Estudio de viabilidad de - EOIapi.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:56084/... · principales empresas cárnicas, de congelados y de conservas españolas. Los cinco primeros operadores

A n d r é s G o n z á l e z C o l u n g a

A n d r é s L á z a r o S o l e r

J o r g e L u i s � a v a r r o A r c e

M a r c o s O f i c i a l d e g u i A t i n

T u t o r E d u a r d o Z a r z a M o y a

J u n i o 2 0 1 0

Estudio de viabilidad de sustitución de calderas convencionales por una planta solar de tecnología CCP en industria de congelados y estudio de la influencia de la latitud geográfica.

La realización de este Proyecto Fin de Máster no habría sido posible sin el apoyo y la dirección de Eduardo Zarza Moya, a quien agradecemos que quisiera compartir sus conocimientos y acreditada experiencia sobre una tecnología incipiente y con tanto futuro como la energía solar térmica de alta temperatura.

Asimismo, queremos agradecer la buena disposición del departamento técnico de Eurofrits para facilitarnos datos reales del proceso.

ÍNDICE

1. I�TRODUCCIÓ� ............................................................................................................... 7

1.1 Objeto ............................................................................................................................ 8

1.2 Información General De Las Renovables En España ................................................... 9

1.3 Información General Del Sector De Congelados En España ...................................... 11

1.3.1 Instalaciones Energéticas En La Industria Alimentaria ....................................... 18

1.4 Descripción De La Planta ............................................................................................ 19

1.4.1 Descripción Del Proceso Productivo ................................................................... 20

1.4.2 Instalaciones Térmicas Y Consumo Energético De La Planta ............................ 25

2. PLA�TEAMIE�TO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS ............................................ 33

3. ALTER�ATIVAS TEC�OLÓGICAS............................................................................ 36

4. FU�DAME�TOS TEÓRICOS ....................................................................................... 39

4.1 Introducción Y Componentes ...................................................................................... 40

4.1.1 Reflector Cilindro Parabólico .............................................................................. 41

4.1.2 Tubo Absorbedor ................................................................................................. 42

4.1.3 Sistema de Seguimiento ...................................................................................... 43

4.1.4 Fluido de Trabajo ................................................................................................ 44

4.2 Teoría del funcionamiento de los CCP........................................................................ 44

4.2.1 Ángulo de Incidencia .......................................................................................... 44

4.2.2 Razón de concentración, Ángulo de Aceptancia y Ángulo de Apertura de un CCP….… ............................................................................................................. 45

4.2.3 Pérdidas Ópticas .................................................................................................. 46

4.2.4 Pérdidas Geométricas .......................................................................................... 48

4.2.5 Pérdidas Térmicas ............................................................................................... 49

4.3 Campos Solares De CCP ............................................................................................. 50

4.3.1 Disposición De Los Colectores ........................................................................... 51

4.3.2 Sistema De Almacenamiento .............................................................................. 53

5. VIABILIDAD DE LOS SISTEMAS CCP....................................................................... 56

5.1 Factores influyentes..................................................................................................... 57

5.2 Experiencia del sector – estado de la tecnología ......................................................... 57

6. DIME�SIO�ADO Y CÁLCULOS ................................................................................. 59

6.1 Dimensionamiento del campo solar ............................................................................ 60

6.2 Cálculo del almacenamiento térmico .......................................................................... 68

6.3 Cálculo potencia de bombeo ....................................................................................... 73

6.4 Cálculo del depósito de expansión de aceite ............................................................... 80

7. CÁLCULO DE LAS PRODUCCIO�ES E�ERGÉTICAS .......................................... 81

8. COMPARATIVA E�TRE LATITUDES ....................................................................... 95

9. PRESUPUESTO .............................................................................................................. 105

10. ESTUDIO ECO�ÓMICO .............................................................................................. 109

11. A�EXOS .......................................................................................................................... 113

12. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 114

1. INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

8

1.1 OBJETO

El proyecto que a continuación se va a redactar se titula “Estudio de viabilidad de sustitución de calderas convencionales por una planta solar de tecnología CCP en industria de congelados”. Ha sido realizado como parte imprescindible para la obtención del título del Máster en Energías Renovables y Mercados Energéticos, impartido por la Escuela de Organización Industrial (EOI) en su sede de Madrid en el curso académico 2009-2010.

Este documento ha sido redactado por Andrés González Colunga, Andrés Lázaro Soler, Jorge Luis Navarro Arce y Marcos Oficialdegui Atin y tutorado por Eduardo Zarza Moya perteneciente al CIEMAT y miembro del equipo investigador de la plataforma solar de Almería (PSA).

Firma de los autores: Firma del tutor:

Andrés González Colunga Eduardo Zarza Moya

Andrés Lázaro Soler

Jorge Luis Navarro Arce

Marcos Oficialdegui Atin

INTRODUCCIÓN

9

1.2 INFORMACIÓN GENERAL DE LAS RENOVABLES EN ESPAÑA

En las últimas dos décadas, el sector industrial en España ha experimentado un crecimiento muy importante a nivel económico. Esto ha venido ligado a la incorporación del país en la Unión Europea en 1986 al mismo tiempo que la promulgación de diferentes leyes llevadas a cabo por los diferentes gobiernos que hicieron que España saliese a flote después de una época de depresión económica.

Con la ayuda del gobierno español, a mediados de los años 90 se apostó por desarrollar una parte del sector energético que comenzaba a estar en auge pero que aun no había ninguna nación puntera, estas fueron las energías renovables. De entre los diferentes recursos energéticos renovables la energía solar es una fuente de producción de electricidad inagotable siendo el potencial de España relativamente elevado. La localización territorial del país inmerso en el cinturón solar hace que la media anual de insolación alcance cotas superiores a las 2500 horas en la zona sur al mismo tiempo que la radiación media alcanza valores de 800W/m2. Dada la situación privilegiada en que se encuentra el país sería recomendable apostar por esta fuente de energía limpia e inagotable.

Hoy en día, la tecnología solar termoeléctrica es la que presenta mayores posibilidades a la hora de su explotación a nivel comercial obteniéndose de la energía del sol. De entre todas las subtecnologías que engloban a la solar termoeléctrica; sistemas de receptor central, sistemas disco-Stirling, sistemas concentradores lineales de Fresnel y sistemas colectores cilindro-parabólicos, estos últimos son los que presentan mayores posibilidades económicas.

Estos se basan en colectores que concentran la radiación solar directa del sol y aumentan la temperatura de un fluido que circula a través de un tubo posicionado a una cierta distancia de los espejos (Fig. 1.1) El fluido calentado se empleará para la generación de vapor de agua que se hará pasar por una turbina produciéndose así la generación de electricidad.

Figura 1.1: Colector Cilindro-Parabólico

Los detractores de las energías renovables argumentan que estas no alcanzan altas cotas de suministro de electricidad debido a la intermitencia y a la dificultad de almacenamiento energético de algunas fuentes renovables como pueden ser la solar fotovoltaica y la eólica. Sin

embargo, existen otras como la energía solar termoeléctrica,escollo, bien mediante el empleo de sistemas de almacenamiento térmico (utilizando tanques) o mediante una hibridación con otra fuente energética de mayor disponibilidad (centrales hidroeléctricas, biomasa).

El objeto de este proyecto es la implantación de un sistema solar termoeléctrico aplicado a una empresa del sector alimentario. En el caso del estudio la empresa la cual es una compañía dedicada a la fabricación y comercialización de ultracongelados. Esta se formó hace más de 30 años (en 1974) y le avalan más de 20 años de experiencia en entornos internacionales con una estrecha relación con multinacionales del sector. En la actualidad, Eurofrits está presente en aproximadamede ellos en Europa, y su presencia sigue extendiéndose por el resto del mundo. La fabrica que se va a analizar está diseñada para la producción de dos líneas principales de trabajo que son las siguientes; línea de patatas pre

La planta implicada está localizada en la provincia de Burgos más concretamente en la localidad de Burgos y cuya dirección es calle López Bra

Sin embargo, para hacer viable el estudio de este proyecto académico los datos de radiación solar se han facilitado de Almería y por tanto se va a suponer que el emplazamiento del campo de colectores será en la localidad almeriense

embargo, existen otras como la energía solar termoeléctrica, que sí son capaces de superar este escollo, bien mediante el empleo de sistemas de almacenamiento térmico (utilizando tanques) o mediante una hibridación con otra fuente energética de mayor disponibilidad (centrales

este proyecto es la implantación de un sistema solar termoeléctrico aplicado a una empresa del sector alimentario. En el caso del estudio la empresa va a ser Eurofrits (Figura 1.2la cual es una compañía dedicada a la fabricación y comercialización de ultracongelados. Esta se formó hace más de 30 años (en 1974) y le avalan más de 20 años de experiencia en entornos internacionales con una estrecha relación con multinacionales del sector. En la actualidad, Eurofrits está presente en aproximadamente 20 países, la mayor parte de ellos en Europa, y su presencia sigue extendiéndose por el resto del mundo. La fabrica que se va a analizar está diseñada para la producción de dos líneas principales de trabajo que son las siguientes; línea de patatas pre-fritas y línea de precocinados.

Figura 1.2: Logotipo de la marca

La planta implicada está localizada en la provincia de Burgos más concretamente en la localidad de Burgos y cuya dirección es calle López Bravo 45 como muestra la Figura 1.3.

Figura 1.3: Fábrica de Eurofrits

Sin embargo, para hacer viable el estudio de este proyecto académico los datos de radiación solar se han facilitado de Almería y por tanto se va a suponer que el emplazamiento del campo de colectores será en la localidad almeriense de Carboneras

INTRODUCCIÓN

10

que sí son capaces de superar este escollo, bien mediante el empleo de sistemas de almacenamiento térmico (utilizando tanques) o mediante una hibridación con otra fuente energética de mayor disponibilidad (centrales

este proyecto es la implantación de un sistema solar termoeléctrico aplicado a una va a ser Eurofrits (Figura 1.2),

la cual es una compañía dedicada a la fabricación y comercialización de productos ultracongelados. Esta se formó hace más de 30 años (en 1974) y le avalan más de 20 años de experiencia en entornos internacionales con una estrecha relación con multinacionales del

nte 20 países, la mayor parte de ellos en Europa, y su presencia sigue extendiéndose por el resto del mundo. La fabrica que se va a analizar está diseñada para la producción de dos líneas principales de trabajo que son las

La planta implicada está localizada en la provincia de Burgos más concretamente en la localidad .3.

Sin embargo, para hacer viable el estudio de este proyecto académico los datos de radiación solar se han facilitado de Almería y por tanto se va a suponer que el emplazamiento del campo

INTRODUCCIÓN

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1.3 INFORMACIÓN GENERAL DEL SECTOR DE CONGELADOS EN ESPAÑA

Los alimentos congelados llegaron a nuestros hogares hace ahora 50 años gracias a la combinación de varios acontecimientos. Por un parte, en 1958 la empresa Alimentos Congelados S.A. de Marcilla (Navarra) se convertía en la primera compañía española en comercializar alimentos congelados, concretamente eran vegetales.

Pocos años antes había llegado a España “Kelvinator”, un refrigerador de la empresa Electrolux que, por primera vez, incorporaba un compartimento para la congelación. Además, la historia de los congelados está ligada en nuestro país a la industria del pescado, con la llegada de los primeros buques congeladores a las rías gallegas en los años 60.

Hoy en día los españoles dedicamos cerca de 3.600 millones de euros a la compra de alimentos congelados, lo que representa un 6% de la cesta de la compra [Alimentos congelados].

Cada hogar español consumió una media de 43,8 kilos de alimentos congelados en 2009, un 3,9% más que el año anterior. Se trata de una cifra claramente superior al incremento del total en alimentación, que se situó en el 2,7%. También las cifras en valor confirman que, en la actual coyuntura, los productos congelados gozan de buena salud. A lo largo de 2009 el gasto total en este tipo de productos superó los 3.500 millones de euros, un 1,8% más que el año anterior (frente al -0,3% del conjunto de la alimentación). Son cifras recogidas en el informe presentado por ‘El Mes del Congelado’, iniciativa pionera en nuestro país para la difusión de las propiedades de estos alimentos, en el marco de Alimentaria 2010 [AECOC].

Especialmente destacable es la evolución de los congelados envasados que, en las actuales circunstancias, han conseguido crecer un 6,61% en volumen. Esto los sitúa en una posición mucho más favorable que los productos congelados a granel, que descendieron un 4,83%. Los datos indican también que en estos momentos los alimentos congelados suponen el 5% (en términos de valor) de nuestra cesta de la compra y que están presentes en el 98% de los hogares españoles.

Figura 1.4: Volumen de mercado de productos congelados envasados y a granel.

INTRODUCCIÓN

12

Por Comunidades Autónomas, Cataluña destaca por un consumo medio de alimentos congelados muy por encima de la media estatal, situándose líder en este aspecto. Concretamente cada hogar catalán consumió el pasado año una media de 47,7 kilos. También por encima de la media nacional de 43,8 kg se sitúan los hogares andaluces (47,2 kg por hogar y año) y los valencianos (45,2 kg), lo que se puede explicar por la demanda proveniente del sector horeca (hoteles, restaurantes y cafeterías) en regiones que constituyen típicos destinos turísticos. En la parte baja de la tabla se encuentran el País Vasco (32,1 kg), Castilla y León (40,1 kg) y Galicia (42,8 kg).

En el ámbito internacional, España se sitúa a la cabeza en el consumo de alimentos congelados, solo por detrás del Reino Unido, donde cada hogar consume 67,1 kg. de congelados anuales. Índices inferiores al nuestro presentan Francia (37 kg por hogar) o Portugal (26 kg por hogar).

Figura 1.5: Compra media de congelados por hogar (kg/año)

Estructura sectorial

El número de empresas que operan en el sector se situó en torno a 355 en 2008, lo cual representa un leve incremento respecto al año anterior. En cambio, el número medio de trabajadores se mantuvo estancado en el conjunto del ejercicio alrededor de los 9.000, dado que en los últimos meses comenzaron a apreciarse ajustes ante el deterioro de las expectativas de evolución del mercado.

La estructura empresarial se caracteriza por la alta concentración en un reducido número de operadores, entre los que se encuentran grupos multinacionales extranjeros y algunas de las principales empresas cárnicas, de congelados y de conservas españolas. Los cinco primeros operadores en términos de ventas en el mercado interior –Casa Tarradellas, Gallina Blanca, Grupo Pescanova, Nestlé y Freigel- reunieron en 2008 una cuota conjunta de mercado del 36%, porcentaje que se situó en el 45% si se consideran los diez primeros.

Junto a un reducido grupo de grandes compañías, el sector se encuentra integrado por operadores de menor tamaño. En este sentido, en torno al 85% del total de empresas cuenta con

plantillas totales de menos de 100 trabajadores, mienÚnicamente cuatro empresas facturaron en el año 2008 más de cien millones de euros por la venta de platos preparados en el mercado nacional y sólo quince compañías alcanzaron un volumen de negocio de más de veinte

A continuación se presentan varios gráficos que muestran la evolución del consumo doméstico de platos preparados y de los productos de patata separados por su tratamiento: productos refrigerados, congelados o a temperatura ambiente (conservados la adición de sustancias conservantes) a lo largo de los años 2008 y 2009.

La caída del consumo doméstico es patente debido a la adversa coyuntura económica, que ya dejaba notar sus efectos en el sector en el año 2009. El shapreparados congelados se mantuvo constante en un 29% en volumen, aunque constituyen un porcentaje mayor (37%) en valor. Sin embargo, desde el sector se constata la guerra de precios que le amenaza desde hace años, reivindicando productos [Alimarket, 2009].

Figura 1.6: Consumo de platos congelados en España en 2008 y 2009 en volumen.

Congelad

29%

Ambiente

46%

Platos preparados. Volumen

(2008)

Consumo doméstico’08

504

plantillas totales de menos de 100 trabajadores, mientras que sólo el 8% cuenta con más de 200. Únicamente cuatro empresas facturaron en el año 2008 más de cien millones de euros por la venta de platos preparados en el mercado nacional y sólo quince compañías alcanzaron un volumen de negocio de más de veinte millones.

A continuación se presentan varios gráficos que muestran la evolución del consumo doméstico de platos preparados y de los productos de patata separados por su tratamiento: productos refrigerados, congelados o a temperatura ambiente (conservados con otro tipo de métodos, como la adición de sustancias conservantes) a lo largo de los años 2008 y 2009.

La caída del consumo doméstico es patente debido a la adversa coyuntura económica, que ya dejaba notar sus efectos en el sector en el año 2009. El share de mercado de los platos preparados congelados se mantuvo constante en un 29% en volumen, aunque constituyen un porcentaje mayor (37%) en valor. Sin embargo, desde el sector se constata la guerra de precios que le amenaza desde hace años, reivindicando una revalorización y aumento de calidad en los

Consumo de platos congelados en España en 2008 y 2009 en volumen.

Refrigerado

25%

Congelado

29%


Congelado

29%

Ambiente

46%


(2009)


637 ton

Consumo doméstico’

469 504 ton

INTRODUCCIÓN

13

tras que sólo el 8% cuenta con más de 200. Únicamente cuatro empresas facturaron en el año 2008 más de cien millones de euros por la venta de platos preparados en el mercado nacional y sólo quince compañías alcanzaron un

A continuación se presentan varios gráficos que muestran la evolución del consumo doméstico de platos preparados y de los productos de patata separados por su tratamiento: productos

con otro tipo de métodos, como

La caída del consumo doméstico es patente debido a la adversa coyuntura económica, que ya re de mercado de los platos

preparados congelados se mantuvo constante en un 29% en volumen, aunque constituyen un porcentaje mayor (37%) en valor. Sin embargo, desde el sector se constata la guerra de precios

una revalorización y aumento de calidad en los

Consumo de platos congelados en España en 2008 y 2009 en volumen.

Refrigerado26%

Congela



504 ton

Figura 1.8: Consumo de platos congelados en España en 2008 y 2009 en valor.

En lo referente a la patata (ver patata fresca (92%) en volumen. Sin embargo, en valor cede protagonismo a las patatas congeladas (como las que fabrica Eurofrits, único productor español), y, especialmente, patata procesada de otras maneras, que, si bien constituyen sólo un 5% en volumen, forman un 28% en términos de valor, experimentando un notable ascenso en el 2009 [Alimarket, 2009].

En cuanto a las patatas congeladas, es el precio el que rige el merccompetencia feroz con los productores belgas y holandeses que obtienen la materia prima a muy bajo coste gracias a la espléndida mecanización y automatización del sector agrario de esos países. Eurofrits, por su parte, apuesta por lcompetidor en este terreno la multinacional McCain.

Figura 1.9: Consumo de patata en España en 2008 y 2009 en volumen.

Congelado

37%

Ambiente24%

Platos preparados. Valor (2008)

Fresca92%

Congelada3%

procesa

Patata. Volumen (2008)


2 056 M


1 180

Consumo de platos congelados en España en 2008 y 2009 en valor.

(ver Figura 1.9 y Figura 1.10) el dominador claro del sector es la patata fresca (92%) en volumen. Sin embargo, en valor cede protagonismo a las patatas congeladas (como las que fabrica Eurofrits, único productor español), y, especialmente, patata procesada de otras maneras, que, si bien constituyen sólo un 5% en volumen, forman un 28% en términos de valor, experimentando un notable ascenso en el 2009 [Alimarket, 2009].

En cuanto a las patatas congeladas, es el precio el que rige el mercado en general, con una competencia feroz con los productores belgas y holandeses que obtienen la materia prima a muy bajo coste gracias a la espléndida mecanización y automatización del sector agrario de esos países. Eurofrits, por su parte, apuesta por la calidad como ventaja competitiva, siendo su mayor competidor en este terreno la multinacional McCain.

Consumo de patata en España en 2008 y 2009 en volumen.

Refrigerado

39%


Congelado

36%

Ambiente

25%


Fresca92%

Otras procesa

das5%


Fresca92%

Congelada3%

Otras procesa

das5%



056 M€


2 008 M


180 414 t


1 175 278 t

INTRODUCCIÓN

14

Consumo de platos congelados en España en 2008 y 2009 en valor.

el dominador claro del sector es la patata fresca (92%) en volumen. Sin embargo, en valor cede protagonismo a las patatas congeladas (como las que fabrica Eurofrits, único productor español), y, especialmente, a la patata procesada de otras maneras, que, si bien constituyen sólo un 5% en volumen, forman un 28% en términos de valor, experimentando un notable ascenso en el 2009 [Alimarket, 2009].

ado en general, con una competencia feroz con los productores belgas y holandeses que obtienen la materia prima a muy bajo coste gracias a la espléndida mecanización y automatización del sector agrario de esos

a calidad como ventaja competitiva, siendo su mayor

Consumo de patata en España en 2008 y 2009 en volumen.

Refrigerado39%


Fresca

Otras procesa

das5%


éstico’09

2 008 M€


175 278 t

Figura 1.10: Consumo de patata en España en 2008 y 2009 en valor.

A continuación, en la Tabla 1.1platos preparados en España. Destaca la posición de Eurofrits en este sector, ocupando el número 14 en volumen de producción [Alimarket, 2009]:

Fresca

Congelada5%

Otras procesa

das24%

Patata. Valor (2008)

EMPRESA

1

Grupo Pescanova

Frinova, S. A.

2 GREDESCO, S.A. (Grupo Maheso)

3 Fripozo, S.A.

4 Esca FoodSolutions

5 Freigel FoodSolutions

6 Nestlé España S.A.

La Cocinera


1 046 MConsumo de patata en España en 2008 y 2009 en valor.

1.1 se muestra el listado de las principales empresas fabricantes de platos preparados en España. Destaca la posición de Eurofrits en este sector, ocupando el número 14 en volumen de producción [Alimarket, 2009]:

Fresca71%


Fresca

Congelada5%

Otras procesa

das28%


UBICACIÓ� 2008 2009 MARCAS

Redondela (PO)

O Porriño (PO)

30 000

17 000

28 000

20 200

Pescanova

Pescanova/Cofrío/Islamar

Montcada i Reixac (B)

30 706 28 900 Maheso

Las Torres de Cotillas (MU)

26 500 27 800 Fripozo/ElPozo/Tenedor de Plata

Toledo 21 200 22 400 -

Sant Fruitòs de Bagès (B)

24 442 22 171 Freisa/Frinca/Freiglas/Doña Lupe

Esplugues de Llobregat

22 000 20 000 Buitoni/La Cocinera


1 046 M€


931 M

INTRODUCCIÓN

15

Consumo de patata en España en 2008 y 2009 en valor.

se muestra el listado de las principales empresas fabricantes de platos preparados en España. Destaca la posición de Eurofrits en este sector, ocupando el

Fresca67%


MARCAS

Pescanova

Pescanova/Cofrío/Islamar

Fripozo/ElPozo/Tenedor de

Freisa/Frinca/Freiglas/Doña

Buitoni/La Cocinera


931 M€

INTRODUCCIÓN

16

7 Congalsa, S.L. A Pobra do Caramiñal (C)

16 739 17 455 Congalsa/Dismagel/Preco

8 Fruveco, S.A. El Raal (MU) 17 000 17 000 -

9 Prielá, S.A. Granollers (B) 16 800 17 000 Prielá

10 Congelados de Navarra, S.A.

Arguedas (NA) 10 000 10 000 Congelados de Navarra

11 Industrias Cárnicas Carpisa, S.L.

Griñón (M) 9 369 9 589

12 CLAVO CONGELADOS, S.A.

Caldas de Rei (PO) 9 150 9 200 Clavo/Nicolasa/Cuatro Océanos

13 PRECOCINADOS LA BONA CUINA, S.L.

Igualada (B) 9.000 9.000 La Bona Cuina

14 EUROFRITS, S.A. Burgos 8.674 8.100 Eurofrits/Caterfrits/Typical Tapas

15 Productos Machi, S.A. Córdoba 8.500 7.500 Aldemar/Kromachi

16 PRODUCTOS CONGELADOS, S.A.

Vigo (PO) 7.148 7.360 Alfrío/Gelvigo

17 GRUPO MOZOS Madrid 6.500 6.500 Serpeska

18 CONGELADOS Y FRESCOS DEL MAR, S.A.

Getafe (M) 6.500 6.000 Antonio y Ricardo

19 BOFROST, S.A. Villafranca de Córdoba (CO)

6.500 6.000 Bofrost

20 Dr. Oetker Ibérica, S.A.

Barcelona

4.800 5.300

Dr. Oetker Pannini/Ristorante/

Big Americans/Casa di Mamma

21 Uprena, S.L. Tudela (NA) 4.000 4.500 Uprena

INTRODUCCIÓN

17

Tabla 1.1: Principales empresas productoras de comida congelada en España. 2009.

22 GICARNS, S.L. Riudellots de la Selva (GI)

3.800 4.100 Gicarns

23 ALCAMAR 2000, S.L. Socuéllamos (CR) 3.900 4.000 Alcafish/Muffled/Cabezuelo

24 URKABE BENETÁN, S.A.

Rentería (GUI) 4.000 4.000 Benetán

25 CONGELADOS Y DERIVADOS, S.A.

Onzonilla (LE) 4.000 4.000 Elmar

26 FRIOBÁS BASILIO, S.L.

Oviedo (AS) 4.000 4.000 Friobás

27 PESCADOS PCS, S.L. Picassent (V) 3.500 3.640 Al Vent/Pcs

28 CABOMAR CONGELADOS, S.A.

Marín (PO) 3.000 3.500 Marnatura

29 GRUPO LECHE PASCUAL

Madrid 4.000 3.500 Pascual

30 DESARROLLOS ALIMENTARIOS, S.A.

Azuqueca de Henares (GU)

3.000 3.000 Frumen

31 CONGELATS OLOT, S.L.

Conrellà del Terri (GI)

3.000 3.000 Don Cubito

32 SALICA ALIMENTOS CONGELADOS, S.A.

A Pobra do Caramiñal (C)

2.600 3.000 Campos

33 ALIMENTOS NATURALES

COCINADOS, S.L. Buñuel (NA) 2.800 2.940

Alinaco/Panitortilla/Taline/ La Tortilla 1817

34 IBÉRICA DE

CONGELADOS, S.A. Vigo (PO) 2.550 2.500 Alfrío

INTRODUCCIÓN

18

Previsiones y tendencias del mercado de los platos preparados

Las previsiones desfavorables acerca de la evolución de la economía en el bienio 2009-2010, y en particular del consumo privado, afectarán negativamente a la actividad y los resultados de las empresas de platos preparados, si bien con menor intensidad que en otros sectores de la industria de la alimentación.

El dinamismo que seguirán mostrando las empresas en el lanzamiento de nuevos productos y soluciones, en parte gracias a la entrada de nuevos operadores procedentes de distintos ámbitos de la alimentación, continuará estimulando la demanda de platos preparados y precocinados, contrarrestando parcialmente los efectos del deterioro del consumo privado.

Los consumidores domésticos se afianzarán como el principal grupo de clientes para las empresas del sector, dadas las desfavorables perspectivas de crecimiento que presenta el canal horeca.

En 2009 el valor del mercado de platos preparados podría situarse en torno a los 2.150 millones de euros, lo que representa un crecimiento de apenas un 1,7% respecto a la cifra contabilizada en el ejercicio anterior.

Por su parte, para 2010 se prevé una ligera reactivación, lo que permitiría superar los 2.200 millones de euros (+3,0%). El segmento de platos congelados continuará acaparando la mayor parte de las ventas, seguido de los platos refrigerados, alcanzando en 2009 alrededor de los 900 y los 700 millones de euros, respectivamente. Ambos segmentos mostrarán un comportamiento similar en los próximos años [DBK].

1.3.1 INSTALACIONES ENERGÉTICAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

El sector industrial alimentario, si bien no está constituido normalmente por procesos intensivos en energía como la industria química, la papelera o la siderúrgica, se considera un sector intensivo en sí mismo, debido a su considerable peso en el consumo energético final del total de la industria. Este sector consume un 10% de la demanda energética industrial del país, lo que supone 3.043.000 tep anuales [García, 2010].

El hecho de que la componente energética no sea la más importante en el coste unitario final (más dependiente del precio de la materia prima), hace que la concienciación de los industriales del sector en términos de eficiencia energética y de utilización de energías renovables sea muy escasa hasta el momento. Por ello, la situación actual es que la utilización de cogeneración no es tan importante como en otros sectores como los mencionados anteriormente, la medidas de optimización de la eficiencia energética son testimoniales y la utilización de energías renovables aún más, de forma que la gran mayoría de industrias cuentan con calderas convencionales que utilizan combustibles de todo tipo, desde gas natural hasta fuel oil. Una de las medidas que se proponen desde el IDAE es la sustitución de dichas calderas por instalaciones más eficientes y menos contaminantes, como modernas calderas de gas natural, así como la sustitución de viejas instalaciones frigoríficas y cámaras de almacenamiento de congelados por otras de última

INTRODUCCIÓN

19

tecnología. Gracias a esta medida, se reduce el consumo específico de energía eléctrica por aumento del rendimiento de los compresores, se reducen las pérdidas térmicas en la cámara de almacenamiento y los costes de mantenimiento se reducen al mínimo [Gaos, 2010].

En el caso de Eurofrits, se cuenta con calderas de gas natural y con modernas instalaciones de frío, renovadas en los últimos años por la apertura de una línea nueva de precocinados, con lo que la eficiencia se mejoró sustancialmente de esta forma. Por otra parte, desde la dirección técnica de fábrica se intentó mejorar aún más en este campo mediante el encargo de una auditoría de eficiencia energética al Instituto Tecnológico de Castilla y León, que puso el acento en mejoras relacionadas con la integración energética, la identificación de pérdidas por puntos calientes y purgas mediante termografías [ITCL, 2009].

En la industria agroalimentaria, el calor tiene una influencia importante ya que es la forma más conveniente para extender la vida de los alimentos. En realidad, el calor destrozará la actividad enzimática y microbiológica para retirar el agua e inhibir el deterioro.

Los procesos alimenticios se encuadran en las siguientes categorías:

1. Procesado a temperatura ambiente: Preparación de materia prima (limpieza, clasificación y pelado), reducción de tamaño, mezclado y formado, separación y concentración de componentes alimenticios, fermentación y tecnología de encimas, irradiación; procesado usando campos eléctricos, alta presión hidrostática, luz o ultrasonidos).

2. Procesado por aplicación de calor: Procesado de calor usando vapor o agua: blanqueado, pasterización, esterilización de calor, evaporación y destilación y extrusión. Procesado de calor usando aire caliente: Deshidratación, cocido y asado. Procesado de calor usando aceites calientes: Fritos. Procesado de calor por energía directa y radiada. Calentamiento dieléctrico, óhmico e infrarrojo.

3. Procesado por retirada de calor: enfriamiento, envasado en atmósfera controlada o modificada, congelación, sacado y congelado (liofilización) y concentración de congelado.

4. Operación post-procesado: revestimiento y revestido de chocolate, envasado, relleno y sellado de contenedores, manejo de materiales, almacenaje y distribución.

1.4 DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA

Eurofrits es una compañía dedicada a la fabricación y comercialización de productos ultracongelados. La fábrica se ubica en el polígono industrial de Villalonquéjar, Burgos. Sin embargo, Burgos no posee unos valores de insolación altos y además las pérdidas térmicas pueden llegar a ser muy significativas en una instalación térmica con muchos metros de conducción a la intemperie como una planta solar de concentración con colectores cilindro parabólicos. A efectos de realizar un proyecto académico técnicamente viable, se ha considerado que la fábrica se encuentra en la localidad de Carboneras (Almería), como se muestra en la Tabla 1.2.

INTRODUCCIÓN

20

UBICACIÓ� ZO�A CLIMÁTICA (CTE) RADIACIÓ� MEDIA DIARIA

Burgos II 13,7 < E < 15,1 MJ/m2día

Carboneras (Almería) V E > 18 MJ/m2día

Tabla 1.2: Datos de radiación media diaria de las posibles ubicaciones.

Eurofrits, único fabricante de patatas prefritas ultracongeladas de España, ofrece una selección de productos y platos precocinados, como diversas variedades de patatas prefritas, tortillas de patata, especialidades de vacuno como hamburguesas, escalopines, san jacobos, especialidades de merluza , especialidades de ave como pechugas de pollo, croquetas, albóndigas, etc.

Desde hace más de 30 años, tienen como misión ser una referencia entre los fabricantes españoles de productos elaborados congelados.

En Eurofrits se controlan todas las fases del proceso productivo, asegurando la optimización del mismo desde el desarrollo del concepto del producto (I+D+i) y la materia prima, hasta su entrega al cliente. Su producción anual es de 40 000 toneladas anuales (contando precocinados y patatas prefritas), una importante capacidad productiva.

1.4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO

La fábrica produce durante 21 horas al día, con 3 horas diarias dedicadas a limpieza y almacenamiento. Se compone de dos líneas de producción principales:

1. Línea de patatas prefritas. Esta línea es siempre la misma y sufre pocas variaciones (sólo cambian las etapas de blanqueador necesarias, según el origen y la calidad de la materia prima).

2. Línea de precocinados. Gran variedad de productos, como hamburguesas, croquetas, fingers de pollo, etc. Es una línea muy versátil, con gran número de unidades funcionales intercambiables.

En la Figura 1.11 se observa un diagrama de bloques del proceso principal de fabricación de las patatas congeladas. También se incluye la identificación de las fuentes primarias empleadas así como la identificación de los procesos en los que se emplean.

Procesos:

− Descarga de la patata: No es un proceso que consuma energía. Es un proceso manual.

− Lavado de patata: La patata se lava con agua a temperatura ambiente.

− Pelado: Es un proceso que se realiza con inyección de vapor a presión (19 bar) que cuece parcialmente la superficie del alimento. Posteriormente, mediante una descompresión súbita, se separa la patata de su piel. Posteriormente, se rocía con agua fría y se pasa por un cepillo para eliminar las trazas de piel que hayan quedado.

INTRODUCCIÓN

21

− Corte mecánico: Las patatas, se llevan en una cinta transportadora y se cortan al ser lanzadas contra cuchillas.

− Clasificado: Se clasifican por el tamaño de corte y siguen avanzando en el proceso.

− Blanqueado: Las patatas son blanqueadas, se les retira el almidón, en unas cubas con agua a 80ºC donde se inyecta vapor a baja presión (3-6 bar).

− Secado: Se secan las patatas previo al proceso de freído, ya que el producto debe contener el mínimo de humedad posible cuando se introduce en dicho proceso. Este proceso se realiza con aire caliente (a 90ºC) procedente de un intercambiador con aceite térmico a 275ºC (calentado en la caldera de aceite térmico).

− Fritura: Una vez seca se fríe la patata en aceite. Se trata de un aceite calentado hasta 183ºC por el aceite primario de la caldera de aceite térmico.

− Atemperamiento: las patatas fritas se hacen circular por unas cintas y se atemperan con aire ambiente.

− Congelado: Una vez atemperadas pasan por una cámara frigorífica y se congelan.

− Empaquetado: Una vez las patatas se han congelado, se empaquetan y se almacenan en cámaras de frío para su expedición.

Almacén

de patatas

Clasificación

por tamaño

Lavado de las

patatas

Pelado

Corte

mecánico

Clasificado por

tamaño de

corte

Blanqueado

Secado

freir

Congelado

Atemperamietno

Empaquetado

ELECTRICIDAD

GAS

AGUA

VAPOR ACEITE TERMICO

FRIO

Figura 1.11: Esquema de bloques de proceso de la línea de patata.

INTRODUCCIÓN

22

A continuación se describen dos procesos típicos que utilizan vapor en la industria alimentaria, y sus modalidades: el pelado y el blanqueado.

Pelado

El pelado se usa para procesar muchas frutas y vegetales para retirar materiales no deseados y mejorar la apariencia del producto final. Hay cinco métodos de pelado:

1. Pelado por vaporización. Los alimentos entran en un recipiente a presión que rota a 4-6 rpm. Vapor a alta presión (15-20 bar) es inyectado en todas las superficies de los alimentos expuestas al vapor por la rotación del recipiente. La capa de superficie se calienta rápidamente pero el producto o no se cocina. La textura y el color se preservan. La presión es posteriormente liberada de forma instantánea, lo que causa que el vapor situado bajo la superficie de la piel se vaporice. Posteriormente se rocía con agua para quitar cualquier traza. Es el método que se utiliza en Eurofrits para la patata congelada.

2. Pelado con cuchillas. Hojas cortantes estacionarias presionan contra la superficie de la fruta rotatoria o los vegetales para eliminar la piel. Alternativamente, cuchillas rotatorias pueden rotar contra alimentos estacionarios (ej. cítricos)

3. Pelado por abrasión. Los alimentos se colocan en cuencos rotatorios de superficie abrasiva (carborundum) que quitará la piel. También pueden usarse rodillos de carborundum. Las peladoras de residuos se lavan por una gran cantidad de agua.

Ventajas:

− Bajos costes de energía.

− Bajos costes de capital.

− Sin daño por calor.

− Buena apariencia de los alimentos.

Limitaciones:

− Superficies de productos irregulares (ej. ojos en patatas) pueden requerir pelado manual.

− Pérdidas de productos más elevadas que en pelado por vaporización (25 en vez de 8-18 % de pérdidas para vegetales).

− Es difícil recuperar calor en el residuo diluido del producto.

− Relativamente bajo flujo de producción cuando todas las piezas de comida necesitan entrar en contacto con superficies abrasivas.

Durante el proceso de pelado abrasivo se produce una pérdida significativa de producto, un problema que puede reducirse usando peladoras abrasivas multi-etapa. El producto será enrutado a través de una serie de tambores con abrasivo progresivamente más suave.

4. Pelado cáustico. La comida se sumerge en una solución cáustica (100 - 120 ºC) para ablandar la piel que luego se retira con agua a alta presión (pelado cáustico húmedo) o

INTRODUCCIÓN

23

con discos o rodillos de goma (pelado cáustico seco). Las pérdidas de producto son del orden del 17 % y este método de pelado generalmente consume menos energía y agua que los métodos de pelado basados en vapor.

Los métodos cáusticos húmedos generan aguas con residuos de pH alto y restos orgánicos que originan costes de tratamiento relativamente altos. En contraste, los métodos cáusticos secos requieren sólo agua para eliminar residuos de peladuras y productos cáusticos.

5. Pelado a la llama. Esta técnica ha sido desarrollada con cebollas. El producto se introduce en un horno calentado a 1.000 ºC y la cáscara exterior y las raíces se queman.

Blanqueado

La principal función del blanqueado o escaldado es destrozar la actividad enzimática de vegetales de algunas frutas, antes de un procesado posterior, así como la mejora de la apariencia del producto, como en las patatas antes de ir a freidora.

Los alimentos se calientan rápidamente a una temperatura preseleccionada, se mantiene a esa temperatura y luego se enfría rápidamente a temperaturas próximas a la ambiental.

Los dos métodos más comunes de blanqueado son pasar los alimentos a través de una atmósfera de vapor saturado o un baño de agua caliente.

Blanqueado de vapor

El escaldador de vapor convencional consiste en una malla de cintas transportadoras que llevan los alimentos a través de una atmósfera de vapor en un túnel (típicamente 15 m de longitud y 1-1,5 de ancho).

La sección de enfriamiento emplea un spray de niebla para saturar el aire frío con humedad. Esto reduce las pérdidas evaporativas de la comida y reduce la cantidad de efluente producido. También se emplea aire frío en el proceso.

Estos equipos típicamente procesan hasta 4.500 kg/h de alimentos.

Ventajas:

− Pérdidas más pequeñas de componentes solubles en agua.

− Volúmenes más pequeños de residuos particularmente con aire frío en vez de agua fría.

− Fácil limpieza y esterilización.

Limitaciones:

− Limpieza limitada de alimentos, así que se requiere también lavado.

− Escaldado irregular si la comida se derrama en la parte superior del transportador.

INTRODUCCIÓN

24

− Algunas pérdidas de masa en la comida.

Figura 1.11: Línea de blanqueado con mezcla de vapor-agua recirculada

Blanqueado de agua caliente

En los blanqueadores de agua caliente se mantienen en agua caliente a 70-100 ºC un tiempo específico y luego se retira a una sección de enfriamiento y desecado. En el escaldador de carrete, la comida entra en un tambor de malla cilíndrica que rota lentamente y en parte está sumergida en agua caliente. La comida se mueve a través del tambor.

Los escaldadores de tuberías consisten en una tubería de metal aislado continuo donde el agua caliente recircula a través de la tubería y la comida se mide en su interior.

Ventajas:

− Bajo coste de capital.

− Mejor eficiencia energética que los escaldadores de vapor.

Limitaciones:

− Los tratamientos de agua y la compra de agua son más costosos.

− Riesgo de contaminación por bacterias termofílicas.

− Uso de un intercambiador de calor

− Hasta un 70 % del calor recuperado.

Mezcla de vapor-agua recirculada

Si se utiliza mezcla de vapor-agua recirculada para el blanqueado de la patata, la contaminación con efluentes es despreciable. El consumo de agua es alrededor de 1 m3 por 10 t de producto.

INTRODUCCIÓN

25

Producto escaldado: 20 kg/kg de vapor (convencional: 0,5 kg/kg de vapor). Por ello, es un método óptimo en términos de eficiencia energética y de eficacia de proceso por minimización del riesgo por contaminación bacteriana. Este es el método utilizado en Eurofrits, donde se utiliza vapor a 3 y 6 bar (depende de la etapa) que se inyecta al baño de agua caliente a 80ºC. Este vapor se obtiene por expansión del vapor saturado a 19 bar proveniente de la caldera de vapor.

Figura 1.12 Esquema de bloques de proceso de blanqueado en tres etapas.

Para mantener la temperatura constante en 80ºC se inyecta vapor. Como la calidad del agua ha de ser buena para garantizar un proceso adecuado de blanqueado, se renueva el agua de los depósitos introduciendo agua de la red.

Las dimensiones de las cubas son:

- Blanqueadora I: 15 m3 - Blanqueadora II: 7 m3 - Blanqueadora III: 5 m3

1.4.2 INSTALACIONES TÉRMICAS Y CONSUMO ENERGÉTICO DE LA PLANTA

El principal consumo de energía térmica se produce en la línea de patatas, como se verá más adelante. En concreto en las etapas de pelado, blanqueado, secado y prefritura. En cambio, la línea de precocinados (Preco en adelante) tiene unas necesidades mucho menores.

INTRODUCCIÓN

26

Las instalaciones térmicas son dos calderas de gas natural, cada una con un fin:

- Caldera de vapor - Caldera de aceite térmico.

Según datos facilitados por Eurofrits referentes al año 2008, el 49,8% del consumo de gas de promedio es debido a la caldera de vapor. El restante 50,2% se consume en la caldera de aceite térmico, destinada a las necesidades térmicas del secador y la freidora de patatas fritas, así como a la freidora de la línea de precocinados.

Los consumos de calor en las dos calderas para el año 2008 se desglosan de la siguiente forma:

Consumo gas (�m3) % Energía térmica (kWh)

Caldera de vapor 1.358.343 49,8% 16.025.509

Caldera de aceite térmico 1.369.253 50,2% 16.154.228

Total 2.757.596 100% 32.179.737

Tabla 1.3: Consumo de combustible y energía térmica equivalente de las calderas durante el 2008.

Figura 1.13: Esquema de instalaciones térmicas y destino de fluido térmicos.

INTRODUCCIÓN

27

A continuación se desglosa el consumo térmico diario de la planta a lo largo de una semana de producción a tres turnos, como se puede observar en la Tabla 1.4.

Para los consumos semanales, se han considerado medias diarias de los períodos en los que se produce a 3 turnos, ya que eventualmente se produce a dos turnos y, por tanto, los consumos serían menores. Además, hay que señalar que la fábrica opera de lunes a viernes, siendo despreciables normalmente los consumos en el fin de semana y festivos.

Se ha identificado la demanda de vapor en el pelado de patatas y en la blanqueadora. Sin embargo, no es posible diferenciar entre la demanda de vapor a 3 bar y a 6 bar dentro de la blanqueadora, por falta de contadores. De todas formas, actualmente todo el vapor se produce a 19 bar y 214ºC y posteriormente se obtienen las corrientes a baja presión mediante válvulas de expansión [ITCL, 2009].

Caldera vapor Caldera aceite

térmico TOTAL

Día

Pelado. Vapor sat a 19 bar, 214ºC (kg/día)

Blanqueadora. Vapor sat a 3bar+6bar (kg/día)

Consumo gas natural (Nm3/día)

Consumo gas natural para aceite a 275ºC (Nm3/día)

Consumo total

GN (Nm3/día)

L 57 445 6 983 6 309 6 359 12 668

M 57 445 6 983 6 309 6 359 12 668

X 57 445 6 983 6 309 6 359 12 668

J 57 445 6 983 6 309 6 359 12 668

V 57 445 6 983 6 309 6 359 12 668

S 0 0 0 0 0

D 0 0 0 0 0

Tabla 1.4: Evolución del consumo térmico diario de la planta en funcionamiento a 3 turnos.

Caldera de vapor

Se dispone de una caldera de vapor para los procesos de pelado y blanqueado de la patata. La caldera de vapor tienen las siguientes características:

− Quemador - Potencia térmica: 5814 kW – 1162 kW - Potencia eléctrica consumida: 7,6 kW

− Caldera - Potencia suministrada: 3.893.220 kcal/h (4527 kW) - Superficie intercambio: 172,52 m2 - Volumen: 17 m3

INTRODUCCIÓN

28

- Presión de diseño: 22 bar - Presión de servicio: 20 bar - Temperatura máxima: 213,9 ºC

La red de vapor que alimenta la caldera esta a una presión de 19 bar. Posteriormente se extraen dos líneas a 6 bar y a 3 bar para alimentar la blanqueadora.

Figura 1.14: Esquema de funcionamiento de la caldera de vapor.

Caldera de Aceite

Eurofrits dispone de una caldera térmica para la producción de aceite térmico para el aporte de calor en el proceso de fritura de patatas y precocinados y el proceso de secado de las patatas. Las características técnicas de la caldera son las siguientes:

- Potencia calorífica: 3.000.000 kcal/h (3483 kW) - Tamaño depósito caldera: 3.363 m3 - Superficie intercambio térmico: 136,41 m2 - Temperatura de diseño: 350 ºC - Temperatura de servicio: 280 ºC - Presión de funcionamiento de diseño: 5 bar

Humos a chimenea

Gas natural

INTRODUCCIÓN

29

- Presión de entrada (IN) 3,5 bar - Presión de salida (OUT): 2 bar - Bomba de circulación, caudal: 280 m3/h - Potencia Quemador: 4.000 kW - Potencia motor quemador: 11 kW

INTRODUCCIÓN

30

Figura 1.15: Esquema funcionamiento de caldera de aceite térmico.

INTRODUCCIÓN

31

Por último, se presenta un resumen de las instalaciones térmicas y los procesos a los que se dirige la energía, una vez realizado el balance energético correspondiente [ITCL, 2009].

Figura 1.16: Balance energético de la planta.

Como resumen, en la Tabla 1.5 se presentan los consumos en la caldera de aceite y de vapor durante un día, y a partir de ahí se calcula la potencia térmica diaria necesaria durante las 21 horas de producción.

Consumo diario de gas natural

(�m3) Consumo diario térmico

(kWh)

Caldera aceite térmico 6.359 74.206

Caldera vapor 6.309 73.623

TOTAL 12.668 147.829

Tabla 1.5: Consumo diario de gas natural en caldera de aceite térmico y de vapor.

Energía Total Consumida

44.578.830 kWh

Energía Eléctrica

27,91 %

Energía Térmica

72,09 %

Cald. Vapor

49.8 %

Cald. Aceite

50,2%

Secador

Freidora

patatas

Freidora preco

Producción

de vapor

Blanqueado 6 bar

Blanqueado3 bar

Perdidas

Perdidas depósitos

blanqueadoras

12.58

%

38.85

%

48.58

%

5.56%

Perdidas tuberias

Deposito

expansionador0.52%

Perdidas por

humos

12.68

%

Pelado

Producción

de aceite térmico a

275ºC

64.35%

87.32

%

INTRODUCCIÓN

32

Las necesidades térmicas diarias se sobredimensionan un 8%, para tener en cuenta las pérdidas térmicas en almacenamiento y conducción. Por ello, las necesidades térmicas a satisfacer son:

147 829 �ℎ × 1,08 = 160 000 �ℎ La potencia térmica instantánea se determina, por tanto, de la siguiente manera.

P� = 160 000 kWh21 h = ��

2. PLANTEAMIENTO

DEL PROBLEMA Y

OBJETIVOS

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS

34

El objetivo del proyecto es el estudio de la viabilidad al producirse la sustitución de calderas convencionales que aportan la energía térmica a los procesos productivos por una planta solar de tecnología CCP aplicado directamente a una fábrica de congelados. La fábrica se compone de dos líneas de producción principales:

Línea de patatas prefabricadas; esta línea es siempre la misma y sufre pocas variaciones (solo cambian las etapas de blanqueador necesarias, según el origen y la calidad de la materia prima)

Línea de precocinados; gran variedad de productos como hamburguesas, croquetas, fingers de pollo, etc. Es una línea muy versátil, con gran número de unidades funcionales intercambiables.

El principal consumo de energía térmica se produce en la línea de patatas (Figura 2.1), como se verá más adelante. En concreto en las etapas de pelado, blanqueado, secado y prefritura. En cambio, la línea de precocinados (Preco en adelante) tiene unas necesidades mucho menores.

Los equipos que consumen gas son:

- Caldera de vapor - Caldera de aceite térmico

Fig. 2.1 Líneas de proceso

Según datos facilitados por Eurofrits referentes al año 2008, el 49,8% del consumo de gas de promedio es debido a la caldera de vapor. El restante 50,2% se consume en la caldera de aceite térmico, destinada a las necesidades térmicas del secador y la freidora de patatas fritas, así como a la freidora de la línea de precocinados. Los consumos de calor en las dos calderas para el año 2008 han sido desglosados en la tabla 1.3.

Con este proyecto lo que se busca es la sustitución (en la medida de lo posible) de las calderas de gas para la producción de vapor y calentamiento del aceite de fritura por un sistema de

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS

35

generación de vapor asistido por un fluido térmico. El fluido utilizado será el VP-1, cuyas características se facilitan más adelante (Tabla 6.2), que será el encargado de recibir la radiación solar directa concentrada reflejada por los colectores.

- Dimensionado y evaluación técnica y económica de la viabilidad de una central solar térmica con la tecnología cilindro-parabólica que suministre las necesidades térmicas del proceso industrial

- Disminución de las pérdidas térmicas de las calderas implantadas - Estudio de la cobertura solar que proporcionará la tecnología CCP con colectores

EUROTROUGH en función de la necesidades térmicas - El combustible fósil se usará para complementar la falta de energía solar respecto a las

condiciones de diseño, y para operar en horas sin sol según el régimen de funcionamiento óptimo para la central.

- Estudio de la viabilidad de almacenamiento con sales fundidas para disminuir la carga térmica que proporcionará el sistema auxiliar sustentado por calderas de gas

- Dimensionamiento del campo solar con tecnología CCP usando colectores EUROTROUGH ayudándose para la elección del fluido térmico del software MONSANTO.

- Estudio del efecto que produciría el cambio de la latitud del emplazamiento a la producción de energía térmica considerando el mismo campo de colectores

Con todos estos objetivos marcados, el proyecto se fundamentará en el dimensionamiento del campo solar asociado a las necesidades térmicas de la fábrica teniendo en cuenta que su volumen de trabajo abarca mayor número de horas que las que puede aportar la radiación solar. Para ello se hará un estudio de las necesidades de almacenamiento con tecnología de sales fundidas que se deberán tener en cuenta para poder producir durante las 21 horas que la planta está funcionando a plena carga. Un esquema muy simplificado de lo que se pretende hacer lo representará el diagrama de bloques que se adjunta a continuación (Figura 2.2).

Figura 2.2: Esquema simplificado del proyecto propuesto

3. ALTERNATIVAS

TECNOLÓGICAS

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS

37

Lo que se busca en este apartado no es tanto una alternativa tecnológica a la sustitución de la central CCP sino otra alternativa para la sustitución de las calderas de gas natural. La función de estas calderas, como se explicó con anterioridad, es la de la generación de vapor saturado, el calentamiento del aceite de fritura y el calentamiento de aire para su trasformación a aire saturado. De entre todas las tecnologías que se han barajado, se han reconocido 4 tecnologías diferentes que podrían hacer competencia a la ya mencionada CCP para el suministro de las necesidades térmicas demandadas por los procesos. Dos de estas utilizarían el mismo recurso energético como es la radiación solar (la tecnología de concentradores lineales de Fresnel y los sistemas de receptor central) mientras que las otras dos utilizaría el recurso de la biomasa y la cogeneración para llegar a suplir las peticiones requeridas.

− Sistemas de receptor central (figura 3.1); esta tecnología está constituido por un número elevado de espejos dirigidos, gracias a un mecanismo de doble eje (heliostatos) que reflejan la radiación solar directa proveniente del sol que incide sobre la superficie terrestre hacia una zona focal común, localizada a una altura por encima del campo de espejos para evitar demasiadas interferencias. El campo de helióstatos puede ser circular rodeando completamente a la torre o estar localizado a uno de los lados de la misma (en el hemisferio Norte el campo se localiza al Norte de la torre mientras que en el hemisferio Sur se sitúa al Sur de ésta).[Romero,2010]

Figura 3.1: Campo de Heliostatos

Se ha descartado la utilización de esta tecnología ya que hoy en día no están totalmente demostradas las eficiencias de esta. Se puede deber a que todavía no es una tecnología comercial. Este hecho hace que en caso de sea viable su implantación el coste que se tendría que afrontar sería muy elevado y sería prácticamente imposible obtener rentabilidad del proyecto.

− Biomasa; la energía que se encuentra almacenada en esta materia prima es la que se almacena durante el crecimiento por medio de la fotosíntesis. Esto hace que su utilización esté dentro de un ciclo continuo de producción-utilización, y por tanto, constituya un recurso energético renovable.

Con la quema de la biomasa, el aporte de gases invernadero a la atmósfera disminuye considerablemente con respecto a lo que produciría la quema de gas o gasóleo. Hoy en día la mayor parte de la energía primaria que se produce se da por la quema de leña en calderas obsoletas y poco eficientes.

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS

38

Pese a que se han dado grandes avances en el desarrollo de nuevas calderas, a nivel industrial no llegan a la eficiencia que tienen las actuales calderas de gas y por esta razón se desecha la posibilidad de la implantación de esta tecnología.

− Cogeneración con gas; en estos sistemas se da una producción conjunta de electricidad y energía térmica útil partiendo de un único combustible. el aporte de energía térmica se produce en forma de agua caliente o en forma de vapor de agua a altas presiones. Las eficiencias que se dan en el aprovechamiento del calor residual están en el orden del 85% obteniendo elevados índices de ahorro energético.

No se ha tenido en consideración esta tecnología ya que uno de los puntos que se intenta conseguir con este proyecto es minimizar el consumo de gas natural o cualquier recurso fósil. Se podría sopesar la utilización del recurso de la biomasa como fuente de cogeneración pero como se mencionó en el punto anterior, el coste de inversión y la eficiencia de la caldera no es elevada y no sería rentable.

− Concentradores Lineales Fresnel (Figura 3.2); esta tecnología innovadora aprovecha la energía solar directa utilizando reflectores planos. Estos se forman con espejos de vidrio, lo que hace que la materia prima sea muy barata. Son menos eficientes que la tecnología cilindro-parabólica pero dado su coste más bajo podrían ser comparables ambas tecnologías.

Figura 3.2: Concentradores Lineales Fresnel

Los espejos enfocan la radiación directa hacia un tubo colocado encima de los mismos por el que fluye el fluido térmico. Este se calienta hasta temperaturas elevadas y procederá al intercambio de calor en un intercambiador con el aceite del proceso de la fábrica. Debido al pequeño tamaño de los espejos disminuirá su sensibilidad al viento.

Dado que esta tecnología está, hoy en día, en fase de prueba y no se conocen sus eficiencias a nivel comercial no se contabiliza como alternativa real para la implantación al proceso productivo de la fábrica estudiada.

4. FUNDAMENTOS

TEÓRICOS

4.1 INTRODUCCIÓN Y COMPONENTES

Los colectores cilindro parabólicos (CCP) son un tipo de captadores solares térmicos que pertenecen a los denominados col

concentran mediante espejos permitiendo calentar un fluido por encima de 100

Figura 4.1: Imagen de un colector cilindro parabólico.

Estos colectores están compuestos principalmente por absorbedor colocado en el eje focal de la parábola. Su funcionamiento se basa en el principio geométrico de la parábola por el cual los rayos incidentes paralelos al eje de la parábola son reflejados en dirección al foco. Esto permite concentrar la radiación solar directa sobre el absorbedor que, a su vez, calentará el fluido que circula por su interior, permitiendo obtener energía térmica a partir de la radiación solar incidente.

Figura 4.2: trayectoria de un rayo

De los dos tipos de radiación (difusa y directa), los CCP sólo pueden aprovechar la radiación solar directa puesto que es la única que tiene una trayectoria bien definida. De ella se conoce exactamente su origen, el Sol, y puede ser, por tanto, redirigida mediante el uso de espejos. Puesto

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

INTRODUCCIÓN Y COMPONENTES

Los colectores cilindro parabólicos (CCP) son un tipo de captadores solares térmicos que pertenecen a los denominados colectores con concentración: captan la radiación solar directa y la

concentran mediante espejos permitiendo calentar un fluido por encima de 100

Figura 4.1: Imagen de un colector cilindro parabólico.

Estos colectores están compuestos principalmente por un espejo cilindro parabólico y un tubo absorbedor colocado en el eje focal de la parábola. Su funcionamiento se basa en el principio geométrico de la parábola por el cual los rayos incidentes paralelos al eje de la parábola son

foco. Esto permite concentrar la radiación solar directa sobre el absorbedor que, a su vez, calentará el fluido que circula por su interior, permitiendo obtener energía térmica a partir de la radiación solar incidente.

Figura 4.2: trayectoria de un rayo reflejado en la superficie de un CCP.

De los dos tipos de radiación (difusa y directa), los CCP sólo pueden aprovechar la radiación solar directa puesto que es la única que tiene una trayectoria bien definida. De ella se conoce

l, y puede ser, por tanto, redirigida mediante el uso de espejos. Puesto

UNDAMENTOS TEÓRICOS

40

Los colectores cilindro parabólicos (CCP) son un tipo de captadores solares térmicos que ectores con concentración: captan la radiación solar directa y la

concentran mediante espejos permitiendo calentar un fluido por encima de 100°C.

un espejo cilindro parabólico y un tubo absorbedor colocado en el eje focal de la parábola. Su funcionamiento se basa en el principio geométrico de la parábola por el cual los rayos incidentes paralelos al eje de la parábola son

foco. Esto permite concentrar la radiación solar directa sobre el absorbedor que, a su vez, calentará el fluido que circula por su interior, permitiendo obtener energía

reflejado en la superficie de un CCP.

De los dos tipos de radiación (difusa y directa), los CCP sólo pueden aprovechar la radiación solar directa puesto que es la única que tiene una trayectoria bien definida. De ella se conoce

l, y puede ser, por tanto, redirigida mediante el uso de espejos. Puesto


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que la posición del Sol respecto a la Tierra varía a lo largo del día, los CCP necesitan un sistema que les permita modificar su posición de forma precisa con el fin de que la radiación directa siga siempre una trayectoria paralela al eje de la parábola.

Figura 4.3: movimiento descrito por un CCP a lo largo del día.

Además del reflector cilindro parabólico y el tubo absorbedor, existen otros elementos necesarios para el funcionamiento de los CCP como son el fluido de trabajo y la estructura metálica de soporte. A continuación se describe en mayor detalle cada uno de estos elementos [ZARZA, 2010].

4.1.1 REFLECTOR CILINDRO PARABÓLICO

Para conseguir la reflexión de la radiación directa se utilizan películas de materiales altamente reflectantes, como el aluminio o la plata, que se deposita sobre un soporte para darle rigidez. Existen tres tipos principales de soportes: chapa metálica, vidrio y plástico, cada uno presenta sus ventajas e inconvenientes.

Cuando se emplea como soporte una chapa metálica, ésta se hace de aluminio y se trata mediante procesos de pulido para darle una alta reflectividad. De esta forma el propio soporte actúa como elemento reflector, consiguiendo colectores de bajo precio. Como inconveniente se debe indicar la baja durabilidad, puesto que la reflectividad del aluminio se deteriora con rapidez cuando se expone a las condiciones de exterior. No se recomiendan para usos industriales que precisan una gran durabilidad y, por tanto, no son adecuados para nuestro propósito.

Aquellos en los que el vidrio es el soporte se asemejan en gran medida a un espejo. Sobre la cara posterior del vidrio se deposita una fina película de plata que se protege con una capa de cobre y otra de pintura epoxi. En función del grosor del vidrio se distinguen dos métodos para dar al soporte la forma parabólica. Si el vidrio es grueso (espesor superior a 3 mm), éste debe ser trabajado en caliente, puesto que en frío no es suficientemente flexible. Para vidrio delgado (espesor inferior a 1,5 mm), son flexibles como para pegarlos sobre chapas que le otorguen una curvatura adecuada.


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Por último, los soportes de plástico son tratados con una capa de aluminio o plata. Estos soportes son similares al vidrio delgado y, por tanto, necesitan también un soporte más resistente que les dé la forma parabólica. Como en el primer caso, la durabilidad de estos colectores a la intemperie es reducida y, además, debido a las fuerzas electrostáticas entre el plástico y las partículas de polvo, se ha comprobado un mayor grado de ensuciamiento en comparación con el resto de colectores.

Por tanto, parece que los colectores más apropiados para usos industriales son aquellos de vidrio por su mayor resistencia en el exterior. Actualmente, los más empleados son los de vidrio grueso con película de plata, como es el caso de los colectores EUROTROUGH, modelo elegido para el campo de colectores de este proyecto.

4.1.2 TUBO ABSORBEDOR

Éste es un elemento muy importante de los CCP, y de él depende, en gran medida, que el rendimiento global del colector sea alto o bajo. El tubo absorbedor está formado por dos tubos concéntricos. El tubo interior, por el que circula el fluido térmico, es metálico y el tubo exterior, de cristal.

Figura 4.4: componentes principales de un tubo absorbedor.

El tubo interior metálico tiene un elevado rendimiento térmico: elevada absortividad de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro infrarrojo. Estas propiedades se las otorga el recubrimiento selectivo con el que se trata el tubo. Este recubrimiento puede ser una película de cromo, níquel o cobalto negro o recubrimientos obtenidos por PVD (Deposición Física de Vapor, en inglés). Éstos últimos poseen un rango de temperaturas de trabajo mayor que los primeros, pero no pueden estar en contacto con el aire puesto que se degradan, lo que requiere hacer el vacío entre el tubo interior y el exterior.

El tubo exterior de cristal tiene dos funciones: proteger el recubrimiento selectivo y reducir las pérdidas térmicas por convección. El cristal suele llevar un tratamiento antireflexivo en sus dos caras para aumentar su transmisividad y aumentar el rendimiento óptico del colector.


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Cuando se requiere hacer el vacío entre ambos tubos se deben tomar ciertas precauciones para asegurar que el aire no se introduzca. En primer lugar, el tubo de metal y el de vidrio no se sueldan entre sí, sino que se hace mediante un fuelle metálico que permite las dilataciones de los tubos al alcanzar la temperatura de trabajo. De esta forma la soldadura es “flexible” y evita la formación de fisuras que podrían hacer perder el vacío. En segundo lugar, se colocan adheridas al tubo metálico unas piezas absorbedoras con el fin de eliminar las moléculas que, con el paso del tiempo, penetren a la zona de vacío. Éstas piezas se llaman “getters”.

4.1.3 SISTEMA DE SEGUIMIENTO

El sistema de seguimiento, como ya se ha indicado, permite al colector girar y orientarse para aprovechar al máximo la radiación solar a lo largo del día. Existen sistemas de giro alrededor de un eje, o de dos ejes, siendo el primero más común que el segundo. Se ha demostrado que en los de dos ejes, a pesar de tener un flujo útil de radiación solar mayor, la rentabilidad es menor debido a un mayor coste de mantenimiento y mayores pérdidas térmicas al requerir mayor longitud de tuberías pasivas.

En función del tamaño de los colectores se distinguen dos tipos de mecanismos de accionamiento. Para los colectores pequeños o medianos, basta utilizar un motor eléctrico acoplado a una reductora cuyo eje se une al eje de rotación del colector. En cambio, los colectores grandes requieren altos pares al ser girados, lo que obliga a usar mecanismos hidráulicos. Éste último tipo es el que usan los colectores EUROTROUGH.

El mecanismo de accionamiento de los colectores requiere de un control electrónico que le indique cuándo y cuánto debe moverse. Estos sistemas de control suelen basarse en sensores solares que detectan la posición del Sol.

Los sensores más comunes están formados por dos fotocélulas separadas por una fina pared intermedia, denominada banda de sombra. Cuando el sensor está bien enfocado, el Sol se encuentra en un plano normal a la superficie del mismo y la banda de sombra no sombrea ninguna fotocélula. Según se mueve el Sol, la banda de sombra comienza a oscurecer parcialmente una de las fotocélulas, provocando un desequilibrio de las señales eléctricas dadas por ambas fotocélulas. Este desequilibrio se analiza y procesa y, en función de la diferencia entre ambas señales, se ordena al mecanismo de accionamiento que gire al colector en sentido correcto.

Además de estos sistemas, existen otros basados en algoritmos matemáticos que calculan con gran precisión las coordenadas del Sol con respecto al colector, lo que permite eliminar el uso de sensores solares. Un micro-procesador recoge continuamente la posición del colector y la compara con la posición que debería tener para estar adecuadamente enfocado. Si los dos valores no se corresponden, el micro-procesador ordena girar al mecanismo de accionamiento hasta obtener la posición correcta.


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4.1.4 FLUIDO DE TRABAJO

Los CCP están pensados para trabajar con rangos de temperaturas comprendidos entre los

425K y 675K (150°C y 400°C). Por encima de estas temperaturas el rendimiento se reduce debido al incremento de pérdidas térmicas. Para temperaturas inferiores existen otros modelos de colectores más adecuados.

Los principales fluidos de trabajo empleados son agua desmineralizada y aceites sintéticos. La elección de uno u otro depende de la temperatura de trabajo. El sistema de tuberías debe estar a una presión superior a la presión de saturación del fluido para evitar que se evapore. El inconveniente del agua es que no puede trabajar a temperaturas muy altas puesto que, para evitar que se evapore en las tuberías, se debe trabajar a presiones muy elevadas. Por lo tanto, cuando se trabaje a

temperaturas moderadas, consideradas aquellas inferiores a 450K (180°C), se puede emplear agua desmineralizada ya que la presión no es excesiva. En cambio, para temperaturas superiores a 450K se debe emplear fluidos como los aceites sintéticos, cuyas presiones de vapores son inferiores.

4.2 TEORÍA DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS CCP

Como ya se ha visto hasta ahora, el funcionamiento de los CCP parece bastante sencillo, la reflexión de un rayo solar utilizando un espejo. A continuación se presentan ciertos conceptos importantes para comprender el funcionamiento de estos colectores y para calcular parámetros que nos indiquen el rendimiento de los mismos.

4.2.1 ÁNGULO DE INCIDENCIA

Se ha presentado anteriormente la propiedad intrínseca de la parábola de reflejar hacia el foco aquellos rayos que incidan paralelos al eje, o lo que es lo mismo, perpendiculares a la apertura de la parábola. El sistema de seguimiento busca siempre que el colector esté posicionado de forma que los rayos incidan perpendiculares al área de apertura, pero debido a que el colector rota únicamente sobre un eje, esto sólo ocurre en momentos muy concretos del día.

Lo que en realidad ocurre, es que el colector se posiciona de manera que la radiación solar, al proyectarse sobre un plano perpendicular a la línea focal del concentrador parabólico posea la misma dirección que el vector normal al plano de apertura del concentrador. Es decir, la radiación incidente tendrá siempre una componente contenida en el plano perpendicular a la apertura del colector que pasa por la línea focal.


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Figura 4.5: planos y ángulos que describen un CCP.

Se conoce como Ángulo de Incidencia (ϕ) al ángulo formado por la radiación solar directa incidente y el vector normal al plano de apertura del colector. Éste ángulo tiene gran importancia sobre el comportamiento térmico del colector puesto que limita la cantidad de radiación solar que se puede aprovechar. Cuanto menor sea dicho ángulo se aprovecha mayor cantidad de la radiación total incidente, aumentando el rendimiento.

4.2.2 RAZÓN DE CONCENTRACIÓN, ÁNGULO DE ACEPTANCIA Y ÁNGULO DE

APERTURA DE UN CCP

La Razón de Concentración Geométrica (cgeométrica) es el cociente entre el área de apertura del colector y el área total del tubo metálico absorbedor. Se debe diferenciar de la Razón de Concentración Óptica (cóptica), que es el cociente entre el flujo de energía radiante antes y después de la concentración. Se hace la distinción entre la radiación geométrica y óptica puesto que no toda la radiación solar reflejada por el concentrador acaba incidiendo sobre la superficie del tubo absorbedor.

Figura 4.6: área de apertura de un colector CCP.


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El Ángulo de Aceptancia (β) es el ángulo máximo que puede ser formado por dos rayos en un plano transversal a la apertura del colector de manera que intercepten el tubo absorbedor después de ser reflejados.

Figura 4.7: ángulo de aceptancia de un CCP.

La concentración geométrica y el ángulo de aceptancia están relacionados entre sí mediante una relación inversa. Para aumentar la concentración geométrica se debe disminuir el ángulo de aceptancia. Esta relación está limitada por el hecho de que el ángulo de aceptancia no puede ser menor de 32’. Esto es debido a que el Sol, desde la Tierra, no se ve como un punto sino como una circunferencia y se adopta el valor de 32’ como el ángulo sólido bajo el cual se ve la esfera solar. Por tanto, en un colector que tenga un ángulo de aceptancia inferior a 32’, por cuestiones geométricas, parte de la radiación reflejada no interceptará nunca al tubo. Esto determina que la concentración suele mantenerse en valores entre 20 y 30, a pesar de que su límite teórico es del orden de 220. Así mismo, cuanta más concentración se desea, más preciso debe ser el sistema de seguimiento, cuya precisión debe ser siempre inferior al ángulo de aceptancia para garantizar que el colector corrija su posición con la suficiente frecuencia como para que no haya rayos que incidan con un ángulo superior al de aceptancia.

Por último, el Ángulo de Apertura (ψ) es el ángulo formado por la bisectriz de la parábola y la línea

que une el centro del tubo absorbedor con el extremode la parábola. Suele tomar valores de 90° por dos motivos. En primer lugar, porque al disminuir el ángulo la superficie reflectora se incrementa considerablemente en comparación con el aumento de área de apertura. En segundo lugar, porque

la razón de concentración se ha demostrado que es máxima cuando el ángulo de apertura es de 90°.

4.2.3 PÉRDIDAS ÓPTICAS

Las pérdidas ópticas de un colector son debidas a los defectos ópticos de los materiales que lo componen: la superficie del concentrador no es un reflector perfecto, ni el vidrio del tubo absorbedor es completamente transparente, ni el recubrimiento selectivo del tubo metálico es un absorbedor perfecto, ni el colector tiene una forma parabólica perfecta. Todas estas imperfecciones


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acumuladas hacen que no toda la radiación incidente sobre el colector acabe siendo absorbida por el fluido térmico.

Siguiendo la trayectoria que describe un rayo desde que incide en el colector hasta que termina en el fluido, se pueden definir cuatro parámetros principales que intervienen en las pérdidas ópticas.

El primero de ellos es la Reflectividad de la superficie reflectante del concentrador parabólico (ρ). Este factor describe que debido a las imperfecciones propias de la superficie reflectora y a la suciedad que ésta tenga, no toda la radiación incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor. Los valores normales de reflectividad de un concentrador limpio están alrededor del 90%, valor que, por efecto de la suciedad, se reduce un 0,2% diariamente.

El segundo es el Factor de interceptación (γ). No toda la radiación reflejada acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor, es decir, hay parte de la misma que no es interceptada por la cubierta del tubo de vidrio. Las causas son diversas, desde las imperfecciones en la superficie de los espejos, errores de posicionamiento del colector o los bloqueos que pueden crear los soportes del mismo tubo absorbedor. Un valor típico de este factor es 95%, el 95% de la radiación reflejada acaba interceptando el tubo.

El tercer factor es la Transmisividad de la cubierta de cristal (τ). De aquella radiación que intercepta el tubo de vidrio, sólo una parte consigue atravesarlo. La transmisividad es el cociente entre la radiación que pasa a través de la cubierta de vidrio y la radiación total incidente sobre ella. Un valor típico es 0,91, aunque puede ser aumentado hasta 0,96 aplicando tratamientos anti-reflexivos sobre las dos caras del cristal. Debe indicarse que estos tratamientos tienen una baja resistencia a las inclemencias meteorológicas y, con el tiempo, se acaban destruyendo, con lo que la transmisividad se reduce.

El último factor es la Absortividad de la superficie seletiva (α). Este factor cuantifica la cantidad de radiación que consigue absorber la superficie selectiva del tubo metálico interior. Los valores típicos se encuentran entre 0,90 y 0,96.

El Rendimiento Óptico (ηopt) es el producto de estos cuatro factores:

�� = � · ! · " · # Los cuatro parámetros anteriores dependen del ángulo con el que la radiación incide sobre el plano

de la apertura del colector. El ángulo de incidencia (ϕ) es inversamente proporcional al valor de los parámetros. Por este motivo, se define un valor nominal para los cuatro parámetros, que

corresponde a un ángulo de incidencia de 0° (radiación incidente perpendicular al plano de apertura del colector). Así mismo, se define el Rendimiento Óptico Pico como el mayor rendimiento que se puede obtener y es el producto de los valores nominales de los cuatro parámetros:

��,$° = � · ! · " · # |&'$°


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4.2.4 PÉRDIDAS GEOMÉTRICAS

Estas pérdidas cuantifican la disminución de área efectiva de captación de los colectores. Se dividen en dos tipos:

− Las debidas a la posición de los colectores entre sí.

− Las debidas a cada colector.

Las primeras son las pérdidas por sombras. Se deben a las sombras que una fila de colectores proyecta sobre la fila siguiente, causando que parte de su superficie no esté expuesta a la radiación solar directa. Estas pérdidas se pueden reducir, o incluso evitar, aumentando la distancia entre las filas de colectores. Así mismo, mediante geometría, se puede calcular fácilmente la distancia necesaria justa para aprovechar al máximo el terreno sin que las filas se estorben entre sí.

El otro tipo de pérdidas son las denominadas inherentes a cada colector. Se deben a que la radiación incidente lo hace siempre con un cierto ángulo respecto a la normal del plano de apertura

del colector, el ángulo de incidencia (ϕ). Éste ángulo varía en función de la hora y del día del año, y provoca que en los extremos del colector haya una pérdida de superficie reflexiva útil.

Figura 4.8: descripción de las pérdidas inherentes a cada colector.

Como se observa en la figura anterior, debido al ángulo de incidencia existe una zona al final del colector que, aunque recibe radiación, la refleja más allá de donde acaba el tubo y, por tanto, nunca será interceptada por el mismo. Esta área no útil (Ae) del colector puede ser calculada mediante la siguiente expresión:

() = *+ · *& = *+ · ,- · tan 1

,- = , + 3·45 67·389


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Donde:

ϕ = ángulo de incidencia l = longitud total del concentrador parabólico

lϕ = longitud perdida en el extremo del concentrador f = distancia focal

Tanto las pérdidas ópticas como las geométricas se ven afectadas por el ángulo de incidencia: son

mínimas cuando el ángulo es 0° y máximas cuando es 90°. Existe un parámetro denominado

modificador por ángulo de incidencia, K(ϕ), que cuantifica el efecto del ángulo de incidencia sobre el rendimiento del colector y, por tanto, es una medida de todas las pérdidas ópticas y geométricas que ocurren en un colector.

4.2.5 PÉRDIDAS TÉRMICAS

Las pérdidas térmicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido térmico, principalmente en los tubos absorbedores y los tramos de tuberías del campo de colectores. De entre estos dos lugares, las pérdidas más importantes son aquellas que se producen en el tubo absorbedor y son las que se describen a continuación.

Las pérdidas térmicas que ocurren en un tubo absorbedor son las siguientes:

− Conducción a través de los soportes del tubo

− Pérdias por radiación, convección y conducción desde el tubo metálico a la cubierta de vidrio

− Pérdidas por convección y radiación desde el tubo de cristal al ambiente

De todas estas pérdidas, las primeras se pueden considerar despreciables y, además, en aquellos absorbedores que tengan vacío entre el tubo de vidrio y el metálico, las pérdidas térmicas por convección no existen. Por tanto, las pérdidas térmicas que se producen en un tubo absorbedor son las que se representan en la figura siguiente.

Figura 4.9: descripción de las pérdidas térmicas en un tubo absorbedor.


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Donde:

PQ, absorbedor – ambiente Pérdidas térmicas por radiación en el tubo metálico absorbedor.

PQ, absorbedor – vidrio Pérdidas térmicas por conducción y convección entre el tubo metálico absorbedor y la cubierta de vidrio

PQ, vidrio – ambiente Pérdidas térmicas por convección y radiación desde la cubierta de vidrio del tubo absorbedor al ambiente

PQ, sol – vidrio Flujo de energía radiante proveniente del Sol que es absorbida por la cubierta de vidrio del tubo absorbedor

A pesar de que todas estas pérdidas describen el funcionamiento térmico del colector y pueden ser calculadas analíticamente, en la práctica las pérdidas térmicas globales de un CCP suelen calcularse mediante un coeficiente global de pérdidas térmicas desde el tubo absorbedor al ambiente (UL)abs). El valor de dicho coeficiente se determina mediante la siguiente expresión:

:;,<�4)<��=>+-?@)A�) = :;,+?B�=?)C�=>+-?@)A�) + :;,+?B�=?)C�=>D@C=@� == EF)+?B · H · I� · * · (K+?B − K+-?) Donde:

− Tabs es la temperatura media del tubo absorbedor metálico

− Tamb es la temperatura ambiente

− do es el diámetro exterior del tubo metálico absorbedor

− l es la longitud del tubo absorbedor

El valor del coeficiente global se debe determinar experimentalmente, realizando distintos ensayos de pérdidas térmicas sobre el colector en el rango de temperaturas para el cual ha sido diseñado. Es usual que dicho coeficiente se exprese por unidad de área del tubo absorbedor, siendo sus unidades W/m2

abs·K. Así mismo, se puede definir un coeficiente global de pérdidas térmicas expresado en unidad de área de apertura del colector, como se muestra en la siguiente ecuación.

EF)<�4 = EF)+?B MN)�-é�=@<+9

4.3 CAMPOS SOLARES DE CCP

La finalidad de los colectores es captar energía térmica para poder aplicarla a un proceso como sustituto de las energías convencionales. Cuando varios colectores trabajan juntos en un campo de colectores, se necesitan ciertos componentes complementarios que permitan cumplir a los colectores con su propósito.

4.3.1 DISPOSICIÓN DE LOS COLECTORES

Un campo de colectores está formado por filas paralelas de CCP. A su vez, cada una de las filas está compuesta por varios colectores conectados en serie. De esta forma, el fluido térmico se va calentando al fluir a través de los tubos absorbedores de los CCP de la fila po

Normalmente los colectores tienen sus ejes de rotación orientas en el eje NorteAunque cualquier otra orientación es posible, lo que debe cumplirse siempre es que las filas de colectores sean paralelas entre sí. En caso cdistinta, lo que dificultaría el control de la temperatura del fluido a la salida del campo.

Existen distintas configuraciones para un campo de colectores. Los tres tipos principales son los denominados Retorno Directodistintos entre sí, todos comparten el objetivo de minimizar las pérdidas térmicas. Para ello, las tuberías de salida del campo, aquellas que transportan el fluido calieconsiderablemente inferior a las de entrada, aquellas por las que el fluido circula frío.

Retorno Directo

Figura 4.10: esquema de un campo dispuesto en Retorno Directo.

La configuración más sencilla es la de Retorno Directo y es la número de filas es pequeño. Su principal inconveniente es que las filas están desequilibradas en términos de caída de presión debido a que cada una de ellas tiene una longitud de tuberías de entrada y salida distinta. Esto obcaudal, lo que aumenta la pérdida de presión en el campo, aumentando las necesidades de bombeo y el consumo energético.


DISPOSICIÓN DE LOS COLECTORES

ctores está formado por filas paralelas de CCP. A su vez, cada una de las filas está compuesta por varios colectores conectados en serie. De esta forma, el fluido térmico se va calentando al fluir a través de los tubos absorbedores de los CCP de la fila po

Normalmente los colectores tienen sus ejes de rotación orientas en el eje NorteAunque cualquier otra orientación es posible, lo que debe cumplirse siempre es que las filas de colectores sean paralelas entre sí. En caso contrario, la radiación incidente sobre cada fila sería distinta, lo que dificultaría el control de la temperatura del fluido a la salida del campo.

Existen distintas configuraciones para un campo de colectores. Los tres tipos principales son los Retorno Directo, Retorno Inverso y Alimentación Central. A pesar de que los tres son

distintos entre sí, todos comparten el objetivo de minimizar las pérdidas térmicas. Para ello, las tuberías de salida del campo, aquellas que transportan el fluido caliente, son de longitud considerablemente inferior a las de entrada, aquellas por las que el fluido circula frío.


La configuración más sencilla es la de Retorno Directo y es la que se suele emplear cuando el número de filas es pequeño. Su principal inconveniente es que las filas están desequilibradas en términos de caída de presión debido a que cada una de ellas tiene una longitud de tuberías de entrada y salida distinta. Esto obliga a emplear válvulas a la entrada de las filas para regular el caudal, lo que aumenta la pérdida de presión en el campo, aumentando las necesidades de bombeo


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ctores está formado por filas paralelas de CCP. A su vez, cada una de las filas está compuesta por varios colectores conectados en serie. De esta forma, el fluido térmico se va calentando al fluir a través de los tubos absorbedores de los CCP de la fila por donde circula.

Normalmente los colectores tienen sus ejes de rotación orientas en el eje Norte-Sur o Este-Oeste. Aunque cualquier otra orientación es posible, lo que debe cumplirse siempre es que las filas de

ontrario, la radiación incidente sobre cada fila sería distinta, lo que dificultaría el control de la temperatura del fluido a la salida del campo.

Existen distintas configuraciones para un campo de colectores. Los tres tipos principales son los . A pesar de que los tres son

distintos entre sí, todos comparten el objetivo de minimizar las pérdidas térmicas. Para ello, las nte, son de longitud

considerablemente inferior a las de entrada, aquellas por las que el fluido circula frío.


que se suele emplear cuando el número de filas es pequeño. Su principal inconveniente es que las filas están desequilibradas en términos de caída de presión debido a que cada una de ellas tiene una longitud de tuberías de

liga a emplear válvulas a la entrada de las filas para regular el caudal, lo que aumenta la pérdida de presión en el campo, aumentando las necesidades de bombeo

Retorno Inverso

Figura 4.11: esquema de campo dispuesto en Retor

Mediante esta configuración, dado que el fluido entra y sale por lados opuestos del campo, se consigue un cierto equilibrado de las caídas de presión asociadas a cada fila. Sin embargo, requiere mayor longitud de tubería en el tramo frío, lo qucoste de tubería y aislamiento. Así mismo, las válvulas pueden seguir siendo necesarias para el equilibrado, aunque no añaden tanta pérdida de presión como en el caso anterior.

Alimentación Central

Figura 4.12: esquema de campo dispuesto en Alimentación Central.

Como en el caso del retorno directo, necesita válvulas a la entrada de las filas para regular las caídas de presión. Sus principales ventajas es que minimiza las longitudes de tuberías y con ello reduce las pérdidas térmicas. Además, favorece las labores de mantenimiento del campo porque todas las filas de colectores son accesibles con vehículos, sin necesidad de enterrar ninguna tubería. Por estas características se ha convertido en el diseño más com


Figura 4.11: esquema de campo dispuesto en Retorno Inverso.

Mediante esta configuración, dado que el fluido entra y sale por lados opuestos del campo, se consigue un cierto equilibrado de las caídas de presión asociadas a cada fila. Sin embargo, requiere mayor longitud de tubería en el tramo frío, lo que supone pérdidas adicionales de calor y mayor coste de tubería y aislamiento. Así mismo, las válvulas pueden seguir siendo necesarias para el equilibrado, aunque no añaden tanta pérdida de presión como en el caso anterior.

.12: esquema de campo dispuesto en Alimentación Central.

Como en el caso del retorno directo, necesita válvulas a la entrada de las filas para regular las caídas de presión. Sus principales ventajas es que minimiza las longitudes de tuberías y con ello

uce las pérdidas térmicas. Además, favorece las labores de mantenimiento del campo porque todas las filas de colectores son accesibles con vehículos, sin necesidad de enterrar ninguna tubería. Por estas características se ha convertido en el diseño más común de plantas solares grandes.


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no Inverso.

Mediante esta configuración, dado que el fluido entra y sale por lados opuestos del campo, se consigue un cierto equilibrado de las caídas de presión asociadas a cada fila. Sin embargo, requiere

e supone pérdidas adicionales de calor y mayor coste de tubería y aislamiento. Así mismo, las válvulas pueden seguir siendo necesarias para el equilibrado, aunque no añaden tanta pérdida de presión como en el caso anterior.

.12: esquema de campo dispuesto en Alimentación Central.

Como en el caso del retorno directo, necesita válvulas a la entrada de las filas para regular las caídas de presión. Sus principales ventajas es que minimiza las longitudes de tuberías y con ello

uce las pérdidas térmicas. Además, favorece las labores de mantenimiento del campo porque todas las filas de colectores son accesibles con vehículos, sin necesidad de enterrar ninguna tubería.

ún de plantas solares grandes.


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4.3.2 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO

Los sistemas captadores de concentración tienen su funcionamiento caracterizan por dos restricciones. La primera es que la energía solar es discontinua en el tiempo, la segunda, que sólo pueden aprovechar la radiación solar directa. Mientras que ésta última requiere controlar la meteorología para evitar que haya nubes y así tener la máxima radiación solar directa posible, la primera restricción se puede controlar más fácilmente mediante el uso de sistemas de almacenamiento.

El almacenamiento es necesario en aquellos procesos en los que se desee suministrar energía proveniente del campo de colectores en periodos en los que no hay radiación solar directa. Estos sistemas acumulan parte de la energía térmica suministrada por los colectores durante las horas de Sol, para darlas en momentos que no hay Sol.

Además de permitir el suministro en momentos de ausencia de radiación solar directa, el sistema de almacenamiento proporciona una potencia térmica constante al proceso. Ésta es una ventaja muy importante, puesto que si no se dispone de almacenamiento, la potencia suministrada al proceso en cada instante es la que genera el campo de colectores solares, y por tanto depende completamente de la radiación solar directa disponible en cada momento.

Otra característica del sistema de almacenamiento favorable al campo de colectores es la capacidad que tiene para aislar la entrada del campo de las posibles perturbaciones que ocurran en la salida. Por ejemplo, una perturbación como la aparición de nubes hace disminuir la temperatura a la salida del campo de colectores, como consecuencia, la temperatura a la entrada se ve reducida también. Esta situación es complicada de solventar para el sistema de control si no es con la ayuda del sistema de almacenamiento que evita la realimentación de las perturbaciones.

En función del medio en el que se almacene la energía se distinguen dos tipos de sistemas de almacenamiento: los de medio único y los de medio dual.


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Los primeros almacenan la energía en el mismo fluido que circula por los colectores. Puesto que el fluido más común son los aceites sintéticos, estos sistemas de almacenamiento suelen serlo también. El rendimiento es alto, superando el 90%. Existen dos configuraciones diferentes:

De un solo tanque de almacenamiento. El aceite se introduce en un tanque en el cual se estratifica debido a la gran variación de densidad que sufren los aceites sintéticos en función de la temperatura.

Figura 4.14: esquema de una planta con un tanque de almacenamiento.

De dos tanques de almacenamiento. En este caso se emplea un tanque frío y otro tanque caliente. Tras salir del campo de colectores, el aceite se acumula en un tanque caliente desde donde se enviará a una caldera o intercambiador de calor para ser aprovechado. Una vez utilizado, el aceite vuelve al tanque frío donde se acumula hasta ser introducido de nuevo en la entrada del campo de colectores. Los sistemas de dos tanques son empleados cuando el volumen de aceite necesario impide la construcción de un único tanque alto y estrecho que favorezca la estratificación.

Figura 4.15: esquema de una planta con dos tanques de almacenamiento.


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Los sistemas de medio dual emplean un medio diferente al fluido de trabajo para acumular el calor. Como medios de almacenamiento se pueden usar materiales sólidos, como placas de hierro, materiales cerámicos u hormigón, u otros fluidos distintos al de trabajo, como las sales fundidas.

En estos sistemas el aceite circula a través de placas superpuestas del material cediendo, o tomando, energía térmica de las placas. Cuando se emplean sales fundidas los esquemas de diseño son más parecidos a los de un solo tanque, pero el funcionamiento es idéntico al descrito para materiales sólidos. Normalmente se emplean esquemas de dos tanques, uno frío y otro caliente. Cuando se produce exceso de energía en el campo de colectores, el fluido térmico se hace circular a través de un intercambiador de calor para calentar sales fundidas que, a su vez, fluyen del tanque frío al caliente. Por el contrario, cuando se requiere energía almacenada para calentar fluido térmico, los sentidos de circulación se invierten: las sales fundidas pasan del tanque caliente al frío a través del intercambiador calentando el aceite sintético.

5. VIABILIDAD DE

LOS SISTEMAS

CCP

VIABILIDAD DE LOS SISTEMAS CCP

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5.1 FACTORES INFLUYENTES

Existen diversos factores que hacen que el uso de los colectores CCP sea comercialmente viable. Entre ellos hay que destacar los factores medioambientales y los económicos.

Factores medioambientales

Es obvio que la producción de los colectores depende totalmente de la radiación solar directa. La disponibilidad de esta radiación influye claramente en el coste de la energía solar. La temperatura ambiente es otro factor que influye, al aumentar la temperatura ambiente se reducen las pérdidas térmicas en los colectores. Por último, la contaminación atmosférica puede acabar afectando a la instalación si no se ha hecho un estudio previo. En lugares de costa, por ejemplo, la alta concentración de cloruros pueden corroer las superficies de aluminio. Los humos o concentraciones altas de contaminación y partículas en la atmósfera puede reducir la intensidad de la radiación solar.

Factores económicos

Dentro de los factores económicos, los combustibles convencionales juegan un papel muy importante. Cuanto mayor sea el precio de los mismos, más rentable es una instalación de un sistema solar. Así mismo, los combustibles convencionales están unidos a factores político-económicos: su suministro no se es considerado estable ya que puede ser reducido o cortado a elección del gobierno de un país. En cambio, la energía solar es gratuita y además el suministro es constante y está por encima de decisiones políticas.

La inversión necesaria para una instalación de CCP es muy elevada lo que no la convierte en una opción interesante para muchas industrias. Además, debido a la gran cantidad de terreno que necesitan sus instalaciones, no resulta fácil acoplar esta tecnología a industrias existentes. Las ayudas fiscales son un recurso para promover este tipo de tecnología y hacerla más rentable para el empresario. Así mismo, aquellos procesos en los que el gasto energético supone el mayor coste de operación, pueden sentirse más interesados por esta tecnología que les puede proporcionar un ahorro considerable.

5.2 EXPERIENCIA DEL SECTOR – ESTADO DE LA TECNOLOGÍA

El uso de la tecnología CCP acumula décadas de estudios y experiencia. Su aplicación para la Generación Directa de Vapor (GDV), empleando agua como fluido térmico, ha sido experimentada y analizada en diversas plantas.

El uso de aceite como fluido térmico cuenta con gran experiencia también. A mediados de los años 80 comenzó un programa de desarrollo de esta tecnología para suministrar vapor a ciclos Rankine y generar electricidad. Fue la empresa LUZ International Limited (LIL) la que diseñó y construyó nueve plantas de este tipo, denominados Plantas SEGS. Estas plantas se construyeron desde 1984 hasta 1990 y, de las nueve, ocho siguen funcionando en la actualidad.

VIABILIDAD DE LOS SISTEMAS CCP

58

Figura 5.1: imagen aérea de las Plantas SEGS.

Así mismo, existen otras plantas comerciales de producción de electricidad, como son los proyectos Andasol, Extresol y Manchasol. El primero de ellos consta de tres fases de 50MW cada una. La primera de ellas lleva produciendo electricidad desde Diciembre de 2008 y la segunda fase se completó en 2009 y ha sido ya conectada a la red. A pesar de haber sido diseñados y construidos 20 años después de la última planta SEGS, cada una de las fases de Andasol son casi la mitad de pequeñas que las fases SEGS VIII y SEGS IX, de 80MW cada una.

Figura 5.2: imagen de la planta Andasol en fase de construcción.

Todos estos proyectos demuestran que la de los colectores cilindro parabólicos es una tecnología probada y experimentada. Actualmente la tecnología está muy desarrollada en todos los aspectos, desde la calidad de los reflectores hasta la optimización de los tubos absorbedores con el fin de minimizar las pérdidas térmicas. Es, por tanto, una tecnología que, situada en lugar de radiación solar directa adecuada, puede resultar muy competitiva.

6. DIMENSIONADO

Y CÁLCULOS

DIMENSIONADO Y CÁLCULOS

60

6.1 DIMENSIONAMIENTO DEL CAMPO SOLAR

A la hora de dimensionar el campo de colectores se debe tener en cuenta además de la potencia térmica que necesita el proceso productivo:

− La radiación solar directa

− Temperatura de aceite de entrada y salida en el campo de colectores

− Ángulo de incidencia

− Temperatura ambiente

Como ya se ha indicado en el apartado 1.4 la potencia instalada que debe tener el campo de colectores es de 7619 kW térmicos, por lo que ahora se debe decidir el punto de diseño de la planta y el resto de las variables comentadas anteriormente.

El punto de diseño seleccionado es el mediodía solar de un día claro del mes de junio. Este punto de diseño se ha seleccionado así de modo que el campo de colectores pueda suministrar toda la energía necesaria para la producción en verano y que en invierno el campo solar sea complementado con las calderas ya existentes en la fábrica. Por el contario si se hubiera escogido como punto de diseño un mes más desfavorable desde el punto de vista de la radiación, por ejemplo octubre, el campo estaría muy sobredimensionado para el verano, por lo que en esta época del año se deberían desenfocar algunos espejos con la consiguiente pérdida de energía. Como el campo solar supone una gran inversión carece de sentido sobredimensionarlo de tal forma que produzca perdidas, por lo que la opción más razonable desde un punto de vista económico es el diseño para un día claro de junio.

Los datos de radiación en las condiciones consideradas son:

Hora Solar Tamb [ºC] Ed [W/m2]

12,015 32,4 928

Estos datos, al igual que todos los manejados para el desarrollo de los cálculos provienen de medidas tomadas en campo en la Plataforma Solar de Almería, que casualmente tiene la misma latitud que la planta de estudio, latitud = 37,2 º.

Una vez sabida la radiación solar directa, 928 W/m2, se necesita seleccionar una temperatura de entrada y salida en los colectores que sea adecuada para el proceso productivo, en este caso considerando que las temperaturas de trabajo de los procesos de pelado, blanqueo y secado están como máximo a 220 ºC, se ha optado por una temperatura de entrada en los colectores de 220 ºC y una de salida de 300 ºC.

Toca el turno ahora al cálculo del ángulo de incidencia, para lo cual se utilizara el programa “solarccp.exe” este programa proporciona en ángulo de incidencia una vez se le han proporcionado las siguientes variables:


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− Latitud 37, 2 º Norte

− Longitud 2º Oeste

− Días, mes y año de diseño: 15 de junio de 2010

− Inclinación de los colectores: 0º, lo más habitual para CCP por comodidad de manejo e instalación

− Orientación de los colectores: Norte- Sur, ya que esta es la orientación que maximiza la producción a lo largo del año.

El ángulo de incidencia que proporciona “solarccp.exe” en el punto de diseño es de 13,7º.

Una vez se tienen todos los datos de partida para el dimensionamiento del campo solar se debe escoger el tipo de colector que se desea instalar. Actualmente existen dos modelos comerciales con probados resultados el EUROTROUGH y el LS-3. En este caso se ha seleccionado el EUROTROUGH, ya que han sido desarrollados en España. A continuación, en la tabla 6.1, se muestra un resumen de sus características:

CARACTERISTICAS COLECTOR EUROTROUGH-100

Ancho de Parábola (m) 5,76

Longitud total de cada colector (m) 98,7

Número de módulos por colector 8

Diámetro exterior de los tubos absorbedores metálicos (m) 0,07

Diámetro interior de los tubos absorbedores metálicos (m) 0,065

Area neta de apertura debida a los espejos en cada colector (m2) 548,3

Rugosidad cara interna tubo absorbedor (µm) 20

Reflectividad nominal de los espejos, r 0,93

Transmisividad de la cubirta de vidrio del absorbedor, τ 0,95

Absorptancia del recubrimiento selectivo, α 0,95

Factor de interceptación por errores opticos y de montaje, γ1 0,90

Rendimiento óptico pico: r x τ x α x γ1 x γ2 0,755

Modificador por ángulo de incidencia: K(ϕ) =1 – [(2,859621E-5*ϕ2 + 5,25097E-4*ϕ) / cos(ϕ)] (ϕ en grados) Pérdidas térmicas: QL = 0,00154*∆T2 + 0,2021*∆T - 24,899 +[(0,00036*∆T2 + 0,2029*∆T+ 24,899)*(Ed /900)* cos(ϕ)] Siendo ∆T el incremento de temperatura entre el fluido y el ambiente. Esta expresión dan las pérdidas térmicas en W por metro longitudinal de colector.

Tabla 6.1: características del colector EUROTROUGH.


62

Una vez se ha seleccionado el tipo de colector que se desea usar, se debe escoger el tipo de aceite que va a circular por el campo de colectores, no existen muchos aceites minerales que aguanten tan altas temperaturas a coste razonable, ya que se va a necesitar una gran cantidad de aceite, por lo que la única opción que se ha instalado en procesos industriales con un funcionamiento optimo es el aceite VP-1. Se necesitan saber sus propiedades físicas para el rango de temperatura de operación, éstas se obtienen gracias al programa “MONSANTO”, en el cual una vez seleccionado el tipo de aceite y el rango de temperaturas de uso proporciona los datos de viscosidad, densidad y capacidad calorífica en función de las distintas temperaturas. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 6.2:

Temperatura ρ (kg/m3) µ (Pa·s) Cp (J/Kg)

220 895 3,45E-04 2,05

230 886 3,24E-04 2,13

260 857 2,72E-04 2,21

270 848 2,58E-04 2,23

300 817 2,21E-04 2,31

Tabla 6.2: propiedades físicas del aceite VP-1

Todas estas propiedades dependen linealmente de la temperatura, por lo que es posible saber su valor para cada temperatura haciendo una regresión lineal. Los resultados de estas regresiones se muestran a continuación:

Temperatura (ºC) vs Cp (J/kg)

y = 0,0028x + 1,4714

R2 = 0,9973

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 100 200 300 400 500

Temperatura(ºC) vs densidad (kg/m3)

895

886

857

848

817

y = -0,9728x + 1109,6

R2 = 0,9994

810

820

830

840

850

860

870

880

890

900

0 50 100 150 200 250 300 350


63

Una vez se tienen claras las propiedades físicas del aceite que se desea usar se debe calcular el caudal que debe circular por cada una de las filas de los colectores. Este caudal debe ser lo suficientemente alto como para que sea capaz de disipar todo el calor absorbido por los tubos de absorción y lo suficientemente lento como para dar el incremento de temperatura deseado.

En el caso de estudio se ha supuesto un Re de 4x105, a primera vista podría parecer un Re un poco alto, pero esto es debido a que durante el invierno se debe bajar el caudal de circulación del aceite ya que hay menos radiación, y aún así se debe mantener un régimen de circulación elevado.

Como tanto la viscosidad como la densidad varían en función de la temperatura se debe seleccionar una temperatura media de trabajo, ésta será la temperatura media de entrada y salida en los tubos, es decir, 220 ºC + 300 ºC= 260 ºC.

Con este Re en las condiciones de operación tenemos la siguiente velocidad de circulación:

ρ

µ

µ

ρ

⋅

⋅=

⋅⋅=

Dv

vD Re;Re

De las regresiones obtenidas anteriormente gracias al programa “MONSANTO”, a la temperatura media considerada se obtienen las propiedades físicas para poder calcular la velocidad del aceite en el interior de los tubos:

ρ=-0,9728 T + 1109,6= 856,67 kg/m3

µ=-0,0156 T + 6,8291= 2,72x 10-4 Pa·s

Siendo D el diámetro interior del tubo por el circula el aceite, es decir, el diámetro interior del tubo colector, que es según la Tabla 6.1 de características de “EUROTHOUGH”, D= 0,065 m.

Por lo tanto;

Temperatura (ºC) vs viscosidad (Pa.sx104)

y = -0,0156x + 6,8291

R2 = 0,9895

0,00E+00

5,00E-01

1,00E+00

1,50E+00

2,00E+00

2,50E+00

3,00E+00

3,50E+00

4,00E+00

0 50 100 150 200 250 300 350


64

smxx

v /95,167,856065,0

1072,2104 45

=⋅

⋅=

−

Como ya se ha calculado la densidad del aceite a la temperatura media de trabajo ya se puede saber el caudal másico de trabajo:

skgmkgsmciónvqm /54,5)2

065,0(/67,856/95,1sec 23 =⋅⋅=⋅⋅= πρ

En este punto ya se tienen disponibles todas la variables necesarias para llevar a cabo los cálculos térmicos en los colectores, con el fin de determinar en número de colectores que se necesitaran en serie, lo que proporcionará el salto termino necesario, y en paralelo proporcionando la energía total necesaria.

Lo primero que se debe calcular es la energía que es captada por el tubo absorbedor proveniente de los espejos cilindro parabólicos de concentración, ésta se calcula por medio de la siguiente ecuación:

Pcolector-fluido= An·Ed ·cos(φ)

En donde:

An: área de apertura neta en el colector, viene dada en la tabla de características de colector.

La única precaución que se debe de tener a la hora de aplicar esta ecuación es que el ángulo de incidencia debe ser expresado en radianes y no en grados como lo proporciona el “solarccp.exe”, por lo que la ecuación quedará finalmente:

Pcolector-fluido= An·Ed ·cos(φ·π/180)

Obteniéndose finalmente para el punto de diseño:

Pcolector-fluid= 548,3 m · 928 W/m · cos (13,7 · π/180)= 494.350 W

Es decir, en el punto de diseño el fluido recibirá 494.35 kW del colector.

Una vez se tiene claro la radiación que recibe el fluido se deben considerar las pérdidas térmicas lineales en un colector, como ya se ha indicado se ha escogido un colector “EUROTHOUGH”, las pérdidas térmicas lineales se calculan a partir de la ecuación que aparece en su ficha de características, tabla 6.1:

( )[ ])cos()900/(899,2402029,000036,0899,2402021,000154,0 22 ϕ⋅⋅+∆⋅+∆⋅+−∆⋅+∆⋅= dL ETTTTQ


65

En donde;

− QL: perdidas térmicas lineales en W/m

− ∆T: diferencia de temperatura entre el aceite en el interior de los tubos y el ambiente en ºC

− Ed: radiación incidente en W/m2

− cos(φ): coseno del ángulo de incidencia

Todo son datos conocidos del punto de diseño, por lo que las pérdidas lineales en un colector en el punto de diseño serán:

QL= 190,8 W/m

Como, según su ficha, un colector “EUROTROUGH” tiene una longitud de 98,7 m, las pérdidas térmicas totales en un colector serán de 18,83 kW.

Finalmente se debe considerar la modificación por ángulo de incidencia, K(φ), que como se está trabajando en un colector “EUROTROUGH” no incluye este término en el cálculo de las perdidas lineales, como si ocurre en el colector “LS-3”. De la tabla 6.1 de características de colector “EUROTROUGH” se obtiene la expresión del mismo:

[ ])cos(/·10·25097,5·10·859621,2(1)( 425 ϕϕϕϕ −− +−=K ; estando φ en grados.

Por lo cual sabiendo que para el punto de diseño φ es 13.7 º, el valor del modificador por ángulo de incidencia será:

K(φ)= 0,9871

Con lo que ya se tienen todos los cálculos necesarios para conocer la potencia real que recibirá un colector en el punto de diseño:

PColector-fluido-útil= PColector-fluido · ηóptico pico · K(φ) · Fe – QL

En donde todos los parámetros son conocidos a excepción de Fe, que es el factor de ensuciamiento, que considerando un plan de limpieza común para este tipo de instalaciones se puede considerar igual a 0.95. Por lo que el valor final de la potencia útil obtenida en un colector será de:

PColector-fluido-útil= 494,35 kW · 0,75 · 0,9871 · 0,95 – 18,83 kW = 328,85 kW

Antes de determinar cuál va a ser el número final de colectores en paralelo, se debe saber cuántos se van a colocar en serie, éstos serán los que den el salto térmico requerido, en este caso, como se ha comentado anteriormente deberá ser de 80 ºC, por lo que se debe calcular el salto térmico en un colector para saber cuántos se deben colocar en serie.


66

Esto se calcula sabiendo que:

PColector-fluido-útil= qm · ( Hout – Hin)= qm · ∆ H

Siendo, Hout y Hin la entalpía de salida y de entrada respectivamente del aceite en un colector.

Se sabe que ∆H, incremento de entalpía, se puede calcular como la integral de CP, capacidad calorífica del aceite, entre la temperatura de entrada y de salida en el colector, el valor de CP en función de la temperatura ya se estimo anteriormente en forma de ecuación lineal, cuando se calcularon todas las propiedades físicas del aceite, lo que queda por determinar en este punto son las temperaturas de entrada y salida en un colector, pero esto es justamente lo que se quiere calcular, en gradiente de temperatura en un colector, por lo tanto será este término el que se despeje de la ecuación anterior, sabiendo que:

∆ H = 1,4714 (Tout - Tin )+ 0,5 · 0,0028 ( Tout 2 - Tin

2)

Tendremos la siguiente ecuación de segundo grado:

328,85= 5,54 · 1,4714 (Tout - Tin )+ 0,5 · 0,0028 ( Tout 2 - Tin

2)

Esta ecuación no puede ser resulta por métodos matemáticos sencillos, pero como lo que importa es el valor del incremento de temperatura y no el de las temperaturas en sí mismas, se selecciona una temperatura Tin cualquiera y ya se resuelve la ecuación de segundo orden de manera ordinaria. En este caso se selecciona una Tin de 260, por lo que se obtendrá:

0,0014Tout 2 + 1,4714Tout -536,36= 0

Tout = 286,5 ºC

Con lo que habrá un incremento de temperatura de 260 -286,5 = 26,5ºC por colector.

Ahora bien, en función de las temperaturas de entrada y salida del aceite en el campo de colectores, 220ºC y 300 ºC respectivamente, se necesitan 80 ºC de salto termino en una fila de colectores, por lo que será necesario 80/26,5 = 3.02 colectores por fila.

Por lo tanto se deberían instalar 3 colectores en serie, pero esto no es posible, ya que se ha demostrado que la forma más óptima de colocar los colectores es en forma de alimentación central con lo que es requisito indispensable que el número de colectores en serie sea par, por lo tanto se deberá modificar el número de colectores a 2 ó 4.

2 colectores por serie

Al disminuir el número de colectores se debe disminuir el caudal másico por rama, que sería:


67

qm=5,54 · (2/3,02) = 3,67 kg/s

Con este caudal másico se tendrá una velocidad en los tubos:

smskg

v /29.1)2/065,0(856,67kg/m

/67,323

=⋅

=π

Con lo que se tendrá un Reynolds de:

5

4

3

106,2·1072,2

/67,856·065,0·/29,1Re x

sPax

mkgmsm==

−

Este valor de Re es aceptable en el punto de diseño, pero como en invierno al existir menor radiación se debe disminuir el caudal, se tendrá un Re menor, que será inaceptable por los inconvenientes en la circulación del aceite, por lo que se deberá probar con 4 colectores en serie.

4 colectores en serie

Con 4 colectores en serie se tendrá un caudal de 7,35 kg/s, lo que implica una velocidad de 2, 56 m/s y un Re= 5x105, todos estos valores son aceptables tanto en invierno como en verano, con lo cual se colocarán 4 colectores por serie.

Finalmente para terminar con el diseño del campo de colectores se debe calcular que cantidad de colectores en paralelo es necesario conectar. Se sabe que un colector da una potencia de 328,85 kW, como se conectan 4 colectores en serie cada fila proporcionará una potencia de 1315,4 kW. La planta de CCP debe proporcionar la energía necesaria para todo el proceso de producción de la planta, que como se ha mencionado anteriormente es de 160.000 kWh, por lo cual se debe simular la producción diaria de energía que producirán los 4 colectores en serie. Esta simulación para el punto de diseño ésta desarrollada en el Anexo Excel Dimensionamiento de Campo, donde se puede ver que la producción será de 15.035,9 kWh, por lo que se necesitarán instalar:

160.000/15.035,9= 10,6 ramas en paralelo, que redondeando serán 11 filas en paralelo con 4 colectores en serie.

Como la planta trabaja 21 horas al día y es necesario un almacenamiento, se debe sobredimensionar el campo de colectores, ya que en los momentos en los que entre en juego el almacenamiento, que será realizado en sales fundidas. Éstas sales deben trabajar a alta temperatura, entre 230ºC – 380ºC , por lo cual se debe aumentar la temperatura de trabajo en el campo de colectores concretamente será para que exista un intercambio de calor útil entre 312 ºC y 392 ºC, manteniendo el mismo salto térmico, y disminuyendo el caudal. Este sobredimensionamiento para compensar este trabajo a altas temperaturas será del 10%, es decir se debería instalar 11,5 ramas de 4 colectores, como esto no es posible, ya que se debe mantener el salto térmico por serie, lleva a trabajar con 12 colectores, lo que dará un refuerzo a la potencia instalada del campo, dando mayor seguridad de suministro.


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Resumen de datos de diseño

Caudal de diseño 7,35 kg/s

Velocidad de diseño 2, 56 m/s

Reynolds 5x105

Colectores en serie 4

Colectores en paralelo 12

Total colectores 48

Tabla 6.3: resumen de datos de diseño.

Finalmente se distribuirá con un layout como se indica en la siguiente figura 6.1:

Figura 6.1: vista general de la disposición del campo de colectores

6.2 CÁLCULO DEL ALMACENAMIENTO TÉRMICO

La incorporación de un sistema de almacenamiento a un proceso industrial continuo, como es el caso, es imprescindible, debido a diversos factores. El primero y más importante, es la producción continua de una planta de estas características, es decir, hay producción tanto de día (presencia de sol) como de noche (ausencia de sol), por lo que es necesario dotar a la planta de un sistema que le posibilite esta producción. Además existe la posibilidad de que se produzcan transitorios en la radiación solar, debido al paso de nubes, por ejemplo, esto no debe afectar al proceso productivo, con lo cual será necesario que el sistema de almacenamiento entre en funcionamiento para compensar esta pérdida de temperatura.


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Existen diversas opciones a la hora de diseñar el sistema de almacenamiento, se puede considerar sistemas de almacenamiento en medio único o en medio dual.

En este caso un sistema de almacenamiento en medio único debería realizarse con el aceite del campo de colectores, VP-1, lo cual conllevaría diversos inconvenientes. Destacables entre otros son alto coste económico de este aceite, la necesidad de inertizar los tanques de almacenamiento debido a la posibilidad de explosión del aceite a alta temperatura al entrar en contacto con oxigeno, y por supuesto, el alto riesgo medioambiental si se produce una fuga de aceite.

Por todo lo anterior se ha optado por un sistema de almacenamiento en modo dual, seleccionándose de todas las posibilidades existentes (ladrillos cerámicos, vigas metálicas etc.) el único sistema que ésta siendo actualmente usado de manera industrial (Proyecto Gemasolar), el almacenamiento en sales.

Utilizando dos tanques de sales (figura 6.2), un tanque caliente y un tanque frío, se puede desviar la el aceite térmico en lugar de a los intercambiadores del proceso al intercambiador de los tanques de almacenamiento, haciéndose pasar las sales del tanque frío al tanque caliente a través del intercambiador, almacenándose de este modo energía térmica para cuando sea necesario. Cuando se necesite aporte de energía por parte del sistema de almacenamiento este circuito, que es reversible, hará pasar las sales calientes a través del intercambiador calentándose el aceite térmico a la temperatura adecuada que irá a la producción, evitándose de este modo posibles transitorios y pudiéndose operar el sistema de almacenamiento durante la noche cuando no hay radiación solar.

Figura 6.2: esquema básico de almacenamiento en sales fundidas


70

En este caso se ha escogido en almacenamiento en sales fundidas, (Nitrato sódico y nitrato potásico al 60% y 40% en peso respectivamente), cuyas propiedades físicas se muestran en la tabla 6.4:

SALES FU�DIDAS

�itrato sódico �a�O3 60% en peso

�itrato postásico K�O3 40% en peso

PROPIEDADES FÍSICAS (300- 600 ºC)

Densidad (kg/m3) ρ=2090 – 0,636 T

Capacidad calorífica (J/kgK) Cp= 1443 + 0,172 T

Conductividad térmica (W/mK) k= 0,443 +1,9x10 (-4)T

Viscosidad absoluta (mPa·s) µ=22,714- 0,120T+ 2,28x10(-4)T2- 1,474X10(-7)T3

Tabla 6.4: propiedades físicas de las sales fundidas.

La cantidad de energía que es necesario almacenar para que exista una continuidad en la producción es de 84.411 kWh, que son 303880 MJ. Por otra parte las temperaturas óptimas de trabajo de las sales fundidas es de 260 ºC (Tf=533 K) para el tanque frío y de 380 ºC (Tc=653 K) para el tanque caliente.

Se sabe que la cantidad de calor almacenada por las sales viene definida por la siguiente ecuación:

Q= m·Cp·dT

En donde;

− Q: energía almacenada en las sales en MJ

− m: cantidad de sales necesarias en kg

− Cp: capacidad calorífica de las sales en J/kgK

− dT: diferencial de temperatura en K

Donde todo es conocido a excepción de m, que es lo que se debe conocer para calcular el volumen final de los tanques de almacenamiento.

kgm

TTmJx

JxdTTCpdTmQTc

Tf

1398976

2

171.0144310303880

10256581)172.01443(

653

533

26

653

533

6

=

⋅+⋅=

=+== ∫∫


71

Es decir, se necesitarán unas 1398 toneladas de sales para almacenar toda la energía necesaria para la producción de la planta.

Como la densidad de las sales no es constante con la temperatura se deben calcular los volúmenes del tanque frío y del tanque caliente de manera independiente en función de sus respectivas densidades.

Volumen del tanque de almacenamiento de sales calientes

ρc=2090 - 0.636 T (kg/m3) = 1674.69 kg/m3

ρc=m/V

V= m/ ρc

V=139897/1674.69= 835 m3

A este volumen se le debe añadir un 5% en exceso para tener en cuenta posibles incrementos ocasionales de temperatura y los intercambiadores de calor que se instalan en su interior para evitar la posible solidificación de las sales que implicaría fatales consecuencias. De manera que el volumen final del tanque de almacenamiento de sales calientes será de 875 m3.

Este tanque deberá de ser de tal manera que minimice la superficie de contacto con el exterior, ya que así se minimizaran las perdidas térmicas, la forma geométrica que minimiza la superficie en función del volumen es la esfera, pero la construcción de depósitos esféricos de este tamaño es muy costosa ya que son muy difíciles de construir, por lo que se opta por la instalación de depósitos cilíndricos minimizando la superficie de contacto:

V= π·R2·h= 875 m3

En donde;

− V: volumen del tanque en m

− R: radio del tanque en m

− H: altura del tanque en m

La superficie de contacto del tanque por el exterior, función del radio y la altura, viene definida de la forma siguiente:

f(x)= 2·(π·R2)+ 2·π·R·h

Como h= 875/ π·R2:


72

f(x)= 2· ( π·R2)+ 2·(875/R)

f´(x)= 4 ·π·R- 1750/R2, para minimizar se iguala a cero, por lo que R= 5 m.

Comprobando que se ha minimizado,

f´´(x)= 4 ·π+ 3500/R3, y como R va a ser siempre positivo f´´(x) será siempre positiva y por tanto se ha minimizado la superficie de contacto.

Por lo que las dimensiones del tanque de almacenamiento de sales calientes serán:

R=5 m

h= 875/ π·R2 = 11.14 ≈ 11 m

Volumen del tanque de almacenamiento de sales frías

Operando de manera similar que para el tanque de almacenamiento de sales calientes se obtiene una densidad de las sales frías de 1752.01 kg/m3, lo que dará un volumen de sales frías de 675m3, a los que se deben añadir un 5%, obteniéndose un volumen final de 840 m3.

Las dimensiones del tanque se calculan de igual manera a la del tanque caliente, obteniéndose:

R=5 m

h= 10 m

Resumen de características de los depósitos de almacenamiento de sales:

Masa de sales 1.398.976 kg Radio x altura depósito

Volumen depósito de sales frías 840 m3 5 x 10 m

Volumen depósito de sales calientes 875 m3 5 x 11 m

Tabla 6.5: resumen de características de los depósitos de almacenamiento de sales.


73

6.3 CÁLCULO POTENCIA DE BOMBEO

Para calcular la potencia del grupo de bombeo del circuito del campo solar hacen falta dos parámetros: el caudal volumétrico del líquido a bombear y la diferencia de presiones entre la entrada y la salida de la bomba.

El caudal másico es el resultado de multiplicar el caudal que tiene que pasar por una fila, multiplicando por el número de filas en paralelo.

Este caudal se ha calculado anteriormente para el dimensionado del campo solar, y en el punto de diseño, para un día claro de junio, es de 88,19 kg/s, que en términos de volumen se calcula de la siguiente manera, teniendo en cuenta que la temperatura del tramo donde se colocará la bomba es de 220ºC, y la densidad del aceite a esa temperatura es de 895,6 kg/m3:

P = Q-(�RS )� T�RUVW × 3600 S1 ℎ = 88,19 �RS895,6 T�RUVW × 3600 S1 ℎ = 354,5 UV/ℎ

Es preciso recordar que este caudal variará dependiendo del punto de funcionamiento de la planta, ya que el campo solar tendrá dos niveles de temperatura, dependiendo de que se esté almacenando energía o no en las sales. En el caso de que se esté funcionando en modo almacenamiento, este caudal será más pequeño, de forma que el salto térmico el campo solar sea mayor. Es decir, el campo podrá funcionar a temperaturas de hasta 395ºC porque el aceite utilizado es el VP-1 y los colectores solares considerados pueden trabajar hasta esa temperatura sin problemas. De este modo, el campo solar estará trabajando a 220ºC/300ºC mientras que toda la energía térmica que genera se manda directamente al proceso y no se almacena energía térmica. Cuando el campo solar produzca más energía que la demandada por el proceso y se desee almacenar dicho exceso de energía se aumentará la temperatura de funcionamiento del campo solar hasta 312/392ºC (92 ºC superior a la de diseño) con lo cual el aceite se enviará al proceso y al sistema de almacenamiento a 392ºC, controlando el caudal de aceite que se envía al proceso para que la temperatura de retorno sea de 312ºC, y el resto del caudal de aceite caliente se enviará al sistema de almacenamiento para calentar las sales hasta la temperatura de 390 ºC (aproximadamente). El caudal de sales que se caliente con el aceite que sobre del campo solar será el necesario para que las sales incrementen su temperatura desde 230ºC hasta 380ºC, pero esto se controlará automáticamente. El incremento de pérdidas térmicas debidas a un funcionamiento a más altas temperaturas se ha tenido en cuenta en el dimensionado del campo solar, con un sobredimensionamiento del 10%.

El caudal del aceite en el circuito solar en el caso de trabajar en el modo almacenamiento (312/392ºC) se puede calcular fácilmente de la siguiente forma:

:[�@4 \3@4+ = Q- × ] M�IK =^�^@ Q- × _0,00141`K�a − K@ab + 1,4714(K� − K@)c = 1320 �

Sabiendo que To = 392ºC, y que Ti = 312 ºC, se calcula el caudal másico por fila, funcionando en el modo almacenamiento.


74

Q-\3@4+ = 6,68 �RS

Q- = Q-\3@4+ × 12 ,d*eS = 80,22 �RS

En este caso, la densidad del aceite a 312ºC (ya que se bombea en el tramo “frío”), es de 804 kg/m3, muy inferior a la del aceite a una temperatura de 220ºC, que era de 895,6kg/m3.

P = Q-(�RS )� T�RUVW × 3600 S1 ℎ = 359,2 UV/ℎ

El caudal en modo almacenamiento es ligeramente superior al calculado en el punto de diseño, pudiendo considerarse aquél como el caudal máximo al que se trabajará. Sin embargo, los cálculos de la pérdida de caga se harán con los datos del punto de diseño.

Cálculo de la pérdida de carga en circuito solar

Una vez dimensionado el campo solar, y conociendo el caudal de trabajo, se necesita determinar el incremento de presión que la bomba va a tener que suministrar al aceite térmico. Este salto de presión debe coincidir con las pérdidas de carga que sufre el fluido al recorrer el circuito solar. Para ello, se tienen que conocer las longitudes, diámetros y rugosidades de las diferentes tuberías del circuito. El dimensionamiento de la red de tuberías de la planta se realiza teniendo en cuenta un doble criterio:

− Minimización del coste del sistema de tuberías. Por tanto, se intentará que el diámetro de la tubería sea lo más pequeño posible.

− Se evitará que la velocidad del fluido en el interior de la tubería sea superior a 3 m/s, que podría ocasionar unas pérdidas de carga excesivas. Además, se evitarán también velocidades muy pequeñas, por debajo de 1 m/s para asegurar régimen turbulento, incluso para épocas con peor radiación directa fuera del punto de diseño.

El compromiso entre estos dos criterios da lugar al criterio final de dimensionado de tuberías, que consiste en elegir, para cada tramo con un determinado caudal y una determinada temperatura de fluido, el diámetro estándar tal que sea lo más pequeño posible, pero sin que la velocidad del fluido llegue a sobrepasar los 3 m/s.

De este modo, se van probando diferentes diámetros, y conociendo la temperatura (y por tanto la densidad, gracias al programa Monsanto) y el caudal que pasa por cada tramo, se calcula la velocidad lineal del fluido.

f = Q-g · � (K) = Q-H4 · h@A�a · � (K)


75

Una vez determinados los diámetros de los diferentes tramos de las tuberías (consultar anexo Excel Pérdidas de Carga), y conociendo las longitudes a partir del plano de lay-out (consultar Anexo Planos) se pueden calcular las pérdidas de carga lineales de cada tramo.

De acuerdo con la ecuación de Bernouilli y con las simplificaciones habituales en este tipo de cálculos, la caída de presión correspondiente a un circuito hidráulico, ∆P, viene dada por suma de las caídas de presión en los diversos tramos de igual diámetro que componen dicho circuito hidráulico, de acuerdo con la siguiente ecuación:

∆: = j ∆:@@'A@'\

La caída de presión, ∆Pi, en cada uno de los tramos que poseen un mismo diámetro, Di, viene dada por la suma de dos términos: uno correspondiente a la caída de presión en los tramos rectos de tubería que conforman dicho tramo y el otro término corresponde a la caída de presión que se produce en los elementos discretos que componen ese tramo (válvulas, codos, bifurcaciones, etc.), tal y como se expresa en la siguiente ecuación:

∆:@ = k, 2l · �@ · f@a · m=)<��,@h@ n + k, 2l · �@ · f@a · m)o[@D+4,@h@ n

siendo: f = factor de fricción de Moody en el tramo i

ρi = densidad del fluido en el tramo i

vi= velocidad del fluido en el tramo i

m=)<��,@= longitud total de los tramos rectos de tubería en tramo i

hd=diámetro interior de la tubería en el tramo i

m)o[@D+4,@= longitud hidráulica equivalente en metros de tubería debida a los elementos

discretos existentes en el tramo i.

Para calcular el factor de fricción de Moody, se ha escogido utilizar la fórmula de Chen, apropiada para circulación de fluidos en régimen turbulento (Re>4000). Otra opción habría sido determinarlo gráficamente mediante el ábaco de Moody para cada uno de los tramos.

1p, = −2.0 · *rR s 13,7065 tuhv − 5,0452wx · *rR y 12,8257 tuhv\,\$z7 + 5,8506wx$,7z7\{| donde:


76

Re= número de Reynolds

ε = altura de grano de la tubería (m)

El cociente }~ es la rugosidad relativa de la tubería, y es valor adimensional que, al

depender de la altura de grano de la tubería, depende del material del que está fabricada la misma. En nuestro caso, se utilizan tuberías de acero al carbono, que tienen una altura de grano de 50 µm, mientras que el tubo de acero de los colectores tienen una altura de grano de 20 µm.

Los colectores en sí mismos no contienen ningún elemento discreto, pero las conexiones entre ellos y la red de tuberías sí. Las longitudes equivalentes de estos elementos dicretos se exponen en la siguiente tabla [Zarza, 2010].

ELEME�TO DISCRETO LEQUIV(M)

Junta rotativa de vapor 1

Codo 90º, radio pequeño 1,5

Válvula de Asiento (cónica) 5

Contracción brusca 4:3 0,5

Ensanchamiento brusco 3:4 0,5

Derivación en T 2,2

Tabla 6.6: Longitudes equivalentes de diversos elementos discretos.

De este modo, conociendo el número de elementos discretos de cada tramo, se pueden determinar las pérdidas de carga singulares del mismo, y añadirlas a las pérdidas lineales. A continuación se presentan los elementos singulares que poseen las conexiones entre colectores.

º Elementos singulares Longitud tubería recta

(m)

Conexión en lay-out Codos de 90º Juntas rotativas

Conexión entrada y salida de fila con tuberías principales

6 3 6 M Q

Conexiones intermedias de fila

4 4 6 N P

Conexión central de fila (colector 2 con

3) 12 6 25 O

Tabla 6.7: Elementos singulares presentes en las conexiones entre colectores


77

Figura 6.3: Esquema del lay-out del campo solar con nomenclatura de tramos.

El recorrido que seguirá el fluido térmico por el camino más desfavorable es el que va desde los puntos 1 y 2 (donde se sitúa la unidad de almacenamiento y los intercambiadores de proceso) hasta la fila más alejada. Siguiendo la nomenclatura utilizada en la Figura 6.3, el recorrido es el siguiente:

1A + AB + BC + CD + DE + EF + Con.M+1er Colector+Con.N+2ºColector+ +Con.O+3er colector+Con.P+4º Colector+Con. Q+ GH + HI + IJ + JK+ KL +L2

A este recorrido, hay que añadirle unas pérdidas de carga estimadas en el intercambiador de calor del almacenamiento y en los del proceso. En este trabajo no se ha diseñado con detalle los intercambiadores de calor, por lo que se estima una caída de presión de 1,5 bar para cada uno.

Las pérdidas totales de presión quedan en:

∆: = 816 527 :e = 8,16 �e� �(U. M. e. ) = ∆:

1000 �RUV · 9,81USa= 83,2 UMe


78

La presión de trabajo mínima tiene que ser superior a la presión de vapor del aceite térmico VP-1 a la temperatura máxima de trabajo para evitar zonas bifásicas. Así, a 392ºC la presión de vapor es de 9,84 bar. Se escoge una presión mínima de trabajo de 11 bar, siendo ésta la de aspiración de la bomba, y la de descarga será 19,16 bar.

Para más información, consultar Anexo Excel Pérdidas de carga.

Cálculo de la potencia de bombeo y elección de bomba

Una vez conocidos la caída de presión en el campo solar y el caudal volumétrico de aceite que se debe mover, el siguiente paso es determinar la potencia eléctrica del motor que acciona la bomba.

Para ello, es necesario aplicar la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernouilli. Haciendo la habitual suposición de líquido incompresible a su paso por la bomba, y que la velocidad del fluido tampoco varía, la potencia eléctrica se determina de la siguiente forma:

:)4() = P(UV/S) · ∆:(:e)�? · �)

siendo:

Q=caudal volumétrico del aceite

∆P=caída de presión total en el campo solar

ηb· ηe = producto del rendimiento mecánico de la bomba por el rendimiento eléctrico del motor, quedando el rendimiento electromecánico, que se supone de un 75%.

:)4() =354,5 3600l UVS · 816 527 :e0,75 = 107 200 = 107,2 �

El consumo de la bomba es el principal consumo parásito de la planta.

La elección del modelo de bomba se ve fuertemente condicionada por el tipo de fluido y por la temperatura del mismo.

La firma Colfax® posee bombas que resisten altas temperaturas y presiones, y están especialmente indicadas para la impulsión de aceites térmicos. En concreto, los modelos NTWH y CTWH muestran una capacidad de resistencia a la alta presión y la temperatura (hasta 660ºF o 349 ºC en caso de aceite térmico como fluido de trabajo, y 230 psi o 16 bar en la presión de la cobertura)


79

Tabla 6.8: Valores máximos de temperatura, presión y altura manométrica para

bombas DTWH y CTWH

Por ello, se ha escogido la bomba centrífuga multietapa de esta marca, modelo �TWH 125/400-02, tras estudiar el gráfico de gama de trabajo que se muestra en la Figura 6.4 (para más información, consultar Anexo Catálogos).

Para utilizar este gráfico, se han tenido en cuenta los valores de caudal volumétrico y altura manométrica de pérdida de carga en las unidades requeridas, en este caso, del sistema imperial americano.

P = 354,5 UVℎ · 1 EgRe*3,785 · 10>VUV · 1 ℎ60 Ud� = 1 561 EgRe*/Ud� � = 83,2 U · 1 ,�0,3048 U = 273 ,�

Figura 6.4: Gama de trabajo de las bombas All-heat DTWH de Colfax® trabajando a 1750 rpm.


80

6.4 CÁLCULO DEL DEPÓSITO DE EXPANSIÓN DE ACEITE

Debido a la diferencia de volumen específico entre el aceite frío, 220ºC, y el aceite en su punto de trabajo más alto, 392 ºC, es necesario instalar un depósito pulmón que sea capaz de absorber las expansiones y contracciones del mismo.

Los volúmenes específicos del aceite a ambas temperaturas son:

Vol. específico 392 ºC (m3/kg) 0,001416431

Vol. específico 220 ºC (m3/kg) 0,001166861

Tabla 6.9: Valores de volumen específico máximo y mínimo.

Como el circuito tiene un volumen de 33,54 m3, para el punto de diseño, habrá una diferencia de volúmenes entre la máxima temperatura de trabajo y la mínima de 7,45 m3. Considerando un 15% de sobredimensionado para poder contrarrestar posibles fugas, se obtiene un volumen final del depósito de expansión de 10 m3.

7. CÁLCULO DE LAS

PRODUCCIONES

ENERGÉTICAS

CÁLCULO DE LAS PRODUCCIONES ENERGÉTICAS

82

Uno de los puntos más importantes que se tiene que considerar a la hora del estudio de la viabilidad de este proyecto es la producción energética anual que se va a producir en la instalación estudiada. Como se explicó con anterioridad, el dimensionamiento de dichas plantas se hace en función del día del mes que los interesados acuerden para optimizar bien el recurso solar. Sin embargo, con dicho planteamiento la planta no va a ser capaz de suministrar el aporte energético total a la industria y siempre va a tener que estar apoyado por un sistema auxiliar. Por dicha razón, es imprescindible el estudio de la energía total suministrada por la radiación solar directa para la realización de una estimación de la cobertura solar que proporcionará el campo de captadores y de este modo plantear el sistema de apoyo que deberá tener la industria en cuestión.

Para la estimación de la producción de energía térmica útil que produce el campo solar en el día claro de cada mes se puede hacer uso de la correlación basada en los datos de la Agencia Estatal de Meteorología [AEMET]. Esta toma el número de días claros, nublados y totalmente cubiertos de cada mes de un año tipo del lugar donde se emplazará el campo solar y con un cálculo sencillo que se explicará a continuación se obtendrá el número de días equivalentes de cada mes. Gracias a los cálculos realizados en la sección 6.1 que proporcionarán la energía térmica anual como la suma de todos los días del mes y a su vez la de todos los meses, se determinará la energía térmica útil mensual como la multiplicación del número de días equivalentes al mes por la energía térmica producida en el mismo periodo.

- Número de días equivalentes: tomando los datos suministrados por al AEMET (tabla 7.1) y teniendo en cuanta que para el cálculo de los días equivalentes se toma la siguiente correlación;

)0()4,0( ⋅+⋅+= tosdíasCubierosdías;ubladdíasClaroslentesDíasEquiva

Mes Días Claros Días Nublados Días Cubiertos Días Equivalentes

Enero 9 19 3 16,6

Febrero 3 23 2 12,2

Marzo 7 20 4 15

Abril 3 20 7 11

Mayo 9 20 2 17

Junio 12 17 1 18,8

Julio 23 8 0 26,2

Agosto 13 18 0 20,2

Septiembre 9 19 2 16,6

Octubre 4 24 3 13,6

Noviembre 9 29 1 20,6

Diciembre 9 21 1 17,4

Tabla 7.1: Dúmero de días equivalentes.


83

- Energía térmica útil: como se mencionó con anterioridad este cálculo se obtiene de la multiplicación del número de días equivalentes por la energía total de cada mes que se ha obtenido. De esta ecuación se obtendrán los datos que se adjuntan en la tabla 7.2;

)()( hkWElentesdiasEquivahkWE riaTérmicaDiameslMesTérmicaÚti⋅⋅=⋅

Mes Días Equivalentes Energía Térmica Diaria (kWh) Energía Térmica Útil (kWh)

Enero 16,6 60.503 1.004.345

Febrero 12,2 91.466 1.115.886

Marzo 15 126.475 1.897.131

Abril 11 158.192 1.740.115

Mayo 17 188.086 3.197.457

Junio 18,8 180.431 3.392.097

Julio 26,2 189.393 4.962.096

Agosto 20,2 166.435 3.361.984

Septiembre 16,6 121.010 2.008.767

Octubre 13,6 95.512 1.298.965

Noviembre 20,6 76.666 1.303.320

Diciembre 17,4 54.159 942.374

Tabla 7.2: Energía térmica útil mensual

Por tanto, se puede concluir que la energía total suministrada por el campo de captadores solares será el sumatorio de la energía producida por cada mes;

∑ ⋅=⋅ )()( hkWEhkWE TérmicaMeslTotalTérmicaÚti

hkWhkWElTotalTérmicaÚti

⋅=⋅ 008.217.26)(

- Cobertura solar: para el cálculo de este parámetro que determinará el apoyo auxiliar que necesitará la industria en cada mes, se tiene que tener en cuenta las necesidades térmicas que tendrá la fábrica alimenticia. Conociendo este dato que se calcular al multiplicar el número de días que tiene cada mes por el número de horas que trabajará la industria diariamente por la potencia necesaria que se requiere, se comparará con la energía térmica mensual y total y así se obtendrá la cobertura solar (Tabla 7.3) que proporcionará el campo de colectores tanto a nivel mensual como anual.

)(21º)( kWPhdías;hkWsTérmicas;ecesidade requeridamesmensual ⋅⋅=⋅

istradasurequerida EEolarCoberturaS min=


84

Tabla 7.3: Obtención de Cobertura Solar

Como se puede observar solo en el mes para el cual se ha diseñado la planta Julio rondará el 100% de cobertura solar nunca llegando a esta cifra ya que según los datos de la AEMET en dicho mes no todos los días son despejados y por tanto, parte de la radiación solar directa se perderá en los días nublados. Teniendo en cuenta dicha limitación de que no todos los días son despejados quedarán estas cifras anuales:

hkWhkWEhkWE alTotalMensuTotalAnual ⋅=⋅=⋅ ∑ 008.217.26)()(

hkWhkWEhkWE sualPlantaTérmicaMenalPlantaTérmicaTot ⋅=⋅=⋅ ∑ 635.399.58)()(

%45100)(/)( =⋅⋅⋅= hkWEhkWEolarCoberturaS alPlantaTérmicaTotTotalAnualTotal

Del análisis de la producción de energía térmica que se obtendrá del dimensionamiento del campo de colectores cilindro-parabólicos se puede concluir que supondrá a nivel global únicamente un 45% de las necesidades térmicas que requerirá la industria alimenticia a lo largo de todo el año productivo. Las gráficas que se adjuntan a continuación (Figura 7.1) sirven como apoyo visual de lo que se ha explicado en forma de datos y tablas.

Mes Energía Total (kWh)

Necesidades Térmicas de la planta (kWh)

Relación Solar/Necesaria

Cobertura solar

Enero 1.004.345 4.959.969 0,202 20%

Febrero 1.115.886 4.479.972 0,249 25%

Marzo 1.897.131 4.959.969 0,382 38%

Abril 1.740.115 4.799.970 0,363 36%

Mayo 3.197.457 4.959.969 0,645 64%

Junio 3.392.097 4.799.970 0,707 71%

Julio 4.962.096 4.959.969 1,000 100%

Agosto 3.361.984 4.959.969 0,678 68%

Septiembre

2.008.767 4.799.970 0,418 42%

Octubre 1.298.965 4.959.969 0,262 26%

Noviembre 1.303.320 4.799.970 0,272 27%

Diciembre 942.374 4.959.969 0,190 19%


85

Figura7.1: Gráficos resumen de la producción anual de energía

Siguiendo con el análisis de la producción de energía térmica que proporciona el campo CCP dimensionado, se va a estudiar el porcentaje que supondrá mensualmente la sustitución parcial de las calderas de gas por la tecnología solar termoeléctrica.

1. Enero; como cabía esperar, el primer mes del año es el que menor cobertura solar va a proporcionar. Se podía pensar que al tener mayor número de días equivalentes que el periodo siguiente (como muestra la tabla 7.1) la energía total generada por el campo podía ser mayor, pero teniendo en cuenta que el ángulo de incidencia es menor en el mes de Febrero resulta que este primer mes proporcionará una cobertura del 20% (Figura 7.2) y por tanto, el apoyo auxiliar con las calderas de gas deberá ser de un 80% de las necesidades térmicas de la planta.

Figura7.2: Gráficos del mes de Enero

20%

80%

Cobertura Solar Enero

Energía Total Generada (kWh) Energía Apoyo Auxiliar (kWh)

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Putil Campo (kW)


86

2. Febrero; siguiendo una progresión lógica, este segundo mes del año aportará una mayor cobertura solar a la planta respecto al mes anterior. Pese a tener menos número de días equivalentes de sol (12,2 días), el ángulo de incidencia de los colectores será menor, aumentando así su rendimiento y llegando a proporcionar una cobertura solar de hasta el 25% de las necesidades térmicas totales (Figura 7.3) disminuyendo el trabajo del sistema auxiliar al 75%.

Figura 7.3: Gráficos del mes de Febrero

3. Marzo; siguiendo la tónica anterior, este tercer mes del año proporcionará una mayor cobertura solar al proceso industrial llegando a alcanzar el 38% (Figura 7.4) del aporte térmico a la planta. Este aumento considerado llega a raíz de un aumento del número de días equivalentes de sol al mes frente a los de Febrero (15 en Marzo) y la disminución del ángulo de incidencia (factor determinante) Este hecho hace que la utilización de las calderas auxiliares disminuya hasta un 62%.

25%

75%

Cobertura Solar Febrero


-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Putil Campo (37,5ºN)Potencia Necesaria (kW)


87

Figura7.4: Gráficos del mes de Marzo

4. Abril; los resultados obtenidos en este mes rompen un poco la dinámica esperada con respecto a los meses anteriores. En el mes de Abril, pese a que el ángulo de incidencia es menor el número de días equivalentes de sol no ha aumentado como era de esperar. En este caso el dato más determinante es que haya disminuido el número de días equivalentes en casi un 30% con respecto Marzo. Es por esta razón por la que la cobertura solar del mes de Abril baja desde el 38% que se tenía en el mes de Marzo hasta un 36% (Figura 7.5). Este hecho hace que la carga que se le dé al sistema auxiliar en este mes sea levemente mayor que en el periodo anterior.

38%

62%

Cobertura Solar Marzo


-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Putil Campo (37,5ºN)

Potencia Necesaria (kW)


88

Figura 7.5: Gráfico del mes de Abril

5. Mayo; en este periodo de tiempo se retoma la normalidad aumentando tanto el número de días equivalentes solares como disminuyendo el ángulo de incidencia. Esto lleva a producir un aumento considerable del aporte térmico que supondrá a la planta el campo de colectores cilindro-parabólicos. Los datos que se tienen para este mes serían de un 64% de cobertura solar (Figura 7.6) disminuyendo el apoyo térmico auxiliar al 36%.

36%

64%

Cobertura Solar Abril

Energía Total Generada (kWh)

Energía Apoyo Auxiliar (kWh)

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)



64%

36%

Cobertura Solar Mayo




89

Figura 7.6: Gráficos del mes de Mayo

6. Junio; llegado el mes de diseño, que en este caso es Junio, la cobertura solar sigue aumentando pese a que no se llegue al 100%. Para este mes, donde el ángulo de incidencia es el óptimo para la viabilidad de estudio, se alcanzan unos números altos de cobertura pero no se llega al 100% que debería ser lo esperado al tratarse del punto de diseño. Esto se debe a que el número de días equivalentes no llega a ser el máximo quedándose 18,8 frente a los 30 días posibles. Esto repercuten en que el aporte térmico producido por la tecnología CCP es del 71% disminuyendo las necesidades auxiliares en el proceso hasta el 29%.

Figura 7.7: Gráficos del mes de Junio

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Putil Campo (kW)


71%

29%

Cobertura Solar Junio


-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Putil Campo (kW)



90

7. Julio; pasado el mes de diseño los datos del ángulo de incidencia que se han obtenido para la localización indicada anteriormente han aumentado como era previsible. Sin embargo, con estos resultados se alcanza el 100% de cobertura solar (Figura 7.8) Esta llega al máximo ya que el número de días equivalentes de este mes es prácticamente la totalidad de los 31 que tiene el periodo, quedando un resultado de 26,2 días equivalentes. Este hecho hace que el aporte térmico por vía auxiliar sea prácticamente nulo para este mes.

Figura 7.8: Gráfico del mes de Julio

8. Agosto; como cabía esperar los resultados obtenidos para este periodo del año han ido empeorando en comparación a los dos meses anteriores. Pese a todo, el aporte de energía térmica producido por el campo de colectores ascendió al 68% (Figura 7.9) de las necesidades energéticas que demanda el proceso productivo de la planta. Este dato hace que el apoyo auxiliar vuelva a aumentar hasta alcanzar el 32% del total de las necesidades.

100%

0%

Cobertura Solar Julio

Necesidades Térmicas de la planta (kWh)


-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Putil Campo (kW)



91

Figura 7.9: Gráficos del mes de Agosto

9. Septiembre; continuando con la progresión descendente desde el mes de Julio, en este periodo el número de días equivalentes ha vuelto a descender quedando este dato en 16,6. Todo esto unido a que el ángulo de incidencia aumentó en relación al anterior mes se puede concluir que la cobertura solar en Septiembre disminuirá hasta un 42% del aporte total. Esto repercute directamente en la actividad del sistema auxiliar ya que ahora deberá trabajar durante más del 50% del tiempo (suministrará el 58% de las necesidades térmicas demandadas)

68%

32%

Cobertura Solar Agosto


-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)




92

Figura 7.10: Gráfico del mes de Septiembre

10. Octubre; en este periodo el número de días equivalentes de sol sigue disminuyendo considerablemente. Este hecho repercute directamente en la cobertura solar que será capaz de aportar el campo dimensionado. Esto ligado al mayor ángulo de incidencia hace que el aporte solar respecto al total de las necesidades energéticas de la planta sea del 26% (Figura 7.11). El aporte del sistema auxiliar cada vez va a más llegando en este mes al 74% siendo uno de los meses donde más va a trabajar.

Figura 7.11: Gráfico del mes de Octubre

42%

58%

Cobertura Solar Septiembre



-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)



26%

74%

Cobertura Solar Octubre

Energía Total Generada (kWh)Energía Apoyo Auxiliar (kWh)

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)




93

11. Noviembre; durante este periodo de tiempo el número de días equivalentes de sol (20,6) aumente en relación a los del periodo anterior (13,6). Esta circunstancia hace que pese a que el ángulo de incidencia haya aumentado como cabía esperar la cobertura solar que se conseguirá en este mes será ligeramente mayor 27% (Figura 7.12) frente a los 26% de Septiembre. Esto implica que el sistema auxiliar trabajará menos horas de las que teóricamente tendría que haber trabajado si siguiese la dinámica de los meses anteriores. Esto no implica que se utilice poco ya que se alcanzan necesidades del 73% frente al total de la planta.

Figura 7.12: Gráficos del mes de Doviembre

12. Diciembre; analizando el último mes del año se aprecia como el ángulo de incidencia ha aumentado hasta los límites máximos del estudio (similares a los del mes de Enero). Pese a que el número de días equivalentes de sol (17,7) no es muy bajo, el dato determinante del ángulo de incidencia hace que la cobertura solar que pueda proporcionar el campo solar sea

27%

73%

Cobertura Solar Noviembre


-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)




94

del 19% (Figura 7.13) llegando a ser el la menor de todos los meses analizaos. En consonancia con este hecho el aporte energético que suplirá el sistema auxiliar será del 81% del total de las necesidades térmicas.

Figura 7.13: Gráfico del mes de Diciembre

19%

81%

Cobertura Solar Diembre


-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)



8. COMPARATIVA

ENTRE

LATITUDES

COMPARATIVA ENTRE LATITUDES

96

Como parte del estudio del campo de colectores se ha propuesto el análisis de cómo afectaría la modificación de la latitud del emplazamiento en la producción de energía térmica manteniendo las dimensiones del campo. Se ha tomado el día 15 de cada mes para el análisis ya que ese es el día representativo de cada mes.

Considerando las latitudes 1ºNorte y 20ºNorte, a parte de los 37,5ºNorte que se está teniendo en cuenta para todo el análisis anterior, se ha analizado mes a mes la potencia útil que es capaz de suministrar el campo solar CCP al mismo tiempo que la energía térmica total que facilitará la planta.

- Enero: comenzando el análisis por la potencia útil que aporta el campo se observa como en el primer mes del año las horas de trabajo y la potencia que se consegui será mayor para latitudes menores con ángulos de incidencia más bajos que para la localización más alta. Este hecho se da también en la energía térmica que aportarán los colectores siendo el caso de la latitud 10N el mayor aporte con 137.007 kWh

Latitud �orte (º)

Energía Térmica del Campo (kWh)

1 137.007

20 93.379

37,5 60.503

- Febrero: en el caso de este mes sigue la misma tónica que el mes anterior siendo tanto la potencia útil como la energía suministrada por el campo mayor en la latitud 10N que en las demás.



1 153.569

20 126.518

37,5 91.466

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes EneroPutil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)



97

- Marzo: conforme se hacercan los meses centrales del año, la energía suministrada por los colectores en las diferentes latitudes se asemejan. Para este periodo sigue la latitud 10N como la que mayor energía produce así como la potencia aportada por el campo.



1 159.134

20 148.993

37,5 126.475

- Abril: en el cuarto mes del año la tendencia energética de la planta ya se está invirtiendo. Para la latitud 200N la potencia del campo se aproxima a la de la latitud 10N no así la energía siministrada donde es mayor para las latitudes altas en comparación con la latutid 10N.

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Febrero

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)



-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Marzo

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)




98



1 150.206

20 159.791

37,5 158.192

- Mayo: en este periodo todas las potencia que suministran los diferentes campos se asemejan en gran medida, no así la energía aportada donde la latitud de 37,50N es la que mayor proporciona en contrapestación con la latitud 10N donde ahora es la que menor energía aporta.



1 150.401

20 173.907

37,5 188.086

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Abril

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)



-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes MayoPutil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)




99

- Junio: en el mes de diseño es donde la latitud 37,50N tiene mayor número de horas de trabajo, unido a la mayor potencia y radiación. Por esta razón, esta localización aporta mayor energía a la planta en comparación con las otras. En las otras latitudes las diferencias son muy pequeñas.

-



1 132.723

20 166.393

37,5 180.431

- Julio: pese a que en este mes la energía aportada es mayor que para el mes de diseño las diferencias entre latitudes se van haciendo cada vez más pequeñas. Aun así, la latitud que mayor aporte energético suministra es la de 37,50N.



1 142.363

20 170.570

37,5 189.393

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Junio

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)




100

- Agosto: en este mes la energía que aportan las latitudes altas va disminuyendo en comparación con Julio, no así para 10N. Pese a esto, la latitud de 37,50N es la que más energía genera ya que tiene mayor número de horas de trabajo y mantiene una radiación alta.



1 150.248

20 164.277

37,5 166.435

- Septiembre: en este caso la tendencia tanto de la energía aportada como de la potencia útil se ha modificado. Ahora la localización del campo a 10N vuelve a ser la que aporta tanto mayor potencia como energía útil siendo esta una tendencia que se conservará para los mese venideros.

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Julio

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)



-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Agosto

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)




101



1 137.427

20 131.570

37,5 121.010

- Octubre: conforme se acercan los útimos mes la diferencia entre latitudes se vuelve mayores. Para este caso la latitud más baja vuelve a generar mayor energía útil y potencia siendo las diferencias entre localizaciones mayores.



1 144.287

20 121.686

37,5 94.958

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes SeptiembrePutil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)



-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Octubre

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)




102

- Noviembre: como cabía esperar la latitud 10N sigue manteniendo una potencia y energía constante. Esto le hace ser la que mayor aporte suministra en ambos campos ya que en las otras los latitudes continúa con una tendencia descendente.



1 152.915

20 116.669

37,5 76.666

- Diciembre: llegado el útimo mes del año se alcanza el mínimo de energía y potencia generada para la latitud de 37,50N. En el caso de la localización más baja disminuyen ambas categorias en comparación con el mes anterior. Pese a todo se mantiene como la que mayor capacidad tiene frente a las otras dos.



1 137.846

20 95.649

37,5 54.159

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Noviembre

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)




103

Resumiendo lo que se ha mencionado mes a mes, se puede observar como para la latitud más baja la enegía generada por el campo solar se mantiene constante en un rango entre 135.000kWh y 160.000 kWh. Esto se debe a que el número de horas de radiación solar es prácticamente constante (12 horas) así como la radiación solar directa en la hora de diseño, entorno a los 925W/m2. Para el caso del estudio, 37,50N, como se comentó con anterioridad la energía necesaria asciende desde hasta los meses cercanos al de diseño donde se alcanza un constante (meses de Mayo, Junio y Julio entre 180.000kWh y 190.000kWh) que variará en función de la radiación y las horas en la que esta actúe. En el caso intermedio, 200N, para los meses centrales la energía suministrada será mayor que en los meses extremos. Sin embargo, para esta latitud las diferencias entre los periodos mensuales no son tan exageradas como para la latitud más alta, aunque esto no quiere decir que no haya diferencias considerables.

Figura

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

ten

cia

(k

W)

Tiempo (h)

Comparativa Latitudes Diciembre

Putil Campo (1ºN)

Putil Campo (20ºN)



0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

En

erg

ía (

kW

h)

Comparativa Energía Total Campo

Energía Campo (1ºN)

Energía Campo (20ºN)

Energía Campo (37,5ºN)


104

Al hacer el cómputo anual de la energía suministrada por el campo solar se ha observado que la producción energética anual para una Latitud de 1ºN es un 11,5% superior a la de la Latitud de 37,5ºN, mientras que la producción energética correspondiente a una Latitud de 20ºN es un 8,4% superior a la producción anual de la Latitud 37,5ºN.

9. PRESUPUESTO

PRESUPUESTO

106

A continuación se muestra un cuadro detallado de los costes de montaje de la planta solar de los 28 colectores. Este presupuesto divide los costes en Campo solar, en donde se contemplan todos los costes asociados a la compra y obre civil de la colocación de los colectores, y Comunes, en donde se contemplan todos los costes de supervisión, ingeniería y demás derivados de la construcción de la planta.

FASE CO�CEPTO CA�TIDAD U�IDADES PRECIO TOTAL

CAMPO SOLAR

Tubo Absorbedor 6912 uds 900,00 € 6.220.800,00 €

Espejos parabólicos para colector ET100

10752 uds 90,00 € 967.680,19 €

Estructuras metálicas de

colector ET100

48 uds 40.000,00 € 1.920.000,00 €

Sistema motriz colectores

EUROTROUGH

48 uds 3.500,00 € 168.000,00 €

Depósito sales frías

1 uds 2.400.000,00 € 2.400.000,00 €

Depósito Sales Caliente

1 uds 1.800.000,00 € 1.800.000,00 €

Juntas rotativas de para aceite (40bar)

240 uds 600,00 € 144.000,00 €

Codo 90º 384 uds 35,16 € 13.501,44 €

Válvula de bola 10 uds 96,00 € 960,00 €

Ensanchamiento DN 102-128

2 uds 20,00 € 40,00 €

Ensanchamiento DN128-154

2 uds 20,00 € 40,00 €

Ensanchamiento DN154-203

2 uds 45,00 € 90,00 €

PRESUPUESTO

107

FASE CO�CEPTO CA�TIDAD U�IDADES PRECIO TOTAL

CAMPO SOLAR

Ensanchamiento DN 203-254

2 uds 50,00 € 100,00 €

Aceite térmico VP-1 28733 kg 2,70 € 77.579,00 €

Depósito pulmón 1 uds 60.000,00 € 60.000,00 €

Bomba Alimentación Campo (Colfax mod. NTWH 125/400-02)

1 uds 500.000,00 € 500.000,00 €

Tubería Acero 1155 m 197,18 € 227.742,90 €

Sales Fundidas 1313930 kg 1,20 € 1.576.716,00 €

Té Acero 24 uds 194,68 € 4.672,32 €

Tubería Acero DN150

2579 m 48,18 € 124.265,86 €

Válvula Asiento cónica

60 uds 195,00 € 11.700,00 €

Aislamiento 1155 m 130,00 € 150.150,00 €

Intercambiadores 4 uds 500.000,00 € 2.000.000,00 €

Instrumentación y control

400.000,00 €

Total Campo Solar: 18.768.037,81 €

PRESUPUESTO

108

CO�CEPTO COSTE

COMU�ES

Dirección del proyecto 650.000,00 €

Ingeniería del proyecto 475.000,00 €

Aprovisionamiento 450.000,00 €

Supervisión construcción 1.100.000,00 €

Obra civil 324.018,02 €

Supervisión PEM 500.000,00 €

TOTAL COMU�ES 3.499.018,02 €

TOTAL PRESUPUESTADO 22.267.055,83 €

10. ESTUDIO ECONÓMICO

ESTUDIO ECONÓMICO

110

Al tratarse de un proyecto para sustituir una parte de la planta que es necesaria para el trabajo, y que no va a producir ningún ingreso extra en las ventas de la fábrica, no se puede realizar un estudio económico al uso. Lo que se ha hecho es considerar como un flujo positivo de caja el ahorro conseguido en combustible respecto al consumo anual de gas natural. Este consumo era, según ITCL 2009, de 795.911,7 € anuales. Ya se ha mencionado en el Capítulo 7 de cobertura energética, que la media anual de cobertura del sistema solar es de un 45%, con lo cual la estimación de ahorro anual es de 350.201,1 € anuales. Sobre este ahorro se va a hacer el estudio económico.

Se ha considerado así mismo un incremento del precio del combustible, gas natural, del 6 % anual, que redundará en un incremento del 6% en el ahorro anual. A su vez se ha considerado un IPC medio para el periodo de estudio del 2,5 %, tal vez muy elevado para una situación de crisis como la actual, pero que parece factible si se tiene en cuenta que el periodo de operación de este tipo de plantas es de aproximadamente 25 años y que durante este periodo de tiempo habrá periodos de gran crecimiento con periodos de menor crecimiento. El aumento del IPC repercutirá sobre los flujos de cala de igual modo que la subida del precio del combustible.

Por otro lado, está claro que una inversión de unos 22.000.000 € es una inversión desmedida para una empresa de estas características, pero también está claro que estamos en un ambiente muy receptivo para este tipo de proyectos de energías renovables.

Por todo esto se asume que EUROFRITS afrontará de sus propias fuentes de financiación un 20% del total de la inversión, la cual no será tenida en cuenta como inversión inicial ya que se considera que de un modo u otro debería afrontarse un gasto de estas características para modernizar/ restaurar las instalaciones.

Por otro lado, se entiende que es posible conseguir un 40% de financiación a fondo perdido por parte de organismos públicos tanto nacionales como regionales y comunitarios.

Por lo que se deberá pedir un préstamo del 40% de la inversión total para afrontar este proyecto. Se estima que un préstamo en muy buenas condiciones, que se estima que se puede conseguir por medio de préstamos del ICO, sería del EURIBOR + 1,5, por lo tanto un interés razonablemente asumible será del 3%, con un periodo de amortización de 15 años.

Se asume que los gastos de operación y mantenimiento, donde se incluye todo lo relativo a sustitución de espejos, reposición de aceite y demás, son del 10% sobre los beneficios obtenidos, en este caso sobre el ahorro obtenido, como suele ser admitido de manera general en este tipo de plantas.

Con todas estas premisas se han estimado los siguientes flujos de caja:

ESTUDIO ECONÓMICO

Año 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Inversión inicial Financiada 8.909.209,13 €

Inversión inicial �o financiada 4.454.604,56 € Inversión inicial Subvencionada

8.909.209,13 €

I�GRESOS Ahorro en combustible anual 350.201,14 € 379.968,20 € 412.265,50 € 447.308,10 € 485.329,30 € 526.582,30 € 571.341,80 € 619.905,80 € 672.597,80 € 729.768,70 € 791.799,00 € GASTOS

Gastos de O&M 35.020,11 € 37.996,82 € 41.226,55 € 44.730,81 € 48.532,93 € 52.658,23 € 57.134,18 € 61.990,58 € 67.259,78 € 72.976,87 € 79.179,90 € Gastos finacieros 593.947,27 € 17.818,42 € 18.352,97 € 18.903,56 € 19.470,67 € 20.054,79 € 20.656,43 € 21.276,12 € 21.914,41 € 22.571,84 € 23.248,99 €

FLUJO DE CAJA -13.363.813,70

€ - 278.766,24 € 324.153,00 € 352.686,00 € 383.673,70 € 417.325,70 € 453.869,30 € 493.551,20 € 536.639,10 € 583.423,70 € 634.220,00 € 689.370,10 €

TIR 3,52%

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

I�GRESOS

859.101,90 € 932.125,60 € 1.011.356,00 € 1.097.322,00 € 1.190.594,00 € 1.291.794,00 € 1.401.597,00 € 1.520.733,00 € 1.649.995,00 € 1.790.244,00 € 1.942.415,00 € 2.107.520,00 € 2.286.660,00 € 2.481.026,00 €

GASTOS

85.910,19 € 93.212,56 € 101.135,60 € 109.732,20 € 119.059,40 € 129.179,40 € 140.159,70 € 152.073,30 € 164.999,50 € 179.024,40 € 194.241,50 € 210.752,00 € 228.666,00 € 248.102,60 €

23.946,46 € 24.664,86 € 25.404,80 € 26.166,95 €

FLUJO DE CAJA

749.245,30 € 814.248,20 € 884.815,80 € 961.422,40 € 1.071.534,00 € 1.162.615,00 € 1.261.437,00 € 1.368.659,00 € 1.484.995,00 € 1.611.220,00 € 1.748.174,00 € 1.896.768,00 € 2.057.994,00 € 2.232.923,00 €

ESTUDIO ECONÓMICO

A la vista de estos flujos se ve que se obtiene un TIR del 3,52%, a priori no parece aceptable, en condiciones ordinarias de evaluación de inversiones, pero este caso si se podría dar por válida, ya que se está hablando de una inversión que de un modo u otro debería realizarse, y no necesariamente con un incremento de los beneficios,. Además un proyecto de estas características con su componente de innovación y ecología sería un arma muy valiosa como marketing de empresa, lo que sí repercutiría de manera directa en un incremento de los beneficios.

A su vez se puede estudiar cual sería el periodo de retorno de esta planta, en la Figura 8.1, se muestra gráficamente:

Figura 8.1: periodo de retorno de la inversión.

A la vista de la cual la inversión estará amortizada en 20 años. Se ha demostrado que como mínimo este tipo de plantas tiene una vida útil de 25 años, con los cual durante 5 años de vida todo el ahorro repercutirá en beneficio neto.

-15000000

-10000000

-5000000

0

5000000

10000000

15000000

0 5 10 15 20 25 30

Años

Flu

jo d

e ca

ja a

cum

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do

Flujo de cala acumulado

11. ANEXOS

Andrés

Sello

12. BIBLIOGRAFÍA

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