Tecnología Solar Térmica Aplicable a la Agroindustria · Torre de refrigeración Subsuelo ... Ciclo de Absorción Ventajas: La operación es continua, por lo tanto las temperaturas

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

mailto:[email protected]

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


AGROINDUSTRIA

[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


AGROINDUSTRIA

[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


AGROINDUSTRIA

[2] Energy Technology Perspectives 2012 - Pathways to a Clean Energy System, Int. Energy Agency (2012)

Calor en la Industria


AGROINDUSTRIA

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”


AGROINDUSTRIA

Necesidad de secado en gran cantidad de industrias

Temperaturas bajas o medias

Energía Solar

Calor Industrial en Chile


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

Calor solar para Procesos Industriales

Tecnologías Solares Térmicas◦ Maduras ◦ Disponibles en el Mercado

Integración

Calidad

Confiabilidad

Conocimiento especifico


AGROINDUSTRIA

Refrigeración Solar


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA


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


AGROINDUSTRIA


f

a

e

d

b c UPR CTE

d

21 3

d

1. Sistema solar2. Sistema de refrigeración3. Ambiente a acondicionar


AGROINDUSTRIA

Disponibilidad en el mercado


AGROINDUSTRIA

Ciclo de Absorción

Componentes internos

Fluidos de Trabajo:

◦ H2O/LiBr

◦ H2O/LiCl

◦ NH3/H2O


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

Chiller de Adsorción


AGROINDUSTRIA

Ciclos térmicos comerciales


AGROINDUSTRIA

Ciclo de eyector


AGROINDUSTRIA

Prototipo en laboratorio CETC (Canadian Energy Technology Center)

Eyector

Generador

14 kW de capacidad de refrigeración. Refrigerante 236 fa.

Evaporador


AGROINDUSTRIA

Ciclo Desecante Sólido


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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


AGROINDUSTRIA

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

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