tecnología solar térmica aplicable a la agroindustria · torre de refrigeración subsuelo ......
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Tecnología Solar Térmica Aplicable a la Agroindustria
José Miguel Cardemi l jcardemi [email protected] le .c lD e p a r ta m e n to d e I n g e n i e r í a M e c á n i c a U. d e C h i l e
SEMINARIO ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN LA AGROINDUSTRIAFRAUNHOFER CSET
Sant iago, Dic iembre 2016
Contexto energético Chileno
Los combustibles fósiles constituyen el 74% del consumo de energía primaria y el 64% de la matriz eléctrica.
Chile no produce ninguno de estos recursos, el país es un importador energético.
Esta dependencia genera una debilidad del país Volatilidad de precios
Riesgos en el suministro
34.1%
19.0%20.5%
6.2%
20.0%
0.1%OIL
NATURALGASCOAL
HYDRO
BIOMASS
PRIMARY ENERGY CONSUMPTION
22%
33%
45%
Demanda energética por uso
Electricidad
Transporte
Calor y refrigeración
Diciembre / 2016JOSÉ M. CARDEMIL - TECNOLOGÍA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA APLICACIÓN A LA
AGROINDUSTRIA
Energía en la Industria Procesos Accionados térmicamente representan la mayor porción de consumo energético en la
industria Electricidad sólo representa el 31% del consumo energético [1].
Los procesos accionados por electricidad incluyen
Electroplating, Anodization
Fundiciones
Refrigeración y cámaras de vacío
Motores(compresores, bombas)
Iluminación
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[1] Final energy consumption by sector and fuel, European Environment Agency.http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/final-energy-consumption-by-sector-8/assessment-2 (2015)
Distribución del consume final de diferentes Fuentes energéticas en el sector industrial (adaptado de [1])
Energía en la Industria Procesos Accionados térmicamente representan la mayor porción de consumo energético en la
industria: En promedio, 45% del
calor consumido en elmundo, es utilizado enla industria
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[2] Energy Technology Perspectives 2012 - Pathways to a Clean Energy System, Int. Energy Agency (2012)
Energía en la Industria Y en promedio, 66% del calor consumido en la industria es generado a partir de combustibles fósiles
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[2] Energy Technology Perspectives 2012 - Pathways to a Clean Energy System, Int. Energy Agency (2012)
Calor en la Industria
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El calor es utilizado es transversal en los sectores industriales
El secado representa un importante porcentaje del uso de calor industrial
En particular, el secado se presenta en gran cantidad de procesos de la industria de alimentos:
“Chile potencia agroalimentaria”
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Necesidad de secado en gran cantidad de industrias
Temperaturas bajas o medias
Energía Solar
Calor Industrial en Chile
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Source: AppSol, Energía Solar térmica para la industria. Aiguasol (2015)
Tem
per
atu
ra d
e o
per
ació
n[°
C] 1000
100
Tamaño de Planta [MWth]1001010,10,01
SHC
CSPProcess
Heat
Tecnologías Solares Térmicas
Colectores Solares◦ Solar thermal collector
◦ heat exchanger converting the solar radiation into heat
◦ transfers this heat to a working fluid (e.g. air, water, thermal oil) circulating through the system
◦ solar energy collected is carried from the working fluid to the load/use or to energy storage tank to be used later
◦ different technologies for different operating temperature levels
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Colectores Solares: Temperaturas de Operación
◦ Thus the selection of a specific solar collector technology is intrinsically related to the required temperature at the heat delivery point
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Colectores Planos◦ Commonly used for
temperatures in the range of 30 °C to 100 °C
Source: gef, UNEP, ome; Technical Study report on SHIP, State of the art in the Mediterranean region
Comprise of absorber tubes through which working fluid flows and is covered by absorber sheet and a transparent cover.
Coating on the absorber converts the solar irradiation to heat which is transferred to the working fluid in the tubes.
Usual fluid is water/glycol mixture (with some additives) in order to avoid corrosion and frost damages
Simple to use as there is little maintenance and relatively cheap.
Ejemplo: Minera “Gabriela Mistral”• 39.300 m2 FPC• Non pressurized water
storage (4300 m3)• 85-100% solar fraction• electro winning of
copper• electrolyte kept at 50°C• cleaning processes
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Colectores Planos◦ Improved Medium Temperature Flat-Plate Collectors
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 50 100 150 200 250
Temperature diff. Top-Ta [K]
Eff
icie
nc
y [
%]
FPC Standard
FPC with double glazing
FPC Honeycomb
FPC with CPC internally
Reduced heat losses
double glazed, AR coatings
CPC flat plate
honeycomb collector
Operation temperature
up to 80°C for flat-plate
up to 100°C-120°C for honeycomband double glazing
Improvement of optical efficiencydifficult
Can heat loss be further reduced? Other possibilities? Efficiency for Irradiation 850 W/m2, IAM=1
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Tubos Evacuados◦ Compound Parabolic Concentrator ETC (RPC)
Low concentration CPC (C < 2)
Evacuated tubes CPC collectors which can deliver up to 200°C;
Stationary collector – CPC is designed in a way that all solar positions during a year a accepted by the concentrator
Bridges the gap between the lower temperature application FPC (<80°C) to the higher temp. applications of concentrators (T>200°C)
Source: Linuo Solar, : http://image.tradevv.com/2010/11/18/linuosolar001_1741789_600/cpc-solar-collector.jpg
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Concentradores: Cilíndro-Parabólico◦ Parabolic mirror focuses only direct sun-light onto an absorber tube
Designed to track the sun along one axis oriented in the north-south or east-west direction.
Reflecting surface normally a curved glass mirror or an aluminium sheet
Water or thermal oil usually used as working fluid
Receptor consists of an absorber tube of an area usually 25 to 35 times smaller than the aperture
Source: gef, UNEP, ome; Technical Study report on SHIP, State of the art in the Mediterranean region
Shopping Center Newcastle, AustraliaAperture: 345m2 (PolyTrough 1200)Peak Thermal Power: 200kWOutlet Temperature: 180°CHTF: WaterApplication/End Use: Air conditioningCommissioning : April 2011
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Concentradores: Reflectores Fresnel◦ Many nearly flat mirror facets instead of
one parabolic mirror
◦ Receiver/Absorber is above mirror rows, which track the sun
High concentration ratio and temperatures up to 400°C
Thermal capacity from 50 kW up to several MW.
Easy to mount on flat roofs as a result of good weight distribution and low wind resistance.
Water/steam or thermal oil usually used as working fluid
High surface coverage
Source: Industrial Solar Gmbh
MTN Johanesburg, South AfricaAperture: 396 m2Application/End Use: Air conditioningCommissioning : 2014
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Desempeño◦ Impact of diffuse radiation conditions
Global radiation: 800 W/m2
Direct radiation: 600 W/m2
Diffuse radiation: 200 W/m2
Tamb: 25 °C
Global radiation: 400 W/m2
Direct radiation: 200 W/m2
Diffuse radiation: 200 W/m2
Tamb: 25 °C
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Calor solar para Procesos Industriales
Tecnologías Solares Térmicas◦ Maduras ◦ Disponibles en el Mercado
Integración
Calidad
Confiabilidad
Conocimiento especifico
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Refrigeración Solar
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Refrigeración Solar
Fuente: Solar Cooling in Brazil, Fraunhofer ISE
Fuente: Review on solar-driven ejector refrigeration technologies, Abdulateef, et al
• Peak de demanda caracterizado en ciertas áreas por la demanda de refrigeración y aire acondicionado
• Alta correlación con disponibilidad de radiación solar• Refrigerantes estables, que no contribuyen al cambio climático• Uso eficiente de colectores solares permite la configuración de
sistemas de cogeneración y/o poligeneración
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Sistemas térmicos de refrigeración solar
Ciclos de absorción:Absorción química del refrigerante en un líquido
Ciclos de adsorción:Adsorción física del refrigerante en una superficie sólida
Ciclos disecantes Ciclos de eyector
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Sistemas térmicos de refrigeración solar
Principio:
◦ 3 niveles de temperatura
◦ Calor liberado:
Calor de accionamiento
+
Efecto de refrigeración
◦ Sistema de liberación de calor◦ Torre de refrigeración
◦ Subsuelo
◦ Agua de mar
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Sistemas térmicos de refrigeración solar
f
a
e
d
b c UPR CTE
d
21 3
d
1. Sistema solar2. Sistema de refrigeración3. Ambiente a acondicionar
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Disponibilidad en el mercado
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Ciclo de Absorción
Componentes internos
Fluidos de Trabajo:
◦ H2O/LiBr
◦ H2O/LiCl
◦ NH3/H2O
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Ciclo de Absorción
Dependencia de la capacidad de refrigeración según la temperaturade liberación de calor. Agua de enfriamiento a:
a) 30°C b) 33°C c) 40°C
Capacidad nominal 4.3 RT (15 kW); Temperatura de entrada del agua caliente 90°C
Dependencia del COP y la capacidad de refrigeración según la temperatura del agua de accionamiento.
Capacidad nominal 2.8 RT (10 kW); Agua de enfriamiento a: 27°C
Ciclo de AbsorciónVentajas:
◦ La operación es continua, por lo tanto las temperaturas de operación son constantes
◦ Chillers de NH3/H2O temperaturas < 0°C son posibles
◦ En general, presentan COPs mayores que ciclos de adsorción
◦ Máquinas de 2 efectos desarrollan COPs mayores que 1
◦ Muchos fabricantes y desde hace poco en potencias pequeñas.
Desventajas:
◦ Peligro de cristalización en las máquinas de H2O-LiBr; por lo que mecanismos de control son requeridos para prevenirlo
◦ Necesitan de un bomba de circulación
◦ Comúnmente, necesitan temperaturas de accionamiento mayores que las tecnologías de adsorción
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Ciclo de AdsorciónSe suministra calor para desorber el refrigerante (agua) desde el material de sorción (compartimento 1). El vapor del refrigerante entra al condensador dondepasa a estado líquido y retorna al evaporador.
El refrigerante vaporiza en el evaporador y, debido a la baja presión en el compartimiento, el calor para la evaporación es extraído de un circuito de agua helada (producción de frio) .
El vapor es adsorbido en el compartimiento 2, permitiendo una evaporación continua hasta que el material de sorción esté saturado
El intercambio de funciones entre los compartimientos permite repetir el proceso
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Chiller de Adsorción
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Ciclos térmicos comerciales
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Ciclo de eyector
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Prototipo en laboratorio CETC (Canadian Energy Technology Center)
Eyector
Generador
14 kW de capacidad de refrigeración. Refrigerante 236 fa.
Evaporador
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Ciclo Desecante Sólido
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Ciclo Desecante Líquido
Sorción líquida integrada en un proceso de enfriamiento indirecto
Temperatura de accionamiento: 60-90°C
Alta densidad de almacenamiento energético, desacople de la refrigeración y la regeneración
Plantas piloto actualmente en operación
Ciclos DesecantesSorbentes sólidos:
◦ Los sistemas usan ruedas de sorción, existiendo muchos fabricantes y diversos tamaños
◦ Cloruro de Litio o silica gel
◦ Es una configuración apropiada para climas cálidos y húmedos
◦ Tdrive> 60°C, oportunidad de accionamiento por colectores solares
Sorbentes Líquidos◦ Existen algunos productos para deshumidificación en
combinación con refrigeradores convencionales, sin embargo existen pocos sistemas sólo con enfriamiento evaporativo
◦ Desacople de la regeneración
◦ Cloruro de litio y ….?
◦ Tdrive> 60°C, oportunidad de accionamiento por colectores solares
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Sistemas Térmicos de Refrigeración Solar
Posible configuración para un sistema con demanda conjunta de calor y frio
Crítico: Un sistema de respaldo accionado por combustible fósil
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Sistemas Térmicos de Refrigeración Solar
En ciertos casos puede ser necesario un sistema de respaldo para el sistema de climatización
En esos casos un sistema convencional de refrigeración esrecomendado
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Solución más simple
◦ Sistemas PV + Compresión mecánica, parecen más simples y con menor costo de instalación
◦ Pero, no permiten utilizar otras fuentes de energía, o suministrar en períodos de baja irradiación
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Vinificación: Potencial Biomasa de la Vid Aptitud de la biomasa leñosa procedente de
podas de las variedades de más comunes, para uso energético
- Cabernet Sauvignon, Carmenere, Pinot, Sauvignon Blanc,
Chardonnay.
- Cultivos coetáneos de aproximadamente 30 años de edad.
VariedadesHumedad
(%)
Densidad
Básica
(kg/m3)
PCS
(MJ/kg)
PCI
(MJ/kg)
Cenizas
(%)
Sauvignon Blanc 52,9 446 18,7 17,3 2,9
Pinot 48,8 522 16,5 15,1 4,4
Cabernet Sauvignon 48,9 513 17,6 16,2 4,4
Chardonnay 56,5 436 17,6 16,2 4,8
Carmenere 60,3 411 18,7 17,3 5,5
Promedio 53,5 466 17,8 16,5 4,4
Desviación estándar 4,971 49,20,920 0,920 0,951
Coef de Variación (%) 9,3 10,65,2 5,2 21,6
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Material
Propiedades
del análisisUnid.
Biomasa de
Variedades
Pellets
comerciales
Propiedades físicas
Humedad (%) 53,5 <20%
Densidad kg/m³ 466 750
Propiedades energéticas
Cenizas (%) 4,4 <1%
PCS MJ/kg 17,8 18,5
[3] H.Fernandez-Puratich; D. Hernández; C. Tenreiro. Analysis of energetic performance of vine biomass residues as an alternative fuel for Chilean wine industry. Renewable Energy 83 (2015) 1260 - 1267
Conclusiones◦ El suministro de calor y frío solar para procesos industriales, es una alternativa viable técnicamente
◦ Integración de procesos resulta fundamental para el éxito de la implementación
◦ Es necesar4io conocer y/o modificar los procesos para seleccionar la alternativa tecnológica apropiada.
◦ Los sistemas de control de3ben ser analizados para proteger los dispositivos entre variabilidades en el recurso solar y en la demanda energética
◦ Nuevos conceptos han aparecido, que pueden ser implementados en la industria
◦ Aseguramiento de calidad
◦ Monitoreo remoto
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Muchas Gracias
José Miguel Cardemi l jcardemi [email protected] le .c l
SEMINARIO ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN LA AGROINDUSTRIAFRAUNHOFER CSET
Sant iago, Dic iembre 2016