MERCADO POTENCIAL EN ESPAÑA Y APLICACIONES EN TECNOLOGÍAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN DE

MEDIA TEMPERATURA

Isidoro Lillo Bravo

Grupo de Termodinámica y Energías Renovables

Universidad de Sevilla

3-Octubre-2015

I SIMPOSIO TECNOLOGÍAS TERMOSOLARES DE CONCENTRACIÓN

SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE FUTURO

2

ÍNDICE

1.- INTRODUCCIÓN

2.- OBJETIVO

3.- METODOLOGÍA

4.- RESULTADOS

5.- OTRAS CONSIDERACIONES

6.- ACCIONES RECOMENDADAS

7.- CONCLUSIONES

ÍNDICE

3

¿ENERGÍA SOLAR?

EMPRESARIO: - SATISFACER NECESIDAD CON GARANTIAS- MINIMIZAR COSTES

ESTADO/SOCIEDAD: - SEGURIDAD - SOSTENIBILIDAD:

- EMISIONES (CO2)

- NO DEPENDENCIA ENERGÉTICA

- EMPLEO

- OBJETIVOS 2020

MARCO NORMATIVO

TECNOLOGÍAS SOLARES

TECNOLOGIAS CONVENCIONALES

COSTES INVERSIÓNCOSTES OPERACIÓN (COMBUSTIBLES)

¿Qué hacer?

INTRODUCCION

Impuestos

4

CAMPO SOLAR

ESQUEMA INSTALACIÓN

FRESNEL

TUBOS DE VACÍO

CP

INTRODUCCION

5

Fuente: IDAE

SISTEMA SOLAR PARA CALENTAMIENTO INDIRECTO DE FLUIDOS

INTRODUCCION

6

APLICACIONES

INTRODUCCION

Fuente: Ritter XL SOLAR

CLIMATIZACIÓN CENTRO COMERCIALESTAMBUL (TURQUÍA)

• Climatización para superficie de 30000m2

mediante sistema de absorción• Campo solar de 1200 colectores de tubo devacío

7

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROSSEVILLA (ESPAÑA)

• Genera parte de la climatización que se demanda en el edificio•Máquina de refrigeración: Sistema de absorción de doble efecto con ciclo LiBr/H2O •Campo solar: 352m2

•Potencia de refrigeración: 174 kW•Potencia de calefacción: 135 kW

EMPRESA GRASAS DEL GUADALQUIVIRCÓRDOBA (ESPAÑA)

• La energía térmica generada en la instalación solar se emplea en el proceso industrial de elaboración grasas.•Producción energética de 63000 kWh anuales.

APLICACIONES

INTRODUCCION

8

LESAENGADIN (SUIZA)

EMMISAIGNELÉGIER (SUIZA)

MINERA EL TESORODESIERTO DE ATACAMA

(CHILE)

•La energía térmica generadamediante la instalación solar seemplea en el proceso decalefacción de la industria•Captador PolyTrough1800, canalparabólico de tamaño reducido

•La instalación solar suministravapor industrial necesario en laactividad minera.•Campo solar de 1280colectores de canal parabólico• Incorpora sistema dealmacenamiento de energíatérmica.

•La energía térmica generada enla instalación solar se emplea engenerar vapor que se inyecta enla red ya existente en la industria•Captador PolyTrough1200 canalparabólico de tamaño reducido

APLICACIONES

INTRODUCCION

9

EMPRESA DE DISTRIBUCIÓN FARMACÉUTICA HEFAME

MURCIA (ESPAÑA)

CLIMATIZACIÓN AEROPUERTOGINEBRA (SUIZA)

• Campo solar: 1200m2

282 colectores UHV-SRB Energy• Fluido caloportador : Aceite (hasta 130°C)• Energía anual producida (calor) : 70MWh• Energía anual producida (frío): 300MWh

• Proyecto MEDICOOL (Programa LIFE+)• Climatización de naves de almacenamiento de productos farmacéuticos con requerimientos especiales de temperatura• Campo solar: 3600m2

APLICACIONES

INTRODUCCIÓN

Fuente: SRB Energy

10

PROCESOS A NIVEL INDUSTRIAL, RESIDENCIAL

O TERCIARIO

ENERGÍA SOLAR

TÉRMICA

MERCADO GLOBAL EN EUROPA

INTRODUCCION

Fuente: European Commission, “Heating and Cooling in the European Energy Transition. Challenges and Facts”. Brussels, 2015,”

11INTRODUCCIÓN

MERCADOS OBJETIVOINDUSTRIA PROCESO RANGO DE TEMPERATURA (°C)

LácteaEsterilización

Secado100-120120-180

Comida enlatada Esterilización 110-120

TextilSecado, desengrasado

Fijado100-130160-180

Papel Blanqueo 130-150

Química

JabonesCaucho sintéticoCalor de proceso

Petróleo

200-260150-200120-180100-150

Subproductos de la madera Preparación de pulpa 120-170Desalinización Fluido caloportador 100-250

Minera

SecadoFundición del concentrado

Calentamiento de solucionesLavado

100-400

Plásticos

PreparaciónDestilaciónSeparaciónExtensión

SecadoMezclado

120-140140-150200-220140-160180-200120-140

Tratamiento térmico Revenido medio 350-450

Refrigeración Máquina de absorción de doble

efecto120-190

12SITUACION ACTUAL

- Diferentes tecnologías, en evolución.

- Diferentes niveles térmicos en los procesos industriales: Climatización.

- Climas muy diferentes.

- Son las tecnologías solares que han tenido menos aplicación comercial hasta ahora.

- Existe un nicho de mercado en procesos industriales y climatización para estas tecnologías.

SITUACION ACTUAL

13

OBJETIVO

ESTIMACIÓN COSTE GENERACIÓN TÉRMICA CON TECNOLOGÍAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN-ENERGIA

CONVENCIONAL

¿EMPLEAR ENERGÍA SOLAR EN

LUGAR DE CONVENCIONAL?

2015

OBJETIVO

14

AMBITO

METODOLOGÍA

EMPLAZAMIENTO

TECNOLOGÍATUBO

DEVACÍO

12 EMPLAZAMIENTOS (I---V)

FRESNEL CANAL PARABÓLICO

SUPERFICIE DEL CAMPO SOLAR

(m2)

50 -2000 100-15000 100-15000

TEMPERATURA MEDIA DEL FLUIDO DE

TRABAJO (°C)

100-125-150 170-220 350

GAS NATURAL: I1-I6 ELECTRICIDAD: IA-IG GASÓLEO

Fuente: EUROSTAT Fuente: Oil Bulletin

FUEL OIL

+/- 15%

COSTES

+/- 30%

15

HIPÓTESIS PRINCIPALES

METODOLOGÍA

1. El proceso industrial demanda un solo nivel térmico (100-350ºC).

2. Rendimiento del sistema de almacenamiento e intercambio: 81% (90% cada uno)

3. No se ha considerado degradación ni ensuciamiento de instalación solar.

4. Dentro del PAS (100%, 75%, 50%) se incluye no disponibilidad de la instalación.

5. Tubos vacío: Latitud del lugar, Sur.

6. Fresnel y CP: Orientación N/S.

7. Tasa actualización: 3%

8. 1 kWe se ha considerado igual a 1 kWht en el sector eléctrico.

9. Costes energía fósil sin IVA, ni impuestos ni gravámenes.

10.Tres escenarios de evolución del precio de combustibles fósiles 10 años y 20 años.

16

RECURSO SOLAR PARA CADA EMPLAZAMIENTO (datos horarios)

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA DE LA INSTALACIÓN SOLAR

ESTIMACIÓN DEL COSTE TOTAL DEL kWht SOLAR PARA 10 Y 20 AÑOS

ESTIMACIÓN DEL COSTE TOTAL DEL kWht COMBUSTIBLE CONVENCIONAL

PARA 10 Y 20 AÑOS.

METODOLOGÍA

METODOLOGÍA

17

DIFERENCIAS EMPLAZAMIENTOS:

32% - RADIACIÓN GLOBAL HORIZONTAL48% - RADIACIÓN DIRECTA NORMAL

EMPLAZAMIENTOS SELECCIONADOS

Fuente: Meteonorm (V.7.1.4)

METODOLOGÍA

SENSIBILIDAD: RECURSO SOLAR ± 15%

18

Hg0_anual=1926 kWh/m2

Hg0_mensual,máx=257 kWh/m2

Hg0_mensual,min=75 kWh/m2

Relación=3.4 veces

RADIACIÓN GLOBAL

Hg37_anual=2241 kWh/m2

Hg37_mensual,máx=233 kWh/m2

Hg37_mensual,min=138 kWh/m2

Relación=1.7 veces

Hg60_anual=2059 kWh/m2

Hg60_mensual,máx=194 kWh/m2

Hg60_mensual,min=145 kWh/m2

Relación= 1.3 veces

METODOLOGÍA

PAS = 100%, 75%, 50%

19

Hbn_anual= 2328 kWh/m2

Hbn_mensual,máx = 298 kWh/m2

Hbn_mensual,min = 122 kWh/m2

Relación= 2.4 veces

Hbn·cos(ang inc)_anual=2039 kWh/m2

Hbn·cos(ang inc)_mensual,máx = 292 kWh/m2

Hbn·cos(ang inc)_mensual,min = 87 kWh/m2

Relación= 3.4 veces

METODOLOGÍA

RADIACIÓN DIRECTA NORMAL-PLANO

PAS = 100%, 75%, 50%

20

ŋ0: 0.63; a1: 0.86 ; a2: 0.01 W/m2K2

Fuente: Catálogos comerciales

CURVA DE RENDIMIENTO: TUBOS DE VACÍO

METODOLOGÍA

21

Ibc: Radiación directa normal incidente en el captador [W/m2]

Fuente: IDAE

METODOLOGÍA

CURVA DE RENDIMIENTO: FRESNEL

ŋ0: 0.576; c1: 0.000 ; c2: 0.0004 W/m2K2

22

RENDIMIENTO CANAL PARABÓLICO

Fuente: La electricidad solar térmica, tan lejos, tan cerca

METODOLOGÍA

f(Sc, Ibn, Φ) F(ζtrack, 17,2; 5,76)

Esalida_campo_solar=Esolar_incidente · Fs · kmod· Fensuciamiento(0,95)· ŋópt,pico(0,81)·ŋtérmico (0,93)·Δt

f(Φ)

23

TUBOS DE VACÍO – SEVILLA – 50m2 – 100°C

METODOLOGÍA

PRODUCCIÓN ENERGÍA TÉRMICA: 1000 kWh/m2

ŋCS=45% ŋI=36,5%

24METODOLOGÍA

FRESNEL– SEVILLA – 100m2 – 170°C

PRODUCCIÓN ENERGÍA TÉRMICA: 1127 kWh/m2

ŋCS=48% ŋI=39%

25METODOLOGÍA

CANAL PARABÓLICO– SEVILLA – 100m2 – 350°C

PRODUCCIÓN ENERGÍA TÉRMICA: 1133 kWh/m2

ŋCS=49% ŋI=39,7%

26METODOLOGÍA

INFLUENCIA DEL EMPLAZAMIENTO Y TEMPERATURA DE USO

27

EN EL AÑO 10 SE INCLUYE UN COSTE DE REPOSICIÓN DEL 10% INVERSIÓN

SENSIBILIDAD COSTES DE ± 30%

COSTES DE LA INSTALACIÓN SOLAR

METODOLOGÍA

28

COSTE GENERACIÓN UNIDAD ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

METODOLOGÍA

EMPLAZAMIENTO: SEVILLA

29

TUBOS DE VACÍO – APROVECHAMIENTO 100% - 20 AÑOS

METODOLOGÍA

T=100°C T=125°C T=150°C

INFLUENCIA DEL EMPLAZAMIENTO Y TAMAÑO

30METODOLOGÍA

FRESNEL – APROVECHAMIENTO 100% - 20 AÑOS

T=170°C T=220°C

INFLUENCIA DEL EMPLAZAMIENTO Y TAMAÑO

31METODOLOGÍA

CP – APROVECHAMIENTO 100% - 20 AÑOS

T=350°C

INFLUENCIA DEL EMPLAZAMIENTO Y TAMAÑO

32METODOLOGÍA

ESCENARIOS DE EVOLUCIÓN DE COSTES

GAS NATURAL ELECTRICIDAD GASÓLEO

Fuente: EUROSTAT Fuente: Oil Bulletin

FUEL OIL

33METODOLOGÍA

COSTE DEL kWht SEGÚN FUENTE ENERGÉTICA CONVENCIONAL

Difmáx: 8,7 veces; Gas: 60% reducción; Electricidad: 473% reducción.

34

COMPARACIÓN – SEVILLA – APROVECHAMIENTO 100% - 10 AÑOS

RESULTADOS

35

COMPARACIÓN – SEVILLA – APROVECHAMIENTO 100% - 20 AÑOS

RESULTADOS

36

TASA INTERNA DE RETORNO DE LA INSTALACIÓN SOLAR

EJERCICIO

SEVILLA - PAS 100% - ESCENARIO MEDIO10 AÑOS

37

TASA INTERNA DE RETORNO DE LA INSTALACIÓN SOLAR

EJERCICIO

SEVILLA - PAS 100% - ESCENARIO MEDIO20 AÑOS

38

¿SOLO COSTES?

OTRAS CONSIDERACIONES

GARANTÍAS: FIABILIDAD, DURABILIDAD

DISEÑO:

Características y calidad de los materiales y equipos , incluidos los

“pequeños” (rangos de temperatura).

Redes de distribución energética adecuada (trazados, pérdidas de

carga y térmicas, dilataciones, equilibrado…).

Control de la instalación solar y energía auxiliar.

MONTAJE:¿Se corresponde con el diseño?

Justificar las modificaciones

39OTRAS CONSIDERACIONES

PUESTA A PUNTO¿Se corresponde con el diseño?

Justificar las modificaciones

(Ej. Puesta a punto concentrador, control seguimiento, bombas, …)

MANTENIMIENTO BAJO PERO IMPRESCINDIBLE

- Medir: temperaturas, presiones, caudales, irradiancias,…

- Supervisar valores medidos, eficiencias, fracción solar, perfiles de demanda,

corrosiones, limpiezas, estanqueidades, actuación del sistema de control y

protecciones, degradaciones, etc.

- Programación de mantenimiento preventivo.

¿INSPECCIÓN?

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AUSENCIA DE MARCO NORMATIVO ESPECÍFICO PARA LAS TECNOLOGÍAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN DE MEDIA TEMPERATURA

SECTOR CONCENTRACION SOLAR INSTALACIONES TÉRMICAS

ISO 9806:2013 (UNE-EN-12975:2006)

ESPECIFICA LOS MÉTODOS DE ENSAYO Y REQUISITOS DEDURABILIDAD, FIABILIDAD Y SEGURIDAD DE CAPTADORESSOLARES DE CALENTAMIENTO DE LÍQUIDOS.

Orden de 28 de julio de 1980;(Orden ITC/71/2007; Orden IET/401/2012))

UNE 206010:2015

PROPORCIONA PROCEDIMIENTOS Y DIRECTRICES PARA ENSAYOS A CENTRALES TERMOSOLARES COMPLETAS DE CAPTADOR DE CANAL PARABÓLICO.

REGLAMENTOS DE INSTALACIONES TÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS (RITE)

MARCO NORMATIVO

OTRAS CONSIDERACIONES

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ACTUACIONES RECOMENDADAS

ACTUACIONES RECOMENDADAS

Costes

Reconocimiento económico de los impactos positivos de estas tecnologías.

Economía de escala.

Seguridad, Fiabilidad, Durabilidad y Eficiencia

Cadena de responsabilidad: Impulsar unas especificaciones técnicas mínimas de diseño, montaje, puesta a punto y mantenimiento de estas instalaciones.

Fomentar el desarrollo de buenas empresas instaladoras y de servicios energéticos

Generar normativa a nivel nacional e internacional que permita garantizar las calidades de productos e instalaciones como ocurre en la mayoría de sectores

Exigir al menos 5 años de garantía mínima total de eficiencia y fiabilidad de la instalación

I+D+i

Incluir la concentración solar como línea estratégica prioritaria de apoyo dentro de los fondos para de I+D+i por sus aspectos positivos y su potencial.

OBJETO • SEGUIR DISMINUYENDO LOS COSTES• GARANTIZAR LA SEGURIDAD, FIABILIDAD, DURABILIDAD Y EFICIENCIA

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CONCLUSIONES

- El coste de generación térmica solar es, hoy día, en ciertos escenarios, inferior al de energía convencional.

Ej. Sevilla, medio, PAS = 100%.

Retos:

- Reconocimiento económico de los impactos positivos.

- Garantías al empresario: Fiabilidad y durabilidad.

MUCHAS GRACIAS

Isidoro Lillo Bravo

Grupo de Termodinámica y Energías Renovables

Universidad de Sevilla

I SIMPOSIO TECNOLOGÍAS TERMOSOLARES DE CONCENTRACIÓN

SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE FUTURO

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RENDIMIENTO CANAL PARABÓLICO

Esalida_campo_solar: Energía a la salida del campo solar [Wh]Esolar_incidente: Radiación solar incidente [W]Fsombra: Factor de sombra [°/1]Fensuciamiento: Factor de ensuciamiento [°/1] (0.95)kmod: Modificador del ángulo de incidencia [°/1]ŋópt,pico: Rendimiento óptico pico [%]ŋtérmico: Rendimiento térmico [%] (0.93)Δt: Intervalo de tiempo considerado [h]Sc: Área de apertura [m2]Ibn: Radiación directa normal [W/m2]

Φ: Ángulo de incidencia [°]Tetatrack: Ángulo de giro del captador de canal parabólico [°]Lec: Distancia entre filas de captadores [m] (17.2)aperccp: Ancho de apertura de los captadores [m] (5.76): Reflectancia (0.92)Α: Factor de interceptación (0.95)Γ: Transmitancia (0.965)α: Absortancia (0.96)