rendimiento y el costo nivelado de calor (LCOH), comparando este último con el de una caldera a bunker, en el escenario base, y en un escenario alternativo en donde los combustibles fósiles no tendrían subsidio.. ·. Realizar análisis de sensibilidad sobre el LCOH al variar el costo de capital de los concentradores Fresnel, el precio del búnker, y un posible impuesto al carbono (carbon tax).. Alcance El alcance del presente trabajo es evaluar el potencial técnico y económico de la tecnología de concentración solar Fresnel para la generación de vapor en la agroindustria ecuatoriana. 16.

(18) Una vez evaluado el potencial técnico por medio de simulaciones en SAM, se procede a la evaluación económica mediante el indicador técnico-financiero de costo nivelado del calor (LCOH), el cual determina el costo de generación de energía térmica mediante concentradores solares Fresnel. Se analiza si el LCOH con Fresnel es menor que el costo de la energía térmica generada con una caldera a bunker. Finalmente, se busca dimensionar el campo solar necesario para un caso de estudio.. 17.

(19) 1. MARCO TEÓRICO 1.1. Recurso solar y potencial para concentración solar en Ecuador La radiación solar incide sobre la superficie de la Tierra de forma directa e indirecta (irradiación difusa). El componente directo de la irradiancia solar (DNI, por el inglés, Direct Normal Irradiation) es el que tiene importancia para las tecnologías de concentración solar debido a que se puede concentrar en áreas pequeñas por medio de superficies reflectivas o lentes. Para concentrar los rayos del Sol, se requiere cielos despejados que generalmente están en lugares cálidos semiáridos o desérticos. Además, el DNI es significativamente mejor en grandes altitudes, donde la absorción y la dispersión de la luz solar son mucho más bajas [10]. Las zonas del planeta con mayores valores de DNI alcanzan valores de entre 8,5 a 9,5 ௞ௐ௛ , ௠మ ‫כ‬ௗÀ௔. por ejemplo las áreas desérticas al sur oeste de los EE.UU. o el desierto de Atacama. en Chile [11] (Ver Figura 1.1.). Pese a que el Ecuador no se encuentra entre las latitudes mencionadas, este si cuenta con zonas altas, como es la región de la sierra que está ubicada sobre la Cordillera de los Andes. Como se muestra en la Figura 1.2, las zonas con mayor DNI están ubicadas en esta región, teniendo valores promedio de DNI diario de 4,5 a 5,5. ௞ௐ௛. ௠మ ‫כ‬ௗÀ௔. , siendo estas las que tienen mayor potencial para concentrar energía solar con 1. respecto a las demás zonas del Ecuador continental .. 1. En este trabajo no se tomará en cuenta a la región Insular.. 18.

(20) Figura 1.1. Mapa de irradiación normal directa (DNI) media (anual y diaria) mundial. Fuente: [12].. Para evaluar el potencial técnico-económico de la tecnología de concentración solar para generación eléctrica (CSP, del inglés, Concentraded Solar Power) se consideran las zonas a nivel mundial que tienen un DNI mayor a 6. ௞ௐ௛ ௠మ ‫כ‬ௗÀ௔. [10]. Mientras plantas CSP requieren. operar en rangos de temperatura elevados, sistemas de concentración solar para generación de calor de proceso en aplicaciones industriales típicamente operan en rangos de temperatura media, para lo cual un DNI menor a 6. ௞ௐ௛. ௠మ ‫כ‬ௗÀ௔. es aceptable. Comparando valores. de DNI promedio diarios en Ecuador y los valores de zonas a nivel mundial con un alto potencial para concentración solar, se puede decir que el país posee zonas con un potencial solar teórico medio para tecnologías de concentración solar de generación de calor de proceso en la industria.. 19.

(21) Figura 1.2. Mapa de irradiación normal directa (DNI) media (anual y diaria) para Ecuador. Fuente: [12].. 1.2. Sistemas de concentración solar La concentración de energía solar es un medio para convertir la energía solar en electricidad o calor de proceso, a través de un procedimiento indirecto. Los sistemas de concentración solar utilizan superficies reflectivas de gran área, que integran una parábola, para concentrar la radiación solar directa sobre un receptor lineal o puntual [13]. Estos sistemas usan una tecnología diferente a los sistemas fotovoltaicos (PV) que aprovechan la irradiancia horizontal global (GHI, por el inglés, Global Horizontal Irradiance) para generar electricidad mientras los sistemas de concentración solar lo hacen aprovechando la DNI para generar energía térmica [14].. 20.

(22) 1.2.1. Tecnologías de concentración solar Los concentradores solares son dispositivos ópticos que concentran la DNI y la transforman en energía térmica útil. El primer componente es el concentrador óptico, que aumenta la densidad de flujo de la DNI para reflejarla en el receptor en donde se convierte en energía térmica al aumentar la entalpía de un fluido de trabajo a medida que circula dentro del receptor [15]. Esta energía se puede almacenar (si se requiere) y se puede convertir para satisfacer las demandas de energía eléctrica, térmica o mecánica. Se utilizan diferentes tipos de concentradores solares de acuerdo a la aplicación que se necesite [14]. Las principales tecnologías son las siguientes: ·. Colectores cilindro parabólicos (PTC, por el inglés, Parabolic Trough Collectors): Consisten en filas paralelas de espejos parabólicos para concentrar la DNI sobre un receptor. El receptor es móvil y concentra la DNI de forma lineal. Es la tecnología más madura y se encuentra en la mayor parte de las plantas comerciales CSP y SHIP actuales [10].. ·. Reflectores lineales Fresnel (LFR, del inglés, Linear Fresnel Reflectors): Tienen una forma aproximada a los PTC, pero utilizan largas hileras de espejos planos que reflejan la DNI sobre un receptor fijo y lineal orientado hacia abajo. La ventaja principal de los LFR es su diseño simple de espejos planos y receptor fijo, lo que implica menores costos de inversión y abarata la generación directa de vapor (DSG, por el inglés, Direct Steam Generation), de esta manera se elimina la necesidad y el costo de los fluidos de transferencia de calor (HTF, del inglés, Heat Thermal Fluid) y de intercambiadores de calor [10].. ·. Torres de concentración solar (SPT, del inglés, Solar Power Tower): También conocidas como sistemas de receptor central, usan cientos o miles de helióstatos (grandes espejos con una ligera curvatura, hace parte de una gran parábola) para concentrar la DNI en un receptor central situado encima de una torre fija. Algunas plantas generan vapor directamente, otras usan sales fundidas como medio de almacenamiento de energía térmica (TES, del inglés, Thermal Energy Storage). Existe una amplia variedad de heliostatos, receptores, fluidos de transferencia, medios de almacenamiento de energía térmica y tecnologías para el bloque de potencia[10].. ·. Discos parabólicos (PDC, del inglés, Parabolic Dish Concentrator): Estos sistemas concentran la DNI en un punto focal apoyado sobre el centro del disco parabólico. Todo 21.

(23) el sistema sigue al Sol, moviendo el disco y el receptor de forma sincronizada. La mayoría de estos sistemas tienen en el punto focal un motor Stirling o una micro-turbina [10]. En la Figura 1.3. se muestra a las cuatro principales tecnologías de concentración solar.. Figura 1.3. Principales tecnologías de concentración solar. Fuente: [3].. En la Tabla 1.1. se presenta una comparación entre los cuatro tipos de concentradores, observando que los PTC y LFR, son las tecnologías más adecuadas para la generación de calor de proceso.. 22.

(24) Tabla 1.1. Comparación entre principales tecnologías CSP.. Tecnología de Temperatura Relación de Ventajas concentración de concentración 2 solar operación solar (°C) (veces). Desventajas. PTC. Área ocupada relativamente grande.. 20-400. 15-45. Costo de instalación relativamente bajo. Gran retroalimentación experimental.. Baja eficiencia termodinámica debido a la baja temperatura de operación.. LFR. 50-300. 10-40. Costo de instalación relativamente bajo.. Baja eficiencia termodinámica debido a la baja temperatura de operación.. SPT. 300-1.000. 150-1.500. Alta eficiencia termodinámica debido a la alta temperatura de operación.. Ocupa gran espacio. Costo de inversión alto. Pérdidas de calor altas.. PDC. 120-1.500. 100-1.000. Área ocupada relativamente pequeña. Alta eficiencia termodinámica debido a la alta temperatura de operación.. Costo de inversión alto Poca retroalimentación experimental.. Fuente: [17].. 1.2.2. Concentrador solar lineal tipo Fresnel Los colectores. lineales. Fresnel,. utilizan. receptores. lineales. y reflectores. planos 3. segmentados, cada filera con su respectivo sistema de seguimiento solar (heliostatos ) de un 2. Es la relación entre el área de apertura y el área del receptor [16]. Aparato que hace que un espejo siga el movimiento diurno del Sol, recogiendo así la máxima energía para su utilización calorífica [18].. 3. 23.

(25) solo eje. Estos reflectores (espejos) están normalmente alineados de forma horizontal y rastrean el Sol de tal forma que el receptor es iluminado sin necesidad de que este se mueva. En comparación con el reflector ideal, el de canal parabólico, los reflectores lineales Fresnel permiten un área de apertura mucho más grande por unidad de área del receptor. Los espejos pueden ser pequeños pero cubren en conjunto una gran área de apertura. El inconveniente en los sistemas de heliostatos es que se tiene una eficiencia óptica menor por área de reflector en comparación con el reflector ideal (canal parabólico), pudiendo únicamente aproximarse a la eficiencia óptica de este; esto se debe principalmente a la interferencia entre segmentos reflectores individuales [19].. Figura 1.4. Esquema de un concentrador solar lineal Fresnel. Fuente: [19].. Los colectores lineales Fresnel utilizan una serie de reflectores primarios planos o casi planos, cada hilera con su sistema de seguimiento solar, y un receptor fijo que incluye uno o más tubos receptores lineales y un reflector secundario opcional, como se muestra en la Figura 1.4. [13]. Islam et al. [20] mencionan que los componentes más importantes en el sistema son los reflectores y que el principio de funcionamiento de estos es el mismo que el de la lente Fresnel. En general, el diseño de los concentradores lineales Fresnel difiere en el tipo de receptor y en la disposición de los espejos. El conjunto del receptor puede ser vertical, horizontal o triangular en configuración como se observa en la Figura 1.5.. 24.

(26) Figura 1.5. Configuraciones del receptor: triangular (A y D), vertical (B) y horizontal (C). Fuente: [13].. Los colectores lineales Fresnel tienen una eficiencia óptica / térmica menor que los colectores de cilindro parabólico porque la combinación de un receptor fijo y los paneles de espejo con seguimiento en un eje, en un plano horizontal, da como resultado mayores pérdidas de coseno4, por lo que para compensar esta deficiencia óptica se requieren componentes (espejos) de bajo costo comparados con los de un concentrador de cilindro parabólico [13], [21]. Históricamente, la mayor parte de los colectores lineales Fresnel fueron desarrollados y/o utilizados para la generación de calor a baja o media temperatura, teniendo amplias aplicaciones en refrigeración y calefacción de edificios, suministro de calor de proceso industrial, tratamiento de agua, etc. Hoy en día se diseñan con mayor frecuencia concentradores lineales Fresnel de alta temperatura para generación de electricidad a escala de servicios públicos y para procesos de calor industrial a gran escala [13]. Francia reportó temperaturas de 450 °C y generación de vapor directa [19]. 4. Las pérdidas ópticas son causadas debido a que el área de apertura no es perpendicular a los rayos incidentes y, por lo tanto, el área activa disminuye por el coseno del ángulo incidente de cada espejo [19].. 25.

(27) Las principales ventajas de los concentradores lineales Fresnel frente a los de cilindro parabólico son: ·. Los LFR pueden utilizar espejos de vidrio plano, más baratos que los espejos parabólicos, que son un producto estándar producido en masa.. ·. Requieren menos acero y concreto, ya que la estructura de soporte de metal es más liviana. Esto también hace que el ensamblaje sea más sencillo.. ·. Las cargas de viento son más pequeñas, lo que resulta en una mejor estabilidad estructural, pérdidas ópticas reducidas y menos rotura de los espejos [21].. 1.3. Situación actual en el Ecuador sobre aprovechamiento de energía solar con concentradores. Figura 1.6. Capacidad instalada de proyectos solares para Ecuador según IRENA. Fuente: [22].. Según la International Renewable Energy Agency (IRENA), el Ecuador únicamente posee proyectos solares para generación de electricidad por medio de la tecnología de paneles 26.

(28) fotovoltaicos y ningún proyecto con concentradores solares [22]. En la Figura 1.6. se muestra la capacidad instalada en el Ecuador en el período 2010 al 2017. Antes de ese período no se tiene valores. Se observa que hay un desarrollo de proyectos fotovoltaicos considerable a partir del 2013 hasta el 2017, alcanzando una capacidad instalada de 26 MW, siendo esta apenas el 0,32% de la capacidad instalada total para generación eléctrica (8.087 MW) [1]. En el Plan Maestro de Electricidad 2016 – 2025, publicado en el 2017, se muestra que existen hasta el 2016, nueve proyectos de generación de electricidad por medio del aprovechamiento de la energía solar a través de paneles fotovoltaicos [23]. Por lo tanto, no existe experiencia en Ecuador con concentradores solares, únicamente con plantas solares fotovoltaicas y con paneles solares para calentamiento de agua sanitaria.. 1.4. Actividades industriales que utilizan calor para sus procesos En la industria se utilizan grandes cantidades de energía para generación de calor de proceso de baja y media temperatura, en diferentes aplicaciones como el secado de alimentos y madera, limpieza en procesamiento de alimentos, cocción, operaciones de extracción en procesos metalúrgicos o químicos, curado de productos de mampostería, secado de pintura, etc. [16]. Los rangos de temperatura de calor de proceso utilizado en la industria se los puede clasificar en: baja (T < 100°C), media (100°C < T < 250°C) y alta temperatura (T > 250°C). Los sectores manufactureros de minería, alimentos y bebidas, tabaco, papel, maquinaria y equipos de transporte requieren procesos de baja y media temperatura. Los sectores de productos de químicos, minerales no metálicos y metales básicos requieren procesos de altas temperaturas [24]. Kalogirou [6], Mekhilef et al. [25] y Lauterbach et al. [4], resumen en sus estudios los procesos industriales más importantes que utilizan calor de proceso a baja y media temperatura. Algunos sectores industriales y sus procesos industriales más importantes con sus respectivos rangos de temperatura se encuentran en la Tabla 1.2.. 27.

(29) Tabla 1.2. Rangos de temperatura para diferentes procesos industriales.. Industria. Proceso. Temperatura (°C). Láctea. Presurización. 60-80. Esterilización. 100-120. Secado. 120-180. Concentrados. 60-80. Agua de alimentación a caldera. 60-90. Esterilización. 110-120. Pasteurización. 60-80. Cocción. 60-90. Blanqueamiento. 60-90. Blanqueamiento, teñido. 60-90. Secado, desengrasado. 100-130. Teñido. 70-90. Fijación. 160-180. Prensado. 80-100. Cocción, secado. 60-80. Agua de alimentación a caldera. 60-90. Blanqueamiento. 130-150. Jabones. 200-260. Caucho sintético. 150-200. Calor de procesamiento. 120-180. Agua de precalentamiento. 60-90. Lavado, esterilización. 60-90. Cocción. 90-100. Lavado, esterilización. 60-80. Pasteurización. 60-70. Harinas y subproductos. Esterilización. 60-80. Subproductos de la madera. Termodifusión. 80-100. Secado. 60-100. Conservas. Textil. Papel. Química. Carne. Bebidas. 28.

(30) Agua de precalentamiento. 60-90. Preparación de pulpa. 120-170. Ladrillos y bloques. Curado. 60-140. Plásticos. Preparación. 120-140. Destilación. 140-150. Separación. 200-220. Extensión. 140-160. Secado. 180-200. Mezcla. 120-140. Fuente: [6].. 1.5. Calor de proceso industrial provisto con energía solar Existe un rango amplio de potenciales aplicaciones para las tecnologías de concentración solar para generación de calor de procesos industriales, que podrían reemplazar el uso de grandes cantidades de combustibles fósiles. Sin embargo, estas tecnologías enfrentan una alta competencia debido a que la industria compra grandes cantidades de combustible a un costo muy bajo, en Ecuador explicado por la presencia de importantes subsidios a los combustibles fósiles [16]. Para evaluar el potencial de la generación de calor para un proceso industrial a partir de energía solar se debe considerar el uso que se va a dar a esa energía y la temperatura a la que se debe entregar el vapor/agua caliente. De esta manera, si un proceso requiere aire caliente para el secado directo, será necesario un sistema de calefacción de aire usando un sistema de concentración de energía solar de baja temperatura. Si se requiere vapor para operar un autoclave o secador indirecto, se necesitará un sistema de energía solar diseñado para generar vapor de media o alta temperatura. Si se necesita agua caliente en el proceso de limpieza de alimentos, bastaría con que el sistema fuese basado en colectores planos [16]. Los sistemas de suministro de calor en la mayoría de las industrias entregan agua caliente o vapor a presión correspondiente con la temperatura más alta necesaria entre los diferentes procesos de la planta. Las temperaturas máximas típicas son de aproximadamente 180-260 °C.. 29.

(31) Para elaborar una clasificación general para la integración de calor de proceso solar, deben ser considerados todos los parámetros relevantes que influyen en la integración de calor solar en un sistema existente, estos parámetros son: la distinción entre suministro y nivel de proceso, el medio de transferencia de calor utilizado a nivel de suministro, el tipo de proceso industrial y el equipo convencional que provee calor a nivel de proceso. Por lo tanto, se puede realizar el acoplamiento del calor de proceso solar a un sistema existente en dos niveles: suministro o proceso industrial [26]. La integración del campo solar es posible en distintos puntos de la red de suministro y distribución de calor de un sitio de producción industrial. Se entiende por integración a nivel de suministro el integrar el calor solar dentro de las líneas centrales de distribución de calor o los almacenamientos centrales de calor, mientras que la integración a nivel de proceso es el acoplamiento del calor solar a un proceso específico o a almacenamientos de calor de proceso [27]. (Ver Figura 1.7.). Figura 1.7. Posibles puntos de integración del calor de proceso industrial solar. Fuente: [27].. 30.

(32) Como ejemplo, dentro de la industria de bebidas y alimentos, existen varios procesos en los que se podría utilizar la energía solar térmica: escaldado de verduras, esterilización (verduras, pescado, carne, comida para bebés) con agua caliente o vapor directo, limpieza y precocción de pescado, sellado y limpieza de latas, cocción [5].. 31.

(33) 2. METODOLOGÍA En este capítulo se indican los pasos para evaluar el potencial técnico – económico de la tecnología de concentración solar Fresnel para generación de vapor en la agroindustria ecuatoriana. En el capítulo anterior, en base a la bibliografía [12], se determinó las zonas con mayor potencial teórico en el Ecuador dando como resultado las provincias de Imbabura, Pichincha y Loja (Figura 2.1) . Estos resultados son validados por el estudio realizado por Guerrero et al. [28] en donde por medio de la comparación de mapas de irradiación solar directa realizados con datos satelitales, como los presentados por SWERA, NASA, NREL; y el Atlas Solar ecuatoriano elaborado por el CONELEC, se llega a la conclusión que las zonas con mayor potencial de aprovechamiento solar con fines energéticos están en: el Sur–Oeste de Loja y entre Quito e Ibarra, es decir en las provincias de Pichincha e Imbabura. En consecuencia se tomará como caso de estudio a una agroindustria de la provincia de Pichincha (PRONACA), de la cual se tienen datos sobre el consumo de vapor en sus procesos industriales. Adicionalmente, se hará un análisis de sensibilidad de la ubicación, simulando el mismo caso también en zonas de alto DNI en Imbabura y Loja. Luego se estudia el potencial técnico usando el software System Advisor Model (SAM). Este es un software que simula y optimiza el diseño y operación de plantas de concentración solar Fresnel, calculando el rendimiento y el costo total del proyecto. Esta herramienta usa técnicas paramétricas, con un enfoque Bottom – Up, para proyectos puntuales, con un criterio de equilibrio parcial [8]. Se obtendrá el calor generado anual y el costo nivelado de calor (LCOH, por sus siglas en inglés de Levelized Cost of Heat). Con los resultados obtenidos de las simulaciones en los diferentes escenarios, se procederá a realizar un estudio del potencial económico, comparando el LCOH solar con el LCOH de una caldera a bunker, en dos escenarios: el primero con una caldera amortizada y subsidio de combustible; y, el segundo con una caldera nueva y combustible sin subsidio. Finalmente se elaborará un análisis de sensibilidad variando el precio del bunker, el costo unitario por kWt instalado del campo solar y agregando un costo adicional que es el Carbon Price.. 32.

(34) Figura 2.1. Mapa de DNI promedio diario para Ecuador con zonas mayores a 4,5 kWh/m^2/día. Fuente:[11].. 2.1. Caso de estudio Para evaluar el potencial de la tecnología de concentración solar Fresnel en la agroindustria se seleccionó a la empresa PRONACA, específicamente a la Planta de Elaborados y Embutidos, que entró en operación en 1993, donde se elaboran productos cárnicos listos. 33.

(35) para su consumo. La planta se encuentra ubicada en la provincia de Pichincha, cantón Quito, parroquia de Pifo; entre la ciudad de Quito e Ibarra. Los datos de esta industria, necesarios para el estudio, fueron tomados de la tesis realizada por Palacios (2009) [29] en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional.. 2.1.1. Productos elaborados Los productos que se elaboran en la Planta de Elaborados y Embutidos de PRONACA se muestran en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Productos elaborados en la Planta de Elaborados y Embutidos de PRONACA.. Pastas finas. Jamones. Congelados cocidos. Horneados. Chorizo. Jamón de pierna. Chicken whopper. Chuleta. Longaniza. Jamón de espalda. Fritada completa. Piernas de pavo. Ranchera. Jamón fritz. Alitas. Tocineta redonda. Salchicha light pollo. Jamón americano. Fajitas. Jamón artesanal. Salchicha light pavo. Jamón de pechuga. Topping. Tocineta a granel. Salchicha looney. Jamón de pollo. Beef de res. Tocineta rebanada. Tunes. Pernil. Salchicha italiana. Mortadela extra. Jamones ahumados. Grilled chicken. Mortadela fritz. Lomito. Alitas Campero. Mortadela looney. Jamón glaceado. Alitas Domino’s. Cocktail fritz. Pernilito de pavo. Chorizo rebanado. Jamón Pizza Hut. Chorizo al granel Fuente: [29].. 2.1.2. Procesos que utilizan vapor La planta para sus procesos industriales utiliza calor de proceso de baja y media temperatura dependiendo del producto a ser elaborado o del proceso, como se muestra en la Tabla 2.2.. 34.

(36) Tabla 2.2. Procesos que utilizan vapor.. Proceso. Temperatura. Secado. 60 °C – 80°C. Cocción. 90 °C – 100 °C. Calentamiento de bunker. n/d. Calentamiento de agua. 65 °C – 71 °C. Fuente: [29].. 2.1.3. Generación de vapor Para la generación de vapor, utilizado en sus procesos productivos, la planta posee una caldera CLEAVER BROOKS pirotubular de cuatro pasos que genera vapor saturado a 100 psig, utilizando bunker como combustible [29]. Los datos de la misma se encuentran en la Tabla 2.3. Tabla 2.3. Datos de la caldera.. Marca. CLEAVER BROOKS. Modelo. CB600-150. Tipo. Pirotubular. Capacidad. 150 BHP. Condiciones de operación. 100 psig. Suministro eléctrico. 220 V, 60 Hz, 3 PH. Motor del soplador. 10 HP. Calentador de bunker. 5 kW. Largo. 4500 mm. Diámetro. 1620 mm. Tipo de aislante. Lana de vidrio. Espesor del aislante. 52 mm. Fuente: [29].. Una vez generado el vapor en la caldera este es enviado a un distribuidor de vapor que luego lo reparte a los distintos equipos de consumo de vapor. (Figura 2.2.). 35.

(37) Figura 2.2. Distribuidor de vapor. Fuente: [29].. 2.1.4. Equipos de consumo de vapor A continuación se describirán los equipos que consumen el vapor producido por la caldera y el consumo nominal de vapor de cada equipo. (Ver Tabla 2.4.) ·. Calentamiento de bunker El calentamiento del bunker se lo realiza con el fin de lograr una viscosidad adecuada para ser bombeado a un tanque diario antes de ser combustionado en la caldera; esto se logra por medio de un serpentín por el cual circula vapor. No se tiene registrado el valor de temperatura que alcanza el bunker.. ·. Hornos Para la cocción de alimentos, la planta posee tres hornos de diferente capacidad que trabajan en diferentes condiciones de operación que dependen del producto. Las temperaturas que se alcanzan están entre 60 °C y 80 °C. Horno de 2 coches (11.000 litros) Horno de 6 coches (28.000 litros) 36.

(38) Horno de 8 coches (36.000 litros) ·. Marmitas Otros equipos para cocción con los que cuenta la planta son cinco marmitas de dos módulos y una de un módulo, las cuales poseen un serpentín por el cual circula vapor saturado que calienta el agua en el interior. Las temperaturas para la cocción de alimentos van de 90 °C a 100 °C. Marmita 1 (1.500 litros) Marmita 2 (1.700 litros) Marmita 3 (1.700 litros) Marmita 4 (1.700 litros) Marmita 5 (1.700 litros) Marmita 6 (337,5 litros). ·. Unidades de mezcla agua-vapor Disponen de cuatro unidades de igual capacidad, en las cuales se mezcla vapor saturado con agua fría para obtener agua caliente. La planta utiliza el agua caliente para diferentes fines en un rango de temperatura de 65 °C a 71 °C. Mezcladora agua-vapor 1 Mezcladora agua-vapor 2 Mezcladora agua-vapor 3 Mezcladora agua-vapor 4. 37.

(39) Tabla 2.4. Consumo nominal de vapor por equipo.. Equipo. Consumo de vapor nominal (kg/h). Serpentín calentamiento de bunker. 111,8. Mezcladora agua-vapor 1. 128,1. Mezcladora agua-vapor 2. 128,1. Mezcladora agua-vapor 3. 128,1. Mezcladora agua-vapor 4. 128,1. Marmita 1. 203,4. Marmita 2. 203,4. Marmita 3. 203,4. Marmita 4. 203,4. Marmita 5. 203,4. Marmita 6. n/d. Horno 2 coches. 146,5. *Horno 6 coches. 406,9. Horno 8 coches. 528,9. *No se emplea periódicamente. Fuente: [29].. 2.1.5. Demanda térmica Para determinar el tamaño del campo solar de concentradores Fresnel y su capacidad es primordial conocer la demanda de calor de la industria. En el trabajo de Palacios (2009) [29], de la cual se han tomado los datos de la Planta de Elaborados y Embutidos de PRONACA, no se encuentran valores de consumo de calor de los equipos por hora, día o alguna otra unidad de tiempo. Además, se tomó contacto con la planta, solicitando una visita para conocer sus procesos y el consumo de energía térmica que tenían sus equipos pero no se obtuvo una respuesta favorable. Este es un problema que se da en las industrias ecuatorianas en las cuales no existen datos precisos del uso de la energía final (energía útil). Por lo cual, primero se procedió a calcular la potencia térmica nominal de cada uno de los equipos de consumo de vapor con la Ec. 1, en base a los valores de consumo de vapor nominal de la Tabla 2.4. Los valores calculados se encuentran en la Tabla 2.5. 38.

(40) ܲ௧ ൌ ݉ሶ ‫݄ כ‬௩ ‫כ‬. ͳ ܹ݄݇ ͵Ǥ͸ͲͲ ݇‫ܬ‬. Ec. 1. Donde: ܲ௧ = Potencia térmica nominal de cada equipo de consumo de vapor. [ܹ݇௧ ] ݉ሶ= Consumo de vapor nominal de cada equipo. [kg/h] ݄௩ ൌ ‫݌݈ܽݐ݊ܧ‬À݈ܽ݀݁ܽ݃‫̷ܽݑ‬ଵଵ଴ǡ଼ହ௣௦௜௔ Ǥ [kJ/kg]. Tabla 2.5. Potencia térmica nominal de los equipos de consumo de vapor.. Equipo. Consumo de vapor nominal (kg/h). Serpentín calentamiento de bunker. 111,8. Potencia térmica nominal (࢑ࢃ࢚ ). Mezcladora agua-vapor 1. 128,1. 98,53. Mezcladora agua-vapor 2. 128,1. 98,53. Mezcladora agua-vapor 3. 128,1. 98,53. Mezcladora agua-vapor 4. 128,1. 98,53. Marmita 1. 203,4. 156,4. Marmita 2. 203,4. 156,4. Marmita 3. 203,4. 156,4. Marmita 4. 203,4. 156,4. Marmita 5. 203,4. 156,4. Horno 2 coches. 146,5. 112,61. Horno 6 coches. 406,9. 312,81. Horno 8 coches. 528,9. 406,64. 85,95. Fuente: adaptado de Palacios [29].. Posteriormente, se consideró que los equipos trabajan en su potencia térmica nominal en diferentes horas del día, por ejemplo, el calentamiento del bunker será constante entonces este proceso estará consumiendo vapor en todo momento; para las mezcladoras de aguavapor se estableció que trabajarían durante una hora y se volverían a encender pasada una hora desde que se apagan, trabajando las tres al mismo tiempo; las marmitas funcionarían las cuatro al mismo tiempo, durante dos horas, con un descanso de una hora antes de ser 39.

(41) encendidas nuevamente; en el caso de los hornos se consideró que trabajan el de dos coches y el de ocho coches, funcionando durante dos horas y se vuelven a encender después de otras dos horas de lo que fueron apagados. Además, se asumió que se tiene la misma carga térmica para todos los días del año. Se tuvo en cuenta que se labora en tres turnos, es decir las 24 horas del día. Con estas consideraciones se determinó la demanda de calor diaria como se muestra en la Tabla 2.6., teniendo una carga diaria total de 22.257,3 ܹ݄݇௧ .. Con estos datos, se graficó la Figura 2.3., en la cual se observa un pico térmico diario aproximado de 1.400 ܹ݇௧ . Cabe mencionar, que esta es una curva teórica, la cual no se ha contrastado con la realidad, pero es suficiente para los propósitos de este trabajo.. 40.

(42) Potencia térmica (kWt). 98,53. 98,53. 98,53. 98,53. Mez. agua-vapor 2. Mez.agua-vapor 3. 156,40. 156,40. 156,40. 156,40. Marmita 3. Marmita 4. 1230,8. 1413,8. Total. 494,1. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 5:00. 711,6 1413,8. 85,95. 8:00. 605,2 1119,8. 711,6. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 7:00. 112,61 112,61. 85,95. 6:00. 406,64 406,64. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 85,95. 4:00. 788,2. 406,64. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 9:00. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 11:00. 1230,8 1119,8. 406,64. 112,61 112,61. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 85,95. 10:00 85,95. 14:00. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 15:00. 406,64 406,64 494,1. 112,61 112,61. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 13:00. 86,0 1413,8 1230,8. 85,95. 12:00. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 17:00. 711,6 1413,8. 85,95. 20:00. 605,2 1119,8. 711,6. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 19:00. 112,61 112,61. 85,95. 18:00. 406,64 406,64. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 85,95. 16:00. 41. Fuente: propia.. **No se ha determinado el consumo de vapor para este equipo.. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 23:00. 112,61 112,61. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 156,40 156,40. 85,95. 22:00. 788.2 1230.8 1119.8. 406,64 406,64. 98,53. 98,53. 98,53. 85,95. 21:00. *Estos equipos no funcionan periódicamente, por lo tanto, se asume para este caso de estudio que no están en funcionamiento.. 406,64. 406,64. Horno 8 coches. Horno 2 coches. *Horno 6 coches. 112,61 112,61. 156,40. 156,40. Marmita 2. **Marmita 5. 156,40. 156,40. Marmita 1. *Mez. agua-vapor 4. 98,53. 98,53. 85,95. 3:00. Mez. agua-vapor 1. 85,95. 2:00. 85,95. 1:00. Calentamiento bunker. Horas del día. Tabla 2.6. Demanda térmica diaria.. 492.6. 406,64. 85,95. 0:00.

(43) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0. 42. Fuente: propia.. Figura 2.3. Consumo de vapor diario.. Hora. 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00. Potencia (kWt). Serpentin calentamiento bunker. Mezcladora agua-vapor 1. Mezcladora agua-vapor 2. Mezcladora agua-vapor 3. Marmita 1. Marmita 2. Marmita 3. Marmita 4. horno 2 coches. horno 8 coches.

(44) En la Figura 2.4. se muestra el perfil de la demanda de calor de la industria en el cual se observa un mínimo a las 11:00, esto es debido a que se asumió los horarios de funcionamiento de los equipos, y en esa hora coincide que todos los equipos estarían apagados. Si bien esta es una situación inusual, es algo que podría suceder en la industria, en un momento en que no trabajen varios equipos. Se consideró este caso crítico para planificar pensando en escenarios críticos, con una demanda de calor muy variable a lo largo del día. 1600 1400 1200. kWt. 1000 800 600. 400 200. 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas. Figura 2.4. Curva de carga. Fuente: propia.. Debido a que esta industria trabaja las 24 horas del día, se realizó el estudio para una planta híbrida de generación de calor solar Fresnel y caldera a bunker. La caldera funcionará en los momentos en que no se disponga de radiación solar o no sea suficiente la generación por parte del campo solar para cubrir el total de la demanda. El análisis se realizó para una posible integración del campo solar, a nivel de suministro de calor, con un sistema de generación de vapor existente que utiliza una caldera a bunker, como se muestra en la Figura 2.5.. 43.

(45) 100psig. Agua. Agua. Figura 2.5. Esquema de integración del campo solar. Fuente: propia.. 2.2. System Advisor Model (SAM) El software System Advisor Model (SAM) es un programa de simulación y optimización de proyectos de energía renovable, permite calcular indicadores financieros y el rendimiento teórico del proyecto. La herramienta fue diseñada para facilitar la toma de decisiones a las personas involucradas en la industria de la energía renovable como: gerentes de proyectos e ingenieros, analistas de políticas, desarrolladores de tecnología e investigadores. SAM calcula el rendimiento (eficiencia de conversión de energía) y contabiliza el costo de la energía para proyectos energéticos. SAM posee una interfaz de usuario, un motor de cálculo y una interfaz de programación. En la Figura 2.6. se muestra un diagrama de flujo que resume el funcionamiento de SAM. La interfaz de usuario es lo que observa el usuario, y donde se tiene acceso a las variables de entrada y controles de simulación, además, muestra tablas y gráficos de resultados. El motor de cálculo realiza una simulación detallada en resolución temporal horaria del rendimiento de 44.

(46) un sistema energético, y un conjunto de cálculos de indicadores financieros anuales y del flujo de caja del proyecto. La interfaz de programación permite que programas externos interactúen con SAM.. Figura 2.6. Diagrama de flujo SAM. Fuente: [30].. El primer paso para crear un archivo SAM es escoger un modelo financiero y un modelo técnico. SAM inicialmente presenta valores típicos para algunas de las variables de entrada en función de experiencias con otros proyectos internacionales, especialmente proyectos de Estados Unidos. A continuación, se debe proporcionar información sobre la ubicación del proyecto, el tipo de tecnología a utilizar, el costo de instalación y operación del sistema y las suposiciones financieras y de incentivos.. 2.2.1. Modelos SAM y bases de datos SAM requiere un archivo de datos meteorológicos (TMY, año típico meteorológico) para describir el recurso de energía renovable y las condiciones climáticas en la ubicación del proyecto. El archivo de datos .TMY meteorológicos se escoge de una lista con las principales ciudades del mundo, se puede descargar de internet o crearlo con datos propios que se. 45.

(47) tengan a partir de mediciones de estaciones meteorológicas. El Laboratorio NREL de Estados Unidos pone a disposición en internet, de forma gratuita, la base de datos National Solar Radiation Database (NSRDB), que contiene datos horarios de un año típico meteorológico, incluyendo irradiación directa, irradiación global y otras condiciones ambientales del clima, para lugares específicos en una resolución en donde cada píxel corresponde a un territorio de 4km x 4km. SAM utiliza algoritmos desarrollados en NREL, Sandia National Laboratories, la Universidad de Wisconsin y otras organizaciones. La versión actual incluye modelos para los siguientes tipos de sistemas: ·. Sistema fotovoltaico. ·. Cilindro parabólico. ·. Torre de concentración solar. ·. Lineal Fresnel. ·. De generación de calor de procesos industriales con colectores parabólicos y colectores lineales.. ·. Discos parabólicos. ·. Combustible fósil convencional térmico. ·. Calentamiento de agua solar para edificios residenciales o comerciales. ·. Energía eólica. ·. Energía geotérmica. ·. Combustión de biomasa. Los modelos requieren datos de entrada para describir las características de rendimiento de los equipos en el sistema y los costos del proyecto. Algunos ejemplos de variables de entrada, para el caso de sistemas de concentración solar para generación eléctrica (CSP), son: ·. Costos de instalación que incluyen compras de equipos, mano de obra, ingeniería, costos de terreno, costos de operación y mantenimiento (fijo y variable) y otros costos del proyecto.. ·. Tipo de colector y receptor, múltiplo solar, capacidad de almacenamiento de energía térmica, capacidad del bloque de potencia, etc.. 46.

(48) ·. Período de análisis, tasa de descuento real, tasa de inflación, tasas impositivas, tasa interna de retorno objetivo o precio de compra de energía, para modelos financieros de acuerdo de compra de energía (PPA, por sus siglas en inglés).. SAM muestra resultados de simulación en tablas y gráficos, que van desde la tabla de resumen, que muestra el valor presente neto del proyecto, la producción de energía anual del primer año y otros indicadores importantes, hasta el flujo de caja anual detallado y los datos de rendimiento por hora que se pueden ver en forma tabular o gráfica [30].. 2.2.2. Variables de entrada y salida Para el presente trabajo se escogió el modelo de calor de proceso de vapor directo lineal, que es utilizado para modelar un campo solar de colectores lineales Fresnel de generación directa de vapor, mismo que puede ser usado directamente para una aplicación térmica durante un proceso industrial [30]. Las variables de entrada y algunas variables de salida en el modelo se encuentran en la Tabla 2.7. y Tabla 2.8. Los significados de cada variable están detallados en el ANEXO 1. Tabla 2.7. Variables de entrada en SAM, para el modelo de generación de calor de proceso industrial con colectores solares Fresnel.. Variables de entrada · Ubicación y recurso. Parámetros del punto de diseño. · DNI del punto de diseño · Múltiplo solar objetivo · Temperatura de entrada al campo solar · Calidad del vapor a la salida del campo solar · Potencia del sumidero de calor (Heat Sink) · Presión de entrada del sumidero de calor · Caída de presión fraccional del sumidero de calor 47.

(49) · Número de módulos en la sección de la caldera Parámetros del campo solar. · Elevación solar para el colector por la noche · Elevación solar para despliegue de colector por la mañana · Stow wind speed · Ángulo azimuth del colector · Temperatura ambiente del punto de diseño · Potencia de seguimiento · Coeficiente de pérdida térmica de tubería. frío · Tasa de caída de presión vapor. Condiciones de diseño de. · Tasa de caída de presión de cabezal. · Tasa de caída de presión promedio en el cabezal caliente de punto de diseño · Temperatura de protección contra congelamiento · Eficiencia de la bomba · Uso de agua por lavado de espejos · Frecuencia de lavado de espejos · Inercia térmica por unidad de campo solar · Multiplicador de área de terreno de. Colector. campo no solar · Área de apertura reflectiva · Longitud del módulo colector · Error de seguimiento. 48.

(50) · Efectos geométricos · Reflectividad del espejo · Suciedad de espejo · Error óptico general · Método de caracterización óptica Receptor. · Modelo de pérdida de calor de ajuste polinómico · Modelo de pérdida de calor de tubo evacuado · Capital y costos de operación. Parámetros financieros. · Período de análisis · Tasa de inflación · Tasa interna de retorno (TIR) · Proyecto de deuda a plazos · Tasa de interés nominal de la deuda · Tasa efectiva de impuestos · Calendario de depreciación · Costo anual durante la construcción · Tasa de interés de construcción nominal Fuente: [30].. Tabla 2.8. Variables de salida en SAM, para el modelo de generación de calor de proceso industrial con colectores solares Fresnel.. Variables de salida Energía térmica anual producida Energía solar anual aprovechada por el campo solar Protección anual contra el congelamiento térmico Carga de electricidad anual Costo nivelado de calor (LCOH) Fuente: [30]. 49.

(51) 2.2.3. Datos de entrada A continuación, en la Tabla 2.9, se detalla los valores de entrada para las simulaciones en SAM. El parámetro Heat sink power, que es la carga térmica de la aplicación industrial que requiere del calor de proceso, se varió desde 100 kWt a 4.500 kWt. Tabla 2.9. Datos de entrada para SAM.. Datos de entrada. Valor. Ubicación. Pifo (-0,23°N;-78,34°E). Recurso (DNI). Unidad. [29] 2. 4,1. Fuente. kWh/m /día W/m. 2. [30] 5. [31]. DNI en el punto de diseño. 562. Múltiplo solar objetivo. 1. Temperatura de entrada al campo solar. 78. Calidad del vapor a la salida del campo solar. 1. Pérdidas constantes. 1. %. [32]. Potencia del sumidero de calor (Heat Sink Power). 0,1 to 4,5. MWt. Propia. Presión a la entrada de Heat Sink. 7. bar. [29]. Tasa de caída de presión en Heat Sink. 0,01. [30]. Número de módulos. Variable. Propia. Elevación solar por la noche. 10. °. [30]. Elevación solar para despliegue del colector por la mañana. 10. °. [30]. Stow wind speed. 28. m/s. [31]. Ángulo azimuth del colector. 0. °. [30]. Temperatura ambiente en el punto de diseño. 20. °C. Propia. [32] °C. [29] [29]. 5. Los datos de la fuente [31] fueron tomados del catálogo del concentrador Fresnel LF-11 (ANEXO2 ), una cotización solicitada a Industrial Solar (ANEXO 3) y por conversaciones vía e-mail con un representante de la empresa fabricante del concentrador.. 50.

(52) Potencia de seguimiento. 2,27. W/m2. [31]. Coeficiente de pérdida térmica de tubería. 0,0035. W/K-m2_aper. [30]. Tasa de caída de presión en el cabezal frío. 0,01. [30]. Tasa de caída de presión. 0,075. [30]. Tasa de caída de presión promedio en el cabezal caliente de punto de diseño. 0,025. [30]. Temperatura de protección contra congelamiento. 0. Eficiencia de la bomba. 0,85. Uso de agua por lavado de espejos. 0,02. Lavados por año. 12. Inercia térmic por unidad de campo solar. 2,7. Multiplicador de área de terreno de campo no solar. 1,2. [30]. Colector y receptor. Industrial solar LF-11. [31]. Tarifa eléctrica. 0,083. $/kWh. Costo de capital. Variable. USD. [31]. Costo operative fijo (anual). 1,5 % del costo de capital. USD. [31]. Costo de operación variable. 0,00. $/kWh. Propia. Período de análisis. 20. años. [31], [33]. Tasa de inflación. 2,24. %/año. [34]. TIR nominal. 15. %/año. Propia. Tasa de impuesto efectivo. 22. %/año. [35]. Deuda del proyecto. 0. % del costo de capital. Propia. 10. % del costo de capital/año. [36]. Calendario de depreciación. °C. Propia [30]. L/m 2,ap. [30] [30]. kJ/K-m2. 51. [30].