Calor termosolar para procesos industriales: El poder del sol para la industria chilena

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Fuente Nota: Revista Energía.  Imagen: Campo de colectores Fresnel y almacenamiento de vapor (a la izquierda) (fuente: Industrial Solar).

Casi el 50% del total de energía final utilizada en todo el mundo se destina a satisfacer la demanda energética de calefacción y esto provoca, en consecuencia, aproximadamente alrededor del 40% de las emisiones totales de CO2.

Sin embargo, a pesar de esa importancia, las políticas públicas no están suficientemente enfocadas al mercado de calefacción, y tampoco hay suficiente soporte de agremiaciones industriales para tal finalidad a niveles nacionales.

Por ejemplo, solo 48 países en todo el mundo tienen objetivos en sus políticas públicas para calefacción y refrigeración renovables en contraste con 146 países con objetivos para electricidad renovable. Una gran parte de la demanda de calor se acumula en el sector industrial, que representa aproximadamente un tercio de la energía total (calor, electricidad y transportes), de los cuales alrededor del 74% se utilizan para calefacción. En consecuencia, el calor para procesos industriales es responsable de más del 20% del consumo total de energía final. En total, alrededor del 72% de la demanda mundial de calor todavía es satisfecha por combustibles fósiles. En la industria se espera una participación aún mayor debido a las temperaturas comparativamente altas necesarias en los procesos productivos.

Consumo mundial de energía en los diversos sectores (fuente: Solar-Payback)

Chile es uno de los países con el potencial solar más alto del mundo, aunque depende en gran medida de las importaciones de combustibles fósiles para cubrir su demanda de energía. De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía, la industria en Chile consume 55 TWh de energía de combustibles fósiles por año, de los cuales el 76% se utilizan para el calentamiento de procesos. Debido a la utilización de la mayor parte de su energía para el proceso de calor, las industrias chilenas enfrentan altos costos de producción, dependencia de costosos combustibles fósiles y volatilidad de los precios. En consideración a los altos precios del combustible y los niveles de irradiación en Chile, el sector industrial chileno es en realidad un mercado muy prometedor para las tecnologías de concentración solar, como los colectores Fresnel y cilindro-parabólicos, para el calentamiento de procesos industriales.

Tecnologías termosolares de concentración y generación de vapor solar

Diferentes colectores termosolares de concentración: cilindro-parabólico (izquierda), Fresnel lineal (centro) y plato parabólico (derecha) (fuente: Solar-Payback)

Las tecnologías de concentración solar para generación de calor industrial utilizan espejos reflectores para la colección de los rayos solares y generación de calor en un área de absorción donde un fluido caloportador lo transporta hasta el proceso. El colector de plato parabólico tiene un punto focal central donde el calor es absorbido, mientras que los colectores cilindro parabólicos y Fresnel lineal tienen un tubo absorbedor central. El diagrama abajo muestra detalles del colector Fresnel, en el cual los espejos primarios con seguimiento uniaxial (A) y los reflectores secundarios (B) enfocan la irradiación en un tubo absorbedor central (C). El fluido dentro del tubo absorbe el calor y lo transfiere a los procesos de producción industrial.

Detalles del colector Fresnel (fuente: Industrial Solar)

Nota: A diferencia de los paneles fotovoltaicos, los colectores solares térmicos no proporcionan electricidad, sino que convierten la luz solar directamente en calor que es absorbido por un fluido y luego transferido para el proceso donde se necesita calor.

Las tecnologías termosolares de concentración utilizan la radiación solar directa, que en Chile está entre las más altas del mundo, como se indica en el mapa a continuación. Las regiones desde el norte del país hasta la zona central tienen un recurso solar muy alto, de más de 2.000 kWh/m² al año de energía solar disponible. Es decir, por cada metro cuadrado de instalación solar de concentración se puede generar un mínimo de entre 800 y 1.000 kWh de calor al año para la industria; considerando la eficiencia media de un colector como el Fresnel, esto significa entre un 40% y 50% de conversión.

Mapa de la irradiación solar directa en Chile (fuente: Solargis)

En Jordania, un país con características macroeconómicas similares a Chile (alto consumo de energía, necesidad de importación de combustibles y alta disponibilidad del recurso solar), se instalaron dos proyectos de generación de vapor directo utilizando colectores solares Fresnel. El primero, en 2015, en una farmacéutica, donde un campo de colectores 550 m² y capacidad de 223 kW genera vapor saturado a 190 °C y 16 bar para el proceso de secado de medicamentos.

Instalación en la farmacéutica RAM Pharma (fuente: Industrial Solar)

En el segundo proyecto, instalado en 2017, la productora de tabaco JTI hizo una inversión en un sistema de colectores Fresnel con un área total de 1.880 m² en el techo de sus instalaciones en Jordania. El sistema genera vapor a 225 °C y 25 bar para los procesos de producción, así como para alimentar una máquina de absorción de doble efecto para refrigeración de las áreas operacionales. La instalación en JTI tiene dos características importantes:

  • demuestra que, hoy en día, las tecnologías de concentración solar térmica pueden proporcionar comercialmente calor de proceso a temperaturas superiores a los 200 ° C, un rango que no pueden alcanzar los colectores solares térmicos sin concentración.
  • muestra que la generación de calor y frío es viable, lo que aumenta aún más el potencial de mercado de las tecnologías termosolares de concentración en aplicaciones industriales.

El mercado de energía termosolar para procesos industriales en los próximos años

Como el calor para procesos industriales representa aproximadamente el 20% de la demanda total de energía final, su descarbonización es de gran importancia para un futuro sostenible. Sin embargo, el calor renovable, especialmente en la industria, no está suficientemente explotado y los encargados de formular políticas tampoco lo abordan de manera suficiente, aunque en Chile haya iniciativas para la popularización de dichas tecnologías, pero aún muy direccionadas para la generación de electricidad.

La industria chilena ha presentado un crecimiento continuo de capacidad y productividad en los últimos 30 años, pero aún depende en gran parte de combustibles fósiles importados. Para mejorar su competitividad, puede aprovechar el amplio recurso solar disponible del país y adoptar tecnologías termosolares aplicables a sus procesos. Todos los sectores industriales que necesitan temperaturas superiores a los 100°C, como los productores de alimentos, bebidas, químicos, minería, papel y celulosa, entre otras, pueden suministrar parte de su demanda con los colectores termosolares, como en los ejemplos anteriores. Más allá de la compra de los sistemas termosolares de generación de calor para sus procesos, la industria chilena también cuenta con el creciente mercado de ESCO (empresas que hacen la inversión y venta del calor generado para sus clientes) y de ofertas de leasing, lo que facilita la obtención de estas tecnologías.

Chile tiene también la  gran oportunidad de desarrollar su propia industria nacional de producción de componentes para los sistemas termosolares de concentración, como demuestra un estudio realizado por el Ministerio de Energía en cooperación con CORFO, el Comité Solar y la agencia alemana GIZ. El estudio muestra que Chile ya tiene empresas capacitadas para producción de gran parte de esta demanda y puede tomar un papel central en el desarrollo de la energía solar térmica, apuntando para el futuro de estas tecnologías en el suministro de calor industrial en los próximos años.

Conclusión

La industria chilena tiene un gran potencial de mejorar su competitividad utilizando las energías termosolares de concentración, que tienen las siguientes ventajas:

  • generación de temperaturas y presiones adecuadas a sus procesos productivos
  • producción de vapor, agua o aire sobrecalentado, y calentamiento de aceite térmico
  • ahorro de parte de los costos de combustibles en las fábricas
  • reducción de las emisiones de gases del efecto invernadero
  • desarrollo de la industria termosolar nacional
  • diferentes modelos de negocios disponibles, desde el convencional EPC, hasta leasing y venta de calor generado.

Sobre el autor:

Irapua Santos Ribeiro es ingeniero mecánico de formación con especialización en energía solar térmica por la Hanze University de Holanda. Desde 2017 dedica su trabajo al desarrollo de negocios de energía termosolar para la empresa alemana Industrial Solar GmbH. Un apasionado por deportes, ya hizo rutas en bici por la Patagonia y buceo en la costa del Pacífico en Valparaíso.

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