Estudio de la viabilidad de implantación de la Energía Solar

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
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 ______________________________________________________
5.4.2.- Ahorro económico _________________________________________________________
5.4.3.- Líneas de ayuda para la instalación proyectada ___________________________________
5.4.4.- Periodo de amortización de la inversión. ________________________________________
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22
22
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5.5.- Estudio del impacto medioambiental _________________________________________23
6.- CONCLUSIONES ___________________________________________________ 24
II
RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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
Analizar los diversos procesos industriales con consumo de calor a baja temperatura
térmica a la industria.
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
4.1.- ESTADO
ACTUAL
TEMPERATURA
DE
LA
ENERGÍA
SOLAR
TÉRMICA
DE
BAJA
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
6
RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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
Para Agua Caliente Industrial se fija un volumen de acumulación de 8.000 litros para
hacer frente a la demanda diaria de 1040 litros.
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
ANÁLISIS DETALLADO POR MESES
(Datos de energía en kWh)
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Total
1.251
1.310
1.195
1.160
1.051
1.011
1.011
1.051
1.160
1.195
1.310
14.091
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
Fracción solar media A.C.I.: 100%
2.638
2.839
2.668
2.674
1.448
722
1.271
1.607
2.674
2.668
2.839
26.968
100%
100%
100%
100%
58%
29%
51%
64%
100%
100%
100%
84%
Fracción solar media Climatización: 19%
32%
47%
54%
77%
100%
100%
100%
100%
60%
30%
16%
49%
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
Fracción solar media A.C.S: 100%
Aporte solar mensual A.C.I.: 2.921
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
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%
Rendimiento de la instalación:
95%
95%
66%
37%
23%
54%
59,5%
Tabla 5.2- Resumen del aporte conseguido mediante el sistema solar.
Rendimiento del sistema.
Demanda de calor
D
ic
No
v
ct
O
Se
p
Ag
o
Ju
l
Ju
n
M
ay
Ab
r
ar
M
Fe
b
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
0
En
e
(kWh/día)
APORTE TOTAL 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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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:
Aporte solar anual:
Fracción solar:
Superficie útil de captación:
Volumen de acumulación:
Rendimiento de la instalación
388.574 kWh
210.360 kWh
54,14 %
( 699,15 kWh/m2)
300,8 m2
19.000 litros
59,5 %
Tabla 5.3- Resumen de los datos más significativos de la instalación solar.
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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
COSTE DE LA INSTALACIÓN (CI) :
162.506 €
SUBVENCIÓN IDAE A LÍNEA S.6 (30% CRSISTEMA SOLAR). :
44.015 €
SUBVENCIÓN CASTILLA Y LEÓN (20% IESISTEMA SOLAR) :
24.064 €
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 €
INVERSIÓN NETA :
89.900 €
TOTAL SUBVENIÓN (44,68 %) :
AHORRO ANUAL :
PERIODO DE RETORNO (I.N. / AHORRO) :
72.606 €
14.216 €
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
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
Calor para un proceso industrial específico: el escaldado.
desinfección de espacios y útiles de trabajo.
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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RESUMEN DE PROYECTO FIN DE CARRERA
La cobertura solar alcanzada ha sido de un 54 % del total de la demanda de las distintas
El periodo de amortización de la inversión se sitúa en 6 años y 4 meses a partir de los
Se ha conseguido evitar la emisión de más de 57 toneladas de CO2 a la atmósfera por año.
aplicaciones.
cuales el ahorro conseguido se convierte en un ingreso para la empresa.
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.
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