¿Qué fluido necesito para mi proceso?
Si existe demanda todos los días de la semana es probable que todo el vapor solar producido pueda utilizarse para reducir el consumo de la caldera convencional. En este caso la integración más sencilla es utilizar la caldera solar como una caldera en paralelo con generación directa de vapor.
Generación directa de vapor en una caldera solar
La caldera solar utiliza un steam drum que separa el vapor y el agua líquida. Al campo solar se envía agua líquida desde la parte baja del steam drum. Al pasar ese agua por el campo solar, va poco a poco evaporándose gracias a la energía solar. De esta manera se va generando vapor en el interior del tubo receptor. A la salida del campo solar se consigue un mezcla agua/vapor la cual se conduce al steam drum. Allí se separa el agua (que cae por gravedad a la parte baja) y el vapor (que queda en la parte superior). Desde la parte superior se descarga el vapor saturado a la misma presión que el vapor generado por la caldera convencional. Para reponer el vapor descargado, el steam drum se alimenta de agua líuida del tanque de condensados.
Cuando hay días de la semana donde no hay consumo (por ejemplo los fines de semana), es necesario almacenar la energía solar producida esos días, ya que de lo contrario se estaría desaprovechando. Las alternativas para almacenar esa energía dependen del fluido necesario para el proceso.
El vapor es un fluido que no es fácil de almacenar (por su elevado volumen específico), por lo que se suelen utilizar fluidos intermedios. Para generar vapor con fluidos intermedios se utiliza una caldera solar en paralelo con generación indirecta.
Generación indirecta de vapor en una caldera solar
Para generar vapor de manera indirecta se utiliza un fluido intermedio de transferencia de calor (HTF). Este fluido circula por el campo solar en un circuito cerrado (sin mezclarse con el vapor). En función de la presión de vapor que sea necesaria para el proceso, este fluido puede ser agua presurizada o aceite térmico. Para generar el vapor se utilizan generadores de vapor tipo kettle reboiler o intercambiadores carcasa-tubos. La ventaja de utilizar un fluido intermedio es que puede almacenarse de manera muy económica utilizando tanques aislados. Almacenar permite no desaprovechar la energía solar cuando la fábrica no tiene consumo.
Cuando una parte significativa del vapor generado por las calderas se utiliza para calentar agua, es posible poder aprovechar la energía solar cuando no hay consumo. Para ello, la caldera solar debe realizar un calentamiento híbrido. El calentamiento híbrido permite utilizar la caldera solar para generar vapor y no desaprovechar la energía solar en los días en los que no hay consumo, almacenándola en forma de agua caliente.
Calentamiento híbrido vapor / agua caliente
Supongamos por ejemplo que nuestra fábrica necesita vapor únicamente de lunes a viernes, y que este vapor se utiliza en gran parte para calentar agua. En condiciones normales, el vapor que la planta genera durante los fines de semana se desaprovecharía, ya que almacenar el vapor es complicado. Para evitar esto, el vapor generado durante los fines de semana se utiliza para calentar agua que posteriormente se almacena en tanques aislados. Esta agua caliente puede utilizarse durante la semana sin problema. Para que el calentamiento híbrido tenga sentido, es necesario que exista un punto centralizado desde donde se distribuya el agua caliente (un depósito o conjunto de depósitos). De lo contrario sería necesario duplicar todo el sistema de distribución.
Si el proceso utiliza agua caliente o aceite térmico, la caldera solar puede utilizarse en paralelo, o para precalentar el fluido de proceso. En ambos casos, dependiendo del perfil de demanda puede utilizarse almacenamiento en tanques aislados térmicamente. Para ver la diferencia supongamos por ejemplo que en fábrica utilizo una caldera de gas para calentar aceite de 140 ºC a 220 ºC.
Calentamiento en paralelo
Cuando la caldera solar se utiliza en paralelo, su funcionamiento es similar al de la caldera convencional. La caldera solar se alimenta con el fluido frío (aceite a 140 ºC) y esta se encarga de calentarlo hasta la temperatura de operación (240 ºC). El fluido caliente se envía al colector y desde allí a los procesos. El calentamiento en paralelo se utiliza cuando la temperatura de operación puede variar.
Precalentameinto del fluido de proceso
Cuando la caldera solar se utiliza para precalentar, lo suele hacer a través de un intercambiador. En este caso el aceite frío viene a 140 ºC y al pasar por el intercambiador este sale a 210 ºC. Con esto conseguimos que la caldera convencional trabaje menos ya que el salto de temperatura que debe proporcionar es menor. El precalentamiento se suele utilizar en fábricas con un consumo elevado o cuando la temperatura de proceso no puede desviarse de un valor establecido.
Además de los fluidos clásicos (Vapor, agua y aceite), los procesos industriales utilizan una amplia variedad de fluidos. Las calderas solares pueden realizar el calentamiento de este tipo de fluidos de dos maneras: Calentamiento directo y calentamiento indirecto.
Calentamiento directo
En el calentamiento directo el fluido en cuestión se hace circular a través del tubo receptor del campo solar. La radiación solar reflejada por los espejos se utiliza para calentar de manera directa el fluido. El calentamiento directo es posible siempre y cuando las características del fluido lo permitan. Existen por ejemplo diferentes proyectos de investigación utilizando calentamiento directo con fluidos gaseosos (e.g. aire, CO2, etc.), y fluidos orgánicos (e.g. lodos, agua residual).
Calentamiento indirecto
En el calentamiento indirecto el campo solar calienta el fluido de proceso mediante un fluido intermedio de transferencia de calor (HTF). El HTF circula mediante un circuito cerrado por los tubos de la caldera solar, y luego se utiliza para calentar el fluido de proceso mediante intercambiadores de calor. Este sistema es bastante habitual para el precalentamiento de aire en secaderos por ejemplo.