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Evaluación del potencial de la energía solar térmica en el sector industrialCoordinador de la edición de Estudios Técnicos PER 2011-2020: Jaume Margarit i Roset, Director de Energías Renovables de IDAE
Título: Evaluación del potencial de la energía solar térmica en el sector industrial. Estudio Técnico PER 2011-2020
Madrid, 2011
Autores: EnergyXperts: Hans Schweiger (coord.), Claudia Vannoni, Irene Pinedo Páscua, Enrico Facci, David Baehrens, Marius Koch ECLAREON: David Pérez, Lucas Mozetic
Coordinación y revisión IDAE: Carlos Montoya, Andrés Paredes, Raquel Vázquez
El presente estudio ha sido promovido por el IDAE en el marco de la elaboración del Plan de Energías Renovables (PER) en España 2011-2020. Aunque el IDAE ha supervisado la realización de los trabajos y ha aportado sus conocimientos y experiencia para su elaboración, los contenidos de esta publicación son responsabilidad de sus autores y no representan necesariamente la opinión del IDAE sobre los temas que se tratan en ella.
ÍNDICE 5 Informe final. Evaluación del potencial de aplicación de la energía solar
térmica en el sector industrial
15 Tarea 1. Obtención de datos estadísticos y escenarios económicos base
73 Tarea 2. Tecnología solar térmica y cálculos de rendimiento
129 Tarea 3. Análisis sectorial y evaluación del potencial de aplicación de la
energía solar térmica
759 Anexo. Descripción de los datos SIG
INFORME FINAL. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN EL SECTOR INDUSTRIAL
Resumen
Resumen
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En el presente trabajo se evalúa el potencial de aplicación para la energía solar térmica en el sec- tor industrial en España hasta el año 2020.
Partiendo de datos estadísticos (encuestas INE del año 2007) sobre el consumo energético en el sector industrial (consumo de combustibles y de electrici- dad) se realizó un análisis detallado de los diversos procesos utilizados en cada sector, con el objetivo de descomponer el consumo energético en cada sector por niveles de temperaturas y según los di- ferentes procesos.
Igualmente se realizaron encuestas telefónicas en 217 empresas para determinar la superficie disponible para instalaciones solares térmicas, tanto en los tejados de las naves industriales como en superficies adyacentes (terrenos adya- centes no utilizados, posibles marquesinas de parking, etc.).
En base a esta información sobre consumo ener- gético, procesos utilizados y superficie disponible se definieron empresas-modelo representativas para cada sector. Posteriormente se determinó el potencial de aplicación en esas empresas-mo- delo y por extrapolación en el conjunto del sector teniendo en cuenta criterios técnico-económicos establecidos.
Se analizaron en detalle 32 sectores y sub-secto- res de las industrias alimentaria, textil, madera y corcho, papelera, química, caucho y materias
plásticas, construcción de maquinaria y equipos mecánicos, equipos eléctricos y electrónicos, ma- teriales de transporte e industrias manufactureras diversas (códigos CNAE 29 a 37) que representan un 47,7% del consumo total de calor, el 93,6% del consumo de calor a baja y media temperatura (has- ta 250 ºC) y un 89,5% del potencial de aplicación de la energía solar térmica.
El potencial para el resto de sectores industriales (con demandas de calor mayoritariamente a nive- les de temperatura más elevados y por tanto menos aptas para la aplicación de la energía solar térmi- ca) se evaluó de forma estimativa y finalmente se sumó al potencial de los 32 sectores/sub-sectores analizados para determinar el potencial en el total de la industria española.
Todos los resultados están disponibles desglosa- dos por sector/sub-sector industrial y por provincia en formato SIG.
A continuación se resumen los resultados más sig- nificativos de este estudio:
La demanda de la industria a baja y media tempe- ratura (hasta una temperatura de suministro de 250 ºC1) representa el 40,9% del total de la deman- da industrial de calor. El porcentaje equivalente en los 32 sectores analizados es de 80,2% ( se puede observar la comparación de este valor con respec- to a los resultados obtenidos en otros estudios de características similares en la Tabla 1).
1Temperatura de suministro mínima necesaria
Tabla 1. Distribución de la demanda de calor por niveles de temperatura
Fuente Presente estudio POSHIP ECOHEATCOOL Weiss y
Biermayr2
Media temperatura (<120 ºC) 21,9% 30% (<100 ºC)
14% (<100 ºC)
Media temperatura (<250 ºC) 40,9% 57% (<400 ºC)
30% (<200 ºC)
2 Weiss y Biermayr: Potential of Solar Thermal in Europe, 2009. Estudio realizado para ESTIF (European Solar Thermal Industry Fderation)
IDAE-energyXperts.NET-Eclareon
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El potencial de aplicación técnico-económico teó- rico de la energía solar térmica es de 68,2 GW (97,4 millones de m2)3. De este potencial total, 14,7 GW son para aplicaciones a baja temperatura, 36,8 GW para aplicaciones a media temperatura y 16,6 GW adicionales para aplicaciones a media temperatura incluyendo frío solar.
El potencial de aplicación según el grado de im- plementación previsto en el escenario favorable (escenario F) es de 10,1 GW, de los cuales 2,9 GW son a baja temperatura (hasta 60 ºC) y 7,2 GW a media temperatura (de 60 ºC a 250 ºC) incluyendo la generación de frío. El aporte solar medio supone el 7,5% de la demanda total de calor a baja y media temperatura (5,4% si se incluye la demanda de frío como base de referencia), llegando a casi un 20% en la industria de bebidas y la industria cárnica. El potencial de implementación se reduciría a 1,7 GW según el grado de implementación previsto en el escenario desfavorable.
Una parte importante del potencial de la energía solar térmica está concentrada en la industria ali- mentaria (casi un 40% del total). Otros sectores que presentan un alto potencial son la industria de construcción de maquinaria (incluyendo la industria del automóvil, códigos CNAE 29 – 37, con 14,4%), la industria química con 12,5%, la industria del cau- cho y materias plásticas con 8,5% y la industria de la madera y del corcho con 7%.
Alcanzar el potencial disponible según el escena- rio F para el año 2020 implicaría que el 60% de la instalación nueva de sistemas solares térmicos en el año 2020 debería ser para instalaciones in- dustriales, con un supuesto crecimiento general del sector del 30% anual. De esta forma, en el año 2020 un 42% del total acumulado de las ins- talaciones solares térmicas estarían en el sector industrial.
Los valores mínimos de generación de calor útil requeridos para cumplir los criterios de viabilidad utilizados en el escenario favorable (sustitución de gas natural, periodo de retorno de 10 años, subvención de 200 €/m2 para captadores planos y 300 €/m2 para captadores de media tempera- tura) son 952 kWh/kW (666 kWh/m2) para baja y
3 En este estudio, y siguiendo la metodología estadística usada en el IEA-Solar Heating and Cooling Programme, se usan los kW como unidad de medida para el tamaño de sistemas solares, con el factor de conversión 1 m2 (de apertura) = 0,7 kW
742 kWh/kW (519 kWh/ m2) para media temperatura, lo cual corresponde a 71% y 63% respectivamente de la generación del sistema tipo con condiciones óptimas de implementación en la zona climática IV (la zona climática donde se agrupa la mayor parte del sector industrial en España). Como alternati- va a las subvenciones según superficie o potencia instalada, se podría mantener una rentabilidad eco- nómica equivalente mediante una prima de 3 cts.€ por kWh de calor útil generado (baja temperatura) y de 5 cts.€/kWh (media temperatura).
En cuanto a la distribución geográfica, el potencial de aplicación se concentra en las provincias con mayor presencia del sector industrial y que dis- ponen de un nivel medio o alto de radiación solar: en primer lugar Madrid, Barcelona y Valencia (pro- vincias con un potencial que supera los 4 GW), y en segundo lugar (de 2 a 4 GW cada una) Alicante, Murcia, Sevilla y Málaga. En estas 7 provincias se concentra el 44% del total del potencial de aplica- ción al nivel nacional.
La fracción solar posible para las demandas de baja y media temperatura varía entre un 24% (Cantabria) hasta un 57% (Ceuta y Melilla), con una media na- cional de 36,7%.
El 75% del potencial (en términos de calor útil generado) está situado en sectores industriales y zonas climáticas donde la superficie disponi- ble es un factor limitante (potencial limitado por superficie: 25%, o en régimen intermedio: 50%). Para alcanzar la totalidad del potencial técnico- económico se necesitaría un grado de ocupación de la superficie disponible de 56% para los sec- tores analizados y de 36% para el total de la industria. Se deduce por tanto que la superficie disponible (tejados industriales y superficies ad- yacentes) se debe considerar como un recurso escaso, cuya utilización para fines energéticos se debe optimizar.
La energía solar térmica compite principalmente con la energía fotovoltaica por el espacio (tejados) disponible, y con la cogeneración por la demanda de calor a baja y media temperatura. Como con- clusión de un estudio comparativo realizado (ver resultados en Tarea 2) se puede destacar que:
Resumen
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• Desde el punto de vista energético, el sistema so- lar térmico permite un ahorro de 1,29 kWh_EP/ kWh_t suministrada, lo cual es aproximadamen- te el doble del ahorro de un sistema de cogene- ración eficiente. Por tanto, desde un punto de vista energético y medioambiental es preferible promover la energía solar térmica en vez de los sistemas de cogeneración basados en combus- tibles fósiles como primera elección de sistema de suministro de calor.
• Desde el punto de vista económico cabe desta- car que el coste adicional por energía primaria ahorrada en sistemas solares térmicos a baja y media temperatura es de entre 2,2 y 3,9 veces inferior al coste equivalente de la energía foto- voltaica. En otras palabras: se puede obtener el mismo ahorro de energía primaria usando entre la mitad y la cuarta parte de recursos públicos destinados a primas u otros tipos de incentivos.
El ahorro de energía primaria por unidad de su- perficie de tejado o terreno disponible es entre 2,4 y 3,1 veces mayor en sistemas solares térmicos si se compara con energía fotovoltaica.
Por tanto, con el fin de optimizar el uso de super- ficies disponibles como recurso escaso y limitado, se recomienda prever las medidas e incentivos ne- cesarios para que la energía solar térmica pueda ser la tecnología de primera elección para ocupar estas superficies, siempre y cuando sea posible el aprovechamiento del calor.
• En cuanto a la comparación de costes con siste- mas de cogeneración basados en combustibles fósiles se observa que el coste adicional es infe- rior en sistemas de cogeneración (en sistemas de cogeneración buenos puede ser incluso ne- gativo, lo cual indica que aún ahorrando energía primaria, los costes energéticos son inferiores a los del sistema de referencia: caldera de gas natural). En este caso la elección entre solar térmica y cogeneración es una decisión política, dependiendo de si se quiere primar el poten- cial total de ahorro energético (favoreciendo a la solar térmica) o minimizar los costes para un ahorro energético limitado (favoreciendo a la cogeneración). Ambas tecnologías pueden ser complementarias ya que siempre que haya potencial para la aplicación de calor producido por energía solar térmica también existe la po- sibilidad de utilizar la cogeneración, y por tanto ambas tecnologías deberían ser promocionadas de forma conjunta.
Introducción: metodología y estructura del trabajo
Introducción
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El método de análisis y el plan de trabajo propuesto para este estudio es el resultado de la larga expe- riencia de la empresa EnergyXperts en el análisis de aplicaciones de la energía solar térmica a proce- sos industriales, que se inició de forma sistemática y estructurada con el proyecto POSHIP (años 2000- 2001) y que ha continuado en los años posteriores tanto en el marco del grupo internacional de ex- pertos del Task 33/IV “Calor Solar para Procesos Industriales” (dentro de los Programas SolarPA- CES y “Solar Heating and Cooling” de la Agencia Internacional de la Energía) como mediante la participación en varios proyectos y actividades de consultoría e ingeniería en el sector industrial.
La metodología propuesta es una síntesis de los métodos empleados en diferentes estudios de po- tencial al nivel europeo e internacional (ver análisis comparativo en Vannoni et al: Potential for Solar Heat in Industrial Processes. Ed. CIEMAT 2008) y de la propia experiencia.
Resumiendo los aspectos más relevantes, se parte de las siguientes hipótesis de trabajo.
a) Importancia del análisis de la demanda de c alor por niveles de temperatura
El rendimiento energético, y en consecuencia tam- bién el coste económico de la energía solar térmica, depende fuertemente de la temperatura de trabajo.
El punto de partida esencial para cualquier estudio de potencial es por tanto el análisis de la demanda de calor (y frío) en el sector industrial por niveles de temperatura. Este desglose por nivel de tempe- ratura presenta una gran dificultad, tanto para una sola empresa como a nivel estadístico para (sub-) sectores industriales completos:
• Generalmente se conocen los consumos totales (por tipo de combustible), pero raras veces se co- noce la distribución del consumo por procesos y por tanto por niveles de temperatura. Aunque sí se conoce este valor para algunas empresas concretas, el desglose por niveles de temperatura no aparece en estadísticas sectoriales.
• Los sistemas existentes de suministro de calor en la industria no están optimizados para el uso de fuentes de calor a baja temperatura. En muchos casos se calientan baños o aire para procesos de secado a baja temperatura (temperatura de proceso: 60-80 ºC) con vapor a temperaturas muy superiores (temperatura de suministro: entre 150 y 180 ºC). Por tanto resulta imprescindible: (a) distinguir conceptualmente entre temperatura de
proceso y temperatura de suministro, y (b) rea- lizar un análisis específico para cada sector y/o tipo de proceso sobre los costes asociados y la viabilidad técnica de un posible cambio (parcial) del sistema de suministro.
b) Importancia del espacio disponible
Como resultado de los estudios concretos realiza- dos en POSHIP se llegó a la conclusión de que, en muchos casos, el factor limitante para el poten- cial de aplicación de la energía solar térmica es el espacio disponible, en forma de tejados y terrenos cercanos a la industria.
Factores importantes a tener en cuenta son:
• Tamaño, orientación y tipología de tejados (es- pecialmente la capacidad de soportar la carga adicional de un sistema solar y/o la necesidad/ el coste de refuerzos estructurales).
• La competencia con otros posibles usos de es- tas superficies, como por ejemplo la energía fotovoltaica.
• La correlación entre demanda de calor y super- ficie disponible.
• Selección de la tecnología que optimice la capta- ción de energía por unidad de superficie de tejado en vez de por unidad de superficie de captador.
c) Importancia de tecnologías competidoras
La energía solar térmica compite con otras tec- nologías energéticamente eficientes y aptas para cubrir demandas de calor a baja y media tempe- ratura como:
• Cogeneración. • Recuperación de calor.
y con la energía solar fotovoltaica como otra alter- nativa para el espacio disponible.
El análisis del potencial real requiere por tanto un análisis comparativo, tanto energético como eco- nómico, de estas tecnologías.
d) Importancia de los parámetros económicos y fi- nancieros y de los modelos de financiación y gestión
Las expectativas en las industrias respecto a ren- tabilidad de inversiones en ahorro energético son muy diversas. En la mayoría de las industrias existe una expectativa muy alta en cuanto a periodos de retorno (2 – 3 años) equivalentes a tasas de retor- no (TIR) reales de 30 – 50%.
No obstante existe un sector de empresas dis- puestas a utilizar energías renovables aún con
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rentabilidades inferiores (típicamente periodos de retorno de hasta 7 a 10 años o un TIR real equivalente del 10 al 15%), por diversas razones como por ejemplo una sensibilidad por aspectos medioambientales o por cuestiones de imagen y marketing.
e) Importancia de la futur a evolución de c ostes de instalación, operación y mantenimiento de sistemas solares térmicos
En el caso de aplicaciones de energía solar térmica a baja temperatura, después de la fuerte expan- sión de la última década, se parte de una amplia experiencia en relación a costes de instalación, operación y mantenimiento.
No obstante, existe una gran incertidumbre respec- to a la evolución de los costes en el futuro cercano.
En cuanto a tecnologías aptas para temperaturas superiores a 100 ºC (media temperatura) existen muy pocas experiencias a nivel de prototipo, por lo cual es difícil estimar el potencial de desarrollo tecnológico en este campo.
f) Otros factores técnicos y no-técnicos
Otros factores técnicos que influyen en la viabilidad de los sistemas son:
• Continuidad de operación de las plantas, y perio- dos de interrupción (fines de semana, vacaciones, estacionalidad de la demanda).
• Tamaño de las empresas (factor escala).
El trabajo realizado se ha estructurado en 3 gran- des bloques (ver la Figura 1).
Tarea 1: obtención de datos estadísticos y escenarios económicos base
Como primer paso del estudio y como punto de partida se obtuvieron datos estadísticos sobre el sector industrial en España, desglosado a escala de provincia por sectores y sub-sectores indus- triales (por tanto será posible obtener los datos por CCAA):
a) Indicadores de tamaño de las empresas:
• Número de trabajadores. • Facturación.
• Consumo eléctrico. • Consumo de combustibles (por tipo de
combustible). • Uso de energía (por tipo de uso).
c) Indicadores de superficies disponibles:
• Tamaño de tejados y otras áreas con posibilidad de instalación de sistemas solares.
Igualmente se definieron dos escenarios económi- cos y financieros que describen el marco limitador para el potencial de aplicación (escenario F – favo- rable y escenario D – desfavorable).
En estos escenarios se establecieron los paráme- tros marco del análisis en el horizonte del año 2020:
• Tarifas energéticas. • Evolución de los sectores industriales. • Expectativas de rentabilidad para inversiones en
el sistema energético. • Políticas de incentivos de ahorro energético y
energías renovables.
Tarea 2: t ecnología solar t érmica y c álculos de rendimiento
En esta tarea se analizaron el recurso disponible (según zonas climáticas – basado en la zonifica- ción del código técnico de la edificación – CTE), la tecnología solar térmica disponible (tipos de captadores, configuraciones de sistemas) y se rea- lizaron cálculos para determinar el rendimiento energético según niveles de temperaturas y zo- nas climáticas.
En un análisis de viabilidad económica se esti- mó la evolución de costes de instalación según tecnologías, se definieron los parámetros téc- nico-económicos necesarios para lograr una viabilidad económica (según escenarios F–favorable y D–desfavorable), y se realizó un análisis compa- rativo con tecnologías competidoras (fotovoltaica y cogeneración).
Tarea 3: análisis sectorial y evaluación del potencial de aplicación de la energía solar térmica
Se definió una clasificación de 32 sectores y sub- sectores industriales, basada en la clasificación de los códigos CNAE, y lo suficientemente desglosa- da para que:
a) Dentro de cada categoría se pueda suponer una cierta homogeneidad en cuanto al potencial de aplicación de la energía solar térmica.
b) Las categorías sean de tamaños comparables en cuanto al peso absoluto dentro del sector industrial español en cuanto a consumo ener- gético (mayor nivel de desglose en sectores con mayor peso absoluto).
Introducción
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sector en cuanto a perfil de demanda y superficie disponible. Se evaluó el potencial técnico-eco- nómico dadas las limitaciones de las superficies disponibles y de la demanda térmica, y bajo la li- mitación de una rentabilidad económica mínima (definida en las diferentes escenarios económicos base).
El potencial global para la industria española se obtuvo finalmente como suma del potencial para los sectores analizados.
Figura 1. Resumen de la metodología empleada: tareas y resultados principales
Tarea 1.1 y 1.2 Obtención datos estadísticos sectores industriales
Tarea 1.3 Escenarios base económico-financieros
Tarea 2 Tecnología solar térmica
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