Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012

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Julio Martí Romero

1. Capítulo 1: Introducción.

1.1. Objetivo y alcance del proyecto.

El objetivo del presente proyecto es la realización de un análisis energético de la planta de

producción de frió solar mediante tecnología fresnel, con objeto de poder comparar dichos resultados

con los de otras instalaciones y estudiar la viabilidad de dicha tecnología frente a otras más presentes

actualmente en el mercado.

En el primer capítulo se va a realizar una breve introducción de las diferentes tecnologías

actualmente existentes y las cuales son la competencia directa de la tecnología de la planta en

estudio, así como las diferentes configuraciones posibles que se podría realizar entre los distintos

equipos de la planta, puesto que se tiene 4 elementos muy característicos como son el sistema de

captación Fresnel, el tanque de almacenamiento con hidroquinona, la máquina de absorción de doble

efecto y la condensación del sistema.

En el segundo capítulo se va a realizar una descripción de la planta existente en la escuela técnica

superior de Ingenieros de Sevilla, así como de sus diferentes elementos. Dicha descripción de la

planta servirá para una posterior evaluación energética de los diversos componentes existentes en

ella.

En el tercer capítulo se introducirá el análisis energético de la planta, en primer lugar se definirá un

estudio teórico así como una simulación de diferentes situaciones de funcionamiento de la planta, de

esta forma definiremos unas características de funcionamiento teóricas que deberán ser corroboradas

en el estudio experimental de los datos recogidos durante 12 días tipo de funcionamiento normal de

la planta. Además se incluirá una referencia al funcionamiento en modo calefacción y a la evolución

nocturna de la planta.

En el cuarto capítulo se finalizará el estudio mostrando las conclusiones obtenidas y las expectativas

de futuro de la presente tecnología desde el punto de vista técnico.

1.2. Comparación directa con las tecnologías competentes en refrigeración.

En este apartado se va a realizar una comparación entre las diversas tecnologías en la producción de

frío, para ello se comparara las diferentes partes que componente la planta respecto a su competidor

más importante o más similar. Para situar las próximas comparaciones se debe observar el esquema

de la Figura 1.

En primer lugar se realizará una comparación entre los dos ciclos posibles de producción de frío

utilizando compresión mecánica o como en el caso de estudio mediante una maquina de absorción de

doble efecto. En este punto se omitirá otros sistemas posibles como pudieran ser los de adsorción,

refrigeración desecante y enfriamiento evaporativo.

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En segundo lugar se comparará los diferentes sistemas de captación solares entre los tres mostrados

en la Figura 1. En este caso no se comparará otros sistemas como pudieran ser captadores sin

cubierta, solares de aire o de tubos de vacío.

En tercer lugar se analizará las posibilidades de condensación que existen en caso de no disponer del

anillo de agua del rio como es el caso del proyecto en estudio.

Para finalizar las comparaciones se realizará un recorrido por las diferentes formas de

almacenamiento existentes en la actualidad.

Figura 1. Comparación entre tecnologías

1.2.1. Comparación del ciclo de producción de frío

Se va a realizar una comparación entre los distintos sistemas existentes con función de producción de

frío, en primer lugar se realiza una breve introducción de dichos sistemas para posteriormente

comparar ventajas e inconvenientes entre ellos. Las principales formas de producción de frío son la

compresión mecánica y en mucha menor medida la absorción. Para ello podemos observar la Figura

2, donde se observa los diferentes sectores de trabajo de cada tecnología.

1.2.1.1. Compresión Mecánica.

El sistema de compresión se basa en un ciclo frigorífico realizado por un refrigerante, el cual es

llevado cíclicamente a unas condiciones tales que se produzca su evaporación a baja temperatura

siendo capaz de producir frío (absorber calor). Para completar el ciclo frigorífico es necesaria la

Tecnología Fresnel

Captadores planos

Canal Parabólico

Escuela de Ingenieros

Acumulador

Maquina de absorción

Sistema mecánico

Gas natural

Río

Torre de refrigeración

Aerocondensadores

Sol

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intervención de un compresor de refrigerante que consume una potencia eléctrica. Además podemos

observar como los sistemas de compresión mecánica tienen mayores usos que los de absorción.

1.2.1.2. Absorción

La máquina de absorción permite la compresión térmica del refrigerante en lugar de utilizar un

compresor para la realización de una compresión mecánica de los sistemas convencionales. Ello nos

proporciona un ahorro de energía eléctrica de aporte con lo cual obtendríamos un beneficio a largo

plazo dado que la inversión necesaria es mayor, por el contrario dada la necesidad de un aporte

térmico debe ser “gratuito” para poder ser rentable, es decir que el flujo de calor enviado a la

maquina sea el sobrante de un proceso o como en nuestro caso producido por energías renovables.

Tiene los usos más limitados, solamente es útil para Industria, Domestico y Aire acondicionado (este

último será el tema central de nuestro proyecto).

Figura 2. Compresión mecánica - Absorción

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1.2.1.3. Ventajas e Inconvenientes:

Absorción Compresión Mejor

Economía

de

funcionami

ento

Apoyada mediante energías

renovables para realizar la

compresión reduce los costes de

explotación, el coste de operación

hace considerar el enfriamiento a

coste “nulo”.

La electricidad posee un precio

cada vez más elevado y todo

apunta a que seguirá su

crecimiento en el futuro, lo que

aumenta la competitividad de la

absorción.

ABSOR

Producción

simultánea

de frío y

calor

Pretende la reducción de la

inversión y los costes de operación

ya que se consigue que funcione

más horas que provocan recuperar

la inversión antes.

No admite producción

simultánea. ABSOR

Eficiencia COP mucho más bajo ~ 0.8 – 1.2 COP alto ~ 4 COMPR

Eficiencia a

carga

parcial

Pierden muy poco rendimiento a

carga parcial, disminuye los costes

energéticos.

Disminuye considerablemente el

rendimiento a carga parcial ABSOR

Nivel de

ruido

Silenciosos (al no llevar ni motor ni

compresor). Las bombas de la

solución y refrigerante únicas

partes móviles.

Muy ruidosos debido a la

incorporación de partes móviles. ABSOR

Mantenimi

ento

Al no llevar partes móviles,

circuitos de aceite requieren menos

mantenimiento. Sin embargo este es

más especializado.

Necesita mayor mantenimiento

al existir partes móviles, pero no

es tan especializado.

COMPR

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Fiabilidad

Existen miles instaladas para usos

de climatización sin embargo está

tecnología esta menos desarrollada

Sistema más utilizado ~

Medio

ambiente

No necesita energía eléctrica.

Quema gas natural (cble. + limpio)

Reduce la emisión de CO2.

Necesita torre de refrigeración

(legionela)

Utilizan CFC's ni HCFC's, que

son causantes del efecto

invernadero y la destrucción de

la capa de ozono.

ABSOR

(con

contra-

indicacion

es)

Inversión

Inicial

Bastante superior, la sobreinversión

inicial puede verse atenuada por la

reducción del número de máquinas

instaladas y a la economía de

funcionamiento.

Coste muy inferior, mucha gama

comercial donde encontrar

equipos necesarios. Mayor

volumen de comercialización.

COMPR

Espacio Necesita un amplio espacio Elementos compactos COMPR

Otro

aprovecha

miento

Trigeneración - ABSOR

Tabla 2. Comparación Absorción – Compresión

1.2.2. Comparación de alternativas para la obtención del foco caliente.

Una vez vista la comparación entre los ciclos de producción de frío, en este apartado se va a

comparar distintas maneras de obtener la fuente de calor necesaria para la producción de frío

mediante maquina de absorción. Al estar utilizando maquinas de absorción de media temperatura en

el presente proyecto, esta comparación se centra en la comparación entre captadores planos y

tecnología Fresnel sin embargo también se valorará la posibilidad de utilización de captadores

cilindro-parabólicos. En primer lugar se va a realizar una breve introducción de dichos sistemas y

posteriormente veremos algunas utilizaciones reales de ellos.

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1.2.2.1. Captadores Planos.

La utilización de captadores planos para la producción de frio solar, está muy presente en la

actualidad, superando con creces a la utilización de tecnología fresnel, el motivo principal es la falta

de conocimiento de la tecnología fresnel y el mejor acceso a los captadores planos siendo su precio y

mantenimiento considerablemente menor.

Su fundamento es la captación de energía solar a través de una cubierta transparente formada por un

cristal simple o doble situado en una carcasa donde se hace circular una distribución de tuberías (se

puede ver su esquema en la Figura 3). Su parte posterior se encuentra aislada y posee una placa

absorbedora con alto coeficiente de absorción sobre la que se encuentra adheridos los tubos por

donde circula el agua. Estos captadores pueden situarse montados en serie o en paralelo, mediante

sus interconexiones se puede diseñar la planta del tamaño deseado para nuestras características

funcionales.

- Principio de funcionamiento: La radiación incidente en el captador atraviesa el vidrio para

llegar a la superficie absorbente. Una vez allí se traspasa al flujo que circula por los tubos, ya sea esta

circulación forzada o natural (efectos sifón). Su principio básico de funcionamiento es el efecto

invernadero producido en su interior. Hay que tener en cuenta la importancia de la orientación e

inclinación.

1.2.2.2. Captadores fresnel.

La utilización de esta tecnología se desarrollo por su inventor como camino directo para abrir

competencia sobre los captadores cilindro-parabólicos. Son captadores de foco lineal, es decir

concentran la radiación solar a lo largo de una línea, que corresponde a un tubo de absorción por el

que circula un fluido térmico. Los captadores Fresnel para aplicaciones térmicas a nivel de edificio

están todavía lejos de la situación comercial de los captadores planos pese a alcanzar temperaturas de

captación mayores gracias a la concentración necesitando menor superficie. De todas formas existen

algunos captadores en una fase avanzada de prototipo y que en un futuro próximo podrían ser una

Figura 3. Captadores planos

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opción comercial. Una situación similar se vive en lo respectivo a la producción de energía eléctrica

entre los captadores Fresnel y los cilindro-parabólicos.

- Principio de Funcionamiento: La superficie reflectora está compuesta por espejos de alto

radio de curvatura que concentran la radiación solar dirigiéndola hacia el tubo receptor, dicho

receptor se encuentra situado en un plano superior, los reflectores están guiados por un mecanismo

de control para provocar su incidencia sobre el absorbedor (ver Figura 4). Una vez aquí la energía

térmica es transferida al flujo que atraviesa el tubo y destinada al siguiente proceso. El

funcionamiento de esta tecnología se estudiará más a fondo en el capítulo 2.

1.2.2.3. Sistemas de canal parabólico.

Esta tecnología ha sufrido su mayor crecimiento desde los años 80 a la actualidad, es un sistema muy

similar al sistema de captación Fresnel, al tratarse de un sistema de concentración lineal, las

tendencias de utilización de los sistemas de canal cilindro parabólico son en su totalidad para grandes

plantas de producción eléctrica, sin embargo podrían ser potencialmente utilizables para la

producción de frío solar mediante maquina de absorción.

Estos sistemas se suelen utilizar para producción de aceite a temperaturas en torno a 400ºC por tanto

esto es inviable para la producción de agua caliente, sin embargo podría reducirse el campo de

aplicación para obtener temperaturas inferiores al igual que se realiza con la tecnología Fresnel.

Aunque dicha utilización no es viable económicamente.

- Principio de funcionamiento: El cilindro-parabólico se realiza con la curvatura ideal para

concentrar la radiación incidente sobre el tubo absorbedor (ver Figura 5), La radiación incidente en el

tubo absorbedor atraviesa el vidrio para llegar a la superficie absorbente. Una vez allí se traspasa al

flujo que circula por los tubos.

Figura 5. Captadores Cilindro-parabólicos. Figura 4. Captadores Fresnel

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1.2.2.4. Ventajas e Inconvenientes:

Planos Fresnel Cilindro-parabólico

Estructura

Simple, una caja con

vidrio por una cara y

aislada la opuesta.

Bajo coste, estructura

simple. Baja carga de

viento situarse cerca

del suelo.

Caros, Estructura

móvil y de mayor

resistencia

Espejos No tiene, solo posee

cubierta de vidrio.

Bajo coste, espejos

sencillos casi planos

Caros, espejos de gran

tamaño y curvatura

Receptor Tubos simples Tubos absorbedor fijo

Tubos absorbedor

móvil, necesita codos

de expansión

Elementos

extra

-

- Necesita codos de

expansión.

Dimensiones Dimensión reducida

Excelente

aprovechamiento del

terreno. Distancia

focal grande.

Amplia expansión

territorial

Acceso

Fácil acceso al ser fijo

Fácil acceso a partes

móviles

Dificultad en el

acceso.

Coste Bajo Medio - Alto

Muy alto

Tabla 3. Comparación Sistemas de captadores

Aunque teóricamente son claras las ventajas del uso de la tecnología Fresnel, pues es una tecnología

que supone una reducción de la inversión y una reducción en el espacio necesario para su instalación

para igual potencia en comparación con los concentradores parabólicos, aún es poco significativa su

presencia en el mercado de producción eléctrico. Los captadores Fresnel para aplicaciones térmicas a

nivel de edificio están todavía en una fase experimental, aunque ya hay algunos captadores en una

fase avanzada de prototipo y que en un futuro próximo podrían ser una opción comercial, como por

ejemplo, el captador de la empresa alemana PSE GmbH, que es la empresa encargada de la

fabricación y montaje del captador solar de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. Otras

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empresas que tienen prototipos en funcionamiento son la alemana Solar Power Group y la británica

Heliodynamics, entre otras.

1.2.3. Comparación de alternativas para el sistema de condensación

En esta comparación se incide en el flujo de condensado procedente de la máquina de absorción, se

debe conocer que en la actualidad, la planta que posteriormente evaluemos se nutre del anillo de

agua del río Guadalquivir que circula por la cartuja (zona noroeste exterior de Sevilla).

1.2.3.1. Condensación por agua de río.

En este caso se evacua el calor de condensación al flujo proveniente del anillo formado con agua de

río, en nuestro proyecto provendrá del río Guadalquivir, por tanto podemos considerar que el

enfriamiento del condensado es gratuito. Necesitaremos un intercambiador para realizar un ciclo

cerrado de condensación puesto que el agua bruta de río no se puede hacer pasar por el circuito de

condensado de la máquina de absorción ya que este agua está muy sucia. Dicho suministro de agua

bruta de río, proviene de la estación de bombeo del río, la cual lo distribuye por los conductos

ejecutados por la ciudad de Sevilla en el área metropolitana de La cartuja, con el fin de servir de

refrigerante de las maquinas climatizadoras, como de apoyo en caso de fallo de suministro para

diferentes sistema de protección contra incendios de los edificios de la zona. Por ejemplo dicho

anillo sirve de suministro para la ETSI, Parque de atracciones de Isla Mágica, Edificio de Canal sur

radio entre otros.

1.2.3.2. Condensación por torre de refrigeración.

La actual situación española de las torres de refrigeración en las instalaciones térmicas de los

edificios, es un descenso significativo en la instalación de estos equipos al ser consideradas como un

factor de riesgo de difusión de la legionela. Esto conlleva una disminución de la eficiencia energética

y, como consecuencia, un mayor consumo de energía.

Hay que tener en cuenta el auge de los condensadores evaporativo en la industria frigorífica, ya que

son muy similares a las de las torres de circuito cerrado. El empleo de los condensadores

evaporativos se ha incrementado especialmente desde que las restricciones impuestas a ciertos

refrigerantes halogenados.

Principio de funcionamiento: Cuando una gota de agua se pone en contacto con el aire, se produce

la evaporación de la película exterior de la gota, requiriéndose para este proceso la absorción de calor

(Ver Figura 6). La evaporación consume aproximadamente un 1% del caudal total de agua por cada

7ºC en que reduce su temperatura. El calor requerido para la evaporación se toma de la propia gota,

enfriándola consecuentemente. Por tanto, el enfriamiento se realiza tanto por transferencia de calor

sensible (cambio de temperatura) como de calor latente (cambio de estado físico).

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De todo el calor transferido del agua al aire, el calor latente de vaporización supone frecuentemente

más del 90%, correspondiendo tan sólo un 10% a calor sensible de disminución de la temperatura del

agua.

El objeto que se persigue en la torre es que la gota esté el mayor tiempo posible en contacto con el

aire, lo cual se logra con:

Una altura de torre adecuada e interponiendo obstáculos (relleno), que ralentizan su avance y al

mismo tiempo la van fragmentando, aumentando así la superficie de contacto aire-agua. A esta

fragmentación se la denomina salpiqueo.

1.2.3.3. Aerocondensadores.

Los aerocondensadores han sido la solución a los problemas de legionela que provocaban las torres

de refrigeración. En la actualidad son el sistema de condensación mas implantados en las

instalaciones de refrigeración. Además consiguen una reducción del espacio necesario y una

considerable reducción del ruido.

- Principio de funcionamiento: El aerocondensador realiza la condensación mediante un

intercambiador de calor de flujo cruzado en el cual se hace pasar el flujo de agua por un banco de

tubos mientras que transversalmente se fuerza la circulación de aire exterior mediante el

funcionamiento de ventiladores. (Ver Figura 7).

Figura 7. Aerocondensador Figura 6. Torre de refrigeración

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1.2.3.4. Ventajas e Inconvenientes:

Río Torre Aerocondensador

Tamaño Solo

intercambiador

Dimensiones elevadas y altas

capacidades

Muy compacto

(60%torre)

Consumo Ninguno Reducido Mayor (el de los

ventiladores)

Precio Reducido

Alto Medio

Ruido No Medio (depende de los

ventiladores y bombas de agua)

Reducido (depende

de los ventiladores)

Mantenimiento No necesita(salvo

limpieza IC)

Compleja (químicos

desincrustantes y biocidas) Sencillo

Instalación Directa Accesos complicados Fácil

Tabla 4. Comparación Sistema de condensación

Otras características a destacar es la excelente resistencia a la niebla salina y al paso del tiempo por

parte de los aerogeneradores. Y por parte de las torres la gran flexibilidad de operación y en sus

factores negativos las incrustaciones, la necesidad de purga y la proliferación de legionela.

1.2.4. Comparación de alternativas para el almacenamiento de energía térmica.

Para el caso de almacenamiento de energía térmica, las soluciones existentes son un número inferior

al almacenamiento de energía eléctrica. Las posibles formas de almacenamiento de energía térmica,

pasan por el aprovechamiento del calor sensible, el calor latente o la energía química de los

materiales utilizados para el almacenaje (ver Figura 8).

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Por tanto las diferencias más sustanciales en el almacenamiento se producen en función del material

utilizado. Los cuatro materiales más utilizados son los siguientes:

- Sales fundidas. Mezcla eutéctica de sales (típicamente 60% Nitrato sódico [NaN ] y 40%

Nitrato potásico [KN ]), dichas sales suelen tener un rango de funcionamiento entre 260 y

565ºC, sin embargo como veremos en nuestra planta piloto, en nuestro caso utilizaremos

hidroquinona que funde exactamente a la temperatura de operación de nuestra planta 180ºC.

(ver apartado 2.4.2.1).

- Aceites minerales. Poseen un alto precio, no son tóxicos ni inflamables.

- Agua/vapor. Poseen un tiempo de almacenamiento menor al de las sales, sirve para una

generación directa de vapor en la turbina.

Figura 8. Almacenamiento de energía térmica