“ESTUDIO DE LA VIABILIDAD DE IMPLA NTACIÓN DE LA ENERGÍA ... · El aprovechamiento energético...

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

Resumen del Proyecto Fin de Carrera: “ESTUDIO DE LA VIABILIDAD DE IMPLANTACIÓN DE

LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA EN EL ÁMBITO INDUSTRIAL: CASO

PRÁCTICO DE APLICACIÓN A UNA EMPRESA CÁRNICA PORCINA”

Autor: María de los Ángeles Sánchez Venero Directores: Adolfo Martín Bayón y Carlos Izquierdo Iglesias Tutor: Julio Francisco San José Alonso

Valladolid, Julio 2005

RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA

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ÍNDICE 1.- Objetivos____________________________________________________________ 3

2.- Antecedentes ________________________________________________________ 3

3.- Justificación_________________________________________________________ 4

4.- Energía Solar Térmica de Baja Temperatura ______________________________ 5

4.1.- Estado actual de la energía solar térmica de baja temperatura _____________________6

4.2.- Potencial de aplicación de la energía solar térmica a la industria ___________________7

4.3.- Tecnologías existentes de captación solar ______________________________________10

4.4.- Pautas para la evaluación de la viabilidad de implantación de un sistema de energía

solar a un proceso industrial ____________________________________________________11

5.- Estudio de la viabilidad de implantación de la Energía Solar Térmica en la empresa Embutidos Postigo. _____________________________________________________ 14

5.1.- Descripción de las necesidades energéticas del matadero _________________________15

5.2.- Puntos de posible aplicación de la energía solar térmica _________________________17

5.3.- Dimensionado y diseño de la instalación de energía solar térmica__________________18

5.4.- Estudio económico de la instalación __________________________________________22

5.4.1.- Coste de la instalación ______________________________________________________ 22 5.4.2.- Ahorro económico _________________________________________________________ 22 5.4.3.- Líneas de ayuda para la instalación proyectada ___________________________________ 22 5.4.4.- Periodo de amortización de la inversión. ________________________________________ 23

5.5.- Estudio del impacto medioambiental _________________________________________23

6.- CONCLUSIONES ___________________________________________________ 24


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1.- OBJETIVOS El principal objetivo de este proyecto ha sido realizar un análisis completo de la viabilidad de

implantación de la energía solar térmica de baja temperatura en el sector industrial. Para la consecución de dicho objetivo se ha pretendido lograr una serie de objetivos

parciales como son: � Estudiar las diferentes tecnologías de captación solar disponibles en el momento y su

posible acoplamiento a los sistemas existentes. � Determinar los factores influyentes en la viabilidad de aplicación de la energía solar

térmica a la industria. � Analizar los diversos procesos industriales con consumo de calor a baja temperatura

susceptibles de ser cubiertos mediante energía solar. Además se ha llevado a cabo una aplicación real, dimensionando y diseñando una

instalación de energía solar con las aplicaciones necesarias para cubrir la mayor parte posible de la demanda energética de un matadero de porcino y productor de jamones.

Posteriormente y para completar el estudio se ha analizado tanto el ahorro económico que supone la incorporación de la instalación de energía solar para la empresa, como el ahorro de emisiones nocivas que se dejarán de emitir al ambiente gracias a esta instalación.

2.- ANTECEDENTES El proyecto objeto de este resumen surge de la colaboración entre la empresa CENIT SOLAR, Proyectos e Instalaciones Energéticas, y el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Valladolid, con el fin de continuar el desarrollo de la energía solar térmica buscando nuevos campos de aplicación.

El ámbito industrial es un campo prácticamente inexplorado en lo que se refiere a la aplicación de sistemas de energía solar y, en concreto, de sistemas de energía solar de baja temperatura.


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El gran consumo energético de la industria en forma de calor y los graves problemas medioambientales que conlleva su producción, hacen que las instalaciones solares adquieran gran importancia como posible solución a los mismos.

CENIT SOLAR, en su afán por demostrar que la aplicación de la energía solar térmica a procesos industriales es viable tanto técnica como económicamente, ha buscado corroborar esta idea a través de la realización del proyecto fin de carrera a resumir en colaboración con ETSII.

3.- JUSTIFICACIÓN

El aprovechamiento energético del Sol, directo o indirecto, de forma natural o artificial, ha sido una constante en la humanidad en sus estructuras agrícola, urbana, industrial, etc. Aumentar el campo de actuación de la energía solar llevando su aplicación a sistemas más dinámicos y directos, constituye un objetivo del que se ha tomado conciencia en épocas más recientes, debido principalmente a dos factores, uno económico y otro medio ambiental.

Los combustibles fósiles se agotan, y su agotamiento viene unido a un crecimiento vertiginoso de su demanda, con la incorporación de países como China y la India al mundo industrializado. Para hacer frente a dicha demanda, la OPEP ha estudiado la posibilidad de aumentar la oferta de barriles de brent, pero esto no parece suficiente. El desequilibrio entre oferta y demanda de derivados del petróleo ha provocado una subida en su precio de hasta un 30% anual, lo que hace plantearse a los consumidores el uso de una energía más barata o incluso gratuita, como es la solar.

Además, el uso de dichos combustibles fósiles, está provocando un agravamiento de problemas medioambientales como son la lluvia ácida y el efecto invernadero, responsable del cambio climático que estamos sufriendo en la actualidad.

En los últimos años España ha ido adquiriendo una serie de compromisos frente al resto de los Estados, en la Cumbre de Río de Janeiro (1992), en la Cumbre de Kyoto (1997) y ante la Unión Europea con la aprobación del V Programa de Medio Ambiente. En todos ellos los objetivos prioritarios han sido: la disminución del consumo de combustibles fósiles, la reducción del consumo energético por habitante, la reducción de las emisiones de contaminantes atmosféricos y el aumento progresivo de las energías renovables en el consumo tanto térmico como eléctrico.


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En diciembre de 1997 la Comisión Europea aprobó el Libro Blanco para una estrategia y un Plan de Acción Comunitarios sobre Fuentes de Energías Renovables, proponiendo como objetivo para el año 2010 que las energías renovables aporten el 12 % del consumo total de la energía consumida en la Unión Europea. En España este porcentaje es actualmente del 6 %, lo que hace necesaria una concienciación por parte tanto de las Administraciones centrales como de las regionales y por el conjunto de los ciudadanos.

Considerando esta serie de compromisos adquiridos y que España tiene una posición privilegiada por su situación y climatología para impulsar el uso de la energía solar, van apareciendo una serie de desarrollos normativos que buscan difundir, básicamente, 6 puntos principales:

a) Independencia energética. b) Conservación de los recursos naturales extinguibles. c) Menores facturas energéticas. d) Garantías ante el aumento de precio de los combustibles. e) Reducción de la vulnerabilidad ante los suministros de combustible. f) Concienciación medio ambiental. Al sector de la Industria en nuestro país se le atribuye un 35% del consumo total de energía,

por tanto un ahorro en este sector supondría un gran avance para alcanzar los nombrados objetivos. Gran cantidad de los procesos industriales demandan calor que podría ser cubierto mediante energía solar térmica, evitando así gran parte de las emisiones de gases nocivos al ambiente y abaratando el coste de producción para la industria.

4.- ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA

Para el desarrollo de este proyecto se ha considerado interesante realizar una descripción de la energía solar térmica de baja temperatura enfocada a su aplicación en el ámbito industrial: su estado actual, su potencial de aplicación en este campo, las tecnologías de captación existentes en el momento y las pautas de evaluación de la viabilidad de implantación del sistema solar.


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4.1.- ESTADO ACTUAL DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA

Hasta hace poco, la aplicación de la energía solar térmica de baja temperatura estaba limitada prácticamente al ámbito doméstico, con objeto de cubrir las necesidades de agua caliente sanitaria y calefacción en el caso de que la vivienda contase con piscina.

Hoy en día, a la demanda de instalaciones solares para este tipo de aplicaciones, se están sumando hoteles y hospitales, con grandes consumos de agua caliente sanitaria.

Además, otros usos menos extendidos pero con gran futuro están empezando a aplicarse en la actualidad. Estos son la producción de frío por medio de energía solar, y el calor solar para procesos industriales.

La aplicación de producción de frío, como se verá más a fondo a lo largo del proyecto, se consigue por medio de la introducción de la máquina de absorción de simple efecto con agua caliente como fuente de calor. Las temperaturas de refrigeración conseguidas a día de hoy no descienden de los 12 ºC, pero se están llevando a cabo amplias investigaciones para la obtención en un futuro no muy lejano de mejores rendimientos y mayores potencias frigoríficas (temperaturas hasta por debajo de 0 ºC) con un nivel térmico alcanzable por una instalación solar de baja temperatura.

En cuanto a aplicaciones industriales para cubrir demandas de calor de proceso a bajas temperaturas, el futuro es igual de prometedor debido al gran consumo que se da en este sector, como se verá en el capítulo siguiente. Además este es un campo escasamente explotado aún, lo que provocará un aumento en el crecimiento de la superficie total de captación instalada que tan necesario es para alcanzar el objetivo del libro blanco de la energía de 100 millones de m2 y, en especial en España, de 4,8 millones de m2 que se ha planteado para llegar a cumplir las exigencias del protocolo de Kyoto.

Para ampliar el rango de aplicación de la energía solar térmica es necesario un continuo desarrollo de las tecnologías existentes, sobre todo del captador solar plano que hoy en día es utilizado en las instalaciones de baja temperatura, ya que este es una tecnología sencilla y madura, cuyo único inconveniente es el bajo rendimiento que ofrece a temperaturas superiores a los 90 ºC. Poco a poco se están incorporando elementos que reducen las pérdidas de calor, llegando a los captadores de alto rendimiento que serán capaces de producir calor a


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temperaturas de hasta 150 ºC de forma eficiente y con ellos será posible cubrir hasta un 23% de la demanda de calor en el sector industrial.

4.2.- POTENCIAL DE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA A LA INDUSTRIA

Los sistemas térmicos solares de baja y media temperatura pueden llegar a cubrir una parte considerable de la demanda industrial de calor. Esta demanda constituye aproximadamente un tercio de la demanda de energía final total en los países del sur de Europa, mientras que el consumo de calor de proceso en la industria a temperaturas inferiores a 250 ºC supone alrededor del 7 % de la demanda energética final total. Cubrir este porcentaje se hace necesario para llegar a alcanzar los objetivos fijados en el Libro Blanco de la Energía de la Unión Europea en el que se pretende conseguir una superficie total instalada de 100.000.000 m2 de captadores solares en el año 2010, para lo cual se necesitaría un ratio de crecimiento del 65 % de dicha superficie, mucho mayor que el actual de 15 %. No sólo es atractivo este ámbito de aplicación de la energía solar térmica por su escasa explotación actual sino que también cuenta con una ventaja importante a la hora de incorporar este tipo de instalación, y es su gran demanda energética.

La gran escala de las instalaciones industriales lleva a sistemas de coste muy bajo, de forma que los sistemas solares para la producción de calor de proceso industrial pueden llegar a ser en un plazo relativamente corto económicamente competitivos con respecto a los combustibles fósiles.

Los costes de inversión actuales de los sistemas térmicos solares están comprendidos entre los 250 y los 500 €/m2

(350 – 700 €/kW), lo que supone unos costes energéticos medios, para el sur de Europa, entre 2 y 5 c€/kWh en aplicaciones de baja temperatura y entre 5 y 15 c€/kWh en sistemas de media temperatura. El coste actual por kWh de energía primaria ahorrada en aplicaciones industriales es inferior al de las aplicaciones solares de agua caliente doméstica de pequeña o mediana escala, y puede reducirse todavía más.

Se estima que es posible conseguir una reducción de costes de hasta un 50 % a medio plazo (hasta 2010) con la producción de grandes series, la optimización de los costes de operación y mantenimiento, la mejora del rendimiento de los captadores y el diseño del sistema.


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Los captadores solares para la producción de agua caliente a baja temperatura son una tecnología estándar bien conocida y difundida. Con los captadores solares planos de alto rendimiento de reciente desarrollo, se puede producir calor a temperaturas de hasta 150 ºC con una buena eficiencia. El calor a estas temperaturas es necesario en muchos procesos industriales: generación de vapor, lavado, secado, destilación, esterilización, pasteurización, tintado, etc.

En al tabla 2.1 se muestra una estimación del potencial total de aplicación de la energía térmica al sector de la industria. El 3,4 % de la energía consumida en la Península Ibérica es energía calorífica a un nivel bajo y medio de temperatura (24 % del consumo total de calor industrial), niveles a los que la energía solar es capaz de dar un buen rendimiento como se ha viso en la sección anterior. Teniendo en cuenta las limitaciones técnicas, este porcentaje se reduce a un 0,5 % de toda la energía consumida por al industria en la Península y a un 3,6 % del consumo total de calor en el sector.

Tabla 4.1- Potencial de calor solar de proceso para la industria en España y Portugal


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En la figura 2.5 se muestra la importancia relativa de cada uno de los sectores de la industria en el consumo de calor. La categoría “otros sectores” agrupa a todas las industrias que consumen calor principalmente a altas temperaturas (metalúrgica, cerámica, industria extractiva).

Figura 4.1- Datos para España de 1999. Fuente: MCYT, IDAE.

La figura 2.6 muestra la demanda de calor en los sectores industriales con gran consumo de energía calorífica y las fracciones de la demanda de calor a temperaturas baja y media. En todos los sectores estudiados (excepto en la industria papelera), más del 60 % de la demanda de calor es a temperaturas inferiores a 160 ºC, y en varios sectores casi todo el calor se consume a temperaturas inferiores a 60 ºC, rango de temperaturas donde encaja perfectamente la energía solar térmica de baja temperatura.

Figura 4.2- Distribución de la demanda de calor por temperaturas y sector industrial


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4.3.- TECNOLOGÍAS EXISTENTES DE CAPTACIÓN SOLAR La mayor parte de los procesos industriales necesitan normalmente energía dentro de un

rango de temperaturas que va desde la temperatura ambiente hasta los 250 ºC. Los sistemas de calentamiento solar activo de líquido o aire pueden utilizarse para suministrar dicha energía a estos procesos.

Dependiendo del rango de temperaturas necesario, pueden considerarse distintas tecnologías de captadores solares y distintos conceptos de integración de los mismos en el sistema de calentamiento industrial.

El captador solar más simple es una superficie negra con un fluido caloportador circulando por ella o a su alrededor, como medio para extraer la radiación absorbida del sol para alguna aplicación práctica.

Resulta evidente que las pérdidas caloríficas de tal absorbente serían grandes si no se hiciera nada para reducirlas, como puede ser el colocarlo en el interior de una caja, con aislamiento detrás del mismo y con una cubierta transparente. Esta disposición simple se conoce como captador solar plano.

A partir de éste se han ido desarrollando varias tecnologías con el fin de aumentar el rendimiento del captador en un mayor rango de temperaturas de trabajo, siendo las derivadas del captador solar plano las más sencillas, maduras y económicas, haciendo que su utilización sea buscada siempre que la temperatura de trabajo lo permita.

Pueden considerarse dos tipos principales de captadores solares para la producción de calor industrial: � Captadores estacionarios. Estos captadores no utilizan ningún mecanismo para seguir al

sol. Pueden producir calor a temperaturas bajas y medias hasta 150 ºC. A este grupo pertenecen los captadores planos, los captadores de tubos de vacío y los concentradores tipo CPC.

� Captadores cilindro-parabólicos. Estos son captadores con seguimiento solar en un eje, utilizados tanto en las plantas de calor de proceso solar como en las grandes centrales solares térmicas para generación de electricidad. Pueden obtenerse temperaturas de hasta 400 ºC.


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La selección del tipo de captador adecuado depende principalmente de la temperatura de trabajo deseada y de las condiciones climáticas. El rendimiento de un captador solar disminuye a medida que aumenta la temperatura del fluido o que disminuye la radiación solar disponible. En la figura 2.3 se muestra una representación del rendimiento instantáneo de distintas tecnologías de captación.

4.4.- PAUTAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA VIABILIDAD DE IMPLANTACIÓN

DE UN SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR A UN PROCESO INDUSTRIAL No todos los procesos industriales consumidores de energía calorífica reúnen las

condiciones óptimas para que la incorporación de una instalación solar térmica al mismo resulte rentable. Existen varios factores a tener en cuenta que influirán en la viabilidad del sistema solar y que se describen a continuación:

Nivel térmico del proceso El nivel térmico del proceso industrial a evaluar dictará la temperatura de trabajo del campo

de captadores. Si se pretende cubrir toda la demanda térmica del proceso se tendrá que esta temperatura será, al menos, 10 ºC superior al nivel térmico requerido por el proceso. Si únicamente se pretende realizar un calentamiento de fluido o baño, la temperatura de trabajo del campo de captadores podrá ser menor que la temperatura de proceso.

El calor solar a temperaturas de trabajo superiores a 150 ºC resulta técnicamente viable, pero no siempre económicamente viable debido a los costes de sistema actuales.


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Las mejores aplicaciones serán las que no precisen temperaturas mayores de 60 ºC. Continuidad de la demanda Lo ideal para el abaratamiento de la instalación del sistema solar es que no precise

acumulación. Esto requiere no sólo una demanda continua de energía térmica, sino que ésta se de en las horas de generación solar, lo que no suele ser habitual.

A partir de ahí, el almacenamiento se hace necesario. Cuanto mayor sea el desfase entre generación y consumo mayor volumen de acumulación será necesario y menor viabilidad económica tendrá nuestro sistema.

Combustible fósil utilizado Otro factor a tener en cuenta a la hora de evaluar la viabilidad de la instalación solar será el

combustible fósil utilizado en el proceso industrial y cuyo consumo se verá reducido gracias a ésta.

Cuanto mayor sea el coste del combustible y la contaminación que produzca, mayor será el interés de la incorporación del sistema solar al proceso.

Elección del tipo de captador y posibilidad técnica Dependiendo del nivel de temperatura requerido por el proceso se elegirá una tecnología de

captación u otra. La siguiente tabla nos da una orientación a la hora de realizar la elección.

Tabla 4.2- Selección de tipos de captador solar por temperaturas de trabajo.


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Otro factor importante a tener en cuenta es la posibilidad técnica de incorporación de todos los elementos constituyentes del sistema solar al proceso industrial.

Lo primero a estudiar será la posibilidad de acoplar el sistema solar al equipo existente o circuito de suministro de calor, ya que en algunos casos esto no resulta una tarea sencilla.

En cuanto a la superficie de captación se refiere, el tipo de captador mejor adaptable es el captador solar plano en todas sus variantes al no llevar seguidor y, por tanto, contar con una estructura mucho más sencilla. Éste puede ubicarse en cubiertas inclinadas (integrándose arquitectónicamente en algunos proyectos), lo que permite un aprovechamiento íntegro de la superficie existente. Casos en los que la temperatura de trabajo sea demasiado alta para la instalación de estos últimos, estarán mucho más limitados por el espacio disponible.

Gran parte de las instalaciones precisan disponer de un volumen de acumulación cuya ubicación ha de contar con espacio suficiente y estar lo más cercana posible al campo de captación y al punto de aplicación.

Situación geográfica favorable Según el nivel de radiación de la zona en la que se pretenda instalar el sistema solar

cobrarán mayor o menor importancia el resto de factores, principalmente la temperatura de trabajo, que en zonas de baja radiación no deberá ser excesivamente alta debido a que las pérdidas de calor aumentarían demasiado.


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5.- ESTUDIO DE LA VIABILIDAD DE IMPLANTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN LA EMPRESA EMBUTIDOS POSTIGO. Después de consultar y proponer a diferentes empresas la participación en este proyecto, la

opción más interesante resultó ser la de Embutidos Postigo, matadero de porcino y productor de jamones en Cantimpalos (Segovia), ya que presentaba un amplio rango de posibles aplicaciones además de un gran interés por parte del propietario en que se desarrollara el estudio de la instalación solar.

El objetivo de este estudio ha sido evaluar la aplicación de la energía solar térmica de baja temperatura a todos los procesos industriales de dicha empresa que tengan un consumo de calor, con el fin de conseguir el máximo ahorro energético posible.

La empresa de Embutidos Postigo se encuentra situada en la localidad de Cantimpalos, provincia de Segovia, y está dedicada a la matanza de ganado porcino y a la producción de jamones, tanto blancos como ibéricos.

Se pretende ubicar el campo de captadores sobre las aguas Sureste de las cubiertas inclinadas de dos de las naves que componen el matadero. La inclinación de las mismas es de un 10 %. Al no tener una pendiente suficientemente pronunciada los captadores irán sobre sus estructuras características con una inclinación óptima de 45º (en caso contrario se intentaría conseguir una integración arquitectónica).

La estructura de la cubierta será capaz de soportar la carga a mayores de 50 kg/m2 introducida por los captadores una vez instalados y en funcionamiento, debido al factor de seguridad utilizado en el cálculo tanto de cerchas como de correas.

La sala de máquinas no tiene problemas de ubicación ya que según la información proporcionada por el propietario se cuenta con espacio disponible en la planta baja del secadero, con una altura aprovechable de 5 metros y accesibilidad para introducir los depósitos en el mismo.

A partir de aquí se pasarán a describir los procesos industriales llevados a cabo en el matadero y con un consumo de calor a baja temperatura.


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5.1.- DESCRIPCIÓN DE LAS NECESIDADES ENERGÉTICAS DEL MATADERO En el matadero existen dos zonas a diferenciar: la zona donde se lleva a cabo la matanza

del cerdo y la zona en la que se realiza el curado y el secado del jamón. La matanza consta de los siguientes procesos: aturdimiento mediante descarga eléctrica,

sangrado, escaldado, pelado, quemado en horno, lavado a temperatura ambiente y despiece. Se realiza dos veces a la semana (lunes y miércoles) y dura de tres a cuatro horas.

De todos estos procesos los que consumen energía térmica son el escaldado y el quemado en el horno.

El escaldado consiste en sumergir al cerdo en una cuba de agua a 62 ºC, durante un cierto recorrido, para lograr el reblandecimiento de su piel y así facilitar su posterior pelado.

Para proporcionar la energía suficiente para este proceso existe una caldera de vapor con quemador de gas natural.

La cuba tiene un volumen de 12.000 litros, que hay que calentar desde la temperatura de red hasta los 62 ºC necesarios para realizar el proceso, además de mantener esa temperatura durante el tiempo que dure la matanza.

Encima de la cuba están situados dos depósitos de acero inoxidable, de 5.000 litros cada uno, que albergan casi la totalidad del agua de primer llenado de la cuba.

Figura 5.1- Cuba de escaldado y depósitos de acumulación


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Los cerdos ya pelados o procedentes directamente del sangrado, pasan por el horno de quemado para terminar su preparación.

Este horno es un quemador de propano con varias boquillas como puede observarse en la figura 5.2, y genera una cantidad de calor importante (más aún cuando los cerdos no han pasado por el pelado, ya que en este caso se cuenta con el poder calorífico del pelo de los mismos).

En estos momentos en el matadero se recupera el calor generado en el horno, haciendo pasar una red de tubos por el interior del mismo (como puede observarse en la figura 5.2). Por esta red de tubos circula agua de red que llega a ser calentada hasta una temperatura de 70 ºC. Al finalizar la matanza, se obtienen un total de 3.500 litros, a 70 ºC de temperatura, gracias a esta recuperación energética.

Cuando la matanza ha terminado, se tienen 12.000 litros de agua sucia a una temperatura de 62 ºC en la cuba de escaldado.

En vez de tirarse directamente, se recupera el calor residual contenido en la cuba haciendo pasar esta agua sucia por un intercambiador de calor (que podemos ver en la figura 5.3), por el que pasa a contracorriente agua de red, que llega a ser calentada hasta 40 ºC, obteniendo un volumen total de agua a esa temperatura de 4.500 litros.

Figura 5.2- Horno con recuperación de calor

Figura 5.3- Intercambiador de calor agua de la

cuba-agua de red


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La preparación del jamón para su consumo consta de las siguientes etapas: salado, secado y curado.

De todas estas etapas es la del curado del jamón en la que existe una posible aplicación de la energía solar. En ella el jamón se traslada a unos recintos, denominados bodegas, en los que permanece de 1 a 3 años a una temperatura de entre 18 y 20 ºC, óptima para su desarrollo.

En la actualidad, el matadero cuenta con 4 calderas de propano, que atienden las necesidades de calefacción de las bodegas y que utiliza un sistema de fan-para distribuir la energía producida.

En los meses de verano, a pesar de que la temperatura supera la adecuada para la cura del jamón, las salas no se refrigeran debido al gasto que esto supondría.

A las necesidades energéticas descritas se suma un consumo de agua caliente sanitaria, destinado al aseo de los empleados y a la limpieza y desinfección de recintos y útiles de trabajo.

Ambas se dan a una temperatura de 45 ºC, muy favorable para ser cubierta mediante energía solar.

5.2.- PUNTOS DE POSIBLE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Los puntos de aplicación que han pretendido ser cubiertos mediante energía solar térmica en

este proyecto se describen a continuación: Escaldado: Para calentar el total del agua de primer llenado de la cuba de escaldado a la temperatura de 62

ºC, se ha estudiado calentar el volumen de agua suficiente para completar el llenado de los depósitos hoy existentes (un total de 10.000 litros) y los 2.000 litros restantes de agua necesarios para completar el llenado de la cuba. La temperatura a la que habrá que calentar esta agua será tal que al mezclarla con el agua previamente calentada en la anterior matanza por los procesos de recuperación de calor, todo el volumen adquiera la temperatura de 62 ºC deseada.

A esta aplicación se la denominará Agua Caliente Industrial o A.C.I.


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Etapa de curado: Es en la etapa de curado en la que más energía se invierte, y por tanto mayor inversión

económica se realiza. Se ha estudiado la incorporación del sistema solar al actual sistema de calefacción, convirtiendo

el conjunto de calderas existentes hoy en día en el sistema auxiliar, que sólo entrará en funcionamiento cuando sistema solar no sea capaz de dar el aporte suficiente.

Además, para favorecer el curado del jamón y con el fin de aprovechar la energía excedente que se produciría en los meses de verano por el sistema solar de sólo tener la calefacción como aplicación, se ha incorporado la máquina de absorción de simple efecto con agua caliente como fuente de energía, que permitirá mantener la temperatura óptima de curado del jamón en los meses de verano.

Esta aplicación de refrigeración estaba prevista por el matadero antes de ser propuesta la instalación de energía solar.

Esta aplicación será denominada de Climatización, pudiendo hacerse distinción entre Calefacción y Refrigeración.

Consumo de agua caliente sanitaria: Además de todos los procesos descritos anteriormente existe en el matadero un consumo de

agua caliente sanitaria dedicado al aseo de los empleados y a la limpieza y desinfección de los recintos interiores. Este consumo se realiza a unos 45 ºC, y asciende aproximadamente a los 1.000 litros.

Esta aplicación será la de Agua Caliente Sanitaria o A.C.S. 5.3.- DIMENSIONADO Y DISEÑO DE LA INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR

TÉRMICA El dimensionado y diseño de la instalación de Energía Solar Térmica ha sido realizado según se

indica en el Proyecto Fin de Carrera que aquí se resume, habiéndose obtenido los siguientes resultados de demanda energética, superficie de captación y volumen de acumulación necesarios y aporte conseguido por la instalación solar:


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DEMANDA ENERGÉTICA La demanda de energía térmica de cada aplicación se muestra en la siguiente tabla:

ANÁLISIS DETALLADO POR MESES

(Datos de energía en kWh) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total Demanda mensual de energía (A.C.S.): 1.385 1.251 1.310 1.195 1.160 1.051 1.011 1.011 1.051 1.160 1.195 1.310 14.091 Demanda mensual de energía (A.C.I.): 2.921 2.638 2.839 2.668 2.674 2.508 2.510 2.510 2.508 2.674 2.668 2.839 31.956

Demanda mensual de energía (Climat.): 47.563 38.744 36.362 30.672 19.871 14.993 20.461 19.071 14.033 21.427 35.189 44.140 342.527

Demanda mensual de energía (Total): 51.869 42.634 40.511 34.535 23.706 18.552 23.981 22.592 17.591 25.262 39.052 48.289 388.574 Tabla 5.1- Análisis detallado de la demanda mensual de calor.

SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y VOLUMEN DE ACUMULACIÓN Se dispondrán un total de 160 captadores de alto rendimiento (debido a las altas temperaturas

que se pretenden conseguir), equivalentes a una superficie útil de captación de 300,8 m2. La orientación de dichos captadores será de 20,6 º de desviación del Sur hacia el Este, y su inclinación será la óptima de 45º, al ser las pendientes de las cubiertas donde se pretenden instalar los captadores demasiado suaves (10 y 15 %) para la integración de los mismos.

El volumen de acumulación para cada aplicación será el siguiente: � Para Agua Caliente Sanitaria se fija un volumen de acumulación solar de 1.000 litros para

hacer frente a la demanda diaria de 1040 litros. � Para Agua Caliente Industrial se fija un volumen de acumulación de 8.000 litros para

hacer frente a la demanda en los 2 días de llenado semanal de la cuba de 4.000 litros. � Para Climatización se fija un volumen que permita acumular la energía correspondiente al

aporte máximo diario, de tal forma que exista ese acumulador en el mercado. En este caso, el volumen de acumulación solar para climatización será de 10.000 litros.

APORTE ENERGÉTICO Los datos de aporte energético obtenido con dicho número de captadores solares, así como la

cobertura conseguida para cada aplicación con dicho aporte, quedan reflejados en la tabla y gráfico siguientes:


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ANÁLISIS DETALLADO POR MESES

(Datos de energía en kWh) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total Demanda mensual de energía (Total): 51.869 42.634 40.511 34.535 23.706 18.552 23.981 22.592 17.591 25.262 39.052 48.289 388.574

Aporte solar mensual A.C.S.: 1.385 1.251 1.310 1.195 1.160 1.051 1.011 1.011 1.051 1.160 1.195 1.310 14.091 Fracción solar media A.C.S: 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% Aporte solar mensual A.C.I.: 2.921 2.638 2.839 2.668 2.674 1.448 722 1.271 1.607 2.674 2.668 2.839 26.968 Fracción solar media A.C.I.: 100% 100% 100% 100% 100% 58% 29% 51% 64% 100% 100% 100% 84%

Aporte solar mensual Climatización: 9.033 12.387 17.130 16.543 15.267 14.993 20.461 19.071 14.033 12.829 10.590 6.966 169.302 Fracción solar media Climatización: 19% 32% 47% 54% 77% 100% 100% 100% 100% 60% 30% 16% 49%

Aporte solar mensual (Total): 13.339 16.277 21.279 20.406 19.102 17.492 22.193 21.353 16.690 16.663 14.453 11.114 210.360 Fracción solar media (Total): 26% 38% 53% 59% 81% 94% 93% 95% 95% 66% 37% 23% 54%

Rendimiento de la instalación: 59,5%

Tabla 5.2- Resumen del aporte conseguido mediante el sistema solar. Rendimiento del sistema.

APORTE TOTAL DE CALOR

0

200400

600

8001.000

1.200

1.400

1.6001.800

2.000

Ene Feb Mar

AbrM

ay Jun Ju

lAgo Sep Oct

Nov Dic

(kW

h/dí

a)

Demanda de calor Aporte del sistema solar

Figura 5.1- Comparación entre la demanda total de calor y

el aporte proporcionado por la instalación solar.

Se puede observar como el aporte de calor total es prácticamente el mismo o incluso mayor en los meses de Marzo y Abril que en los meses de Julio y Agosto, en los que las temperaturas ambiente son mayores. Esto es debido a que en los meses con demanda de refrigeración la temperatura de acumulación es de 85 ºC, para la cual el rendimiento de los captadores es menor que para la temperatura de acumulación en el resto de los meses de 45 ºC.


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Las coberturas conseguidas para cada aplicación dependen del sistema de control. En esta instalación el orden de preferencia ha sido el siguiente: agua caliente sanitaria (ACS), agua caliente para el proceso de escaldado (ACI) y climatización.

A la hora de realizar el aporte de calor para el proceso de escaldado existe un problema: el aporte solar diario para esta aplicación no está calculado para alcanzar la temperatura que demanda la aplicación cada día, sino para elevar la energía calorífica del depósito en una cantidad determinada. Para resolverlo se ha decidido realizar un aporte desequilibrado durante la semana:

El control hará pasar el fluido caloportador por el intercambiador de esta aplicación cuando las sondas de temperatura de ambos depósitos estén por debajo de la temperatura de consigna. Hasta que uno de ellos no alcance dicha temperatura, la aplicación de climatización no recibirá ningún aporte, pero en el resto de los días será al contrario, y toda la energía captada por el sistema solar (excepto la necesaria para cubrir el ACS) irá destinada a climatización, consiguiéndose así los aportes descritos en la tabla 5.2.

Esta temperatura de consigna variará según las condiciones de temperatura exterior, ya que para saltos de temperatura demasiado altos el rendimiento del captador se anula. El sistema de control estará preparado para impedir que esto ocurra.

En los meses de verano en los que la demanda diaria se cubre prácticamente al 100 %, el orden de preferencia descrito dañaría el sistema ya que la aplicación de ACI no consumiría su parte de energía ciertos días de la semana, provocándose un excedente de calor que no sería posible evacuar. Para evitar esto en dichos meses se cambiará el orden de preferencia, cubriendo en un primer lugar (después del ACS) la aplicación de climatización y, en un segundo, la aplicación de ACI.

Los resultados anuales de la evaluación de la instalación solar proyectada de acuerdo con el método de cálculo utilizado son:

DATOS TOTALES ANUALES

Demanda anual de energía: 388.574 kWh Aporte solar anual: 210.360 kWh ( 699,15 kWh/m2)

Fracción solar: 54,14 % Superficie útil de captación: 300,8 m2 Volumen de acumulación: 19.000 litros

Rendimiento de la instalación 59,5 % Tabla 5.3- Resumen de los datos más significativos de la instalación solar.


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5.4.- ESTUDIO ECONÓMICO DE LA INSTALACIÓN Con objeto de realizar un estudio económico completo de la implantación de la instalación solar

se han considerado dos supuestos: 1) Instalación del sistema de frío no planificada por el matadero. En este caso se entiende el sistema de frío como una mejora adicional en el proceso de curado

del jamón pero no necesaria, por lo que el coste de la instalación incluirá el sistema de frío y el ahorro conseguido será únicamente el ahorro de calefacción en los meses de Octubre a Mayo.

2) Instalación del sistema de frío planificada por el matadero. En realidad el matadero tenía prevista la instalación de un sistema de frío a corto plazo antes de

que el proyecto de la instalación solar fuera propuesto. En estas circunstancias al coste total de la instalación habría que descontarle el coste de un sistema de frío convencional (gasto que el matadero iba a asumir igualmente), y el ahorro conseguido incluirá tanto el aporte de calefacción como el de frío y a lo largo de todo el año.

En este resumen se tratará el caso que más se acerca a la realidad según la información cedida por el dueño de la empresa en el que la instalación del sistema de frío sí estaba planificada por el matadero. 5.4.1.- Coste de la instalación

El coste total de la instalación sin IVA es de 192.506,28 €. A este coste habrá que descontarle el coste de un sistema de frío convencional capaz de aportar

la máxima potencia frigorífica necesaria, vista en el Proyecto, de 36.760 frig/h. El coste de dicho sistema se estima en unos 30.000 €, luego el coste real de la instalación será de 162.506,28 €. 5.4.2.- Ahorro económico

El ahorro económico total conseguido por la instalación solar asciende a 14.216 €, dependiendo éste del precio de los combustibles empleados para cubrir las necesidades de cada aplicación. 5.4.3.- Líneas de ayuda para la instalación proyectada

Existen líneas de ayuda tanto para el sistema solar térmico como para el sistema de frío (que en la actualidad no se contempla como parte de la instalación solar). A continuación se muestra un resumen de cálculo de la inversión neta final después de aplicar las subvenciones existentes:


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COSTE DE LA INSTALACIÓN (CI) : 162.506 € SUBVENCIÓN CASTILLA Y LEÓN (20% IESISTEMA SOLAR) : 24.064 € SUBVENCIÓN IDAE A LÍNEA S.6 (30% CRSISTEMA SOLAR). : 44.015 € SUBVENCIÓN IDAE A LÍNEA E.2.3 (10% CRSISTEMA FRÍO) : 4.527 €

TOTAL SUVBENCIÓN (37,8 %) : 72.606 € INVERSIÓN NETA FINAL (IE – SUBV.) : 89.900 €

Tabla 5.4- Resumen de cálculo de la inversión neta final. IE: Inversión Elegible.. CR: Coste de Referencia

5.4.4.- Periodo de amortización de la inversión. A continuación se muestra una tabla resumen del cálculo del periodo de retorno de la inversión:

COSTE DE LA INSTALACIÓN : 162.506 € TOTAL SUBVENIÓN (44,68 %) : 72.606 €

INVERSIÓN NETA : 89.900 € AHORRO ANUAL : 14.216 €

PERIODO DE RETORNO (I.N. / AHORRO) : 6 años y 4 meses Tabla 5.5- Resumen de cálculo del periodo de retorno simple de la inversión.

La inversión es recuperada en un tiempo de 6 años y 4 meses a partir de los cuales la energía generada por el sistema solar significará un gran ahorro para la empresa.

5.5.- ESTUDIO DEL IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Este estudio es quizás el menos importante para el cliente, pero desde el punto de vista del

cumplimiento de los objetivos marcados para el año 2.012 en el Protocolo de Kyoto, es un aspecto de gran interés.

El ahorro total de emisiones de CO2 conseguido por la instalación solar asciende a 57.175 Toneladas anuales, siendo la aplicación de climatización la que mayor ahorro supone debido a que el combustible utilizado en esta aplicación es el más contaminante.


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6.- CONCLUSIONES Una vez finalizado el proyecto ha sido posible afirmar que se ha alcanzado el principal objetivo

del mismo, consistente en la realización de un profundo análisis de la viabilidad de aplicación de la energía solar térmica de baja temperatura en el sector industrial, comprobando que: � La tecnología de captación más sencilla (tanto en su instalación como en su mantenimiento),

madura y más capacitada para aprovechar el espacio disponible es el captador solar plano, siendo su única limitación el rango de temperaturas de trabajo que en la actualidad no es recomendable que supere los 90 ºC.

� Los factores más influyentes en la viabilidad de un sistema solar son: el rango de temperaturas de trabajo, las discontinuidades en la demanda y el nivel de radiación solar disponible.

� La industria con mayores posibilidades de implantación de energía solar térmica es la alimentaria, con más de un 90 % de su consumo de calor a temperaturas por debajo de los 60 ºC.

Se ha dimensionado y diseñado completamente una instalación solar para una actividad industrial concreta: matanza de porcino y producción de jamones, con las siguientes aplicaciones: � Agua caliente sanitaria, tanto para uso de los trabajadores como para limpieza y

desinfección de espacios y útiles de trabajo. � Calor para un proceso industrial específico: el escaldado. � Climatización de bodegas para el correcto curado del jamón, que engloba las aplicaciones

de: � Calefacción � Refrigeración mediante la máquina de absorción de simple efecto alimentada con

calor producido por el sistema solar. Además, se ha comprobado la viabilidad tanto técnica como económica de dicha instalación

solar, así como los beneficios medioambientales derivados de la misma, siendo los resultados más significativos los que se muestran a continuación: � Ha sido posible el acoplamiento del sistema solar tanto a las instalaciones como a los

sistemas existentes.


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� La cobertura solar alcanzada ha sido de un 54 % del total de la demanda de las distintas aplicaciones.

� El periodo de amortización de la inversión se sitúa en 6 años y 4 meses a partir de los cuales el ahorro conseguido se convierte en un ingreso para la empresa.

� Se ha conseguido evitar la emisión de más de 57 toneladas de CO2 a la atmósfera por año. Haciendo una valoración global de todo el proyecto, se puede concluir que una ampliación de las

aplicaciones de la energía solar térmica de baja temperatura hasta el ámbito industrial generaría no sólo una gran mejora en cuanto al ahorro de combustibles fósiles y de emisiones nocivas emitidas al ambiente se refiere, sino también un ahorro económico muy atractivo por hacer más viables los procesos industriales.

“ESTUDIO DE LA VIABILIDAD DE IMPLA NTACIÓN DE LA ENERGÍA ... · El aprovechamiento energético...

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