FACTIBILIDAD TECNICA-ECONOMICA DE LA APLICACION DE...
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA PROYECTO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL EN METALURGIA EXTRACTIVA FACTIBILIDAD TECNICA-ECONOMICA DE LA APLICACION DE ENERGIAS RENOVABLES EN UNA AGROINDUSTRIA OLIVICOLA DE LA V REGION Elías Díaz Vilches Profesores Guías: José Torres Jorge Santana 2012
Transcript of FACTIBILIDAD TECNICA-ECONOMICA DE LA APLICACION DE...
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROYECTO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL
EN METALURGIA EXTRACTIVA
FACTIBILIDAD TECNICA-ECONOMICA DE LA APLICACION DE ENERGIAS RENOVABLES EN UNA AGROINDUSTRIA OLIVICOLA DE LA V
REGION
Elías Díaz Vilches
Profesores Guías:
José Torres
Jorge Santana
2012
ii
El levanta del polvo al pobre,
Y del muladar exalta al menesteroso,
Para hacerle sentarse con príncipes y heredar un sitio de honor.
Porque de Jehová son las columnas de la tierra,
Y él afirmó sobre ellas el mundo
11 Samuel cap.2 vers.8
iii
Resumen
En el presente trabajo se desarrolla el Estudio técnico y económico de un sistema de
Energías Renovables para una Agroindustria Olivícola de la V Región, con el cual se
remplazara el actual sistema de energía instalado basado en energía convencional, con el
fin de remplazar este sistema por un sistema amas amigable con el medio ambiente y que
disminuya el alto gasto actual en energía.
Se realizó un estudio energético a dos áreas de la Empresa, Vivero y Almazara, desde el
cual se determinó el actual gasto anual y la demanda de energía que será necesaria cubrir,
además de estimar la cantidad de gases contaminantes que se emiten al ambiente por el
uso del actual tipo de energía. Este estudio reflejó que primordialmente se debe cambiar el
sistema de calefacción de los procesos de producción.
De acuerdo a la demanda de energía se diseñó para el Vivero un Sistema hibrido entre dos
tipos de Energías Renovables, Solar y Biomasa, este sistema está conformado
principalmente por un campo de 20 colectores y una caldera poli combustible de biomasa, la
cual aprovechará como combustible un residuo de la Agroindustria llamado alperujo, con
este sistema se cubrirá el 100 % de la demanda térmica del Vivero. Por otro lado, para la
Almazara se diseñó un Sistema Solar térmico compuesto principalmente por un campo de 2
colectores solares y utilizara como respaldo un calefón a Gas Licuado de Petróleo, este
sistema sólo cubrirá el 69% de la demanda.
El Estudio económico desarrollado indica que Instalar estos sistemas de energías
Renovables implica un Costo Total de Inversión de $37.246.933, pero que permitirán que
anualmente la Agroindustria se ahorre $2.869.305.
Se realizó un Análisis de Rentabilidad suponiendo varias formas de financiamiento, pero la
forma que arrojo mejores resultados era con un 80% de subvención y con un 20% de Capital
Propio. Esto indico que para una vida útil de 20 años la TIR (10 años) 32%, TIR (20 años)
38% y la VAN es de $ 18.209.126, lo que muestra que el proyecto es rentable
económicamente. También la instalación de Energías Renovables permitirá dejar de emitir
anualmente cerca de 7 toneladas de CO2 lo que hace que también el Proyecto sea
beneficioso Ambientalmente.
iv
Tabla de Contenido
Resumen ............................................................................................................................................ iii
Introducción ...................................................................................................................................... 1
Objetivos ........................................................................................................................................... 2
Objetivo General ............................................................................................................................ 2
Objetivos Específicos ...................................................................................................................... 2
CAPITULO 1 ........................................................................................................................................ 3
Antecedentes Generales .................................................................................................................... 3
1.1 Energías Renovables en el Mundo ........................................................................................... 3
1.2 Problema Ambiental Mundial ................................................................................................... 5
1.2.1 Cambio Climático Global .................................................................................................... 5
1.2.2 Lluvia Ácida........................................................................................................................ 6
1.2.3 Agujero en la Capa de Ozono ............................................................................................. 7
1.2.4 Desarrollo de políticas internacionales para proteger el Medio Ambiente .......................... 7
1.3 Energías Renovables en Chile ................................................................................................... 8
1.3 .1 Energía Solar: .................................................................................................................... 8
1.3.2 Energía Eólica .................................................................................................................... 9
1.3.3 Energía Geotérmica ........................................................................................................... 9
1.3.4 Energía de la Biomasa ...................................................................................................... 10
1.3.5 Energía Hidráulica ........................................................................................................... 11
1.3.6 Energía del Mar .............................................................................................................. 11
1.4 Agroindustria Olivícola de la Quinta Región ............................................................................ 12
CAPITULO 2 ...................................................................................................................................... 14
Evaluación de la Demanda de Energía en la Agroindustria ............................................................... 14
Resumen ...................................................................................................................................... 14
2.1 Descripción de los Procesos de Producción en la Agroindustria .............................................. 15
2.1.1 Procesos en la Almazara o Planta Aceitera ....................................................................... 15
2.1.2 Procesos en el Vivero ....................................................................................................... 19
2.2 Estudio del uso de Energía en la Agroindustria ....................................................................... 24
2.2.1 Potencia Energética instalada en la Agroindustria ............................................................ 24
2.2.2 Consumo Energético de la Agroindustria ......................................................................... 27
v
2.2.3 Costo de la Energía en la Agroindustria ............................................................................ 31
2.2.4 Emisiones de Gases contaminantes de la Agroindustria .................................................. 34
2.2.5 Resumen de Resultados ................................................................................................... 37
Conclusión ................................................................................................................................... 38
CAPITULO 3 ...................................................................................................................................... 43
Estudio de Recursos Renovables disponibles en la Agroindustria ...................................................... 43
Resumen ...................................................................................................................................... 43
3.1 Oportunidades de aplicación de Energías Renovables en la Agroindustria .............................. 44
3.2 Selección de las Energías Renovables que se aplicarán a la Agroindustria ............................... 47
3.3 Estudio del Potencial de Energía Solar en la Agroindustria ...................................................... 48
3.3.1 Radiación Solar ................................................................................................................ 48
3.3.2 Movimiento aparente del Sol ........................................................................................... 49
3.3.3 Ángulo de incidencia de la Radiación Solar ....................................................................... 50
3.3.4 Radiación Solar en la Agroindustria .................................................................................. 51
3.3.5 Condiciones Climatológicas en la Agroindustria ............................................................... 53
3.3.6 Posición de los colectores solares en la Agroindustria ...................................................... 55
3.3.7 Corrección de la Radiación Solar en la Agroindustria debido a la posición de los Colectores ................................................................................................................................................ 57
3.4 Estudio del potencial de Biomasa disponible en la Agroindustria ............................................ 60
3.4.1 Cantidad de alperujo disponible en la Agroindustria ........................................................ 63
3.5.1 Resumen de Resultados ............................................................................................. 66
Conclusión ................................................................................................................................... 68
CAPITULO 4 ...................................................................................................................................... 69
Descripción de los Sistemas de Energías Renovables para la Agroindustria ...................................... 69
Resumen ...................................................................................................................................... 69
4.1 Descripción de la instalación de Energías Renovables para el Vivero ....................................... 70
4.1.1 Esquema de conexión entre la instalación Solar y el Sistema de Biomasa ......................... 71
4.1.2 Instalación con Acumuladores Separados ........................................................................ 71
4.1.3 Configuración Básica ........................................................................................................ 72
4.1.4 Clasificación de la instalación ........................................................................................... 72
4.1.5 Control de la temperatura de consumo de Calefacción .................................................... 74
4.1.6 Control del agua de retorno desde el consumo ................................................................ 74
vi
4.1.7 Descripción Sistema de Captación .................................................................................... 74
4.1.8 Caldera de Biomasa ......................................................................................................... 77
4.1.9 Silo para almacenar la Biomasa ........................................................................................ 78
4.1.10 Sistema de Intercambio y Acumulación .......................................................................... 78
4.1.11 Red Hidráulica ............................................................................................................... 81
4.1.12 Sistema de Control y equipos de medida ....................................................................... 88
4.2 Descripción del Sistema de Energías Renovables para la Almazara ........................................ 88
4.2.1 Esquema de conexión entre la instalación Solar y el Sistema Convencional ...................... 89
4.2.2 Configuración Básica ........................................................................................................ 90
4.2.3 Clasificación de la instalación ........................................................................................... 91
4.2.4 Control de la temperatura de consumo de Calefacción .................................................... 92
4.2.5 Clasificación de las instalaciones por su aplicación ........................................................... 92
4.2.6 Descripción Sistema de Captación .................................................................................... 92
4.2.7 Sistema Auxiliar ............................................................................................................... 93
4.2.8 Sistema de Intercambio y Acumulación ............................................................................ 94
4.2.9 Red Hidráulica ................................................................................................................. 95
4.2.10 Sistema de Control y Equipos de medida ....................................................................... 97
Conclusión ................................................................................................................................... 98
CAPITULO 5 ...................................................................................................................................... 99
Evaluación Económica y del Beneficio Ambiental de la aplicación de Energías Renovables en la Agroindustria ................................................................................................................................... 99
Resumen ...................................................................................................................................... 99
5.1 Rentabilidad Económica ........................................................................................................100
5.1.1 Método de análisis de Rentabilidad Económica ..............................................................101
5.1.2 Análisis de la Rentabilidad Económica de la Instalación de Energías Renovables en la Agroindustria ..........................................................................................................................104
5.1.3 Resultados del Análisis de la Rentabilidad Económica .....................................................110
5.2 Rentabilidad Medio Ambiental .............................................................................................114
Conclusión ..................................................................................................................................117
Conclusión ......................................................................................................................................118
Bibliografía......................................................................................................................................120
Anexos ............................................................................................................................................125
vii
A Información General ....................................................................................................................126
A.1 Tipos de Energías Renovables ................................................................................................126
A.1.1 Energía Solar ..................................................................................................................126
A.1.2 Energía Eólica .................................................................................................................127
A.1.3 Energía Geotérmica ........................................................................................................127
A.1.4 Energía de la Biomasa .....................................................................................................127
A.1.5 Energía Mini-Hidráulica ..................................................................................................128
A.1.6 Energía del Mar ..............................................................................................................129
A. 2 Descripción de los Sistemas de Energías Renovables aplicables a la Agroindustria ................130
A.2.1 Descripción de una Instalaciones de Energía Solar Térmica .............................................130
A.2.1.1 Clasificación de las Instalaciones ..................................................................................131
A.2.1.2 Configuraciones Básicas ...............................................................................................132
A.2.1.3 Elementos básicos de una instalación de Energía Solar térmica ...................................133
A.3 Descripción de una Instalación de Calefacción por Calderas de Biomasa ............................144
A.3.1 Unidad de Combustión de la Biomasa .............................................................................144
A.3.2 Biocombustible Sólido ....................................................................................................154
A.3.3 Almacenamiento de la Biomasa ......................................................................................156
A.3 .4 Sistema de alimentación desde el Sistema de almacenamiento a la caldera ...................159
A.3.5 Red hidráulica ................................................................................................................159
B Hoja de Cálculos ...........................................................................................................................160
B.1 Dimensionamiento del Sistema Híbrido Solar-Biomasa para el Vivero ...................................160
B.1.1 Cálculo del número de Colectores...................................................................................160
B.1.2 Distancia mínima entre los Colectores Solares ................................................................169
B.1.3 Fluido de Trabajo del circuito Primario ...........................................................................172
B.1.4 Caldera de Biomasa ........................................................................................................173
B.1.5 Silo para Almacenar la biomasa ......................................................................................174
B.1.6 Estanques Acumuladores ................................................................................................175
B.1.7 Calculo del Intercambiador de Calor ...............................................................................177
B.1.8 Circuito Hidráulico ..........................................................................................................179
B.2 Sistema Solar Térmico auxiliado por Gas Licuado para la Almazara ........................................206
B.2.1 Cálculo del número de Colectores...................................................................................206
B.2.2 Fluido de trabajo del Circuito primario ............................................................................211
viii
B.2.3 Sistema Auxiliar ..............................................................................................................211
A.2.4 Calculo del Estanque acumulador ...................................................................................211
B.2.5 Cálculo del Intercambiador de Calor ...............................................................................213
B.2.6 Circuito Hidráulico ..........................................................................................................213
C Información de las Tecnologías de Energías Renovables existentes y aplicables a la Agroindustria .......................................................................................................................................................223
D Estudio Energético de la Agroindustria .........................................................................................228
E Información de la Radiación Solar en Chile ..................................................................................236
F Cotización de los equipos y elementos para el Sistema de Energías Renovables para la Agroindustria .......................................................................................................................................................240
G Catalogo de Equipo Principales ....................................................................................................245
H Flujo de Caja del Análisis de Rentabilidad Económica ...................................................................258
I Esquema instalaciones de EERR en Agroindustria ..........................................................................264
ix
Índice de Tablas
Tabla 1 Proyección de las emisiones mundiales de CO2 desde el año 1990 hasta 2025 ...................... 6 Tabla 2 Resumen de las Potencia, Consumo y Costo en Energía en la Agroindustria ......................... 38 Tabla 3 Resumen de emisiones por el actual uso de Energía en la Agroindustria .............................. 38 Tabla 4 Coordenadas geográficas de la Agroindustria ....................................................................... 52 Tabla 5 Antecedentes generales de la Comuna de Nogales .............................................................. 54 Tabla 6 Selección de la inclinación de los colectores ......................................................................... 55 Tabla 7 Pérdidas por orientación e inclinación de los colectores. ...................................................... 56 Tabla 8 Disposición optima de colectores en la Agroindustria........................................................... 57 Tabla 9 Factor de corrección aplicado a la irradiación en plano horizontal en la Agroindustria. ........ 58 Tabla 10 Composición típica del alperujo ......................................................................................... 62 Tabla 11 Poder calorífico del alperujo .............................................................................................. 62 Tabla 12 Caracterización Energética del alperujo.............................................................................. 63 Tabla 13 Contenido de aceite según variedad de olivas (Cvchile 2012) (Olint 2012) (Chilepotenciaalimentaria 2012) ...................................................................................................... 64 Tabla 14 Resumen de Recursos Renovables disponibles en la Agroindustria ..................................... 67 Tabla 15 Descripción de los Colectores solares ................................................................................. 75 Tabla 16 Características del fluido de trabajo ................................................................................... 77 Tabla 17 Descripción de la Caldera de Biomasa ................................................................................ 77 Tabla 18 Descripción del Estanque Acumulador ............................................................................... 79 Tabla 19 Descripción del Estanque Acumulador ............................................................................... 80 Tabla 20 Descripción del Intercambiador de Calor ............................................................................ 81 Tabla 21 Descripción de las tuberías de cobre tipo L ......................................................................... 82 Tabla 22 Descripción estanque de expansión ................................................................................... 83 Tabla 23 Descripción del Estanque de expansión .............................................................................. 84 Tabla 24 Descripción de las Bombas de circulación........................................................................... 85 Tabla 25 Descripción de las Bombas de circulación........................................................................... 86 Tabla 26 Descripción de la Calefón ................................................................................................... 93 Tabla 27 Descripción de los Estanques Inter-Acumuladores ............................................................. 95 Tabla 28 Descripción de las tuberías de cobre tipo L ......................................................................... 96 Tabla 29 Descripción del Estanque de expansión .............................................................................. 96 Tabla 30 Descripción de las Bombas de circulación........................................................................... 97 Tabla 31 Costo de inversión del Sistema Híbrido (Solar Térmico-Caldera de Biomasa) para el Vivero .......................................................................................................................................................105 Tabla 32 Costo de Inversión del Sistema Solar Térmico con Sistema auxiliar de Energía convencional para la Almazara .............................................................................................................................105 Tabla 33 Costo Total de inversión en los Sistemas de Energías Renovables para la Agroindustria ....106 Tabla 34 Costo Total en Mantención en los Sistemas de Energías Renovables para la Agroindustria 106 Tabla 35 Gasto en Servicios Generales (año 2012) ...........................................................................107 Tabla 36 Ahorro en Energía Convencional en la Agroindustria .........................................................107
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Tabla 37 Descripción del Fondo ERNC recomendable ......................................................................109 Tabla 38 Resultados del Análisis de Rentabilidad Económica para la Suposición 1 ...........................111 Tabla 39 Resultados del Análisis de Rentabilidad Económica para la Suposición 2 ...........................112 Tabla 40 Resultados del Análisis de Rentabilidad Económica para la Suposición 3 ...........................113 Tabla 41 Ahorro en Emisiones por instalación de Energías Renovables ............................................114 Tabla 42 Hoja de datos necesarios del colector solar para el cálculo f-chart en Excel .......................164 Tabla 43 Hoja de cálculo del Método f-chart en Excel ......................................................................164 Tabla 44 Datos generales del Vivero ................................................................................................165 Tabla 45 Datos del colector solar y del sistema ...............................................................................165 Tabla 46 Cálculo F-chart para el Vivero ............................................................................................168 Tabla 47 Criterio para seleccionar el Intercambiador de calor .........................................................179 Tabla 48 Datos necesarios para calcular la perdida de carga por metro lineal de Tubería ................182 Tabla 49 Hoja de cálculo de la perdida de carga lineal por metro lineal de Tubería ..........................182 Tabla 50 Tramos de tubería del Campo de Colectores del Vivero.....................................................184 Tabla 51 Tramos de Tubería del Sistema Solar Térmico del Vivero ...................................................184 Tabla 52 Diámetro de Tuberías .......................................................................................................186 Tabla 53 Cantidad y dimensión de tuberías de cobre .......................................................................186 Tabla 54 Espesores de aislamiento de tuberías y accesorios ............................................................186 Tabla 55 Longitud equivalente para los principales accesorios ........................................................189 Tabla 56 Perdida de carga en la tuberías del circuito Colectores-Intercambiador de Calor ...............192 Tabla 57 Perdida de carga en los accesorios del circuito Colectores-Intercambiador de Calor ..........192 Tabla 58 Perdida de carga en el Intercambiador de Calor en el circuito Colectores-Intercambiador de Calor ...............................................................................................................................................193 Tabla 59 Perdida de carga en la tuberías del circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar ...............................................................................................................................................195 Tabla 60 Perdida de carga en los accesorios del circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar ...........................................................................................................................196 Tabla 61 Perdida de carga en el Intercambiador de Calor en el circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar ............................................................................................................196 Tabla 62 Perdida de carga en la tuberías del circuito de Energía Auxiliar .........................................199 Tabla 63 Perdida de carga en los accesorios del circuito de Energía Auxiliar ....................................199 Tabla 64 Perdida de carga en la Caldera de Biomasa .......................................................................199 Tabla 65 Contenido total de líquido en el Circuito primario .............................................................203 Tabla 66 Contenido de líquido para estimar el Volumen de vapor ...................................................204 Tabla 67 Contenido total de líquido en el circuito ............................................................................205 Tabla 68 Contenido de líquido para estimar el Volumen de vapor ...................................................205 Tabla 69 Datos Generales de la Almazara ........................................................................................207 Tabla 70 Datos técnicos del colector y del Sistema ..........................................................................207 Tabla 71 Calculo F-chart para la Almazara .......................................................................................210 Tabla 72 Tramos de tubería del campo de colectores de la Almazara ..............................................215 Tabla 73 Tramos de Tubería del Sistema Solar Térmico del Vivero. ..................................................215 Tabla 74 Diámetro de las Tuberías ..................................................................................................216
xi
Tabla 75 Cantidad y diámetro de tuberías .......................................................................................216 Tabla 76 Perdida de carga en la tuberías del Circuito Primario ........................................................218 Tabla 77 Perdida de carga en los accesorios del Circuito Primario ...................................................219 Tabla 78 Contenido total de líquido en el circuito ............................................................................221 Tabla 79 Contenido de líquido para estimar el volumen de vapor....................................................221 Tabla 80 Estado actual de las Energías Renovables ..........................................................................225 Tabla 81 Selección tecnológica de Energías Renovables según la Potencia ......................................227 Tabla 82 Potencia Instalada en la Agroindustria ..............................................................................229 Tabla 83 Consumo anual de Energía en la Agroindustria..................................................................232 Tabla 84 Costo anual de la Energía en la Agroindustria ....................................................................232 Tabla 85 Emisiones anuales de CO2 en la Agroindustria ..................................................................234 Tabla 86 Emisiones anuales de CH4 en la Agroindustria ...................................................................234 Tabla 87 Emisiones anuales de N2O en la Agroindustria ..................................................................235 Tabla 88 Irradiancia Solar en Chile por Regiones .............................................................................237 Tabla 89 Factor de corrección k para superficies inclinadas ............................................................238 Tabla 90 Valores del factor adimensional k para latitudes chilenas ..................................................239 Tabla 91 Presupuesto Sistema Híbrido (Solar Térmico-Caldera de Biomasa) para el Vivero ..............242 Tabla 92 Presupuesto Sistema Solar Térmico con Sistema auxiliar de Energía convencional para la Almazara .........................................................................................................................................244 Tabla 93 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 1 ......................................259 Tabla 94 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 2 ......................................261 Tabla 95 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 3 ......................................263
Índice de Figuras Figura 1 Quinta Región de Valparaíso, Chile ..................................................................................... 12 Figura 2 Sueños de Cartago, Nogales ................................................................................................ 13 Figura 3 De izquierda a derecha: Aceite de Oliva, Aceitunas de Mesa y Plantón de olivo .................. 13 Figura 4 Sistema Continuo de Dos Fases, Marca: Pieralisi. Nombre de las partes de izq. A der. (Tolva, elevador, molino, batidora, tablero y decantador) ........................................................................... 16 Figura 5 Diagrama de Flujos de la Almazara. ..................................................................................... 17 Figura 6 De izquierda a derecha: Mesa de propagación e Invernadero ............................................. 20 Figura 7 Diagrama de Flujos del Vivero ............................................................................................. 21 Figura 8 Figura que muestra la irradiancia solar a distintas condiciones climáticas ........................... 49 Figura 9 Radiación solar anual por regiones de Chile. ....................................................................... 52 Figura 10 Cancha de Alperujo ........................................................................................................... 61 Figura 11 Balance de Masa a Almazara con sistema de Dos Fases..................................................... 64 Figura 12 Balance de Masa a la Almazara ......................................................................................... 65 Figura 13 Configuración 5: Circulación forzada con intercambiador de calor independiente ............. 72
xii
Figura 14 Sistema de energía auxiliar en depósito secundario individual .......................................... 73 Figura 15 Circuito Primario cerrado .................................................................................................. 73 Figura 16 Esquema que muestra el uso de la válvula motorizada de 3 vías ....................................... 74 Figura 17 Colector Solar Chromagen PA-F (CR-120) .......................................................................... 75 Figura 18 de izquierda a derecha: Soporte para techo y Tapagorro de Compresión .......................... 76 Figura 19 de izquierda a derecha: Terminal y Copla de compresión .................................................. 76 Figura 20 Caldera de Biomasa Marina CS25 ...................................................................................... 78 Figura 21 Silo de biomasa de 2 toneladas ......................................................................................... 78 Figura 22 Estanque acumulador de 5.000 lt ...................................................................................... 79 Figura 23 Estanque acumulador de 2.500 lt ...................................................................................... 80 Figura 24 Intercambiador de calor Zilmet ZB500-20 ......................................................................... 81 Figura 25 Aislación para tuberías de cobre ....................................................................................... 82 Figura 26 De izquierda a derecha:: Tee y Codo ................................................................................. 82 Figura 27 De izquierda a derecha: Copla y Copla reductora .............................................................. 83 Figura 28 De izquierda a derecha: Unión americana, Terminal y Tapagorro ...................................... 83 Figura 29 Estanque de expansión EZL-105 ........................................................................................ 84 Figura 30 Estanque de expansión EZL- 200 ....................................................................................... 84 Figura 31 Bomba de circulación GRS32/10F...................................................................................... 85 Figura 32 Filtro Y .............................................................................................................................. 86 Figura 33 Bomba de circulación GRS15/6 ......................................................................................... 87 Figura 34 De izquierda a derecha: Válvula mezcladora termostática, Válvula de bola y Purgador de aire .................................................................................................................................................. 87 Figura 35 de izquiera a derecha: Válvula de 3 vías, Válvula de Seguridad y Válvula de Retención ...... 87 Figura 36 de izquierda a derecha: Termostato diferencial y Termómetro/Manómetro ..................... 88 Figura 37 Configuración 4: Circulación forzada con intercambiador de calor en el Acumulador solar 91 Figura 38 Sistema de energía Auxiliar en línea centralizado .............................................................. 91 Figura 39 Calefón Winter Solar 10 ............................................................................................. ....... 93 Figura 40 Conexión en paralelo con los circuitos primario y secundario equilibrados ........................ 94 Figura 41 Estanque Inter-Acumulador de 200 lt ................................................................................ 95 Figura 42 Estanque de expansión EZL-105 ........................................................................................ 96 Figura 43 Bomba de circulación GRS15/1.5 ...................................................................................... 97 Figura 44 Esquema que muestra los circuitos de una instalación solar ............................................130 Figura 45 Esquema básico de un Colector solar con cubierta de vidrio ............................................133 Figura 46 Colector con absorbedor de parrilla (vertical y horizontal) ...............................................134 Figura 47 Colector con absorbedor de serpentín (vertical y horizontal) ...........................................134 Figura 48 Superficie total, de apertura y del absorbedor de un colector solar plano ........................135 Figura 49 Conexión en Paralelo ................................................................................................ .......138 Figura 50 Conexión en Paralelo interno ...........................................................................................139 Figura 51 Conexión en serie ............................................................................................................139 Figura 52 Caldera compacta ............................................................................................................146 Figura 53 Caldera con alimentador inferior .....................................................................................147 Figura 54 Caldera con parrilla móvil ................................................................................................147
xiii
Figura 55 Caldera adatada con quemador en cascada .....................................................................148 Figura 56 Componentes de una caldera de biomasa ........................................................................149 Figura 57 Sistema de aporte de aire secundario ..............................................................................151 Figura 58 Esquema de funcionamiento con sonda lambda ..............................................................153 Figura 59 Vista superior trasera del campo de Colectores ...............................................................170 Figura 60 Vista lateral del Campo de Colectores ..............................................................................171 Figura 61 Puntos que indican los tramos de tubería del Campo de Colectores del Vivero ................183 Figura 62 Puntos que indican los tramos del Sistema solar térmico del Vivero .................................183 Figura 63 Diagrama Caudal-Presión para la selección de Bombas de circulación ..............................187 Figura 64 Recorrido en el campo de colectores considerado en el circuito Colectores-Intercambiador de Calor ..........................................................................................................................................191 Figura 65 Circuito Colectores-Intercambiador de Calor ....................................................................191 Figura 66 Circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar .........................................195 Figura 67 Circuito de Energía Auxiliar ..............................................................................................198 Figura 68 Puntos que indican los tramos de tubería del Campo de Colectores del Vivero ................214 Figura 69 Puntos que indican los tramos del Sistema solar térmico de la Almazara .........................214 Figura 70 Recorrido en el Campo de colectores considerado en el Circuito Primario .......................217 Figura 71 Circuito Primario ..............................................................................................................218 Figura 72 Catálogo Colector Solar ....................................................................................................245 Figura 73 Certificación Colector Solar ..............................................................................................248 Figura 74 Catálogo Estanques Acumuladores ..................................................................................249 Figura 75 Catálogo Estanque Inter acumuladores ............................................................................250 Figura 76 Catálogo Intercambiador de calor ....................................................................................251 Figura 77 Catálogo Caldera de Biomasa ...........................................................................................253 Figura 78 Catálogo calefón Solar .....................................................................................................254 Figura 79 Bomba de circulación GRS32/10F.....................................................................................255 Figura 80 Bomba de circulación GRS15/6 ........................................................................................256 Figura 81 Bomba de circulación GRS15/1.5 .....................................................................................257 Figura 82 Campo de Colectores Solares para el Vivero ....................................................................264 Figura 83 Esquema de la instalación de EERR en el Vivero ..............................................................265 Figura 84 Campo de Colectores Solares para la Almazara ................................................................266 Figura 85 Esquema de instalación de EERR en la Almazara ..............................................................267
Índice de Gráficos
Gráfico 1 Porcentaje de Energías Renovables en el consumo final de energía mundial (año 2009) ..... 4 Gráfico 2 Participación de la energía Renovables en la electricidad global ( año 2010) ....................... 4 Gráfico 3 Incremento en las temperaturas medias globales del aire entre 1860 y 2000 ...................... 6 Gráfico 4 Potencia energética instalada en la Almazara (año 2011) .................................................. 25 Gráfico 5 Potencia energética instalada en el Vivero (Año 2011) ..................................................... 26
xiv
Gráfico 6 Potencia energética total instala en la Empresa Agroindustria (año 2011) ........................ 27 Gráfico 7 Consumo energético en la Almazara (Año 2011) ............................................................... 28 Gráfico 8 Consumo energético en el Vivero (Año 2011-2012) ........................................................... 29 Gráfico 9 Consumo energético total en la Empresa Agroindustria (Año 2011-2012) ......................... 30 Gráfico 10 Costo energético de la Almazara (Año 2011) ................................................................... 32 Gráfico 11 Costo energético en el Vivero (Año 2011/2012) .............................................................. 33 Gráfico 12 Costo energético total en la Empresa Agroindustria (Año 2011/2012) ............................. 34 Gráfico 13 Costo energético total en la Agroindustria (Año 2011/2012) ........................................... 35 Gráfico 14 kg de CH4 emitidos en la Agroindustria (Año 2011-2012) ................................................ 36 Gráfico 15 kg de N2O emitidos en la Agroindustria (Año 2011-2012)................................................ 37 Gráfico 16 Demanda de Energía Eléctrica en la Almazara ................................................................. 39 Gráfico 17 Demanda de Energía Eléctrica en el Vivero ...................................................................... 40 Gráfico 18 Demanda de Energía Térmica en la Almazara .................................................................. 41 Gráfico 19 Demanda de Energía Térmica en el Vivero ...................................................................... 42 Gráfico 20 Costo de inversión de las posibles tecnologías de energías renovables aplicables a la Agroindustria. .................................................................................................................................. 45 Gráfico 21 Costos de funcionamiento y mantenimiento de las posibles tecnologías de energías renovables aplicables a la Agroindustria. .......................................................................................... 46 Gráfico 22 Irradiancia solar en plano horizontal en la Agroindustria ................................................. 53 Gráfico 23 Datos climatológicos correspondientes a Nogales ........................................................... 55 Gráfico 24 Irradiancia solar en la Almazara en plano inclinado ......................................................... 59 Gráfico 25 Irradiancia solar en el Vivero en plano inclinado .............................................................. 60 Gráfico 26 Demanda de energía del Vivero vs. Energía aportada por el Sistema hibrido de Energías Renovables ...................................................................................................................................... 71 Gráfico 27 Demanda de energía del Vivero vs. Energía aportada por el Sistema Solar con apoyo de Energía Convencional ....................................................................................................................... 90 Gráfico 28 Resultados del Flujo de Caja del Proyecto según la Suposición 1 .....................................111 Gráfico 29 Resultados del Flujo de Caja del Proyecto según la Suposición 2 .....................................112 Gráfico 30 Resultados del Flujo de Caja del Proyecto según la Suposición 1 .....................................113 Gráfico 31 Ahorro anual y acumulado en emisiones de CO2.............................................................115 Gráfico 32 Ahorro anual y acumulado en emisiones de CH4 .............................................................115 Gráfico 33 Ahorro anual y acumulado en emisiones de N2O ............................................................116 Gráfico 34 Fracción Solar Anual versus Rendimiento Medio Anual ..................................................167 Gráfico 35 Cobertura Energética que brinda el Sistema Solar en el Vivero .......................................169 Gráfico 36 Proporción de anticongelante según la Temperatura mínima registrada ........................172 Gráfico 37 Proporción de anticongelante según la Temperatura mínima registrada ........................173 Gráfico 38 Curva característica de la bomba GRS32/10F..................................................................194 Gráfico 39 Curva característica de la bomba GRS32/10F..................................................................197 Gráfico 40 Curva característica de la bomba GRS15/6 .....................................................................200 Gráfico 41 Fracción Solar anual versus Rendimiento Medio Anual ...................................................209 Gráfico 42 Cobertura energética por la aplicación del Sistema Solar en la Almazara ........................210 Gráfico 43 Curva característica de la bomba GRS15/1.5 ..................................................................220
1
Introduccion
En la actualidad el uso de la Energía es imprescindible para las actividades de la sociedad y debido a esto el hombre ha considerado para su desarrollo distintas fuentes de energía, que con el pasar del tiempo son cada día más necesarias. Sin embargo, las fuentes de energía que se utilizan en la actualidad han traído varios perjuicios tanto al medioambiente como a la economía de los países, por este motivo se están incorporando nuevas fuentes de Energía que solucionen estos problemas.
La solución es utilizar las llamadas Energías Renovables las que se están utilizando en los distintos puntos de demanda de Energías, es decir, en hogares, grandes empresas, incluso para abastecer ciudades, etc.
No ajenas a la necesidad de utilizar Energía y a los problemas con las actuales fuentes de Energía están las industrias de nuestro país. Por esta razón en el presente trabajo se estudia la factibilidad técnico económica de la instalación de Energías renovables en una Agroindustria Olivicola de la V Región llamada Sueños de Cartago, para determinar si este objetivo es posible se siguió la siguiente metodología.
En el Capítulo 1 se dan Antecedentes Generales los cuales nos introducen en el conocimiento de las Energías Renovables.
En el Capítulo 2 se estudia a la Empresa, el objetivo es determinar cuál es la demanda de Energía, además del costo económico y ambiental que significa para la empresa el presente consumo de Energía con las actuales fuentes de Energía.
En el Capítulo 3 se presenta un estudio del potencial de recursos Renovables en la Agroindustria, el fin es cuantificar y dimensionar la Energía Renovable disponible.
En el Capítulo 4 se diseña un Sistema de Energías Renovables para la Empresa.
Finalmente en el Capítulo 5 de evalúa económica y ambientalmente si factible aplicar Energías Renovables en esta Agroindustria.
Si este objetivo se cumpliera a partir de teste trabajo podría nacer un proyecto concreto de instalación de Energías Renovables para la Agroindustria.
2
Objetivos
Objetivo General
Desarrollar un sistema de producción de energía usando Energías Renovables para la operación de una Agroindustria Olivícola en la Quinta Región de Chile.
Objetivos Específicos
1. Evaluación del uso actual de energía en la Agroindustria
2. Estudio de los recursos Renovables disponibles en la Agroindustria
3. Diseño del sistema para producir energía con los recursos Renovables disponibles en la Agroindustria
4. Evaluación económica y ambiental del Proyecto
3
CAPITULO 1 Antecedentes Generales
1.1 Energías Renovables en el Mundo
Las energías renovables son fuentes energéticas que se producen de forma continua y son
inagotables a escala humana. Algunas fuentes de energías renovables han sido
aprovechadas por el hombre desde hace muchos años, pero debido a la aparición de
combustibles como el carbón, petróleo, gas natural y energía nuclear, fueron desplazadas.
Sin embargo, debido al futuro agotamiento de los combustibles fósiles, a la dependencia de
energía de países exteriores, incremento en costo y los problemas ambientales generados
por la utilización de estos recursos, han provocado e impulsado un retorno a las energías
renovables, además la búsqueda de otras fuentes renovables.
Las energías renovables son más amigables con el ambiente, aunque ocasionan efectos en
el entorno, no es comparable al impacto ambiental generado por las energías
convencionales como los combustibles fósiles y la energía nuclear (Mendez Muñiz and
Cuervo Garcia 2008).
Este tipo de energías se clasifican en Solar, Eólica, Biomasa, Geotérmica, Hidráulica y del
Mar. La energías anteriormente mencionadas están o podrían remplazar a las actuales
fuentes energéticas, como los combustibles fósiles y a la energía nuclear, en cuatro áreas:
generación de electricidad, generación de calor y frío, combustibles para transporte y
servicios energéticos para sectores rurales o aislados de la red.
Según el reporte mundial de Energías Renovables elaborado por la Asociación REN21
(Renewable Energy Policy Network for the 21st Century) en el año 2009 la Energías
4
Renovables corresponden a un poco más del 16 % del consumo final de energía en el
mundo (Martinot, McCrone et al. 2011).
Gráfico 1 Porcentaje de Energías Renovables en el consumo final de energía mundial (año 2009)
Con respecto a la generación de electricidad, la potencia instalada en el mundo utilizando
energías renovables alcanzo un valor de 1.320 GW (año 2010). Esta cifra corresponde a un
cuarto de la capacidad de generación eléctrica global (4.950 GW en 2010) y abastece el 20
% de la producción eléctrica global, siendo en su mayoría centrales hidroeléctricas (Martinot,
McCrone et al. 2011)
Gráfico 2 Participación de la energía Renovables en la electricidad global ( año 2010)
81,0%
2,8%
0,7%
0,6%
1,5%
3,4%
10,0%
16,2%
Combustibles Fósiles
Nuclear
Generación de electricidadeólica/solar/biomasa/geotérmicaBiocombustibles
Generación de calor biomasa/solar/geotérmica
Hidroeléctrica
Biomasa tradicional
67,6%
16,1%
3,3% 13,0% Combustibles Fósiles
Hidroeléctricas
Otras renovables
Nuclear
5
Con respecto a la generación de calor, la potencia instalada en el mundo es de más de
11.600 PJ (Peta - joule), la mayor parte es energía de la biomasa y con respecto a la
generación de frío aun solo existen algunas instalaciones (Martinot, McCrone et al. 2011).
Respecto a los combustibles para el transporte o biocombustibles la producción corresponde
a 19 billones de lts.(Martinot, McCrone et al. 2011).
En los Anexos (Anexo B,página 225), se resume del Estado actual y costos de las Energías
Renovables en el Mundo.
1.2 Problema Ambiental Mundial
Las actuales fuentes de energía están provocando varios daños al Medio Ambiente, por este
motivo los expertos dicen que no promueven el desarrollo sostenible de la sociedad (Soteris
A 2004). Los tres problemas ambientales más preocupantes en el mundo en la actualidad
son: el Cambio Climático Global, la Lluvia Acida y el Agujero en la capa de Ozono.
1.2.1 Cambio Climático Global
Históricamente han ocurrido en el planeta grandes cambios climáticos debido a fenómenos
naturales, pero hoy en día estos efectos se deben principalmente a actividades humanas
(Ahmet Duran 2004). En nuestro planeta ocurre el llamado efecto invernadero, esto se
genera por acción de ciertos gases llamados gases de efecto invernadero, el principal de
ellos es el CO2, , los cuales viajan hacia la atmosfera donde actúan como pantalla para la
luz solar permitiendo su paso, pero luego cumplen la función de detener parte de las ondas
reflejadas por la Tierra hacia el espacio, quedando así calor en la superficie terrestre, todo
este proceso ocurre naturalmente en el planeta bajo un equilibrio, y mientras este en
equilibrio este proceso no habrá problemas (Bilgen, Keles et al. 2008). Sin embargo, la
cantidad de estos gases de efecto invernadero que se emiten a la atmosfera ha ido
incrementándose en los últimos años y se proyecta que se incrementará aún más, como lo
indica la tabla 1. Este aumento de las emisiones provoca, que sea retenido más calor que el
necesario para el equilibrio natural del Planeta, por consecuencia se incrementan las
temperaturas globales, como se muestra en el gráfico 3 (Ahmet Duran 2004)
6
Los efectos que provocará este Cambio Climático Global será: un aumento del nivel del
mar, generación de tormentas con mayor frecuencia, sequias, condiciones climáticas
impredecibles (Ahmet Duran 2004), un desplazamiento de las zonas fértiles para la
agricultura hacia latitudes más altas, disminuyendo así la disponibilidad de agua dulce para
el riego y otros usos esenciales (Soteris A 2004).
Región 1990
(ton) 2002
(ton) 2010
(ton) 2015
(ton) 2020 (ton)
2025 (ton)
Total Mundial 21,460 24,409 30,201 33,284 36,023 39,790 Tabla 1 Proyección de las emisiones mundiales de CO2 desde el año 1990 hasta 2025
Gráfico 3 Incremento en las temperaturas medias globales del aire entre 1860 y 2000
1.2.2 Lluvia Ácida
Esta es una forma de contaminación en la cual los productos de la combustión de
combustibles fósiles como el SO2 y el NOx son transportados a la atmosfera y luego
descienden a la tierra en las precipitaciones, causando daños a los ecosistemas que son
muy vulnerables al exceso de acidez. La solución a este problema es controlar las
emisiones de SO2 y NOx.
También recientemente se ha puesto especial atención en sustancias como los compuestos
orgánicos volátiles (VOCs), cloruros, ozono y trazas de metales que podrían participar en un
7
complejo conjunto de transformaciones químicas en la atmosfera que provocan
precipitaciones acidas y la formación de otros contaminantes para el aire. (Soteris A 2004).
1.2.3 Agujero en la Capa de Ozono
El ozono está presente en la estratosfera, ha alturas de 12 a 25 km. y permite mantener el
equilibrio natural en la Tierra, a través de la absorción de la radiación ultravioleta (UV) y de
la radiación infrarroja. El problema ambiental es el crecimiento del agujero de la capa de
ozono debido a las emisiones de CFCs, halones (compuestos orgánicos clorados y
bromados) y NOx. Este problema puede provocar que haya mayores niveles de radiación UV
lo cual puede ser muy perjudicial, ya que aumentaría la tasa de cáncer a la piel y dañaría
los ojos de los seres humanos, además afectaría a otras especies biológicas (Soteris A
2004).
1.2.4 Desarrollo de políticas internacionales para proteger el Medio Ambiente
Los gobiernos mundiales se han unido en el buscar una solución a estos problemas
ambientales, en el siguiente listado se mencionan las principales actividades y medidas
tomadas históricamente:
5. Conferencia de Estocolmo (1972), se forma el Programa de las Naciones Unidas para
el Medio Ambiente (UNEP).
6. Conferencia de Ginebra (1979), es la primera conferencia concerniente al cambio
climático.
7. La Comisión Brundtland (1987) elaboró la publicación “Nuestro futuro común”, la cual
habla de la protección de la atmosfera y la reducción de los gases de efecto
invernadero.
8. En la Convención de Viena (1985) y el Protocolo de Montreal (1987) se trata el tema
de las sustancias que dañan la capa de ozono.
9. Conferencia de Toronto (1988) se propone el objetivo de reducir las emisiones de CO2
al 20% de los niveles de 1988 al 2005.
8
10. En el año 1988 se establece el Panel Intergubernamental sobre el cambio climático
(IPCC), en la UNEP y la Organización Meteorológica Mundial.
11. En la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente y Desarrollo en Rio
de Janeiro (1992), se habló de varios temas y se desarrolló la Convención Marco
sobre el Cambio Climático (CMCC), que entro en funcionamiento en marzo de 1994.
12. El Protocolo de Kioto (1997), un hito muy importante para establecer un marco
internacional para las políticas acerca del cambio climático en el siglo XXI (Ahmet
Duran 2004).Uno de sus objetivos es contener las emisiones de los gases que
aceleran el calentamiento global, y hasta la fecha ha sido ratificado por 163
países(erenovable 2012).
1.3 Energías Renovables en Chile
Las Energías Renovables tienen varias aplicaciones y potenciales instalados en las regiones
de Chile. A continuación se describe el detalle del aporte al sistema energético nacional de
cada tipo de Energía Renovable:
1.3 .1 Energía Solar:
Chile cuenta en la zona norte con muy altos índices de radiación e incluso en el desierto de
Atacama (II Región y él norte de la III Región) se encuentra uno de la mayores índices de
radiación del planeta (4000 kcal/ (m2/día) (Colin 2009). Por este motivo la energía solar
fotovoltaica es utilizada preferentemente en esta parte del país. También este gran
potencial, es del interés de las empresa mineras nortinas, quienes a raíz de la crisis del gas
deben utilizar hoy en día diésel, por este motivo instalarán proyectos solares fotovoltaicos,
que se conectaran a la empresas a través del SING (Sistema interconectado del Norte
Grande) (Colin 2009). A pequeña escala las municipalidades y gobiernos regionales y
particulares han aprovechado este recurso en proyectos de alumbrado y electrificación de
viviendas rurales, postas y escuelas (Jara Tirapegui 2006). La energía solar térmica se ha
implementado con fuerza en el país, principalmente para cubrir las necesidades de agua
caliente sanitaria y calefacción de viviendas y hospitales. Se estimó en el año 2009 un total
9
de 6000 m2 de colectores solares térmicos instalados (ECOFYSVALGESTA 2009). También
ha sido aprobado un proyecto a mayor escala en una minera del norte del país en la cual se
instalaran paneles termo solares (concentradores solares cilindro parabólicos) para calentar
agua de proceso industrial (SEA). Con respecto a la energía solar termo eléctrica en Chile
no hay aplicaciones debido a que aún no es una tecnología muy atractiva para el país, por
su elevado costo (ECOFYSVALGESTA 2009).
1.3.2 Energía Eólica
El Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC) estima que el potencial eólico de Chile es de
aprox. 40 GW (Woodhouse 2011). De este potencial diversos estudios han identificado que
las siguientes zonas presentan el mayor potencial eólico explotable, con fines de generación
eléctrica: Calama y otras zonas altiplánicas (II Región), costas y zonas de cerros del norte
(IV región), puntas que penetran al océano (Zona Norte y Centro), además de las zonas
costeras abiertas al océano y zonas abiertas hacia las pampas patagónicas (XI y XII Región)
(Jara Tirapegui 2006). Dado este potencial ya se han instalado parque eólicos conectados al
Sistema Interconectado Central (SIC) y en el extremo sur del país, al Sistema Eléctrico de
Aysén, además de otro parque eólico aislado del sistema eléctrico. Para el futuro el Servicio
de Evaluación Ambiental (SEA) ya ha aprobado la implementación de varios parques eólicos
que se instalaran en varias zonas del norte, centro y sur del país, algunos de ellos ya están
en etapa de construcción (SEA). Además el gobierno ha materializado pequeños proyectos
de electrificación rural, por energía eólica, en localidades rurales del país, como en la isla de
Chiloé (X Región) (Jara Tirapegui 2006).
1.3.3 Energía Geotérmica
Chile está ubicado en el llamado “cinturón de fuego del Pacifico”, zona que se caracteriza
por su actividad sísmica y volcánica (Jara Tirapegui 2006). Debido a esto la Comisión
Nacional de Energía (CNE) indica que en Chile existen 115 sitios con potencial geotérmico
factibles de ser explorados (Woodhouse 2011). Por otra parte El Servicio Nacional de
Geología y Minería (SERNAGEOMIN) lleva un catastro de 50 volcanes activos en la
Cordillera de Los Andes y de 275 fuentes geotermales de internes, es decir aprox. entre
1.235 - 3.350 MW útiles, además plantea que los principales sitios potencialmente
10
aprovechables están en la I y X Región (Jara Tirapegui 2006). A pesar de este potencial aun
en Chile no se ha instalado una central geotérmica, sin embargo hay lugares en la I, II y VIII
región en donde el Servicio de Evaluación Ambiental (SEA) ha aprobado que se explore el
potencial geotérmico, además algo ya más avanzado, es el estudio de la implementación de
una central geotérmica para generar energía eléctrica en la II Región (SEA).
1.3.4 Energía de la Biomasa
Chile tiene un buen potencial de energía de la biomasa, especialmente en el sur del país,
debido a la industria forestal y a sus residuos generados. Un estudio de la Agencia Alemana
del Desarrollo (GZT) concluyo que la industria forestal del país podría generar 470 MW de
potencia. Por otra parte, un estudio del Instituto forestal (INFOR) estima que la industria
aserradera podría producir unos 900 MW de potencia (Colin 2009).
Parte de este potencial de biomasa se usa actualmente para electrificación, calefacción y en
comunicaciones. En la zona sur existen varias plantas termo eléctricas que utilizan
desechos forestales como combustible, además de varias plantas de cogeneración (calor y
electricidad) en industrias madereras y papeleras (celulosa). También el gobierno ha
instalado proyectos pilotos que abastecen de energía eléctrica localidades rurales aisladas,
como en la isla Butachauques, (X Región).
Para biogás, a partir de residuos agrícolas, la VIII Región tiene el mayor potencial estimado
en 32 millones de m3, le siguen en potencial la IX, VI y VII Región; a partir de residuos de la
ganadería, se estima un potencial de 117,9 millones de m3 (Jara Tirapegui 2006).Existen en
el país proyectos de biogás que están operando, los cuales utilizan los desechos de los
vertederos y de las plantas de tratamiento de aguas servida (Colin 2009).
En materia de los biocombustibles, se destaca la producción a pequeña escala de biodiesel
y la investigación de generación de biodiesel de segunda generación a partir de micro algas,
por otra parte, el desarrollo de bioetanol está más retrasado, ya que solo se encuentra en
etapa de investigación (ECOFYSVALGESTA 2009).
Actualmente el servicio de Evaluación Ambiental (SEA) ha aprobado varios proyectos de
plantas de biogás y de cogeneración de biomasa especialmente en el centro y sur del país,
que incrementaran aún más la capacidad ya instalada (SEA 2012).
11
1.3.5 Energía Hidráulica
Esta fuente de energía renovable es muy prometedora debido a la vasta cantidad de ríos y
lagos en el centro y sur de Chile (Colin 2009). Según el catastro de la empresa Endesa, en
el año 2006, se estima que el potencial de Chile es de 28.000 MW de los cuales sólo 3.750
MW se encuentran en operación (13%); 312 MW en centrales en construcción (1%) y 10.430
MW de futuros proyectos (37%) (Jara Tirapegui 2006). La mayoría de las centrales
hidroeléctricas instaladas son a gran escala, sin embargo, la Comisión Nacional de Energía
(CNE) solo considera como Energías Renovables a las pequeñas centrales (potencia
menor a 20 MW) (CER). La Corporación de Fomento de la Producción (CORFO) estima
que existen cerca de 290 canales (o pequeños embalses ocupados para la agricultura)
factibles de utilizar para construir pequeñas centrales que brindarían una potencia de aprox.
850 MW (Colin 2009).
Actualmente hay varias instalaciones de este tipo en el norte, centro y sur de Chile, usadas
para electrificación y telecomunicaciones (Jara Tirapegui 2006). Este número se
incrementará debido a que el Servicio de Evaluación Ambiental (SEA) ha aprobado la
implementación de varias centrales hidroeléctricas a pequeña escala desde la III a la XIV
Región del país, estas centrales aportaran energía al Sistema Interconectado Central (SIC) y
las del extremo sur estarán aisladas del sistema eléctrico. (SEA)
1.3.6 Energía del Mar
Chile tiene un gran potencial en energía del mar, especialmente en las costas del sur del
país. Un estudio señala que si se aprovechara este recurso en las costas del centro y sur
de Chile, se podría aportar una potencia de unos 164.000 MW. En relación a esto, una
agencia de Ingenieros Británicos llamada Baird & Asociados dice que “Chile es el país con
el mayor potencial en olas del mundo”. Otros estudios estiman que en el Canal del Chacao
(X Región) existe un gran potencial en energía del mar, ya que posee las terceras corrientes
marinas más fuertes del planeta y se estima que el potencial de este canal equivale a 2.000
MW (Woodhouse 2011).
Sin embargo, a pesar de este potencial en Chile aún no hay aplicaciones, sino que aun este
tipo de energía se encuentra en etapa de investigación, a través de algunas Universidades,
las cuales buscan posibles aplicaciones de esta tecnología primordialmente en el sur del
país (Jara Tirapegui 2006).
12
1.4 Agroindustria Olivícola de la Quinta Región
La Quinta Región de Chile posee varias plantas Agroindustriaes, en las cuales se elaboran
diversos productos como: productos hortofrutícolas en conserva, deshidratados y
congelados, además de vinos, pastas, concentrados, aceite de palta, aceite de oliva, entre
otros productos.
Dentro de este rubro se encuentra la Empresa Sueños de Cartago S.A, ubicada en el
km.118 de la Panamericana Norte, entre las comunas de Nogales y Melón, destinándose
principalmente a la elaboración de aceite de oliva y aceitunas de mesa, además de un
vivero en el cual se crían plantones de olivo. La empresa posee tres áreas de producción:
Almazara, planta de Elaboración de aceitunas de mesa y Vivero.
Figura 1 Quinta Región de Valparaíso, Chile
13
Figura 2 Sueños de Cartago, Nogales
(MapsGoogle 2012)
Figura 3 De izquierda a derecha: Aceite de Oliva, Aceitunas de Mesa y Plantón de olivo
14
CAPITULO 2 Evaluacion de la Demanda de Energıa en la Agroindustria
Resumen
El objetivo de este Capítulo es cuantificar la cantidad de energía que demanda la
Agroindustria para llevar a cabo su proceso productivo.
Primeramente necesitamos estudiar los procesos que ocurren en la Agroindustria y así
comprender la necesidad de energía en la producción. La Agroindustria será estudiada en
dos partes debido a que consta de dos área paralelas de producción totalmente
independientes, llamadas Almazara (donde se produce aceite de oliva) y Vivero ( donde se
producen plantas o plantones de olivo). Para este fin fue necesario realizar visitas a terreno
y varias conversaciones con el personal que trabaja en la Agroindustria. También fue
necesario consultar bibliografía al respecto para adquirir conocimiento técnico para una
mejor comprensión de las operaciones.
En la otra parte de este Capítulo se examinan las dos áreas de la Agroindustria con el fin de
medir la potencia instalada, el consumo de energía y el costo que implica este consumo de
Energía. Para conocer la Potencia instalada es necesario reconocer todos los equipos que
consumen algún tipo de energía y obtener la información técnica de diseño de estos
equipos. Determinar cuanta energía consume cada uno de estos equipos es muy difícil de
medir si no se tienen los equipos adecuados, por lo que se hicieron estimaciones en base al
conocimiento y a la experiencia de los operadores. El costo monetario que implica este
consumo de energía se estima en base a los precios dados por diferentes entidades
involucradas al uso de la Energía en Chile.
15
También se estimará de acuerdo al consumo de los actuales sistemas de energías no
renovables la cantidad de gases contaminantes que se emiten al ambiente. Esto se
determinara en base a índices dados por entidades responsables en el ámbito de la energía
en el país.
La demanda de energía se determina de acuerdo al consumo de Energía en la Agroindustria
2.1 Descripción de los Procesos de Producción en la Agroindustria
En esta descripción de los procesos nos centraremos solo en dos de las tres áreas de
producción de la Agroindustria, que son la Planta Aceitera o Almazara y el Vivero, debido a
que son las áreas de interés para nuestro estudio
La temporada de producción de la Agroindustria abarca los siguientes meses:
La planta Aceitera opera desde mayo a octubre.
El Vivero opera desde abril hasta enero, del siguiente año.
2.1.1 Procesos en la Almazara o Planta Aceitera
Para producir un aceite de calidad extra virgen la almazara cuenta con un moderno Sistema
Continúo de Dos Fases llamado “Instalación Continua Fattoria” el cual tiene la capacidad de
procesar 400 kg/hr (Véase Fig. 4). La almazara opera en paralelo a los meses de cosecha
de las olivas. Para extraer el aceite de oliva son necesarias varias etapas externas e
internas, pero principalmente se deben realizar dos fases: Molienda y separación solido-
liquido (decantación). Un diagrama de flujos del proceso que ocurre en la almazara se
muestra en la Fig. 5.
La explicación de porqué el Sistema se conoce como de Dos Fases es debido a que al
moler las olivas se presentan dos fases liquidas y una sólida, es decir tres fases: solida
(orujo: es la semilla, piel y pulpa), liquida (alpechín o agua de vegetación) y líquida (aceite),
pero estas fases son separadas en el decantador el cual entrega dos salidas: alperujo (orujo
+ alpechín) y aceite, es por esto que se llama sistema de dos fases, a diferencia de los
sistemas de tres fases que dan tres salidas: orujo, alpechín y aceite. Al sistema de dos fases
16
se le considera más avanzado, ya que permite que haya menos subproductos (Barranco,
Fernandez Escobar et al. 2008).
Figura 4 Sistema Continuo de Dos Fases, Marca: Pieralisi. Nombre de las partes de izq. A der. (Tolva, elevador, molino, batidora, tablero y decantador)
(Pieralisi 2012)
17
Figura 5 Diagrama de Flujos de la Almazara.
Las principales operaciones que ocurren en la almazara se describen a continuación:
1. Operaciones preliminares exteriores
Recolección: Las olivas son recolectadas de forma manual en huertos de
propietarios externos de la IV, V Y R.M del país. Se deben recolectar en la época de
madurez optima, además se debe cuidar de que no se deteriore la oliva y que esté
libre de impurezas, para así no perjudicar la calidad del aceite que será elaborado
(Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008).
Transporte: Las olivas son llevadas en cajas ranuradas desde los huertos externos
hasta la Almazara.
2. Operaciones preliminares interiores
18
Recepción y Control del peso: Las olivas se descargan y se dejan ordenadas por
cliente y por variedad. Se observa en qué estado vienen las olivas, si vienen olivas
de mala calidad o demasiado maduras se eliminan, además se limpia en caso de
que aun presente impurezas (hojas, ramitas, etc.). Se deben pesar todas las olivas
que llegan a la almazara para así llevar el control de la magnitud de producción.
Conservación: Se dejan las cajas con olivas en un lugar de la almazara disponible
para su conservación, hasta que sean procesadas en uno o máximo dos días, para
que en las olivas no ocurran fenómenos físico-químico-biológicos que las deterioren
y bajen la calidad del aceite que se producirá (Barranco, Fernandez Escobar et al.
2008).
3. Operaciones en el Sistema Continuo
Molienda: Las olivas son echadas en la tolva de alimentación, desde hay suben a
través del elevador hasta el molino. Las olivas son trituradas por un molino de
martillos (que giran) con grillas de acero inoxidable (que giran en sentido contrario)
de 6 – 8 mm, con el fin de romper los tejidos vegetales para liberar las pequeñas
gotas de aceite y formar gotas más grandes (Sánchez Pineda de las Infantas 2003),
para que así el aceite pueda ser extraído en las posteriores etapas.
Batido: La pasta resultante del molino entra en una batidora que posee en su interior
un aspa que agita la pasta y donde además, se aplica calor a la pasta. El propósito
de esta etapa es reunir en una sola fase oleosa las gotitas de aceite que están
dispersas en la pasta (Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008). Durante este
proceso hay que controlar tres variables: tiempo de batido, pastas difíciles y la
temperatura de la pasta. El tiempo de batido debe ser entre 70 – 90 min, para que no
se formen emulsiones ni se pierdan las buenas características sensoriales del aceite.
Cuando hay pastas “difíciles” se forman emulsiones y se dificulta la separación el
aceite, por este motivo se debe aplicar un coadyuvante (talco). La temperatura debe
ser controlada entre 25-30 °C para así facilitar la formación de la fase oleosa, pero si
la T° es menor baja rendimiento de extracción de aceite y si es mayor la T° el aceite
pierde características sensoriales y se degrada (Sánchez Pineda de las Infantas
2003).
19
Separación sólido-líquido o decantación: A través de una bomba se alimenta la pasta
a la centrifuga de eje horizontal, además al instante se añade agua para ayudar en la
extracción del aceite. En este equipo son separadas las fases, aprovechando la
diferencia de densidades (Sánchez Pineda de las Infantas 2003) y por la acción de la
fuerza centrífuga (Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008). Se obtienen dos fases:
alperujo y aceite de oliva, este último se vierte a un tamiz metálico que vibra para ir
sacando los restos de alperujo que quedaron en esta fase, mientras va cayendo en
una tolva, desde donde es bombeado a un tambor plástico.
4. Almacenamiento
Filtrado y Conservación: Luego de la decantación el aceite aún posee pequeños
residuos sólidos finos, todos estos se eliminan en un filtro de placas de celulosa.
Luego se depositan en bidones plásticos, en los cuales se conservan hasta su
envasado.
5. Residuos
Salida y Transporte de residuos: El residuo es el alperujo, el cual sale del
decantador. Es vertido por una canaleta hacia el exterior de la almazara, desde allí
es transportado en carretilla hacia un terreno llamado “cancha de alperujo”.
6. Envasado
Embotellado, Sellado y Etiquetado: El aceite se vierte en botellas de vidrio de 250 o
500 cc o en bidones plásticos de 5 lt. Se sellan las botellas con tapas plásticas en la
maquina selladora. Finalmente se etiquetan según la normativa vigente.
7. Venta: El aceite extra virgen de Sueños de Cartago es vendido a los restaurantes o a
pequeñas cadenas de supermercados de la zona.
2.1.2 Procesos en el Vivero
Con el fin de criar plantones de olivos en este vivero se utiliza el método de “propagación
por enraizamiento de estaquillas semi leñosas bajo nebulización”, un moderno sistema a
través del cual el vivero produce cerca de 150.000 plantones anuales. Todo esto se realiza
en mesas de propagación (Véase Fig. 6) e invernaderos (Véase Fig. 7). La idea de este
método, es poder formar por vía vegetativa muchas plantas procedentes de un mismo olivo
e idénticas al olivo madre (Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008).
20
La temporada de producción del vivero comienza cuando se extraen las estaquillas semi
leñosas, y termina cuando ya se han criado los plantones. Este proceso consta de varias
etapas, las cuales se muestran en el diagrama de flujos de la Fig. 8, en este proceso
destacan básicamente tres etapas: enraizamiento, endurecimiento y crianza.
Las estaquillas semi leñosas son brotes o ramitas nuevas de un año aprox. de existencia,
que se extraen de los olivos del huerto de olivos madres. Los olivos madres son olivos de
mediano tamaño, ya que se van podando constantemente con el fin de que estén dando
cada año nuevos brotes.
Cabe mencionar que los plantones de olivos son pequeños arboles nuevos que se producen
para ser trasplantados a un huerto olivícola.
Figura 6 De izquierda a derecha: Mesa de propagación e Invernadero
21
Figura 7 Diagrama de Flujos del Vivero
Las principales operaciones que ocurren se definen a continuación:
1. Operaciones en el huerto de Olivos Madres
Plantación de Olivos Madres: Los olivos son plantados en camellones, en los cuales
cada hilera corresponde a una variedad de olivas. Se disponen de esta forma para
no promover la polinización evitando así la producción del fruto (olivas), de no ser así
se perjudicaría el proceso productivo. Las plantas son traídas en bolsas de
polietileno desde los viveros, y son plantadas idealmente al término del invierno
(Tapia, Astorga et al. 2003). Se realiza un hoyo de aprox. el mismo tamaño de la
bolsa de polietileno y se retira la planta de la bolsa, se entierra y se tapa con tierra
del mismo suelo (Tapia, Astorga et al. 2003), además se pone un tutor para que guíe
a la planta hacia un crecimiento vertical.
Vida de la planta: Este etapa corresponde a la etapa de crecimiento de los olivos
madres, desde los cuales se extraerán las estaquillas. Al árbol se le deben realizar
los siguientes tratamientos para su existencia: Fertilización para dar a las plantas los
22
nutrientes necesarios, las plantas son humectadas por el sistema de riego por goteo,
se realiza un control de plagas en cada temporada y de ser necesaria se realiza el
respectivo tratamiento según la plaga, se realiza un poda de formación de copa para
formar la estructura o armazón el árbol (Tapia, Astorga et al. 2003), además cuando
la ramas ya están antiguas se realiza una poda de rejuvenecimiento o de renovación
en la que se cortan las ramas y se deja solo la base del tronco, para que así haya
crecimiento de ramas nuevos.
Extracción de estaquillas semi leñosas: Se recolectan brotes nuevos del año o del
año anterior desde el huerto de olivos madres (Barranco, Fernandez Escobar et al.
2008), idealmente en el mes de agosto, debido a que si se recogieran en invierno
hay menos probabilidad de que haya enraizamiento (Barranco, Fernandez Escobar
et al. 2008).
2. Operaciones de preparación de estaquillas semi leñosas
Corte y deshoje del material: Las ramas o brotes extraídos deben mantenerse
frescos y húmedos para que no se sequen (Barranco, Fernandez Escobar et al.
2008). Estas ramas poseen de cuatro a seis entrenudos por lo que se pueden cortar
de dos o tres estaquillas por cada rama o brote, considerando que cada estaquilla
posee cerca de 4 nudos y que su tamaño es15 cm. (Barranco, Fernandez Escobar et
al. 2008) . En la parte superior de la estaquilla se dejan de dos a cuatro hojas en los
dos nudos superiores y las demás hojas se quitan, (Tapia, Astorga et al. 2003)
quedando así la estaquilla con 2 nudos sin hojas en la parte inferior.
Aplicación de Hormona: Las estaquillas ya preparadas, se sumergen por aprox. 5
segundos en una solución de ácido indolbutirico disuelto en alcohol. Esta hormona
promueve el enraizamiento (Tapia, Astorga et al. 2003).
3. Operaciones de propagación de estaquillas semi leñosas bajo nebulización
Enraizamiento: Las estaquillas son llevadas al invernadero en donde se plantan en
mesas de propagación. Estas mesas poseen tres elementos indispensables para el
proceso: Sustrato, fuente de calor y fuente de humedad (Tapia, Astorga et al. 2003).
El sustrato es perlita, este es el medio donde se plantan las estaquillas. La fuente de
calor es por agua calentada en una caldera, la que circula a las mesas, además es
importante que la temperatura este entre 20 y 25 °C, bajo este rango no actúa la
23
hormona y sobre este rango se queman las estaquillas. La fuente de humedad es la
nebulización intermitente para que la estaquilla se mantenga viva hasta que enraíce.
También La temperatura ambiente debe ser fresca por esto se aplica aire
acondicionado en el tiempo caluroso y en el tiempo frio se nebuliza más seguido
(Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008). Además durante este proceso se aplican
fertilizantes a las estaquillas, cuando hay problemas de enraizamiento (formación de
cayos). Luego de dos meses sometidas a estas condiciones las estaquillas
desarrollan raíces adventicias en su base (Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008)
y se levantan de las mesas de propagación para plantarlas en contenedores
plásticos, con otro sustrato no inerte. Finalmente se lleva la nueva planta a
endurecimiento.
Endurecimiento.: Esta etapa es para endurecer la estaquilla enraizada (Barranco,
Fernandez Escobar et al. 2008) y así se adapte al medio natural de humedad y
temperatura. Esta etapa se realiza en un invernadero en el cual las temperaturas del
ambiente son más bajas y donde se riega la planta, pero cada vez menos seguido
que en la etapa anterior (Tapia, Astorga et al. 2003). También se debe añadir un
fertilizante para fortalecer las raíces y de este modo las plantas nuevas resistan el
traspaso a esta etapa. Bajo estas condiciones comienzan a surgir varios brotes, pero
se poda la planta para que la planta crezca con solo un eje. Este proceso dura aprox.
cuatro meses hasta que el brote tenga unos 5 cm. de longitud, entonces se
traspasan las plantas nuevas a contenedores de plásticos de 2 litros con sustrato
(suelo, arena y materia orgánica) (Tapia, Astorga et al. 2003). Cumplido esto se lleva
la nueva planta a la etapa de crianza.
Crianza.: Esta etapa es para que la planta se desarrolle, forzando el crecimiento, a
través del manejo de la temperatura, humedad y nutrientes (Tapia, Astorga et al.
2003). Esta etapa no se realiza dentro de un invernadero. Se utiliza un tutor para que
guie a la planta en su crecimiento y se riega la planta por nebulización. También se
agregan fertilizantes para fortalecer el crecimiento aéreo y de las raíces, además se
debe observar si alguna plaga ha afectado a las plantas y realizar el adecuado
control de dicha plaga. En esta etapa se va podando la planta para quitar los nuevos
brotes y cuidar que la planta vaya creciendo con el único eje dejado desde la etapa
anterior (Barranco, Fernandez Escobar et al. 2008).La planta debe alcanzar una
24
altura mínima de 30 cm y estará luego de entre dos a tres meses lista para su
comercialización.
4. Venta: Los plantones de olivo son vendidos a agricultores de la Zona Central del
país, quienes han proyectado implementar un huerto olivícola.
2.2 Estudio del uso de Energía en la Agroindustria
2.2.1 Potencia Energética instalada en la Agroindustria
Para poder determinar el consumo de energía en la Agroindustria, primeramente, debemos
definir la potencia instalada. Con este fin, se recopilo el valor de la potencia de cada equipo
instalado y luego, se calculó la potencia de cada etapa de proceso de las dos áreas
productivas de la Agroindustria.
En los Anexos (Anexo C, página 229) se muestra en detalle los datos y resultados
obtenidos.
1. Potencia instalada en Almazara
La Potencia total instalada para fines energéticos en la Almazara es de 34,382 kW, de los
cuales 18,382 kW corresponden a equipos eléctricos instalados y 16 kWt (13.766,74 kcal/hr)
corresponden a equipos instalados para entregar calor al proceso industrial.
El gráfico 4 muestra la potencia instalada por cada etapa de proceso, en él se observa que
la etapa del batido es la que posee la mayor potencia instalada (3,44 kW más 16 kWt),
además es la única etapa de proceso donde hay equipos para entregar calor. También se
observa que la etapa de molienda es la que cuenta con la mayor potencia eléctrica
instalada.
25
Gráfico 4 Potencia energética instalada en la Almazara (año 2011)
2. Potencia instalada en Vivero
La Potencia energética instalada en el Vivero es de 169,129 kW, de los cuales 10,029 kW
corresponden a equipos eléctricos instalados, 159,1 kWt (136.892,98 kcal/hr) corresponden
a equipos para aportar calor.
En el gráfico 5 se muestra la potencia instalada por etapa de proceso en el vivero, en este
gráfico se ve que la mayor potencia energética instalada es en la etapa de enraizamiento
(6,369 kW más 79,1 kWt). Además, es notorio que en el vivero principalmente están
instalados equipos para aportar calor.
0
5
10
15
20
Pote
ncia
(kW
)
Etapa del Proceso
Potencia Instalada en Almazara
Calor
Electricidad
26
Gráfico 5 Potencia energética instalada en el Vivero (Año 2011)
3. Potencia Total instalada en la Agroindustria
Al sumar la potencia instalada de las dos áreas de producción de la Agroindustria, se
concluye que la potencia total instalada en la Agroindustria es de 177,511 kW, de los cuales
28,411 kW corresponden a la potencia eléctrica total, 175,1 kWt (150.659,72 kcal/hr)
corresponden a la potencia total para aportar calor.
El gráfico 6 muestra la potencia energética en cada área de la Agroindustria. Al ver el gráfico
es evidente que la mayor potencia instalada es de equipos que aportan calor.
0
20
40
60
80
100
Pote
ncia
(kW
)
Etapas de Proceso
Potencia Instalada en el Vivero
Calor
Electricidad
27
Gráfico 6 Potencia energética total instala en la Empresa Agroindustria (año 2011)
2.2.2 Consumo Energético de la Agroindustria
Como ya está definida la potencia instalada de cada equipo y etapa de proceso de la
Agroindustria procederemos a calcular el consumo de energía de la Agroindustria.
Primeramente, cabe mencionar que, La energía entregada a los equipos eléctricos es
proveniente de la red eléctrica (SIC, Sistema interconectado Central), por otra parte la
energía entregada a los equipos que aportan calor proviene del consumo de gas licuado
(galones de 15 y 45 kg).
Para calcular el consumo anual de electricidad sólo bastará conocer la potencia instalada y
las horas anuales de operación de cada equipo, pero para calcular el consumo de gas
licuado debemos conocer el poder calorífico del combustible, el rendimiento de los equipos y
las cantidades de combustible utilizadas anualmente.
En los Anexos (Anexo C, página 232) se muestran los cálculos más detalladamente.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Almazara Vivero
Pote
ncia
(kW
)
Area Agroindustria
Potencia Total en la Agroindustria
Calor
Electricidad
28
1. Consumo de Energía en la Almazara
El consumo anual de energía de la Almazara es de 48,9 GJ, de los cuales 47 GJ (13.033,92
kWh) corresponden a consumo de energía eléctrica y 1,9 GJ (455.175 kcal) corresponden a
consumo de energía térmica.
El gráfico 7 muestra el consumo de energía en cada etapa de proceso de la Almazara. Al
observar la gráfica notamos que el consumo de energía eléctrica en esta área es mucho
mayor que el consumo de energía térmica, y que en las etapas de molienda y de batido
existe el mayor consumo de energía.
Gráfico 7 Consumo energético en la Almazara (Año 2011)
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
Ener
gía
(GJ)
Etapa de Proceso
Consumo de Energía en Almazara
Gas Licuado
Electricidad
29
2. Consumo de Energía en Vivero
El consumo anual de energía del vivero es de 157,93 GJ, de los cuales 34,53 GJ (9.591,78
kwh) corresponden a consumo de energía eléctrica y 123,4 GJ (29.451.965 kcal)
corresponden al consumo de energía térmica.
El gráfico 8 muestra el consumo de energía por etapa de proceso en el Vivero. Al observar
este gráfico es notorio que el consumo de energía térmica es mayor que el consumo de los
otros tipos de energía. Se debe considerar que este consumo seria aún más elevado, ya
que existen en los invernaderos equipos calefactores de aire a gas licuado que no están en
uso debido al muy alto consumo que implicaba su operación. Se concluye, además, que es
en la etapa de enraizamiento donde existe el mayor consumo de energía.
Gráfico 8 Consumo energético en el Vivero (Año 2011-2012)
0
20
40
60
80
100
120
140
Cons
umo
(GJ)
Etapa de Proceso
Consumo de Energía del Vivero
Gas Licuado
Electricidad
30
3. Consumo Total de Energía en la Agroindustria
Al sumar el consumo de ambas áreas de proceso de la Agroindustria se estima que el
consumo total anual es de 207,31 GJ, de los cuales 82 GJ (22.625,7 kwh) corresponden al
consumo total de energía eléctrica y 125,31 GJ (29.985.765 kcal; 2.880 kg de gas licuado)
corresponden al consumo total de energía térmica.
En el gráfico 9 se observa el consumo total por área de producción de la Agroindustria. El
consumo de energía térmica es mucho más elevado que el consumo de electricidad.
Gráfico 9 Consumo energético total en la Empresa Agroindustria (Año 2011-2012)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Almazara Vivero
Cons
umo
(GJ)
Area Agroindustria
Consumo Total Agroindustria
Gas Licuado
Electricidad
31
2.2.3 Costo de la Energía en la Agroindustria
Como ya se ha determinado el consumo de energía anual en la Agroindustria es necesario
ahora estimar cual es el costo monetario del actual consumo de Energía.
Para realizar este cálculo necesitamos multiplicar los consumos de cada energía por el
precio de cada energía. El precio de cada energía utilizado para los cálculos son los
siguientes:
Electricidad: 55,29 $/kwh1 (CNE 2012)
Gas Licuado: 14.949 $/galón2 de 15 kg, 44.339 $/galón3 de 45 kg (CNE 2012)
En los Anexos (Anexo C, página 232) se muestran con detalle los cálculos en Pesos
chilenos
1. Costo de la Energía en la Almazara
El costo de la energía anual de la Almazara es de $ 765.510, de los cuales $720.664
corresponden al costo de la electricidad y $ 44.846 corresponden al costo del gas licuado.
El gráfico 10 muestra el costo de la energía por etapa de proceso en la Almazara. Es
evidente que el mayor costo que cancela la empresa en la Almazara es en electricidad y que
la etapa que tienen el mayor costo monetario es el batido.
1 Precio promedio para el año 2011 en el SIC. 2 Precio promedio para el año 2011 3 Precio promedio para el año 2011
32
Gráfico 10 Costo energético de la Almazara (Año 2011)
2. Costo de la Energía en el Vivero
El costo de la energía anual en el vivero es de $ 3.323.712, de los cuales $ 530.330
corresponden al costo de la electricidad y $ 2.793.382 corresponden al costo del gas
licuado.
El gráfico 11 muestra el costo de la energía por etapa de proceso en el Vivero. Se observa
en este gráfico que el costo del gas licuado es el mayor y que la etapa de Enraizamiento es
la que implica el mayor costo en el Vivero.
$ 0
$ 50.000
$ 100.000
$ 150.000
$ 200.000
$ 250.000
$ 300.000Pe
sos C
hile
nos (
$)
Etapa de Proceso
Costo de la Energía en Almazara
Gas Licuado
Electricidad
33
Gráfico 11 Costo energético en el Vivero (Año 2011/2012)
3. Costo Total de la Energía en la Agroindustria
Al juntar los costos de las dos áreas de producción de la Agroindustria, la cifra corresponde
a un valor de $ 4.089.222, de los cuales $ 1.250.994 corresponden al costo de la
electricidad y $ 2.838.228 corresponden al costo del gas licuado.
El gráfico 12 muestra el costo total anual de la energía en la Agroindustria. Al observar este
gráfico concluimos que el mayor costo que paga la empresa es en gas licuado y que el área
de Vivero implica un mayor costo en energía que el área de Almazara.
$ 0
$ 500.000
$ 1.000.000
$ 1.500.000
$ 2.000.000
$ 2.500.000
$ 3.000.000
$ 3.500.000
Enraizamiento Otros
Cost
o ($
)
Etapa de Proceso
Costo de la Energía en el Vivero
Gas Licuado
Electricidad
34
Gráfico 12 Costo energético total en la Empresa Agroindustria (Año 2011/2012)
2.2.4 Emisiones de Gases contaminantes de la Agroindustria
1. Emisiones de CO2 en la Agroindustria
Para estimar las emisiones de CO2 debemos saber el índice o la razón que corresponde a
kg de CO2 emitidos al ambiente por cada unidad de consumo de Energía, de acuerdo a esta
Agroindustria. Los índices considerados son los siguientes:
Por consumo de electricidad: 0,379 kg/kwh (minenergia 2012)
Por consumo de gas licuado: 3,042 kgr/kg de gas licuado (minenergia 2012)
En los Anexos (Anexo C, página 234) aparece el detalle del cálculo realizado. Según este
cálculo la cantidad de CO2 emitido por año al ambiente por el uso de las actuales fuentes de
energía en la agroindustria es de 17,02 toneladas, de las cuales 8,37 toneladas son emitidas
por el consumo de electricidad de la red y 8,65 toneladas son emitidas por el consumo de
gas licuado.
Cabe mencionar que CO2 es el gas de efecto invernadero que más emite la Agroindustria.
$ 0
$ 500.000
$ 1.000.000
$ 1.500.000
$ 2.000.000
$ 2.500.000
$ 3.000.000
$ 3.500.000
Almazara Vivero
Cost
o ($
)
Area Agroindustria
Costo Total de la Energía en la Agroindustria
Gas Licuado
Electricidad
35
El gráfico 13 muestra la cantidad de CO2 emitida desde cada área de producción de la
agroindustria. Las mayores emisiones son en el Vivero y se deben al consumo de gas
licuado.
Gráfico 13 Costo energético total en la Agroindustria (Año 2011/2012)
2. Emisiones de CH4 en la Agroindustria
Para estimar las emisiones de CH4 debemos saber el índice que indica la relación entre kg
de CH4 que se emiten al ambiente por cada unidad de consumo de las energías utilizadas
en la Agroindustria. El valor considerado es el siguiente:
Por consumo de gas licuado: 0,9 kgr/TJ (minenergia 2012).
En los Anexos (Anexo C, página 234) aparece el detalle del cálculo realizado. Según este
cálculo la cantidad de CH4 emitidos por año al ambiente por el uso de las actuales fuentes
de energía en la agroindustria es de 0,013 kg, por consumo de gas licuado.
El gráfico 14 muestra la cantidad de CH4 emitida desde cada área de producción de la
agroindustria. Las mayores emisiones son en el Vivero y se deben al consumo de gas
licuado.
0
2
4
6
8
10
12
14
Almazara Vivero
Emis
ione
s (to
nela
das d
e CO
2)
Area Agroindustria
Emisiones de CO2 en la Agroindustria
Gas Licuado
Electricidad
36
Gráfico 14 kg de CH4 emitidos en la Agroindustria (Año 2011-2012)
3. Emisiones de N2O en la Agroindustria
Para estimar las emisiones de N2O debemos saber el índice que relaciona los kg de N2O se
emiten al ambiente por cada unidad de consumo de las energías utilizadas en la
Agroindustria. El valor considerado es el siguiente:
Por consumo de gas licuado: 4 kgr/TJ (minenergia 2012)
En los Anexos (Anexo C, página 235) aparece el detalle del cálculo realizado. Según este
cálculo la cantidad de N2O emitidos por año al ambiente por el uso de las actuales fuentes
de energía en la agroindustria es de 0,57 kg, por el consumo de gas licuado.
El gráfico 15 muestra la cantidad de N2O emitida desde cada área de producción de la
agroindustria. Las mayores emisiones son en el Vivero y se deben al consumo de gas
licuado.
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
Almazara Vivero
Emis
ione
s (kg
CH 4
)
Área Agroindustria
Emisiones de CH4 en la Agroindustria
Gas Licuado
37
Gráfico 15 kg de N2O emitidos en la Agroindustria (Año 2011-2012)
2.2.5 Resumen de Resultados
Al estudiar los procesos que ocurren en la Agroindustria concluimos que consta de varios
equipos que operan con electricidad y que la aplicación de calor es muy importante en el
desarrollo de la producción. Entonces este estudio nos permitió determinar que se necesitan
dos tipos de energía en la Agroindustria: Eléctrica y Térmica. En la Tabla 2 y en la Tabla 3
se presenta el resumen de los resultados obtenidos en este estudio.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Almazara Vivero
Emis
ione
s (kg
N2 O
)
Ärea Agroindustria
Emisiones de N2O en la Agroindustria
Gas Licuado
38
Área de la Agroindustria/Tipo de Energía Electricidad Calor
Etapa de Proceso Potencia (kW)
Consumo (GJ) Costo ($) Potencia
(kWt) Consumo (GJ) Costo ($)
Vivero Enraizamiento 6,37 14,02 $ 215.303 79,10 141,36 $ 2.793.382 Endurecimiento 0 0 $ 0 80 0 $ 0 Otras 3,66 20,51 $ 315.027 0 0 $ 0 Almazara Molienda 8,6 16,22 $ 249.159 0 0 $ 0 Batido 6,44 10,15 $ 221.056 16 2,24 $ 44.846 Decantación 4,87 15,3 $ 234.963 0 0 $ 0 Filtrado 0,55 0,39 $ 6.021 0 0 $ 0 Envasado 0,75 0,53 $ 8.211 0 0 $ 0 Otras 0,17 0,08 $ 1.255 0 0 $ 0 Total 31,41 77,21 $ 1.250.994 175,1 143,6 $ 2.838.228
Tabla 2 Resumen de las Potencia, Consumo y Costo en Energía en la Agroindustria
Área de la Agroindustria/Tipo de Energía Electricidad Calor
Almazara 4,94 ton CO2 0,14 ton CO2
0,0004 kg CH4
0,016 kg N2O Vivero 3,64 ton CO2 8,62 ton CO2
0,01269 kg CH4
0,564 kg N2O Total 8,58 ton CO2 8,76 ton CO2
0,0131 kg CH4
0,58 kg N2O
Tabla 3 Resumen de emisiones por el actual uso de Energía en la Agroindustria
Conclusión
La demanda de Energía de la Agroindustria corresponde al consumo de Energía que esta
tiene hoy en día. Por lo tanto en conclusión la demanda de cada tipo de Energía en la
Agroindustria es:
La demanda de energía eléctrica es:
Demanda de Energía Eléctrica en la Almazara: 11.854,92 kwh/anuales
Demanda de Energía Eléctrica en el Vivero: 9.591,784 kwh/anuales
39
En los gráficos 16 y 17 se detalla la demanda de energía por mes y la demanda diaria en la
almazara y en el vivero, respectivamente.
Gráfico 16 Demanda de Energía Eléctrica en la Almazara
0
500
1000
1500
2000
2500
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Dem
anda
(kw
h/di
a)
Mes
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicDem mes 0 0 0 0 1951,5 1951,5 1862,8 2122,0 2029,7 1937,5 0 0Dem dia 0 0 0 0 88,7 88,7 88,7 92,3 92,3 92,3 0 0
Demanda de Electricidad en Almazara
Dem dia Dem mes
40
Gráfico 17 Demanda de Energía Eléctrica en el Vivero
La demanda de Energía Térmica es:
Demanda de Energía Térmica en la Almazara: 6,15 GJ/anuales
Demanda de Energía Térmica en el Vivero: 123,4 GJ/anuales
En los gráficos 18 y 19 se detalla la demanda de energía por mes y la demanda diaria en la
almazara y en el vivero, respectivamente.
0
200
400
600
800
1000
1200
Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene
Dem
anda
(kw
h/dí
a)
Mes
Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic EneDem mes 0 0 940,4 971,7 940,4 971,7 971,7 940,4 971,7 940,4 971,7 971,7Dem dia 0 0 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3
Demanda de Electricidad en Vivero
Dem dia Dem mes
41
Gráfico 18 Demanda de Energía Térmica en la Almazara
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Dem
anda
(MJ/
dia)
Mes
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicDem mes 0 0 0 0 1460,7 1460,7 1428,3 745,2 712,8 680,4 0 0Dem dia 0 0 0 0 66,4 66,4 68,0 32,4 32,4 32,4 0 0
Demanda de calefacción en Almazara
Dem dia Dem mes
42
Gráfico 19 Demanda de Energía Térmica en el Vivero
Podemos concluir, además, que la Energía Térmica es la energía que provoca mayores
costos económicos y ambientales a la Agroindustria.
0
5
10
15
20
Feb
Mar
Abr
May Jun Jul
Ago
Sep
Oct
Nov Di
c
Ene
Dem
anda
(GJ/
dia)
Mes
Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic EneDem mes 0 0 13,5 15,7 15,7 15,7 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5Dem dia 0 0 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Demanda de calefacción del Vivero
Dem dia Dem mes
43
CAPITULO 3 Estudio de Recursos Renovables disponibles en la Agroindustria
Resumen
El objetivo principal de este Capítulo es saber ¿Qué? y ¿Cuanta cantidad? de recursos
renovables dispone la Agroindustria para poder cubrir la de demanda de Energía.
Primeramente debemos saber que en la actualidad existen varias tecnologías de Energías
Renovables útiles para suplir los tipos de Energía que requiere la Agroindustria y que para
implementar una de estas tecnologías obviamente debe existir primero el recurso renovable.
Entonces aquí nos surge la pregunta ¿Qué tipo de energía renovable utilizaremos? Para
responder esta pregunta en la primera parte de este capítulo se realiza un análisis en base
al análisis de un catastro estadístico encontrado en la bibliografía desde el cual según las
necesidades de la Agroindustria podremos descartar varias tecnologías y sólo dejaremos las
posibles. Tratar de suplir e 100% de la demanda de Energía de la Agroindustria podría
resultar es un trabajo demasiado extenso es por esto que analizaremos y seleccionaremos
sólo la mejor posibilidad para así acotar nuestro trabajo.
A partir del anterior análisis el universo de posibilidades será menor y ahora nos podremos
enfocar en realizar una evaluación de las Energías Renovables que han sido tomadas como
posibles. Saber si existe un recurso renovable en un lugar se determina a simple vista, pero
si quiero cuantificar la cantidad de ese recurso puede ser simple o muy complejo, lo más
practico es buscar si ya ha sido antes evaluado el recurso en otra investigación y bastará
con solamente recopilar los datos, de no haber información será necesario realizar un
estudio con la metodología propia del recurso renovable.
44
3.1 Oportunidades de aplicación de Energías Renovables en la Agroindustria
De acuerdo a las necesidades energéticas descritas en el Capítulo anterior debemos
seleccionar cuales tecnologías de energías renovables podrían ser factibles de aplicar en la
Agroindustria. Si vemos la tabla de los Anexos (Anexo B, página 227 ) en la cual se indican
varios datos del estado actual de las tecnologías de energías renovables, y luego la
comparamos con las necesidades energéticas de la Agroindustria podríamos a primera vista
seleccionar algunas tecnologías.
Si primeramente comparamos la potencia instalada en la Agroindustria con los rangos de
potencia en los cuales se podría ocupar cada tecnología de energías renovables, vemos que
son posibles las siguientes tecnologías:
Energía Eléctrica: Solar Fotovoltaica, Eólica y Mini hidráulica.
Energía térmica: Biomasa, Solar térmica y Energía Geotérmica.
Posteriormente realizamos, según las cifras de la tabla 80, una primera aproximación a los
costos en inversión aproximados para instalar estas tecnologías (Véase gráfico 20), vemos
que los costos de inversión en energías renovables para energía eléctrica (fotovoltaica y
eólica), actualmente son muy elevados, e implicarían muchos años de amortizamiento de la
inversión. Por otra parte, los costos de inversión en energías renovables para instalaciones
térmicas son menores, aunque un poco mayores que las tecnologías de energías
convencionales, pero con varias ventajas sobre ellas.
Posteriormente realizamos, según las cifras de la tabla 80, una primera aproximación a la
magnitud de los costos de funcionamiento y mantenimiento (Véase gráfico 21). Según el
gráfico, estos costos están más equilibrados. Sin embargo, sobresale a los demás el costo
en funcionamiento y mantenimiento de la biomasa para calefaccionar debido principalmente
a que se debe comprar el combustible (gránulos o pellet).
45
Gráfico 20 Costo de inversión de las posibles tecnologías de energías renovables aplicables a la Agroindustria.
$ 0
$ 5.000.000
$ 10.000.000
$ 15.000.000
$ 20.000.000
$ 25.000.000
$ 30.000.000
$ 35.000.000
$ 40.000.000
$ 45.000.000
$ 50.000.000
Tecnología
Cost
o ($
)
Costo de Inversión (Pesos chilenos)
Energía fotovoltaica (comercial en tejados)
Micro-Hidro eléctricas
Pequeña turbina eólica
Biomasa (calefacción central por gránulos)
Calefacción con energía solar térmica (agua caliente sanitaria, sifones térmicos, sistemascombinados)
Bombas de calor geotérmicas
46
Gráfico 21 Costos de funcionamiento y mantenimiento de las posibles tecnologías de energías renovables aplicables a la Agroindustria.
$ 0
$ 100.000
$ 200.000
$ 300.000
$ 400.000
$ 500.000
$ 600.000
Tecnología
Cost
o ($
)
Costos de funcionamiento y mantenimiento, fijo anual (Pesos chilenos)
Energía fotovoltaica (comercial en tejados)
Micro-Hidro eléctricas
Pequeña turbina eólica
Biomasa (calefacción central por gránulos)
Calefacción con energía solar térmica (agua caliente sanitaria, sifones térmicos, sistemascombinados)
Bombas de calor geotérmicas
47
3.2 Selección de las Energías Renovables que se aplicarán a la Agroindustria
El principal objetivo del presente trabajo es sustituir las actuales fuentes de energía de la
Agroindustria por Energías Renovables, para esto debemos brindar a la Agroindustria una
total cobertura de acuerdo a sus necesidades energéticas. Sin embargo, dado que la
Agroindustria consta de necesidades energéticas de varios tipos (electricidad, térmica)
resultaría en un trabajo muy extenso suplir el cien por ciento de las necesidades
energéticas de la Agroindustria. Es por esto que, por los resultados obtenidos en el primer
Capítulo, nuestro principal problema es el abastecimiento de energía térmica, la cual es la
energía más demandada en la Agroindustria, la que implica mayor costo económico y la
que emite la mayor cantidad de gases de efecto invernadero. Por estas razones se descarta
la posibilidad de estudiar la aplicación de energías renovables para el abastecimiento de
energía eléctrica y nos enfocaremos sólo en el abastecimiento de energía térmica, además
debido a los aún muy elevados costos de inversión de las energías renovables para
abastecer de electricidad.
Existen tres posibles tecnologías de energías renovables para abastecer de energía térmica
a la Agroindustria (solar térmico, caldera biomasa y bomba de calor geotérmica). Pero,
debido a que otro de los objetivos de este trabajo es combinar dos tecnologías de energías
renovables para abastecer de energía térmica a la Agroindustria en conjunto (sistema
hibrido), solo se seleccionaran dos tecnologías. Se descarta la bomba de calor geotérmica
debido al elevado costo de inversión, es por esto que las tecnologías elegidas son la Solar
Térmica y la Caldera a Biomasa.
Es conveniente estudiar un sistema solar térmico debido a la madurez que posee esta
tecnología, y a los bajos costos de mantención y funcionamiento, pero con la problemática
de que el sistema solar térmico no es cien por ciento capaz de abastecer de energía térmica
a la Agroindustria, y necesita obligatoriamente un sistema auxiliar de respaldo que entregue
la energía térmica faltante. También la biomasa es factible de estudiar, pero no como
sistema independiente debido a la complejidad operacional que traería para la Agroindustria,
si bien es cierto con esta tecnología se solucionaría varios problemas, pero traería otros, sin
embargo se considerara como un posible sistema de respaldo para el Sistema Solar ya que
es posible que en esta Agroindustria existan desechos agrícolas que sean útiles como
combustibles para calderas de combustión, además no se requeriría comprar combustible
(pellets), lo que reduce bastante los costos de funcionamiento.
48
3.3 Estudio del Potencial de Energía Solar en la Agroindustria
3.3.1 Radiación Solar
El Sol es una estrella cuya temperatura media es de 5.500 °C, en la cual ocurren una serie
de reacciones que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Toda esta
energía se trasmite al exterior por radiación. Esta energía que fue emitida por el Sol, llega
hasta la atmosfera terrestre, pero solo 1/3 de la energía recibida por la atmosfera terrestre
llega a la Tierra, y esta energía corresponde a la Radiación Solar recepcionada por la
superficie terrestre (Mendez Muñiz and Cuervo Garcia 2008). Debido a que nuestro planeta
presenta un grado de inclinación con respecto al Sol, no todas las superficies de la Tierra
reciben la misma cantidad de Energía, debido a esto en los polos la radiación es menor y en
los trópicos la radiación es mayor (Romero Tous 2009).
Al referirnos a radiación solar debemos comprender los siguientes conceptos:
Radiación solar difusa: Radiación solar esparcida y reflejada en la atmosfera que proviene
de la bóveda celeste.
Radiación solar directa: Radiación solar que proviene directamente del Sol (Romero Tous
2009). Es la mayor y más importante en la aplicación de Energía solar (Mendez Muñiz and
Cuervo Garcia 2008).
Radiación solar global: Suma de las radiaciones solares directa y difusa.
Irradiación (G): Energía incidente por unidad de superficie sobre un plano dado y a lo largo
de cierto periodo. Se mide en unidad de energía (kWh) por unidad de superficie (m2).
Irradiancia (I): Potencia o energía incidente por unidad de superficie sobre un plano dado.
Se mide en unidad de potencia (kW) por unidad de superficie (m2) (Romero Tous 2009).
49
Figura 8 Figura que muestra la irradiancia solar a distintas condiciones climáticas
(E-solar 2012)
Las proporciones de radiación que recibe una superficie dependen de:
Las condiciones meteorológicas: en un día nublado la radiación es prácticamente difusa,
mientras que uno soleado es directa.
Inclinación de la superficie respecto al plano horizontal: una superficie horizontal recibe la
máxima radiación difusa y la mínima reflejada.
Presencia de superficies reflectantes: Las superficies claras son las más reflectantes por lo
que la radiación reflejada aumenta en invierno por el efecto de la nieve (Mendez Muñiz and
Cuervo Garcia 2008).
3.3.2 Movimiento aparente del Sol
El movimiento aparente del sol se debe a la rotación de la Tierra, la cual gira sobre su eje en
dirección oeste-este, y pareciera que el sol se moviera en dirección contraria este-oeste. La
Tierra gira alrededor del Sol en un periodo de 365 días y gira sobre su eje de rotación en 24
horas, lo que se conoce como día solar medio.
También es necesario definir el concepto de meridiana. La meridiana es una línea
imaginaria dirigida en la dirección Norte-Sur. Si pusiéramos una estaca clavado
verticalmente al suelo y en una superficie plana y horizontal, veremos que la sombra
50
proyectada varía durante el día. El momento en el cual la longitud de la sombra es la mínima
corresponde al mediodía solar, que divide al día en dos partes iguales, la mañana y la tarde.
La trayectoria del Sol vista para el hemisferio Sur varía según la época del año: En invierno
sale por el Nor-este y se pone por el Nor-oeste, en primavera y otoño, sale por el Este y se
pone por el Oeste y en verano sale por el Sur-este y se pone por el Suroeste. Esto hace que
el número de horas de sol sea diferente según las estaciones del año. Esta trayectoria
aparente del sol en el firmamento es conocida como eclíptica, la cual es una circunferencia
imaginaria. De esta circunferencia, solo podremos ver una arco de ella puesto que el
horizonte nos impedirá ver la otra parte, y que además, el tamaño que tendrá variara según
la estación del año (Ribot i Marin 1994).
3.3.3 Ángulo de incidencia de la Radiación Solar
Un captador plano que se usara para captar energía solar puede ocupar cualquier posición
sobre la superficie de la tierra, y por ello el ángulo de incidencia puede variar mucho debido
a los siguientes factores: Altitud solar, Azimut, Declinación, Latitud geográfica, Inclinación-
Orientación y Ángulo horario
Altitud solar: es el ángulo entre la línea que pasa por cualquier punto de la superficie
terrestre y el Sol, y la línea tangente a la superficie terrestre.
Azimut solar: es el ángulo entre la proyección del Sol en el horizonte y la línea norte-sur
(toma valores positivos hacia el este y negativo hacia el oeste en ambos hemisferios). El
ángulo complementario a la altitud solar se denomina zenit solar.
Declinación: El eje perpendicular al eje de rotación de la Tierra está inclinado 23,45º
respecto al plano orbital marcado por la línea Tierra-Sol, con lo cual el eje que forman el
Ecuador terrestre y el plano orbital varia a lo largo del año entre 23,45º. Este ángulo es lo
que conocemos como declinación, y da lugar a las distintas estaciones del año, ya que hace
que los rayos del Sol incidan con mayor o menor ángulo sobre la superficie terrestre ,y por lo
tanto además, del fenómeno de la diferente distribución de horas de sol durante el año (Puig
and Jofra 2008). Por lo tanto la declinación corresponde al ángulo en que vería el Sol un
habitante de la Tierra situado en el ecuador en el momento que pasase por el meridiano
respecto al zenit (Ribot i Marin 1994).
51
Latitud geográfica: Supongamos que se hace un corte en la Tierra por un plano
perpendicular al ecuador y que pase por los polos. Existen infinitos planos que cumplen esta
condición, pero solo uno de ellos pasara por el lugar donde nos encontramos. Si sobre este
plano trazamos un ángulo con vértice en el centro de la Tierra y extremos sobre el ecuador y
sobre el lugar donde estamos, este ángulo es el de la latitud (Ribot i Marin 1994).
Inclinación-Orientación: La inclinación, es el ángulo formado por el colector solar y la
horizontal del terreno y la Orientación, es el ángulo que forma el plano perpendicular al
colector con la dirección de la meridiana (Ribot i Marin 1994). Para vencer los efectos que la
declinación tiene sobre el ángulo de incidencia de la radiación solar y conseguir interceptar
esta radiación de la forma más perpendicularmente posible, los captadores solares tienen
que estar inclinados un cierto ángulo respecto al suelo, y a la vez orientados lo más al Norte
posible (en el hemisferio Sur) (Puig and Jofra 2008).
Angulo horario: Es el ángulo que forma la dirección de la meridiana con la sombra
proyectada por una estaca vertical (reloj de sol). Se ve afectado por tres circunstancias: la
hora oficial, longitud geográfica y la ecuación del tiempo (Ribot i Marin 1994).
3.3.4 Radiación Solar en la Agroindustria
Como se explicaba anteriormente para conocer la Radiación Solar en un punto de la
superficie terrestre se debe definir exactamente la ubicación geográfica que es de nuestro
interés.
El presente trabajo está orientado para ser implementado en Chile, país ubicado en el
Hemisferio Sur del planeta Tierra. La figura 9 muestra las buenas condiciones de radiación
que hay en Chile, las que permiten la aplicación de proyectos solares.
La empresa Agroindustria en la cual se implementará este proyecto solar está más
específicamente en la Quinta Región, en la Zona Central de Chile, la cual presenta
radiaciones entre 1500 y 1700 kwh/m2 anualmente.
Existe en bibliografía estudios más detallados que presentan la radiación solar por ciudades
en Chile, como el Registro Solarimétrico diseñado por la CNE / PNUD / UTFSM titulado
“Irradiancia Solar en Territorios de la República de Chile”. Desde esta fuente obtendremos
los índices de radiación solar para nuestro proyecto.
52
Figura 9 Radiación solar anual por regiones de Chile.
En la tabla 4 se presenta la información necesaria para obtener los datos de radiación desde
el Registro Solarimétrico.
En el Registro solarimétrico no aparecen los datos de radiación solar de la ciudad de
Nogales, pero tomaremos como referencia los valores de la ciudad de Quillota, por ser la
ciudad más cercana a la Agroindustria.
Ciudad Latitud Longitud
Ubicación de la
Agroindustria
Nogales 32,73° Sur 71,2° Oeste
Ciudad más cercana Quillota 32,9º Sur 71,21º Oeste Tabla 4 Coordenadas geográficas de la Agroindustria
Loa datos se presentan en el gráfico 22, y corresponden a la radiación solar en plano
horizontal, que es la radiación sin inclinación en la superficie terrestre:
53
Gráfico 22 Irradiancia solar en plano horizontal en la Agroindustria
3.3.5 Condiciones Climatológicas en la Agroindustria
También un aspecto a considerar al estudiar el potencial de energía solar es considerar el
clima del lugar donde está la Agroindustria. La comuna de Nogales está caracterizada por
un clima templado, propio de los valles interiores de la zona central, con altas temperaturas
estivales, las cuales sobrepasan los 30º C. Durante el invierno existe ocurrencia de
heladas, debido a la influencia del microclima que produce la serranía de El Melón.
En la comuna es posible reconocer dos sectores o provincias climáticas. El factor
diferenciado está dado básicamente por el relieve y la altitud. Hasta la cota de los 800
m.s.n.m. se presenta un clima templado con estación estival seca y calurosa prolongada y
una estación invernal lluviosa y templada: Provincia estival seco - estival nubosa. Este
clima predomina sobre aproximadamente el 73,5% del área de la comuna. A partir de los
800 m.s.n.m. predomina un clima con una estación estival seca prolongada y un invierno
lluvioso y frío: Provincia Seco - Estival - Prolongada.
54
Este último clima cubre una superficie de aproximadamente el 26,5% de la comuna. Los
elementos del clima que se deben considerar respecto a la comuna de Nogales son los
siguientes:
1. Precipitaciones
Las precipitaciones se presentan concentradas en los meses invernales (Mayo a Agosto),
siendo el mes de Junio el más lluvioso, con un promedio de 125,4 mm. Estas lluvias son
ciclonadas y se ven exageradas por el efecto del relieve, de manera que estas crecen con la
exposición del relieve al viento marino. Las precipitaciones promedio anual no superan los
437 mm.
2. Vientos
Los vientos predominantes en la comuna de Nogales al igual que en la V Región provienen
del sur y suroeste, significando su presencia buen tiempo, los vientos que acompañan las
precipitaciones corresponden a vientos provenientes del norte y noroeste, con influencia
marítima (Muninogales 2012).
Temperatura Temperatura media anual 14 °C Mes más cálido Enero, 18,5 °C Mes más frío Julio, 10,2 °C Amplitud térmica 8,3 °C Heladas Días sin heladas 287 Heladas anuales 7
Tabla 5 Antecedentes generales de la Comuna de Nogales
55
Gráfico 23 Datos climatológicos correspondientes a Nogales
3.3.6 Posición de los colectores solares en la Agroindustria
Los colectores se orientan de forma óptima hacia el norte geográfico (azimut= 0° Sur). Por
otro lado, la inclinación sobre el plano horizontal de los colectores, se determina en función
de la latitud geográfica y del periodo de utilización de la instalación, como se indica en la
tabla.
Período de utilización Inclinación de los colectores
Anual, consumo constante β°
Preferentemente en invierno (β + 10)°
Preferente en verano (β – 10)° Tabla 6 Selección de la inclinación de los colectores
Se admiten en cualquiera de los tres casos desviaciones de ± 10° como máximo (Román,
Petersen et al. 2007).
La orientación e inclinación de los colectores serán tales que las pérdidas respecto al
óptimo, sean inferiores a los límites de la tabla 7 (Román, Petersen et al. 2007). Estos
porcentajes de pérdidas se pueden calcular por las siguientes fórmulas (E-solar 2012)
020406080100120140
05
10152025
Mes
Prec
ipita
cion
es (m
m)
Tem
pera
tura
(°C)
Climatología de Nogales
Precipitaciones Temperatura Media
Temperatura Min. Temperatura Max.
56
Para 15° < β < 90°
Ecuación 1 Perdidas en Colectores por orientación e inclinación Para 15° < β < 90°
Para β < 15°
Ecuación 2 Pérdidas en Colectores por orientación e inclinación Para β < 15°
Dónde:
α: Azimut (grados)
β: Inclinación de los colectores (grados)
βopt: Latitud del lugar (grados)
Se considerarán tres casos: general, superposición de los colectores e integración
arquitectónica.
La superposición de los colectores: Es cuando los colectores se instalan en paralelo al
envolvente del edificio, no cabe en este concepto la disposición horizontal del colector (por
ejemplo, cuando los colectores se instalan en una cubierta plana cuyos ejes están alineados
con los de la envolvente del edificio).
La integración arquitectónica: Es cuando los colectores solares de instalan con un doble
propósito, energético y arquitectónico, y se instalan en reemplazo de elementos
constructivos convencionales (por ejemplo, colectores integrados en la cubierta) (Román,
Petersen et al. 2007).
El caso general: Consiste en ubicar los colectores solares sobre una superficie plana en el
recinto donde se va a realizar la instalación, que cuente con una adecuada orientación y
esté libre de sombras (Mendez Muñiz and Cuervo Garcia 2008).
Pérdidas por orientación e inclinación
General 10 %
Superposición 20 %
Integración Arquitectónica 40 % Tabla 7 Pérdidas por orientación e inclinación de los colectores.
57
Para definir, entonces, con que inclinación serán dispuestos los colectores solares en la
Agroindustria falta definir en qué periodo del año se utilizara el agua de calefacción.
Recordemos que la Agroindustria se divide en dos partes: almazara y vivero. En el caso de
la almazara la necesidad de consumo es preferentemente en invierno y para el caso del
vivero durante todo el año.
La tabla 8 muestra un resumen de la disposición óptima de los colectores en la Agroindustria
Latitud 32,73°
Inclinación colectores Almazara 43°
Inclinación colectores Vivero 33°
Azimut 0°Sur
Perdidas Almazara 1,27%
Perdidas Vivero 0% Tabla 8 Disposición optima de colectores en la Agroindustria
De acuerdo a estos resultados los colectores podrán ser instalados en cualquiera de las tres
formas.
3.3.7 Corrección de la Radiación Solar en la Agroindustria debido a la posición de los Colectores
Los datos de irradiación que se presentaban anteriormente son en plano horizontal, pero
ahora que ya se ha determinado el ángulo de inclinación de los colectores, será necesario
aplicar un factor de corrección a la irradiación en plano horizontal presentada.
El factor de corrección se puede obtener desde una tabla extraída desde el manual de la
CDT (Anexo D, página 238). Estas tablas de factor de corrección para superficies inclinadas
representan el cociente entre la energía total incidente de un día sobre una superficie
orientada hacia el ecuador e inclinada un determinado ángulo y otra horizontal (Román,
Petersen et al. 2007).
Mes K Almazara K Vivero
58
Tabla 9 Factor de corrección aplicado a la irradiación en plano horizontal en la Agroindustria.
Finalmente, aplicando estos factores de corrección a cada mes, obtendremos la irradiación
real en la Agroindustria en plano inclinado. Los resultados se muestran en los gráficos 24 y
25.
Enero 0,83 0,9
Febrero 0,95 0,99
Marzo 1,13 1,14
Abril 1,36 1,32
Mayo 1,59 1,5
Junio 1,71 1,6
Julio 1,64 1,55
Agosto 1,43 1,38
Septiembre 1,19 1,19
Octubre 0,99 1,02
Noviembre 0,85 0,91
Diciembre 0,80 0,87
59
Gráfico 24 Irradiancia solar en la Almazara en plano inclinado
Ri
0
100
200
300
400
500
600
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Radi
ació
n in
clin
ada
(MJ/
m2
mes
)
Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Ri 564,98 529,86 536,74 413,00 361,70 330,94 326,52 428,57 431,34 504,81 507,54 540,84
Irradiancia solar Almazara plano inclinado (43°)
60
Gráfico 25 Irradiancia solar en el Vivero en plano inclinado
3.4 Estudio del potencial de Biomasa disponible en la Agroindustria
En esta empresa hay disponible biomasa sólida. Esta biomasa es un subproducto de la
producción del aceite de oliva, y es llamada alperujo.
Este subproducto es un fluente de la etapa de separación solido-liquido o también conocida
como decantación. Esta etapa ocurre en un decanter, este equipo puede ser de tres fases o
de dos fases. El sistema de tres fases consiste en que el decanter entrega un producto
(aceite de oliva) y dos subproductos (orujo y alpechín), en cambio el sistema de dos fases
entrega un producto (aceite de oliva) y un subproducto (alperujo, que es la suma o unión de
las fases orujo y alpechín).
Ri
0
100
200
300
400
500
600
700
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Radi
ació
n in
clin
ada
(MJ/
m2
mes
)
Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Ri 612,63 555,09 543,89 402,34 342,30 310,56 308,61 413,59 433,16 522,75 543,36 591,86
Irradiancia solar en Vivero plano inclinado (33°)
61
Figura 10 Cancha de Alperujo
El sistema de tres fases era muy utilizado, pero por la gran cantidad de residuos generados
y también por la exigente legislación respecto al tratamiento y gestión de los residuos de las
almazaras en algunos países, influyeron en el desarrollo de una nueva tecnología más
ecológica que el sistema de tres fases (Medio Ambiente 2000). Por esto hoy en día es más
utilizado en las Almazaras el sistema de dos fases.
Los componentes del alperujo son orujo y alpechín. El orujo corresponde a todos los
residuos sólidos de la oliva, es decir piel, pulpa y cuesco. El alpechín corresponde al agua
vegetal de la oliva más el agua añadida en el proceso de separación sólido-líquido. Por este
motivo el alperujo es de consistencia pastosa.
La composición típica del alperujo de una almazara, según un estudio del Departamento de
medio ambiente de España, es la descrita en la siguiente tabla:
Componente Valores (%)
Grasa 3 – 4
Proteína 5 – 6
Azucares 13 – 14
Fibra bruta 14 – 15
Cenizas 2 – 3
Ácidos Orgánicos 0,5 – 1
Polialcoholes 0,5 – 1
62
Glucósidos y polifenoles 0,5
Agua (humedad) 65 Tabla 10 Composición típica del alperujo
(Medio Ambiente 2000)
Discrepa entre un estudio y otro el porcentaje de humedad del alperujo, pero el rango es alto
entre 60 – 70 %.
Este tipo de biomasa puede ser utilizado como combustible, ya que posee un alto poder
calorífico.
Alperujo Kcal / kg KJ/kg
PCS 5.052 21.152
PCI 5.000 20.934 Tabla 11 Poder calorífico del alperujo
(Medio Ambiente 2000).
Dónde:
PCI: Poder calorífico inferior (Kcal/kg combustible)
PCS: Poder calorífico superior (Kcal/kg combustible)
Para dimensionar este valor de poder calorífico debemos compararlo con el poder calorífico
de otros combustibles: El alperujo posee un poder calorífico superior más alto que la
mayoría de los residuos agrícolas usados como combustibles, también el poder calorífico del
alperujo corresponde al: 70 % del etanol, 60 % del carbón, 48 % del gas natural, 45 % de
la gasolina y del petróleo, además el 40 % del gas licuado (propano, butano).
En la Universidad de Extremadura España se hizo un estudio de las características
energéticas de alperujo, los resultados y el análisis se presentan a continuación:
63
Tipo de Biomasa Alperujo
% Humedad 8,73
% Cenizas 3,41
% Materiales volátiles 67,49
% Carbono fijo 20,37
Análisis Elemental
C (%) 51,65
H2 (%) 5,93
N2 (%) 1,04
S (%) 0,09
O2 (%) 41,29 Tabla 12 Caracterización Energética del alperujo
(Al-kassir Abdulla 2006)
Las conclusiones de este estudio respecto al alperujo es que: Contiene un elevado
porcentaje de materiales volátiles, un bajo contenido de cenizas, y además, un bajo
contenido de azufre.
3.4.1 Cantidad de alperujo disponible en la Agroindustria
La cantidad de alperujo anualmente emitida por la almazara de Sueños de Cartago
dependerá de la variedad y cantidad de olivas que serán procesadas.
Cada variedad de oliva contiene una determinada proporción de aceite, por lo tanto de
acuerdo a las variedades que históricamente se han procesado determinaremos un
promedio de proporción de aceite por oliva.
Las principales variedades de olivas utilizadas en la Almazara y su respectivo contenido de
aceite son:
Variedad Propósito Rendimiento aceite (%)
Arbequina Aceite 17 – 19
Frantoio Aceite 22
Koroneiki Aceite 20
Picual Aceite 25 – 27
Leccino Aceite 21
64
Arbosana Aceite 19 – 20
Barnea Aceite y Mesa 23
Empeltre Aceite y Mesa 18
Gordal Sevillana Aceite y Mesa 20
Azapa Aceite y Mesa 19
Manzanilla Sevillana Mesa 16 Tabla 13 Contenido de aceite según variedad de olivas (Cvchile 2012) (Olint 2012) (Chilepotenciaalimentaria 2012)
En promedio es el rendimiento de aceite es de 20 %. Es decir:
Por cada 100 kg de olivas procesadas se producen 20 kg de aceite de oliva.
Y el 80% restante de la oliva es alperujo. La razón entre alperujo emitido y la cantidad de
olivas procesadas es:
Por cada 100 kg de olivas procesadas se producen 80 kg de alperujo.
El Centro de Iniciativas para la Producción Limpia (Cataluña, España) elaboro un balance de
Masa para una almazara con Sistema de dos Fases. Sin embargo ellos consideraron
variedades de olivas de un alto rendimiento de aceite (22,7%), a diferencia del 20%
estimado anteriormente, pero utilizaremos este balance de masa como referencia para
nuestro cálculo de la cantidad de alperujo. Además, determinaron que en promedio el
alperujo contiene: aceite (3 %), agua o alpechín (61,5 %) y sólido seco u orujo (35,5 %).
Figura 11 Balance de Masa a Almazara con sistema de Dos Fases
(Medio Ambiente 2000).
65
Entonces, en base a la producción anual de aceite de oliva realizamos el balance,
considerando que en esta almazara no posee la sección de lavado y la centrifuga vertical.
La producción del año 2011 de aceite de oliva fue de 24.000 lt y considerando una densidad
del aceite de oliva de 0.916 gr/cm3 se determina que los kg de aceite producido en este año
son:
ñ
A partir de este dato de entrada, se obtienen los siguientes resultados:
Figura 12 Balance de Masa a la Almazara
En conclusión, se determina que
: Por cada litro de aceite de oliva que se produce, se emiten 3,7 kg de alperujo (61,5% de humedad) del cual 1,3 kg es de orujo seco.
A este nivel de producción de aceite de oliva, en promedio se emiten 30 toneladas de orujo seco/año.
La cantidad total de alperujo situado en la cancha de alperujo corresponde aprox. a las de
las 3 últimas temporadas, es decir unas 90 toneladas de alperujo, que en su mayoría se
encuentra seco, ya que esta al aire libre y por lo tanto se ha evaporado la mayor parte del
66
agua. El alperujo emitido en la última temporada aún tiene humedad, pero se espera que
para la próxima temporada (2012), este alperujo este seco. En resumen, hay unas 60
toneladas de orujo seco disponibles hoy en día como combustible, y que en unos meses
más habrá disponibles 30 toneladas más de orujo seco correspondiente al emitido en la
temporada 2011.
Así, cada temporada nos brindará unas 30 toneladas de combustible orujo seco para la temporada del año posterior.
3.5.1 Resumen de Resultados
Según este estudio a la Agroindustria, se hayo que los Recursos Renovables disponibles en
la Agroindustria son de dos tipos: Solar y Biomasa. En la siguiente tabla se presenta un
resumen de este potencial.
Tabla Resumen del Potencial de Recursos renovables en la Agroindustria
Energía Solar Información General
Ubicación Nogales
Latitud 32,73°Sur
Longitud 71,2°Oeste
Irradiancia Solar en Plano
Horizontal
5,09 GJ/m2
Información del Vivero
Periodo de uso Anual
Inclinación 33°
Orientación (azimut) 0° Sur
Irradiancia Solar en Plano
Inclinado
5,6 GJ/m2
Información de la Almazara
Período de uso Invierno
Inclinación 43°
Orientación (azimut) 0°Sur
Irradiancia Solar en Plano
Inclinado
5,5 GJ/m2
67
Energía de la Biomasa Tipo de Biomasa Biomasa Sólida
Residuo Agroindustria :
Alperujo
Poder Calorífico
P:C:S 21,15 GJ/Ton
P.C.I 20,93 GJ/Ton
Producción Anual de Biomasa
Olivas Procesadas (Rend. 20%) 110 Ton
Producción Anual de Aceite de
oliva
22 Ton (24 m3)
Residuo Agroindustria: Alperujo 88 Ton
Alperujo seco (Orujo) 30 Ton Tabla 14 Resumen de Recursos Renovables disponibles en la Agroindustria
68
Conclusión
En este capítulo se comprobó que de acuerdo a los alcances de las actuales tecnologías de
energías renovables lo más factible es remplazar la energía que se utiliza como energía
térmica.
Para este fin se determinó que lo más conveniente es un sistema Solar Térmico debido a la
madurez que posee esta tecnología, y a los muy bajos costos de mantención y
funcionamiento, pero con la problemática de que el sistema Solar Térmico no es 100%
capaz de cubrir la demanda, por lo que necesita un sistema de respaldo que entregue la
energía térmica faltante. El sistema de respaldo será de Energía de Biomasa, ya que en
esta Agroindustria es posible que existan desechos agrícolas útiles como combustibles o de
no ser posible utilizar Biomasa se utilizará alguna fuente de energía convencional de
respaldo, lo que de todas maneras traerá beneficios a la Agroindustria.
El siguiente paso era comprobar si efectivamente se encuentran los recursos renovables
para poder aplicar las tecnologías seleccionadas como posibles.
El potencial del recurso solar es alto en la Agroindustria y para determinar este potencial
sólo se debió consultar el estudio solarimétrico hecho por la USTM, el cual es de carácter
público por lo cual pudimos extraer la información solar tan solo sabiendo la ubicación
geográfica de la Agroindustria. La Agroindustria a pesar de que está ubicada en la zona
centro de Chile y no en el norte del país donde hay muy buena radiación, pero por ejemplo
si se captara el 100% de la energía solar de sólo 26 m2, nos bastaría para suplir la demanda
total de energía térmica de la Agroindustria.
El potencial del recurso biomasa es muy elevado en la Agroindustria y para determinarlos
solo hubo que realizar un balance de masa a la Planta aceitera. El potencial es tan alto que
si por ejemplo quemáramos las 30 toneladas que se producen anualmente, en una Caldera
de combustión de biomasa de mediana eficiencia obtendríamos anualmente unos 440 GJ.
Considerando que el sistema de biomasa solo será de respaldo para el Sistema Solar, con
el potencial que posee la Agroindustria es más que suficiente.
69
CAPITULO 4 Descripcion de los Sistemas de Energıas Renovables para la Agroindustria
Resumen
En el capítulo anterior se pudo definir la cantidad de recursos renovables disponibles y las
tecnologías que se aplicaran. El objetivo de este capítulo es definir el diseño de los Sistemas
de Energías Renovables que se pretenden aplicar a la Agroindustria, principalmente se
deberá determinar las cantidades y dimensiones de los equipos y elementos principales.
Las bases de diseño han sido fijadas para instaladores, por lo que fueron recopiladas desde
manuales de diseño aportados por entidades vinculadas al desarrollo de las Energías
Renovables. Por esto el diseño que se realizará en este Capítulo será según los métodos
de cálculo dados en estos manuales y de ser necesario con el respaldo de algunas otras
bibliografías técnicas.
Como la Agroindustria está compuesta por dos áreas de producción totalmente
independientes una de la otra, será necesario realizar dos diseños en paralelo. Se pretendía
que ambos proyectos fueran similares pero en diferentes escalas, pero hubo que hacer
algunas modificaciones entre las dos instalaciones debido a las diferentes necesidades
energéticas de las dos áreas.
Gran parte de este Capítulo se encuentra anexada al final de este trabajo. Los cálculos de
diseño que justifican la selección de la configuración del sistema, de los equipos y de los
elementos están en los Anexos (Anexo A, páginas 167-220) También los esquemas
generales de estas instalaciones se presentan en los Anexos (Anexo H, páginas 265-267)
en donde se puede apreciar de forma más clara la instalación para la Agroindustria.
70
La segunda parte de este Capítulo y que se presenta en las siguientes páginas es el
resultado del diseño y la descripción de los equipos y elementos seleccionados para el
sistema de Energías Renovables para cada una de las áreas de la Agroindustria.
4.1 Descripción de la instalación de Energías Renovables para el Vivero
Introducción
Esta instalación consiste en un Sistema de Energía Hibrido Solar-Biomasa para el Vivero.
Esta combinación es una opción atractiva que puede perfectamente suministrar las
necesidades de calefacción del Vivero.
Debido a que la energía solar no es constante, es siempre necesario disponer de un sistema
auxiliar de apoyo, generalmente esto se hace con calderas de energías convencionales,
pero en este caso con otra energía renovable. La sustitución de las calderas convencionales
por calderas de biomasa como sistema de apoyo permitirá reducir la emisión de gases
contaminantes, además permite cubrir la demanda térmica únicamente con energías
renovables, reduciendo así la factura en energía. El uso de una caldera de biomasa nos
permite utilizar como combustible un residuo de la producción de aceite de oliva de la misma
Agroindustria, que actualmente es inutilizado.
Durante la época de verano, con bajo consumo de energía térmica, la instalación solar
puede proporcionar casi el 100 % de la energía demandada y la instalación de biomasa
puede permanecer parada, reduciendo sus costes de mantenimiento, sus emisiones y las
pérdidas de energía. Durante la época de invierno, el sistema de biomasa se emplea para
proporcionar la energía que no puede obtenerse del Sol.
Esta aplicación hibrida debe cumplir los siguientes requisitos:
Consumir prioritariamente la energía solar evitando las pérdidas por acumulación.
Asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la energía auxiliar
(biomasa).
No juntar la energía solar con la energía auxiliar (biomasa).
71
En siguiente gráfico se representa la cobertura del sistema hibrido respecto a la demanda de
energía. El sistema solar aportara el 78 % y el sistema de biomasa aportará el 28% restante de energía anual.
Gráfico 26 Demanda de energía del Vivero vs. Energía aportada por el Sistema hibrido de Energías Renovables
4.1.1 Esquema de conexión entre la instalación Solar y el Sistema de Biomasa
Existen distintos esquemas de conexión entre la instalación solar y el sistema de biomasa,
en el Vivero se ocupará el siguiente esquema:
4.1.2 Instalación con Acumuladores Separados
Los sistemas híbridos de energía solar térmica y biomasa incluyen un acumulador de agua
caliente producida por los captadores solares que no está conectado a la caldera de
0
2
4
6
8
10
12
14
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicDemanda Energía 0 0 11,75 13,71 13,71 13,71 11,75 11,75 11,75 11,75 11,75 11,75Energía Solar 0 0 10,66 8,75 7,34 6,64 6,27 8,37 8,81 10,25 10,65 11,30Energía Biomasa 0 0 1,09 4,96 6,37 7,07 5,49 3,38 2,94 1,51 1,10 0,46
Ener
gía
(GJ)
Mes
Demanda de Energía vs. Energía aportada Sistema Híbrido
72
biomasa. El aporte de energía del sistema de biomasa se realiza en un segundo depósito
(depósito de inercia).
Básicamente el funcionamiento de este sistema hibrido consiste en que el calor producido
por los captadores solares es empleado para calentar un depósito de agua. En serie al
depósito antes mencionado está el depósito secundario o de inercia al cual se traspasara el
agua del acumulador solar y esta agua será la que finalmente ira a consumo para
calefacción. Cuando a este depósito de inercia no le haya sido aportada energía suficiente
procedente de los captadores solares, la caldera de biomasa (conectada a este depósito de
inercia) añadirá el resto, para así satisfacer el 100% de la demanda (Madrid 2006).
4.1.3 Configuración Básica
Para seleccionar la configuración básica del sistema de energía solar se utilizó el criterio de
la SODEAN, el cual dice que en instalaciones con volumen de acumulación superior 5.000
litros es aconsejable utilizar la configuración nº 5 (SODEAN 2004). La configuración básica
del sistema solar para el vivero se presenta en la siguiente figura:
Figura 13 Configuración 5: Circulación forzada con intercambiador de calor independiente
4.1.4 Clasificación de la instalación
Clasificación de las instalaciones atendiendo a su configuración:
Atendiendo al principio de circulación: Con circulación forzada.
73
Atendiendo al sistema de transferencia de calor entre los captadores y el acumulador
solar: Con el intercambiador de calor independiente.
Atendiendo al sistema de aporte de energía auxiliar: Sistema de energía auxiliar en
depósito secundario individual.
Figura 14 Sistema de energía auxiliar en depósito secundario individual
Clasificación de las instalaciones por su aplicación:
Producción de agua caliente para procesos industriales
También el circuito primario será cerrado, es decir utilizara un vaso de expansión de tipo
cerrado.
Figura 15 Circuito Primario cerrado
74
4.1.5 Control de la temperatura de consu mo de Calefacción
La temperatura de salida desde este sistema al consumo será controlada a través de una
válvula mezcladora, en la cual se fija la temperatura a la que saldrá el agua de consumo
para calefacción. Cuando el agua vaya a una mayor temperatura esta válvula la mezclara
con la proporción necesaria de agua fría para así mantener controlada la Temperatura.
4.1.6 Control del agua de retorno desde el consumo
Para aumentar la eficiencia de este sistema se instalara una válvula motorizada de 3 vías.
La cual controlara si el agua retorna o no al estanque acumulador solar o si vuelve o través
al depósito de inercia para el consumo. Esto quiere decir que cuando el agua que retorna
desde el consumo aún tiene energía suficiente como para aportar al sistema volverá a
circular por él y si se ha agotada su energía ira al acumulador solar para volver a captar
energía.
Figura 16 Esquema que muestra el uso de la válvula motorizada de 3 vías
(IDAE 2009).
4.1.7 Descripción Sistema de Captación
1. Colectores Solares
En esta instalación se usaran colectores planos con cubierta de vidrio. Los colectores
seleccionados son de la marca Chromagen (origen israelí). El motivo de esta selección es la
vasta experiencia en el mercado de esta marca. En la siguiente tabla se da la información
más importante de estos colectores.
75
Datos Colectores Solares
Marca Chromagen
Modelo PA-F (CR-120)
Longitud (mm) 2195
Anchura (mm) 1276
Superficie exterior (m2) 2,8
Superficie de absorción (m2) 2,54
Factor de eficiencia óptica 0,722
Coeficiente de pérdida de calor lineal) (W/m2 °C 3,39
Vida útil (años) 20 Tabla 15 Descripción de los Colectores solares
Figura 17 Colector Solar Chromagen PA-F (CR-120)
1. Campo de Colectores
El campo de colectores estará compuesto por 20 colectores (50,8 m2 de superficie útil),
agrupados en 4 baterías de 5 colectores.
Los 5 colectores de la batería irán conectados a través de un paralelo interno. También, las
4 baterías de colectores irán conectadas en paralelo. Este tipo de conexión es el que según
la experiencia ha dado mejores resultados en este tipo de instalaciones.
Los colectores estarán orientados de forma de aprovechar de la mejor forma posible la
radiación solar. La disposición óptima de los colectores en el vivero es con una inclinación
76
de 33° y un azimut de 0°sur. Además, para evitar pérdidas por sombreado entre colectores,
los colectores deberán instalarse a una distancia mínima de 2,04 m.
El Esquema del Campo de Colectores para el Vivero se muestra en los Anexos (Anexos,
página 264)
2. Accesorios de los colectores
Para poder configurar e instalar los colectores se necesitan los siguientes elementos: Un
soporte para fijar y dar la posición al colector, coplas de compresión para unir los colectores
entre sí, además de terminales y tapa gorros de compresión.
Figura 18 de izquierda a derecha: Soporte para techo y Tapa gorro de Compresión
Figura 19 de izquierda a derecha: Terminal y Copla de compresión
3. Fluido de Trabajo
El fluido de trabajo que se utilizara en el circuito primario será una mezcla de agua y
anticongelante propilenglicol. El propilenglicol se comercializa en bidones de 10 litros por lo
que según el volumen de líquido en el circuito primario con 2 bidones será suficiente. Las
principales características de este fluido están en la siguiente tabla:
Fluido de trabajo
Punto de congelación °C -7
77
% en masa de propilenglicol 20
% en volumen de propilenglicol 19
Densidad 1,017
Calor especifico J/Kg °C 4.019,3
T° de trabajo °C 60
Viscosidad cinemática m2/s 7,86×10-7
Viscosidad dinámica Pa×s 0,8×10-3
Tabla 16 Características del fluido de trabajo
(Carribero Pérez 2010).
El fluido de trabajo para los otros circuitos será agua sin aditivos.
4.1.8 Caldera de Biomasa
La caldera seleccionada es una Caldera Poli combustible de la marca CT Pasqualicchio. En
la siguiente tabla se menciona sus principales características:
Datos Caldera de Biomasa
Marca CT Pasqualicchio
Modelo Marina CS 25
Potencia máx. Nominal kW 29
Combustible Pellets, leña, briquetas,
cuescos de aceituna,
cáscaras de nuez,
avellanas, maíz seco,
restos de la producción
de aceite de oliva.
Contenido de agua lt 82
Rango de temperatura °C 50/85
Presión máx. de servicio bar 2 Tabla 17 Descripción de la Caldera de Biomasa
78
Figura 20 Caldera de Biomasa Marina CS25
4.1.9 Silo para almacenar la Biomasa
De acuerdo al consumo de una temporada en el Vivero se necesitará un silo que almacene
2 toneladas de biomasa. Este silo además cuenta con un tornillo de carga.
Figura 21 Silo de biomasa de 2 toneladas
4.1.10 Sistema de Intercambio y Acumulación
1. Estanque Acumulador del Circuito primario
La acumulación debe ser de 5.000 lt, esto permite que haya una razón de almacenamiento
de 98,4 lt/m2 de superficie colectora útil. Para este fin se instalara un estanque acumulador
79
de acero inoxidable con calentamiento directo y con aislación de Poliuretano (50 mm), que
se instala en disposición vertical. En la siguiente tabla se describe este equipo:
Datos estanque Acumulador
Capacidad Lt 5.000
Diámetro exterior Mm 1.450
Diámetro aislado mm 1.550
Altura manto mm 2.900
Altura total mm 3.500
Presión de trabajo bar 8
Espesor de manto mm 8
Espesor de fondo mm 8
Aislación en Poliuretano mm 50
Recubrimiento interior Pintura epóxica Tabla 18 Descripción del Estanque Acumulador
Figura 22 Estanque acumulador de 5.000 lt
2. Estanque Acumulador Auxiliar
La acumulación auxiliar corresponde a la mitad de la acumulación para el circuito primario,
es decir 2.500 lt. Para este fin se instalara un estanque acumulador de acero inoxidable con
80
calentamiento directo y con aislación de Poliuretano (50 mm), el cual es de disposición
vertical. En la siguiente tabla se describe este equipo:
Datos estanque Acumulador
Capacidad lt 2-500
Diámetro exterior mm 1.250
Diámetro aislado mm 1.350
Altura manto mm 1.900
Altura total mm 2.400
Presión de trabajo bar 8
Espesor de manto mm 6
Espesor de fondo mm 6
Aislación en Poliuretano mm 50
Recubrimiento interior Pintura epóxica Tabla 19 Descripción del Estanque Acumulador
Figura 23 Estanque acumulador de 2.500 lt
3. Intercambiador de Calor
El intercambiador de calor seleccionado es de placas soldadas de acero inoxidable con
aislación de Poliuretano de 20 mm. A continuación se detallan algunos datos técnicos.
81
Datos Intercambiador de Calor
Potencia Kcal/hr 50.000
N° de placas 20
Presión máx. de trabajo bar 30
Rango de temperatura °C -50/200
Material de las placas AISI 316L
Material de las conexiones AISI 316
Aislación en Poliuretano mm 20
Material de soldadura Cobre 99,9% Tabla 20 Descripción del Intercambiador de Calor
Figura 24 Intercambiador de calor Zilmet ZB500-20
4.1.11 Red Hidráulica
1. Tuberías
Para esta instalación se necesitan tuberías de cobre tipo L en tiras rectas cuya medida
estándar es de 6 metros. Específicamente se necesitan 2 tuberías de ½”, 6 tuberías de ¾”,
1 tubería de 1” y 10 tuberías de 11/4”. El espesor mínimo de aislamiento para estas tuberías
será de 20 mm para las que están en el interior y de 30 mm para las que están en el
exterior. Las características técnicas de estas tuberías se presentan a continuación:
Datos Tuberías de Cobre
Diámetro Diámetro Espesor Presión máx. permitida Peso Largo
82
Nominal real Pared
pulg mm mm kg/cm2 bar kg/mt mt
½ 15,88 1,02 57 55,9 0,42 6
¾ 22,23 1,14 45 44,13 0,67 6
1 28,58 1,27 39 38,25 0,97 6
1 ¼ 34,93 1,4 35 34,32 1,31 6 Tabla 21 Descripción de las tuberías de cobre tipo L
Figura 25 Aislación para tuberías de cobre
2. Accesorios
Para este tipo de instalaciones necesitamos principalmente los siguientes accesorios de
cobre: Codos, coplas reductoras, tees, terminales, tapa gorros, uniones americanas y
coplas. Estos elementos llevaran igual tamaño de aislación que las tuberías a la cual están
conectados.
Figura 26 De izquierda a derecha:: Tee y Codo
83
Figura 27 De izquierda a derecha: Copla y Copla reductora
Figura 28 De izquierda a derecha: Unión americana, Terminal y Tapa gorro
3. Vaso de Expansión del Circuito Primario
El vaso de expansión del circuito primario será cerrado y de una capacidad de 105 lts. A
continuación se presentan algunas características.
Datos estanque expansión
Modelo EZL-105
Capacidad lt 105
Diámetro mm 500
Altura mm 665
Presión máx. bar 6 Tabla 22 Descripción estanque de expansión
84
Figura 29 Estanque de expansión EZL-105
4. Vaso de Expansión del Circuito Secundario
El vaso de expansión del circuito secundario será cerrado y de una capacidad de 200 lts. A
continuación se presentan algunas características.
Datos estanque expansión
Modelo EZL-200
Capacidad lt 200
Diámetro mm 600
Altura mm 812
Presión máx. bar 6 Tabla 23 Descripción del Estanque de expansión
Figura 30 Estanque de expansión EZL- 200
85
5. Bombas de circulación
a. Bombas del Circuito Primario
Las 4 bombas de circulación del circuito primario son de la marca Taifu. Son bombas de
fierro fundido aptas para el uso en sistemas solar, ya que se pueden trabajar con mezclas
de glicol (anticongelante). Cada una de estas bombas aguas arriba llevarán un filtro Y. Los
datos técnicos principales están en la siguiente tabla.
Datos Bomba de circulación
Marca Taifu
Modelo GRS32/10F
Rango de temperatura
del fluido
°C -10 - +110
Presión máx. de trabajo Bar 6
Datos Técnicos
Velocidad Potencia Flujo máx. Metros de
columna de
agua máx
W HP lt/min m.c.a
Alta 380 0,51 233 10
Media 340 0,45 188 8
Baja 320 0,42 142 8 Tabla 24 Descripción de las Bombas de circulación
Figura 31 Bomba de circulación GRS32/10F
86
Figura 32 Filtro Y
b. Bomba del Circuito Secundario (Circuito de Energía Auxiliar)
La bomba de circulación del circuito secundario es de la marca Taifu. Esta bomba también
tendrá un filtro Y. Los datos técnicos principales están en la siguiente tabla.
Datos Bomba de circulación
Marca Taifu
Modelo GRS15/6
Datos Técnicos
Velocidad Potencia Flujo máx. Metros de
columna de
agua máx
W HP lt/min m.c.a
Alta 90 0,12 40 6
Media 60 0,08 30 5
Baja 40 0,05 20 3 Tabla 25 Descripción de las Bombas de circulación
87
Figura 33 Bomba de circulación GRS15/6
6. Otros elementos de la Red Hidráulica
Los otros elementos necesarios para la red hidráulica son: Purgadores de aire, válvulas de
bola, válvulas de seguridad, válvulas de retención, válvula mezcladora termostática y válvula
motorizada de 3 vías.
Figura 34 De izquierda a derecha: Válvula mezcladora termostática, Válvula de bola y Purgador de aire
Figura 35 de izquierda a derecha: Válvula de 3 vías, Válvula de Seguridad y Válvula de Retención
88
4.1.12 Sistema de Control y equipos de medida
Los principales elementos para realizar mediciones son: termómetros, manómetros. Para el
sistema de control se dispondrá de termostatos diferenciales.
Figura 36 de izquierda a derecha: Termostato diferencial y Termómetro/Manómetro
4.2 Descripción del Sistema de Energías Renovables para la Almazara
Introducción
Para la Almazara se ha decidido implementar un Sistema Solar con apoyo de Energía
Convencional. Esta combinación entre energía solar y energía convencional es una opción
perfectamente aplicable y que podrá suplir las necesidades de calefacción de la Almazara.
Debido a que la energía solar no es constante, es necesario disponer de un sistema auxiliar
de apoyo, este sistema auxiliar consiste en una caldera convencional a gas licuado. Esta
solución energética permite la reducción de la factura actual en energía y la reducción de las
emisiones de gases contaminantes. Durante la época de verano, no opera la Almazara por
lo tanto no hay demanda de energía, por otra parte durante la época de invierno, el sistema
convencional proporcionará la energía que no puede obtenerse del Sol.
Esta aplicación Solar con apoyo de energía Convencional deben cumplir los siguientes
requisitos:
Consumir prioritariamente la energía solar evitando las pérdidas por acumulación.
89
Asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la energía auxiliar
(convencional).
No juntar la energía solar con la energía auxiliar (convencional).
Como el sistema auxiliar será una fuente instantánea, el equipo ha de ser modulante,
es decir, será capaz de regular su potencia en función de la temperatura de entrada
al equipo, de manera que se obtenga una temperatura constante con independencia
de la temperatura de entrada.
4.2.1 Esquema de conexión entre la instalación Solar y el Sistema Convencional
El sistema de energía solar térmico incluye un acumulador del agua caliente producida por
los colectores solares que no está conectado a la caldera convencional. El aporte de energía
del sistema convencional se realiza en línea (instantáneamente) en un punto intermedio
entre el acumulador solar y el consumo.
Básicamente el funcionamiento de este sistema consiste en que el agua disponible en el
deposito solar pase el equipo de producción de energía instantánea convencional, caldera
mural a gas, donde se le aporta solo en caso de ser necesario (cuando el sistema solar no
haya aportado la suficiente energía) la energía necesaria para elevar la temperatura del
agua desde la temperatura a la que proviene desde en el almacenamiento hasta la
temperatura adecuada para la calefacción en la Almazara (Mendez Muñiz and Cuervo
Garcia 2008). Con este esquema se podrá satisfacer el 100% de la demanda.
En siguiente gráfico representa la cobertura de este sistema de energía de la demanda de
energía. El sistema solar aportara el 69 % y el sistema de energía convencional aportará el 31% restante de energía.
90
Gráfico 27 Demanda de energía del Vivero vs. Energía aportada por el Sistema Solar con apoyo de Energía Convencional
4.2.2 Configuración Básica
Para seleccionar la configuración básica del sistema de energía solar se utilizó el criterio de
la SODEAN, el cual dice que según la capacidad de acumulación y la superficie de
colectores propias de este sistema es aconsejable utilizar la configuración nº 4 (SODEAN 2004).
La configuración básica del sistema solar para la almazara se presenta en la siguiente
figura:
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicDemanda Energía 0 0 0 0 1,35 1,35 1,32 0,75 0,71 0,68 0 0Energía solar 0 0 0 0 0,77 0,71 0,68 0,70 0,69 0,68 0 0Energía glp 0 0 0 0 0,58 0,64 0,63 0,05 0,02 0 0 0
Ener
gía
(GJ)
Mes
Demanda de Energía vs. Energía aportada Sistema Solar con apoyo de Energía convencional
91
Figura 37 Configuración 4: Circulación forzada con intercambiador de calor en el Acumulador solar
4.2.3 Clasificación de la instalación
Clasificación de las instalaciones atendiendo a su configuración:
Atendiendo al principio de circulación: Con circulación forzada.
Atendiendo al sistema de transferencia de calor entre los captadores y el acumulador
solar: Con intercambiador de calor en el acumulador solar.
Atendiendo al sistema de aporte de energía auxiliar: Sistema de energía auxiliar en
línea centralizado
Figura 38 Sistema de energía Auxiliar en línea centralizado
92
4.2.4 Control de la temperatura de consumo de Calefacción
La temperatura de salida desde este sistema al consumo será controlada a través de una
válvula mezcladora al igual que en el Vivero.
4.2.5 Clasificación de las instalaciones por su aplicación
Producción de agua caliente para procesos industriales
También el circuito primario será cerrado, es decir utilizara un vaso de expansión de tipo
cerrado al igual que en el Vivero.
4.2.6 Descripción Sistema de Captación
1. Colectores Solares
Se utilizaran los mismos colectores solares que en el Sistema de Energía Hibrido Solar-
Biomasa para el Vivero.
2. Campo de Colectores
El campo de colectores estará compuesto por 2 colectores (5,08 m2 de superficie útil), en
formando sólo una batería.
Los colectores de la batería irán conectados a través de un paralelo interno.
Los colectores estarán orientados de forma de aprovechar de la mejor forma posible la
radiación solar. La disposición óptima de los colectores en el vivero es con una inclinación
de 43° y un azimut de 0°sur.
El Esquema del Campo de Colectores para la Almazara se muestra en los Anexos (Anexos,
página 266)
3. Accesorios de los colectores
Se utilizaran los mismos accesorios que en el sistema solar del Vivero.
4. Fluido de Trabajo
Los fluidos de trabajo serán los mismos que se utilizan en el Sistema de Energía Hibrido
Solar-Biomasa para el Vivero.
93
4.2.7 Sistema Auxiliar
Como sistema auxiliar se utilizara una caldera mural o calefón compatible con los sistemas
solares térmicos. La principal ventaja es que modula la llama según la temperatura de
entrada al calefón (salida del sistema solar), lo que hace usar la cantidad precisa de energía.
En la siguiente tabla se menciona sus principales características:
Datos Caldera de Biomasa
Marca Winter
Modelo Solar 10
Potencia Nominal kW 21
Combustible Gas licuado / Gas
natural
Producción nominal de ACS lt/min 10
Presión de trabajo bar 0,2 – 10
Display de temperatura Pantalla digital Tabla 26 Descripción de la Calefón
Figura 39 Calefón Winter Solar 10
94
4.2.8 Sistema de Intercambio y Acumulación
1. Estanque Inter-Acumulador del Circuito primario
La acumulación debe ser de 400 lt, esto permite que haya una razón de almacenamiento de
78,7 lt/m2 de superficie colectora útil. En este caso se necesitan estanques acumuladores
con intercambiador de calor interno.
El sistema de acumulación estará formado por más de un depósito, debido a que no se han
hallado acumuladores óptimos de 400 lt, por lo que se instalarán 2 inter-acumuladores de
200 lt. Estos se conectarán en paralelo con los circuitos primarios y secundarios
equilibrado.
Figura 40 Conexión en paralelo con los circuitos primario y secundario equilibrados
Los 2 estanques inter-acumuladores son de la marca Chromagen y son de disposición
vertical. En la siguiente tabla se dan algunos datos técnicos:
Datos estanque Acumulador
Marca Chromagen
Capacidad lt 200
Diámetro exterior mm 585
Altura total mm 1.270
Superficie del Intercambiador
de calor
m2 0,6
Volumen de líquido en el lt 3,2
95
intercambiador
Peso kg 860 Tabla 27 Descripción de los Estanques Inter-Acumuladores
Figura 41 Estanque Inter-Acumulador de 200 lt
4.2.9 Red Hidráulica
1. Tuberías
Para esta instalación se necesitan tuberías de cobre tipo L en tiras rectas cuya medida
estándar es de 6 metros. Específicamente se necesitan 1 tubería de 3/8”, 1 tubería de 1/2” y
5 tuberías de 3/4”. El espesor mínimo de aislamiento para estas tuberías será de 20 mm
para las que están en el interior y de 30 mm para las que están en el exterior. Las
características técnicas de estas tuberías se presentan a continuación:
Datos Tuberías de Cobre
Diámetro
Nominal
Diámetro
real
Espesor
Pared
Presión máx. permitida Peso Largo
pulg mm mm kg/cm2 bar kg/mt Mt
3/8 12,7 0,89 63 61,78 0,29 6
1/2 12,88 1,02 57 55,9 0,42 6
96
3/4 22,23 1,14 45 44,13 0,67 6 Tabla 28 Descripción de las tuberías de cobre tipo L
2. Accesorios
Se utilizarán los mismos accesorios que para las tuberías del sistema solar para el Vivero.
Vaso de Expansión
El vaso de expansión del circuito primario será cerrado y de una capacidad de 18 lts. A
continuación se presentan algunas características.
Datos estanque expansión
Modelo EZL-18
Capacidad lt 18
Diámetro mm 400
Altura mm 290
Presión máx. bar 4 Tabla 29 Descripción del Estanque de expansión
Figura 42 Estanque de expansión EZL-105
3. Bomba de circulación
a. Bomba del circuito Primario
La bomba de circulación del circuito primario es de la marca Taifu. Son bombas de fierro
fundido aptas para el uso en sistemas solar, ya que se pueden trabajar con mezclas de
glicol (anticongelante). Se instalara un filtro Y aguas arriba de la bomba. Los datos técnicos
principales están en la siguiente tabla.
97
Datos Bomba de circulación
Marca Taifu
Modelo GRS15/1.5
Rango de temperatura
del fluido
°C -10 - +110
Presión máx. de trabajo Bar 6
Datos Técnicos
Velocidad Potencia Flujo máx. Metros de
columna de
agua máx
W HP lt/min m.c.a
30 0,04 20 1,5 Tabla 30 Descripción de las Bombas de circulación
Figura 43 Bomba de circulación GRS15/1.5
4. Otros elementos de la Red Hidráulica
Se utilizaran varios elementos simulares a los del Sistema de Energía Hibrido Solar-
Biomasa para el Vivero.
4.2.10 Sistema de Control y Equipos de medida
Los principales elementos de medida y control serán similares a los del Sistema de Energía
Hibrido Solar-Biomasa para el Vivero.
98
Conclusión
Siguiendo los métodos dados en los manuales de diseño de estos sistemas de energías
renovables fue posible realizar completamente el diseño.
En el Vivero fue posible calcular un sistema de energías renovables que puede cubrir toda la
demanda de energía térmica y que podría remplazar en un 100% al sistema de energía
actual, no así en el caso de la Almazara debido a que solo se pudo diseñar un sistema que
cubra un poco menos de 3/4 de la energía que demanda la Almazara, debido a que si se
diseña un sistema que pretenda cubrir toda la demanda con energía solar resultaría una
instalación sobredimensionada según el método utilizado.
Para el Vivero se calculó un campo de colectores conformado por 20 colectores solares y se
seleccionó una caldera poli combustible, en la cual se puede utilizar la biomasa que esta
como residuo en la Agroindustria. Este sistema hibrido solar – biomasa estará compuesto,
además, por dos acumuladores, uno para captar la energía solar y el otro es un depósito de
inercia que es la acumulación de transición entre el sistema solar y el consumo, está
conectado a la caldera de biomasa, la cual aporta la energía cuando la energía solar no es
suficiente. En el circuito primario el calor se traspasara al acumulador por un intercambiador
de calor externo.
En la Almazara se calculó que el campo de colectores será más pequeño, ya que lo
componen solo 2 colectores y que el sistema de respaldo será un calefón solar que está
adaptado para trabajar en armonía con instalaciones solares térmicas. Este sistema está
compuesto por dos acumulador conectados en paralelo, y sin un depósito de inercia, sino
que solo estará el calefón solar en la línea que va a consumo para cuando se necesita
aportar más energía. En este caso el intercambio de calor en el circuito primario ocurre
dentro de los acumuladores solares, ya que poseen intercambiadores de calor en el interior.
99
CAPITULO 5 Evaluacion Economica y del Beneficio Ambiental de la aplicacion de Energıas Renovables en la Agroindustria
Resumen
En este Capítulo analizaremos a través de un método en particular si es beneficioso
económicamente para la Agroindustria sustituir su actual sistema de energía convencional
por Energías Renovables. Este método consiste en realizar el flujo de caja para una
determinada vida útil del proyecto, esto quiere decir que se obtendrá anualmente la utilidad
o, más bien, la suma de todos los ingresos obtenidos por la instalación de este Proyecto
menos la suma de todos los gastos, para instalar y para ejecutar este Proyecto. Para el flujo
de caja las variables principales se determinaran se la siguiente forma: El Costo de la
Inversión de este Proyecto se determinará cotizando los distintos equipos y elementos
necesarios para la instalación en empresas nacionales, el ahorro de energías se determinó
restando la energía que consume actualmente la Agroindustria con Energías convencionales
menos la cantidad de Energía que puede aportar al sistema de energías Renovables y se
definirán algunas alternativas de financiamiento la instalación de este Sistema.
Debemos fijar una Tasa Mínima Atractiva de Retorno, parámetro que nos permitirá analizar
si es rentable el proyecto o no. Luego por medio de la aplicación de dos indicadores
económicos (VAN y la TIR) determinaremos, según el respectivo criterio, si el Proyecto es
Rentable.
También dimensionaremos el beneficio Ambiental que conllevara la instalación de Energías
Renovables en la Agroindustria, esto se realizara calculando la cantidad de gases
100
contaminantes que dejaran de emitirse al Ambiente. Lo haremos comparando las emisiones
que tendrá el sistema térmico de la Agroindustria cuando se instalen energías renovables,
con la cantidad de gases contaminantes que se emiten actualmente usando Energías
Convencionales, así determinaremos el ahorro en emisiones.
5.1 Rentabilidad Económica
Existen diversos métodos para calcular la rentabilidad económica de un proyecto de
energías Renovables. En el caso de las energías renovables, hay que considerar que las
inversiones se recuperan en el medio plazo (no en el corto), por lo que en los análisis de
rentabilidad deben considerar este factor.
Los factores a considerar para el análisis de rentabilidad son:
Costo de la inversión: es el coste total que suponen la instalación y la puesta en
marcha del sistema de energías renovables.
Costo de mantenimiento de la instalación: coste correspondiente a las labores de
mantenimiento preventivo (periódico) de las instalaciones. Pueden incluirse otros
costos, como la mano de obra del mantenimiento correctivo (averías).
Servicios Generales: Son los costos de los suministros del Sistema, tales como el
vapor, electricidad, agua de enfriamiento, de procesos y potable, aire de compresión,
refrigeración, gas natural y petróleo.
Vida útil de la instalación: Corresponde al período de vida de la instalación, en el cual
la instalación siga siendo eficiente. Lo que hace disminuir la eficiencia de las
instalaciones es el desgaste de los equipos y materiales.
Ahorros en energía convencional: Corresponde a los gastos que ya no se realizaran
en energías convencionales debido a que completamente o en parte han sido
sustituidas por Energías Renovables.
Incremento del coste del combustible sustituido: el precio de los combustibles
convencionales ha sufrido un incremento sustancial durante las últimas décadas,
aunque con ciertos máximos y mínimos relativos debidos generalmente a ciclos
económicos. El incremento del costo anual normalmente se indexa a indicadores
históricos. Un incremento de este costo implica que habrá un mayor ahorro.
101
Financiación: Debe darse a conocer la forma y todos los datos involucrados con el
financiamiento. El financiamiento puede ser por: subsidios, préstamos bancarios,
capital propio, por inversionistas privado o también utilizando en conjunto algunas de
esta formas de financiamiento. También se debe conocer si existen gastos al
principio (gastos de gestión, apertura, etc.) y al final (precio residual u otros)
(Fenercom 2010).
5.1.1 Método de análisis de Rentabilidad Económica
Primeramente para tomar una correcta decisión económica, se necesita determinar todos
los flujos de efectivo esperados (ingresos y costos) a partir de los factores mencionados
anteriormente, y seleccionar adecuadamente la tasa de interés que se desea ganar, superior
a la tasa mínima vigente en el mercado, la cual se considera sin riesgo, esta tasa se conoce
como TMAR. Finalmente se elige el criterio de decisión que mejor se adapte a la situación
en análisis.
1. Tasa Mínima Atractiva de Retorno (TMAR)
Antes de invertir en la instalación de un proyecto es necesario analizar la rentabilidad que
puede obtener la inversión. Como punto de partida de este análisis se debe definir el valor
mínimo de rentabilidad aceptado para la inversión. Este mínimo obviamente, debe ser
superior a la rentabilidad ofrecida en el mercado de capitales; es decir mayor que el interés
ofrecido por depósitos a plazos, acciones, bonos y otros instrumentos que participan en las
operaciones bursátiles y financieras. Generalmente, cada empresa fija el valor mínimo de
rentabilidad para sus inversiones. Normalmente, este mínimo recibe el nombre de Tasa
Mínima Atractiva de Retorno (TMAR). La TMAR se define como:
Calcular el valor de la TMAR es muy complejo, sin embargo estimando una tasa de inflación
y el premio al riesgo podremos dar un valor de TMAR.
102
La tasa de inflación considerada para Chile es del 3,4%4 (Indexmundi 2012) y considerando
que el proyecto es de mediano riego, la tasa de Premio al riesgo es de 8,5% (Vega 2012).
Por lo tanto:
2. Criterios o Indicadores Económicos
Los criterios o indicadores económicos constituyen métodos básicos, basadas en el principio
del valor del dinero en el tiempo, que son utilizados para analizar desde la perspectiva
económica los proyectos y pronunciarse sobre su viabilidad. A continuación se describen los
indicadores más comunes y que son los que precisamente utilizaremos para analizar este
Proyecto.
a. Método del Valor Presente
El método del Valor Presente o Valor Actualizado Neto (VAN) consiste en convertir todos los
ingresos y gastos futuros en valores presentes. Considerando una tasa de retorno constante
para todos los periodos.
Ecuación 3 Cálculo del VAN
Dónde:
VP = Valor actualizado neto ($)
I0 = Costo total de inversión en el año 0 o de inicio del Proyecto ($)
Fk = Flujo de caja neto anual, desde el primer año hasta el año n, que corresponde al año de
vida útil del proyecto ($)
I= tasa de descuento. La tasa de descuento utilizada se fija de acuerdo a los valores del
mercado o es la establecida por la empresa (TMAR).
El criterio de decisión es:
4 Tasa de Inflación promedio entre los años 1999 y 2010
103
VP > 0 Conveniente realizar el proyecto porque aporta ganancias.
VP = 0 Es indiferente realizar o no el proyecto, solo se recupera la inversión a la tasa
de retorno utilizada.
VP < 0 No es conveniente realizar el proyecto.
b. Método de la Tasa Interna de Retorno
Se define la Tasa Interna de Retorno (TIR) como la tasa de interés que torna cero el Valor
Presente del proyecto.
Las TIR son las raíces del polinomio de grado n que conforma:
Ecuación 4 Cálculo del TIR
Dónde:
Fk = Flujo de caja neto anual, desde el primer año hasta el año n, que corresponde al año de
vida útil del proyecto ($)
TIR= Tasa interna de retorno
El método de la TIR es útil para proyectos que se comportan normalmente, es decir, los que
primeros tienen flujos negativos y después generan beneficios. Si el signo de los flujos del
proyecto cambia más de una vez, encontraremos más de un TIR, lo que puede inducir a
tomar una decisión errónea. La TIR será mayor que cero si los ingresos son mayores que
los desembolsos (Vega 2012).
Un proyecto será rentable cuando:
TIR > TMAR
104
5.1.2 Análisis de la Rentabilidad Económica de la Instalación de Energías Renovables en la Agroindustria
Como se ha descrito en los Capítulos anteriores de este trabajo la Agroindustria se divide
en dos Áreas y para ambas hemos desarrollado el respectivo estudio técnico de instalación
de energías Renovables. Po este estudio se dio origen a los siguientes sistemas:
Sistema Híbrido (Solar Térmico-Caldera de Biomasa) para el Vivero
Sistema Solar Térmico con Sistema auxiliar de Energía convencional para la
Almazara
Sin embargo, no se considerarán estos sistemas como dos proyectos apartes de Energías
Renovables para la Agroindustria, si no como un solo Proyecto.
1. Costo de la Inversión
El costo total de la inversión corresponde principalmente a la suma de los costos de los
equipos y elementos presentados en el Capitulo anterior para el vivero y para la Almazara.
El detalle de estos costos se presenta en los anexos, del Vivero (Anexos E, página 242) y de
la Almazara (Anexos E, página 244). Además. del costo de los equipos y elementos, se
debe considerar el costo del cuadro eléctrico, el costo del transporte de los materiales a la
obra más el costo de la mano de obra y de la dirección técnica que llevará a cabo la
instalación de este sistema. Estos últimos costos se calculan como un tanto por ciento del
Costo total de inversión; y han sido estimados desde informes de proyectos ya realizados,
similares a este en magnitud.
El porcentaje de cada uno de estos ítems respecto del Costo Total de Inversión es:
Cuadro eléctrico: 1,5%
Transporte de materiales a la obra: 3%
Mano de obra y dirección técnica: 17%
Entonces, el costo total de la inversión en el Sistema de Energías Renovables para el Vivero
se presenta en la siguiente tabla.
Concepto Costo Total Costo Total + IVA
Colectores Solares $ 5.917.380 $ 7.041.682
105
Soporte para Colectores Solares $ 1.366.200 $ 1.625.778 Acumulación Solar y Auxiliar $ 5.749.623 $ 6.842.051 Intercambiador de Calor externo $ 180.669 $ 214.996 Bombas de circulación $ 393.934 $ 468.781 Anticongelante $ 60.000 $ 71.400 Tuberías y Accesorios $ 1.045.187 $ 1.243.773 Aislación de Tuberías y Accesorios $ 136.079 $ 161.934 Elementos para equilibrar el Sistema incluye expansión, valvuleria, purgadores y protección del Sistema
$ 330.374 $ 393.145
Elementos de Medida y Control $ 53.000 $ 63.070 Caldera de Biomasa $ 5.067.008 $ 6.029.740 Silo para almacenar Biomasa $ 2.380.000 $ 2.832.200 Cuadro Eléctrico $ 433.365 $ 515.705 Transporte de materiales a la obra $ 866.731 $ 1.031.410 Mano de obra y dirección técnica $ 4.911.474 $ 5.844.654 Costo Total de Inversión $ 28.891.024 $ 34.380.319
Tabla 31 Costo de inversión del Sistema Híbrido (Solar Térmico-Caldera de Biomasa) para el Vivero
El costo total de la inversión en el Sistema de Energías Renovables para la Almazara se
presenta en la siguiente tabla.
Concepto Costo Total Costo Total + IVA
Colectores Solares $ 591.738 $ 704.168 Soporte para Colectores Solares $ 126.900 $ 151.011 Acumulación Solar con Intercambiador de Calor interno $ 689.720 $ 820.767 Bombas de circulación $ 18.298 $ 21.775 Anticongelante $ 30.000 $ 35.700 Tuberías y Accesorios $ 137.929 $ 164.136 Aislación de Tuberías y Accesorios $ 40.062 $ 47.674 Elementos para equilibrar el Sistema incluye expansión, valvuleria, purgadores y protección del Sistema
$ 110.239 $ 131.184
Elementos de Medida y Control $ 25.000 $ 29.750 Calefón Solar $ 121.116 $ 144.128 Cuadro Eléctrico $ 36.134 $ 42.999 Transporte de equipos y elementos a la obra $ 72.268 $ 85.998 Mano de obra y dirección técnica $ 409.516 $ 487.324 Costo Total de Inversión $ 2.408.920 $ 2.866.614 Tabla 32 Costo de Inversión del Sistema Solar Térmico con Sistema auxiliar de Energía convencional para la Almazara
106
En resumen, el Costo Total de la inversión para instalar Energías Renovables en la
Agroindustria es:
Costo Total de Inversión
Área de la Agroindustria Costo de Inversión
Vivero $34.380.319
Almazara $2.866.614
Total $37.246.933 Tabla 33 Costo Total de inversión en los Sistemas de Energías Renovables para la Agroindustria
2. Costo de mantenimiento de la instalación
Según la experiencia para instalaciones solares en industrias el costo de mantenimiento de
la instalación corresponde al 1% del costo de la inversión (Fenercom 2010) , de esta forma
calcularemos el costo de mantención para las instalaciones solares del vivero y de la
Almazara. También debemos incluir el costo de mantención de la caldera de biomasa para
el vivero, el cual se estima que es en promedio un valor de US$28/kWt (IPCC 2011) y el
costo de mantención del calefón para la Almazara que equivale a un 20% del costo del
equipo. En la siguiente tabla se muestra el Costo Total en Mantención.
Costo Total en Mantención
Área de la Agroindustria Costo de Mantención
Vivero $343.803 (Solar térmica) + $ 389.760 (Caldera de Biomasa)
Almazara $28.666 (Solar Térmica) + $28.826 (Calefón)
Total $791.055 Tabla 34 Costo Total en Mantención en los Sistemas de Energías Renovables para la Agroindustria
3. Gasto en Servicios Generales
La instalación del Sistema de Energías Renovables en la Agroindustria implicara el aumento
del gasto en uno de los suministros que necesita la Agroindustria, debido a la instalación de
algunos equipos eléctricos, más específicamente de bombas de circulación, aumentará el
gasto en Electricidad. A partir del consumo de energía de la bomba de circulación que
posee el actual Sistema cada una de las áreas de la Agroindustria se estimó cuanto se
107
gastará en el primer año en electricidad de acuerdo a la cantidad de bombas de circulación
que serán instaladas. Esta información se detalla en la siguiente tabla:
Gasto en Electricidad por Bombas de circulación
Área de la Agroindustria Consumo Precio Costo anual
Vivero 3760,128 kwh (Solar
térmica) + 940,032 kwh
(Caldera de Biomasa)
55,29 $/kwh $ 259.872
Almazara 73,36 kwh (Solar Térmica) 55,29 $/kwh $4.056
Total 4.773,52 kwh $263.928 Tabla 35 Gasto en Servicios Generales (año 2012)
Este gasto corresponde al del primer período (2012), y se irá incrementando en cada
período de vida del Proyecto de acuerdo al aumento en el precio de la electricidad.
4. Vida útil de la instalación
La vida útil de los sistemas de energía solar térmica es de 25 años y la vida útil de la caldera
de biomasa es de 20 años. Por lo que para este proyecto consideraremos una vida útil de 20
años.
4. Ahorros en Energía Convencional
La instalación de Energías Renovables nos permitirá un importante ahorro en el gasto que
se realiza por el uso de las actuales Energías. En la siguiente tabla se indica el Ahorro
económico en Energía convencional, este ahorro corresponde a los ingresos o beneficios
obtenidos por el Proyecto.
Ahorro en Energía
Tipo de Energía Gasto actual en Energía Porcentaje de Ahorro Ahorro
Gas Licuado de
Petróleo (glp)
$ 2.793.382 (Vivero) +
$44.846 (Almazara)
98,8% $ 2.804.118
Electricidad $65.187 (Almazara) 100% $65.187
Total $2.903.415 98,83% $2.869.305 Tabla 36 Ahorro en Energía Convencional en la Agroindustria
108
El porcentaje de ahorro en glp es del 98,8% debido a que el Sistemas de Energías
Renovables para la Almazara abarca el 69% de la demanda de energía y el resto de energía
es aportada por glp. No sucede así en el Vivero, ya que el Sistema de energías renovables
cubre el 100% de la demanda de energía.
Este ahorro corresponde al primer año (2012), pero variará anualmente por el aumento o
disminución en el precio de las Energías Convencionales.
5. Incremento del coste del combustible sustituido
De acuerdo las estadísticas de la Comisión Nacional de Energía (CNE) el precio del glp
(Gas Licuado de Petróleo) en la V región se ha incrementado desde el año 2000 al 2012 a
una tasa promedio del 8,4% (CNE 2012). Por lo tanto, consideraremos que el precio del Gas
Licuado se incrementara a una tasa del 8,4%.
También, según las estadísticas de la Comisión Nacional de Energía (CNE) el precio de la
electricidad en el SIC se ha incrementado desde el año 2006 al 2012 a una tasa promedio
del 13% (CNE 2012). Por lo tanto, consideraremos que el precio de la Electricidad se
incrementara a una tasa de 13%.
6. Financiamiento
Existen distintos medios para financiar un proyecto de Energías Renovables, en este caso
hemos elegido financiar con Capital Propio de la Empresa Agroindustria, por un subsidio y
por un préstamo bancario. La explicación de los dos últimos medios de financiación se
detalla a continuación.
a. Subvención
En Chile en el marco del Programa Regional, se realizó un levantamiento de distintas
fuentes de financiamiento para desarrollar proyectos de Energías Renovables No
Convencionales (ERNC). Esta información está en la página web del CER (Centro de
energías Renovables)
109
Como nuestro proyecto es a nivel nacional y está dentro del sector agrícola, es factible
postular a la ayuda que da la Fundación para la Innovación Agraria. En la siguiente tabla
aparece más información de este fondo.
Fondo ERNC: FUNDACIÓN PARA LA INNOVACIÓN AGRARIA
Organismo FUNDACIÓN PARA LA INNOVACIÓN AGRARIA
Nombre del fondo Proyectos nacionales (enfocado al sector agrícola).
Interés para el sector de las
ERNC
Pueden financiar proyectos que incorporen ERNC para el mejoramiento del
sector agrícola
Descripción Cofinancia iniciativas que contribuyan al aumento de la rentabilidad de las
empresas del sector agroalimentario y forestal nacional (que permitan mejorar
sus productos, procesos, servicios y formas de gestión). Los fondos pueden
estar destinados a financiar la construcción de infraestructura que esté
directamente relacionada con actividades del proyecto, que se debe ejecutar
en un máximo de 36 meses
Quién puede postular Personas naturales o jurídicas del mundo público o privado, con o sin fines de
lucro, constituidas en Chile.
Período de postulación Entre julio y septiembre de cada año
Montos que otorga Máximo $150.000.000, para financiar hasta el 80% del costo total del
Proyecto
Tabla 37 Descripción del Fondo ERNC recomendable
(CER 2012)
b. Préstamo Bancario
Este modo de financiamiento consiste en pedir prestados fondos desde una fuente externa a
la empresa, en este caso a un Banco (financiamiento con deuda).
La deuda con el Banco se paga periódicamente en cuotas. Estas cuotas están compuestas
por dos conceptos amortización e interés.
Hay distintas formas de pagar la deuda, en este caso será pagada en cuotas iguales. Según
esta forma de pago se calcula el valor de una cuota uniforme para n periodos a un interés i.
Ecuación 5 Cálculo del valor de la Cuota de un Préstamo
110
También hay distintas formas de calcular el interés, en este caso se calculará el interés
sobre la deuda impaga (Vega 2012).
Para realizar el análisis de Rentabilidad Económica del Proyecto se realizarán tres
supuestos de financiamiento:
Suposición 1: El 80% de la inversión es financiada por la subvención dada por la
Fundación para la Innovación Agraria y el 20% es financiado con Capital propio de la
Agroindustria.
Suposición 2: El 70% de la inversión es financiada por la subvención dada por la
Fundación para la Innovación Agraria, un 20% es financiado por un préstamo
Bancario (5 % de tasa de interés) y un 10 % es financiado con Capital propio de la
Agroindustria.
Suposición 3: El 40% de la inversión es financiada por la subvención dada por la
Fundación para la Innovación Agraria, un 45% es financiado por un préstamo
Bancario (5 % de tasa de interés) y un 15 % es financiado con Capital propio de la
Agroindustria.
5.1.3 Resultados del Análisis de la Rentabilidad Económica
El Flujo de Caja, según los tres casos analizados se presenta en la hoja de Anexos (Anexos
G, páginas 259-263). A continuación se analizan y se presentan los resultados obtenidos.
1. Suposición 1
Los resultados obtenidos del análisis de Rentabilidad económica para el Proyecto según la
Suposición 1 se presentan en la tabla e y el resultado del flujo de caja se presenta en el
gráfico 28.
Resultados : Suposición 1
Financiamiento Indicadores Económicos Capital Propio Préstamo Subvención TIR (10 años) TIR (20 años) VAN
111
20% 0% 80% 32% 35% $ 18.209.126 Tabla 38 Resultados del Análisis de Rentabilidad Económica para la Suposición 1
Según los resultados obtenidos de los indicadores económicos llegamos a la siguiente
conclusión, porque:
VAN > 0 : Significa que el proyecto aporta ganancias y es, por lo tanto, conveniente
de realizar
TIR > TMAR (12%): Significa que el Proyecto es Rentable Económicamente
Gráfico 28 Resultados del Flujo de Caja del Proyecto según la Suposición 1
De acuerdo a este gráfico podemos concluir que la inversión realizada se recupera en el
cuarto período. El primer período corresponde al año 2012, entonces la inversión será
pagada o recuperada el año 2015.
112
2. Suposición 2
Los resultados obtenidos del análisis de Rentabilidad económica para el Proyecto según la
Suposición 2 se presentan en la tabla e y el resultado del flujo de caja se presenta en el
gráfico 29.
Resultados : Suposición 2
Financiamiento Indicadores Económicos Capital Propio Préstamo Subvención TIR (10 años) TIR (20 años) VAN
10% 20% 70% 39% 43% $ 16.884.505 Tabla 39 Resultados del Análisis de Rentabilidad Económica para la Suposición 2
Según los resultados obtenidos de los indicadores económicos llegamos a la siguiente
conclusión, porque:
VAN > 0 : Significa que el proyecto aporta ganancias y es, por lo tanto, conveniente
de realizar
TIR > TMAR (12%): Significa que el Proyecto es Rentable Económicamente
Gráfico 29 Resultados del Flujo de Caja del Proyecto según la Suposición 2
113
De acuerdo a este gráfico podemos concluir que la inversión realizada se recupera en el
tercer período. El primer período corresponde al año 2012, entonces la inversión será
pagada o recuperada el año 2014.
3. Suposición 3
Los resultados obtenidos del análisis de Rentabilidad económica para el Proyecto según la
Suposición 3 se presentan en la tabla 40 y el resultado del flujo de caja se presenta en el
gráfico 30.
Resultados : Suposición 3
Financiamiento Indicadores Económicos Capital Propio Préstamo Subvención TIR (10 años) TIR (20 años) VAN
15% 45% 40% 12% 24% $ 10.571.456 Tabla 40 Resultados del Análisis de Rentabilidad Económica para la Suposición 3
Según los resultados obtenidos de los indicadores económicos llegamos a la siguiente
conclusión:
VAN > 0 : Significa que el proyecto aporta ganancias y es, por lo tanto, conveniente
de realizar
TIR > TMAR (12%): Significa que el Proyecto es Rentable Económicamente
Gráfico 30 Resultados del Flujo de Caja del Proyecto según la Suposición 1
114
De acuerdo a este gráfico podemos concluir que la inversión realizada se recupera en el
séptimo período. El primer período corresponde al año 2012, entonces la inversión será
pagada o recuperada el año 2018
5.2 Rentabilidad Medio Ambiental
La instalación de Energías Renovables en la Agroindustria es muy beneficiosa y amigable
con el Medio ambiente, ya que permitirá reducir la mayor parte de las emisiones de gases
contaminantes que esta genera debido al uso de las actuales fuentes de Energía. En la tabla
41 se detalla en cuanto disminuirá anualmente la cantidad de emisiones de cada uno de los
gases contaminantes, generándose así un ahorro medio ambiental.
Los gráficos que se presentan posteriormente muestran el ahorro en emisiones que
permitirá la instalación de este Proyecto a lo largo de su vida útil.
Disminución Anual de Emisiones de Gases Contaminantes
Tipo de Energía Emisiones Porcentaje de Ahorro Ahorro en Emisiones
Gas Licuado de
Petróleo (glp)
8,76 ton CO2
0,0132 kg CH4
0,57 kg N2O
98,8% 8,65 ton CO2
0,013 kg CH4
0,563 kg N2O
Electricidad 0,45 ton CO2 -202%5 -1,36 ton CO2
Total 9,21 ton CO2 0,0132 kg CH4 0,57 kg N2O
78,2% 98,8% 98,8%
7,20 ton CO2
0,013 kg CH4 0,563 kg N2O
Tabla 41 Ahorro en Emisiones por instalación de Energías Renovables
5 Este porcentaje esta en negativo, debido a que se incrementa la cantidad de emisiones de CO2 debido al uso de las bombas de circulación.
115
Gráfico 31 Ahorro anual y acumulado en emisiones de CO2
Gráfico 32 Ahorro anual y acumulado en emisiones de CH4
116
Gráfico 33 Ahorro anual y acumulado en emisiones de N2O
117
Conclusión
En este Capítulo se obtuvieron los resultados que justifican tanto Ambiental como
Económicamente lo beneficioso que es para la Agroindustria instalar Energías Renovables.
Primeramente se determinó que para financiar este Proyecto se podían dar varias
alternativas, pero se consideraron solo tres casos, los cuales son |as formas más
convenientes de financiamiento. En general, el supuesto que de acuerdo al análisis de
rentabilidad económica brinda la mejor oportunidad, es financiar la inversión con una
Subvención del 80% y con un 20% de Capital Propio. La rentabilidad que presenta este caso
se refleja en los indicadores económicos, ya que la TIR (10 años) es del 32%, la TIR (20
años) es del 35% y la VAN de $ 18.209.126. De acuerdo a estos resultados y al respectivo
criterio de decisión se concluye que el Proyecto es Rentable Económicamente.
Según el análisis de rentabilidad Medio Ambiental la instalación de Energías Renovables en
la Agroindustria nos permitirá reducir las emisiones de gases contaminantes, principalmente
reducir las emisiones de CO2. En resumen se dejaran de emitir anualmente cerca de 7
toneladas de CO2 lo que hace que el Proyecto sea Rentable Ambientalmente.
118
Conclusion
En general, por medio de este trabajo se pudo probar que es completamente factible el
instalar energías renovables en una industria de nuestro país, más específicamente en una
Agroindustria de la Zona Central del país. Prueba de esto es que se cumplió con cada uno
de los objetivos específicos planteados, de los cuales se comenta a continuación.
El desarrollo del primer objetivo nos permitió conocer cuál era entre todos los tipos y
aplicaciones de energía dentro de la empresa el punto más crítico, se definió que era la
calefacción de los procesos, lo que se traduce en uso de Energía térmica. Este objetivo nos
permitió concluir que estos puntos críticos significan para la empresa un elevado gasto
cercano a los 3 millones de pesos y una importante cantidad de emisiones cercana a las 9
toneladas de CO2, estos resultados implican un alto perjuicio económico para la empresa,
además de poco cuidado de medio Ambiente. También en este objetivo se pudo determinar
que la Energía que demandan anualmente estos puntos críticos es de 136 GJ.
El desarrollo del segundo objetivo nos dio a conocer la cantidad de Energía renovable
disponible en la empresa. En general, la Energía solar nos puede aportar la cantidad cerca
de 5 GJ anuales de energía por cada metro cuadrado de superficie en el terreno de la
empresa y la Energía de la Biomasa puede aportar 630 GJ de energía anualmente. En
conclusión los Recursos Renovables que posee la Agroindustria son suficientes si se
aprovecharan como para satisfacer su demanda de energía.
El desarrollo del tercer objetivo nos permitió establecer un diseño ingenieril de un sistema
para aprovechar estos recursos renovables. Este sistema se diseñó de acuerdo a las
tecnologías que existen en la actualidad y que permitirán transformar la materia prima, es
decir la energía renovable, e introducirla en los sistemas de calefacción de los procesos de
la Empresa. En general se determinó que para un área de la empresa el sistema renovable
combinara dos tecnologías (Solar y Biomasa) y que para la otro área de la Agroindustria,
que tiene una menor demanda de energía, solo se diseñó un sistema de Energía Solar.
El desarrollo del último objetivo nos permitió probar que económica y ambientalmente es
factible instalar energías renovables en la Agroindustria. Respecto a la evaluación
económica podemos destacar que el proyecto tendrá una inversión cercana a los 30
119
millones de pesos, pero que permitirá ahorrar cerca de 3 millones de pesos anuales en
energía. La inversión pareciera ser elevada pero existen diversas fuentes de financiamiento,
como la que se consideró en este trabajo, que consiste en un subsidio dado por el gobierno,
lo que favorece notablemente al proyecto. Según la construcción de flujo de caja para una
vida útil de 20 años y con el uso de dos indicadores económicos se probó con valores
cercanos a la realidad que el proyecto arroja cifras muy positivas. De la misma forma
ambientalmente, ya que por la aplicación de este proyecto de dejaran de emitir cerca del 78
% de los gases de efecto invernadero que actualmente emite la empresa.
Finalmente terminado este trabajo debo decir que la introducción del uso de energías
renovables de nuestro país traerá muchos beneficios, y que se deben tomar seriamente
como la solución a los problemas con las actuales fuentes de Energía. También el aplicar
energías Renovables en estas empresas Agroindustriaes le permitiría un importante
crecimiento a la empresa ya que serían más amigables con el medio ambiente y se
desarrollarían económicamente ya que el ahorro en Energía les permitiría hacer otro tipo de
gastos e inversiones que les impulsaría a un mayor crecimiento.
También cabe mencionar a los lectores que quieran tomar en cuenta el diseño realizado que
consideren mejorar el diseño, ya que fue realizado según la información que se tienen en la
actualidad la cual es muy reducida, por lo tanto recomiendo una mayor profundidad y si es
posible busquen la ayuda de personas más experimentadas en materia de instalación de
energías Renovables.
120
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124
125
Anexos
126
A Informacion General
A.1 Tipos de Energías Renovables
A.1.1 Energía Solar
Este tipo de energía proviene desde el Sol el cual emite los rayos solares que calientan e
iluminan nuestro planeta Tierra. Puede utilizarse la energía proveniente de la radiación
solar directamente para calefaccionar o por medio de sistemas captar y almacenar esta
energía para transformarla en calor y/ o electricidad. Respecto a esto último podemos
encontrar tres sistemas:
1. Energía Solar Fotovoltaica: Se convierte directamente la radiación solar en
electricidad, por la aplicación del efecto fotovoltaico (Goetzberger and Hoffmann
2005). Esto se lleva a cabo en un dispositivo llamado panel fotovoltaico, que
consiste en varias celdas solares unidas en serie hechas de un material
semiconductor, como Silicio, que absorbe la luz solar (Goetzberger and Hoffmann
2005). En el presente estos módulos tienen una eficiencia de producción de energía
de 13 a 16% (Goetzberger and Hoffmann 2005) y solo producen energía mientras
llegue luz al módulo (Luque 2011).
2. Energía Solar Térmica: Consiste en aprovechar la radiación del sol para generar
calor a través del uso de colectores o paneles solares térmicos (Fernández Barrera
2010). Los colectores solares combinan el “efecto de cuerpo negro” con el “efecto
invernadero”, para retener la radiación solar e impedir la fuga del calor ganado, el
cual es entregado al sistema para su uso a través del calentamiento de agua o de
otro fluido. Esto permite que este tipo de energía sea utilizada para agua caliente de
uso doméstico o sanitaria (ACS), para calefacción, calentamiento de piscinas o
precalentamiento de fluidos en procesos industriales (López-Cózar 2006).
3. Energía termo solar de concentración: Son sistemas de aprovechamiento de energía
solar de media y alta temperatura que se fundamentan en la concentración de la
127
radiación directa para así producir calor o, generalmente, electricidad. Se distinguen
tres tipos de sistemas de concentración solar térmica: colectores cilindro-parabólicos,
sistemas de receptor central/ centrales de torre y discos parabólicos (Pérez
Martínez, Cuesta et al. 2008).
A.1.2 Energía Eólica
Consiste en aprovechar la fuerza del viento usando un dispositivo llamado aerogenerador,
el cual convierta la energía del viento en electricidad. El aerogenerador consiste en un
sistema mecánico de rotación provisto de aspas, y de un generador eléctrico en el eje
conectado al sistema motriz, de esta manera el viento hace girar las aspa y luego se genera
la electricidad (Mendez Muñiz and Cuervo Garcia 2008). Deben ir situados sobre una torre,
ya que a mayor altura se aprovecha más el viento (Mosquera Martínez and Merino Ruesga
2006). Los actuales aerogeneradores permiten alcanzar rendimientos de hasta un 50 %
(Mosquera Martínez and Merino Ruesga 2006).
A.1.3 Energía Geotérmica
La energía geotérmica consiste en aprovechar el calor almacenado en el suelo, en rocas
subterráneas y en los fluidos en el manto terrestre (Tyler Miller 2007). Muchas veces
aparecen arriba de estas fuentes geotérmicas, algunas manifestaciones en forma de
géiseres, fumarolas, manantiales calientes y fuentes termales (Jara Tirapegui 2006). Las
fuentes geotérmicas, según sus características y magnitud calórica, se clasifican según su
propósito: para generar electricidad (alta entalpía), y para usos directos del calor (baja
entalpía) (Jara Tirapegui 2006).
A.1.4 Energía de la Biomasa
Biomasa es toda aquella materia orgánica originada como consecuencia de procesos
biológicos, la cual se puede usar como fuente de energía. Por lo tanto, son biomasa las
plantas, terrestres y acuáticas, y sus productos y derivados, los animales que se alimentan
de ellas, y todos los residuos de producto de la actividad de los seres vivos (Miguelez,
Miguélez Pose et al. 2003). La biomasa se puede clasificar en tres tipos:
1. Biomasa solida o biocombustibles sólidos: Existen dos tipos de fuentes de
biomasa en estado sólido: primarias y secundarias. Las primarias son las
128
extracciones de ecosistemas naturales orientas a uso energéticos, además de
los cultivos energéticos. La secundaria con los residuos de la actividad
agrícola (restos de poda, paja, etc.), silvícola, agroalimenticia y de la industria
de la madera. Esta energía se puede aprovechar a través de procesos
termoquímicos como la pirolisis, gasificación o combustión (Abrego Garrués,
Reseau et al. 2010).
2. Biomasa residual húmeda: Es aquella con al alto contenido de humedad, y
que por su procedencia y composición, permite que la materia orgánica se
degrade mediante procesos bioquímicos (biodigestión). Las fuentes son: los
residuos ganaderos (purines), residuos urbanos (parte orgánica de las
basuras o las aguas residuales) y las aguas o flujos residuales con alta carga
orgánica de empresas que procesan materia orgánica con fines agrícolas,
ganaderos, alimenticios, etc. (Abrego Garrués, Reseau et al. 2010).
3. Biocarburantes: Aquellos combustibles líquidos con alto poder calorífico que
pueden ser utilizados en sistemas térmicos como los motores alternativos de
combustión interna, quemadores o turbinas. Los biocarburantes pueden ser
de primera o de segunda generación. La primera generación es cuando la
biomasa presenta un alto contenido en aceites, estos se extraen por procesos
físicos (prensado) o físico-químicos (extracción) para así producir el biodiesel.
Los de segunda generación es cuando la biomasa presenta un alto contenido
en azúcar puede obtenerse bioetanol mediante una fermentación alcohólica y
una posterior destilación (Abrego Garrués, Reseau et al. 2010).
A.1.5 Energía Mini-Hidráulica
Este tipo de energía consiste en realizar obras en los cauces de los ríos, para conducir el
agua, hacia una turbina acoplada a un motor eléctrico, donde se transforma la energía
cinética del agua en movimiento, en energía eléctrica (Menéndez Pérez 2001). No todos
estos sistemas llamados centrales son iguales, ya que existen tres tipos de centrales:
129
Centrales de agua fluyente: Captan una parte del caudal del rio y lo trasladan
hacia la central y, una vez utilizado, lo devuelven al río.
Centrales de pie de presa: Ce sitúan agua abajo en los embalses destinados
a usos hidroeléctricos o a otros fines (riego, por ejemplo) a los que la central
no afecta, ya que no consume volumen de agua.
Centrales reversibles: Estas permiten una mayor eficiencia al sistema, al
aprovechar los excedentes sobrantes de producción durante las hora valle
(por ejemplo, de una nuclear que no se puede parar) para bombear agua que
luego se turbina en horas punta (Mosquera Martínez and Merino Ruesga
2006).
A.1.6 Energía del Mar
El mar es una fuente de energías renovables, ya que se puede aprovechar la energía de las
mareas, olas, corrientes marinas o la energía térmica del océano.
1. Energía Mareomotriz: La Energía mareomotriz aprovecha el movimiento de las
mareas para producir energía, esto consiste en que el agua de mar entra a un
estuario en marea alta a través de aperturas en un dique, con su correspondiente
turbina, y luego el agua de mar desde el estuario vuelve al océano en marea baja y
produce electricidad, por el paso del agua de mar por la turbina (Barquín Gil 2004).
2. Energía Térmica de los Océanos: Consiste en aprovechar la diferencia de temperatura
entre las capas superficiales y profundas de los mares, para producir electricidad
(Azcarate Luxan and Mingorance Jimenez 2008). Hay dos sistemas para aprovechar
esta energía: circuito abierto o circuito cerrado. El circuito abierto consiste en
evaporar agua a baja presión y así mover una turbina. El circuito cerrado consiste en
evaporar un fluido con baja temperatura de ebullición (amoniaco, freón o propano) al
contactarlo con el agua caliente (Jara Tirapegui 2006).
3. Energía Undi motriz: Consiste en dispositivos que permiten la conversión de la energía
de las olas en electricidad. Pueden ser flotadores que suben y bajan movidos por las
olas o cámaras de aire cuya presión sube o baja cuando la ola comprime o expande
el aire de la cámara. (Barquín Gil 2004).
130
4. Energía de las Corriente Marinas: Se utiliza una hélice que las corrientes marinas
hacen girar, en forma similar a lo que ocurre con el aerogenerador en la energía
eólica, aunque estas turbinas son más pequeñas por la densidad del agua (Barquín
Gil 2004).
A. 2 Descripción de los Sistemas de Energías Renovables aplicables a la Agroindustria
A.2.1 Descripción de una Instalaciones de Energía Solar Térmica
Un Sistema Solar térmico es un conjunto de componentes, mecánicos y electrónicos que
permiten captar la energía solar y transformarla en calor, aprovechándola para diferentes
necesidades energéticas en viviendas o en industrias. Esta energía debe acumularse para
cuando se requiera su consumo, mediante un fluido contenido en depósitos (Mendez Muñiz
and Cuervo Garcia 2008).
Un Sistema solar térmico está constituido por diferentes circuitos, como se muestran en el
siguiente esquema básico:
Figura 44 Esquema que muestra los circuitos de una instalación solar
Circuito Primario: Circuito formado por los colectores y las tuberías que los unen, en el que
el fluido de trabajo recoge la energía solar y la transmite al acumulador solar mediante el
intercambiador de calor (SODEAN 2004).
El sistema de como circula el fluido de trabajo al estanque acumulador puedes ser de 2
tipos: natural o forzada.
131
Instalaciones con circulación natural o termosifón: En la que el fluido de trabajo circula por
convección libre.
Instalaciones con circulación forzada: En la que la instalación está equipada con dispositivos
que provocan la circulación forzada del fluido de trabajo (SODEAN 2004).
Circuito Secundario: Circuito en el que el fluido de trabajo recoge la energía transferida del
circuito primario hasta el acumulador auxiliar o de apoyo.
Circuito de Consumo: Circuito que corresponde a la red de distribución que alimenta a los
puntos de consumo (Martínez 2010).
A.2.1.1 Clasificación de las Instalaciones
Las instalaciones se pueden clasificar según los siguientes criterios:
La configuración, definida por el principio de circulación, los componentes y la
conexión entre los mismos.
La aplicación a que vaya a ser destinada la instalación.
1. Clasificación de las instalaciones atendiendo a su configuración.
Atendiendo al principio de circulación se clasificarán en:
Instalaciones por termosifón.
Instalaciones por circulación forzada.
Atendiendo al sistema de transferencia de calor entre los captadores y el acumulador solar,
se clasificarán en:
Instalaciones de transferencia directa sin intercambiador de calor.
Instalación con intercambiador de calor en el acumulador solar.
Instalaciones con el intercambiador de calor independiente.
Atendiendo al sistema de aporte de energía auxiliar, las instalaciones se clasificarán según
los apartados siguientes:
Sistema de energía auxiliar en depósito secundario individual.
Sistema de energía auxiliar en depósito secundario centralizado.
132
Sistema de energía auxiliar en depósitos secundarios distribuidos.
Sistema de energía auxiliar en línea centralizado.
Sistema de energía auxiliar en línea distribuido.
2. Clasificación de las instalaciones por su aplicación.
Instalación de producción de agua caliente para uso sanitario.
Instalaciones de producción de agua caliente para procesos industriales y agrícolas
(SODEAN 2003).
A.2.1.2 Configuraciones Básicas
La combinación de los anteriores criterios proporciona diferentes configuraciones básicas
del circuito primario y secundario:
Configuración nº 1: se incluyen en este grupo las instalaciones por termosifón
directas, sin intercambiador entre el captador y el depósito acumulador.
Configuración nº 2: instalaciones por termosifón indirectas, con intercambiador
en el depósito acumulador, tipo cambiador interno o acumulador de doble
envolvente.
Configuración nº 3: instalaciones por circulación forzada directo sin
intercambiador de calor, con o sin depósito de acumulación.
Configuración nº 4: instalaciones por circulación forzada con intercambiador de
calor en el depósito tipo serpentín o depósito de doble envolvente.
Configuración nº 5: instalaciones por circulación forzada con intercambiador de
calor separado.
Las configuraciones básicas anteriores admiten dos variantes según que el circuito primario
sea abierto o cerrado (SODEAN 2003)
133
A.2.1.3 Elementos básicos de una instalación de Energía Solar térmica
1. Sistema de Captación
Es el conjunto de elementos encargados de captar y convertir la radiación solar en energía
térmica aumentando la temperatura de un fluido, el cual se encarga de transportar esta
energía calorífica al sistema de intercambio de calor y de acumulación.
a. Colector Solar
Existen distintos tipos de colectores solares, pero el más utilizado en instalaciones de agua
caliente son los colectores planos con cubierta de vidrio, a este tipo de colectores nos
referiremos más detalladamente, pero de igual forma explicaremos brevemente en qué
consisten los otros tipos de colectores solares.
Colector Solar con Cubierta de Vidrio
El principio de funcionamiento se basa en el efecto invernadero, consiste en retener en su
interior la energía solar recibida y transformarla en energía térmica e impedir su salida al
exterior (Llardén 2004).
Un esquema básico de la estructura de un colector solar con cubierta de vidrio se muestra
en la figura.
Figura 45 Esquema básico de un Colector solar con cubierta de vidrio
134
Un colector solar de este tipo se compone principalmente de los siguientes elementos:
Cubierta transparente: Es el elemento de material transparente a la radiación solar que
cubre la apertura, para disminuir las pérdidas de calor y proteger al absorbedor del
medio ambiente (SODEAN 2004), está situada en la cara frontal del colector.
Preferentemente está cubierta es de vidrio y el espesor mínimo debe ser entre 3 a 4
mm (Martínez 2010) .
Absorbedor metálico: Es el elemento que transforma la radiación solar en energía
térmica y la transmite al fluido de trabajo que circula por su interior. El absorbedor
está compuesto por una placa metálica negra, de cobre en la mayoría de los casos,
unida, soldada generalmente, a un circuito de tubos también de cobre por los que
circula el fluido de trabajo. A La superficie frontal del absorbedor se le aplica un
tratamiento especial para mejorar su comportamiento energético. En la mayoría de
los casos el tratamiento aplicado es el tratamiento selectivo, cuyo fin es lograr
mantener una alta capacidad para captar la energía procedente de la radiación solar
incidente (alta absortancia para radiación de pequeña longitud de onda) y un bajo
coeficiente de emisión de energía al exterior (baja emitancia para radiación de mayor
longitud de onda) (Llardén 2004).
Hay distintos tipos de absorbedores, esto debido a la forma en la cual puede estar
dispuesto el circuito de tubos de cobre, principalmente pueden ser de forma de
parrilla o de serpentín, además otra variante, es que el circuito de tubos puede ir de
forma vertical y horizontal (Martínez 2010).
Figura 46 Colector con absorbedor de parrilla (vertical y horizontal)
Figura 47 Colector con absorbedor de serpentín (vertical y horizontal)
135
Caja exterior: Es la caja que contiene al resto de los componentes para protegerlos
del exterior y para darle rigidez al conjunto. A esta caja se debe agregar aislamiento
en las partes laterales y en el fondo. Habitualmente se emplea aluminio, acero
inoxidable, acero galvanizado y lacado o material plástico reforzado con fibra de
vidrio (Martínez 2010).
Aislamiento: Es el elemento que junto a la cubierta transparente, contribuye a reducir
las pérdidas de calor y aumenta el rendimiento energético del captador, provocando
el efecto invernadero en el interior. Principalmente se usa lana de vidrio o lana
mineral (Martínez 2010).
La mayoría de los captadores son de una superficie de 1,5 a 2,5 m2. Respecto a esto
debemos aclarar que hay distintas definiciones del área de un colector solar.
La superficie del absorbedor es el área máxima de proyección del absorbedor.
La superficie de apertura es el área máxima del colector por la que penetra la
radiación solar perpendicular al colector.
La superficie total es el área máxima de proyección del colector completo, sin incluir
los soportes y tubos de conexión hidráulica.
En la figura 18 se muestra más claramente la diferencia entre estos conceptos de área del
colector.
Figura 48 Superficie total, de apertura y del absorbedor de un colector solar plano
136
Un factor muy importante a considerar al seleccionar un colector solar es el rendimiento. El
rendimiento de un colector solar se define como el cociente entre la cantidad de energía que
se obtiene y la cantidad de energía recibida, tal como se muestra en la siguiente ecuación:
Ecuación 6 Rendimiento de un Colector solar plano
Dónde:
= Rendimiento del colector solar plano.
Eu = Cantidad de energía entregada al fluido de trabajo.
Er = Cantidad de energía procedente de la radiación solar.
Desarrollando las expresiones Eu y Er, en función de la temperatura del agua, la temperatura
ambiente, la radiación recibida y los factores que determinan las perdidas ópticas y térmicas,
el rendimiento del captador se expresa en un modelo lineal, de la siguiente forma:
Ecuación 7 Modelo lineal del Rendimiento de un Colector solar plano
Dónde:
= Rendimiento del colector.
FR(τα)n = Factor de eficiencia óptica.
FRUL = Coeficiente global de pérdidas (W/m2 °C).
Te = Temperatura de entrada al colector (°C).
Tamb = Temperatura ambiente exterior (°C).
I = Intensidad de la radiación solar incidente en el plano del colector (W/m2).
137
El coeficiente FR(τα)n es la ordenada en el origen de la recta e indica el rendimiento del
colector considerando solamente el valor de las perdidas ópticas y FRUL corresponde a la
pendiente e indica las perdidas térmicas.
En resumen, estos dos coeficientes caracterizan el comportamiento energético de un
colector, de manera que cuanto mayor sea el factor de eficiencia óptica y menor su
coeficiente global de perdidas mejor será su rendimiento. . Los coeficientes característicos
de los colectores se determinan por medio de ensayos normalizados en laboratorios. Los
fabricantes o distribuidores de colectores deben facilitar estos datos (Llardén 2004).
b. Otros tipos de colectores solares
Otros colectores solares planos
Colectores sin cubierta: Absorbedores metálicos con tratamiento selectivo que están
diseñados para soportar las condiciones exteriores sin cubierta, aislamiento ni carcasa.
Colectores con varias cubiertas: Se puede utilizar más de una cubierta, del mismo o
diferentes materiales, para reducir las pérdidas térmicas. Aunque esto disminuye la
transmitancia y aumenta significativamente el costo del colector.
Colectores tipo CPC (Colector de concentración cilindro-parabólico compuesto): En lugar de
un absorbedor que ocupa la superficie completa, dispone de canales reflectores adosados
que reflejan la radiación solar sobre los absorbedores constituidos por tubos con pequeñas
aletas.
Colectores con cubierta TIM (Transparent Insulating Materials): Se utilizan cubiertas
aislantes transparentes denominadas TIM, estructuras en forma de panal de abeja que,
colocadas en la cara interna de la cubierta, reducen significativamente las pérdidas por
convección. Está cubierta también disminuye la transmitancia global pero se compensa, a
elevadas temperaturas, con la reducción de pérdidas térmicas.
Colectores de vacío: Son colectores planos muy herméticos a los que se les hace el vacío
interior y disponen de unos soportes internos que impiden que la cubierta y la carcasa se
quiebren hacia dentro al hacer el vacío (Martínez 2010).
138
Colectores de tubos de vacío
Un colector de tubos al vacío está compuesto por un conjunto de tubos, conectados en un
distribuidor, cada uno de los cuales está formado por uno o más tubos por donde circula el
fluido a calentar y un tubo de vidrio como cubierta y envolvente exterior (Martínez 2010).
c. Campo de Colectores
El campo de colectores es el conjunto ordenado de colectores. El tamaño va a depender de
las necesidades energéticas, puede ir desde un colector hasta varios colectores. En el caso
de instalaciones solares de gran tamaño, se diseñara el campo de colectores distribuyendo
los colectores en baterías (las baterías son un conjunto de colectores que, montados sobre
una misma estructura, se comportan como un único colector) preferentemente de igual
tamaño y distribuidas de forma homogénea en el espacio disponible.
Para formar una batería los colectores pueden conectarse de dos formas: en paralelo o en
serie.
Conexión de colectores en paralelo: En este tipo de conexión el caudal total de la batería se
reparte entre los distintos colectores y, si el reparto es idéntico, todos los colectores trabajan con el
mismo caudal y la temperatura de salida será la misma.
Figura 49 Conexión en Paralelo
Tambien cuando los colectores disponen de distribuidores con cuatro conexiones exteriores,
se puede utilizar el denominado “paralelo interno” en los que se utilizan los distribuidores
139
como cañerías de reparto del flujo por todos los absorbedores. Esto permite ahorrar
tuberías.
Figura 50 Conexión en Paralelo interno
Conexión de colectores en serie: En este caso el fluido recorre todos los colectores
conectados de la serie, de forma que el flujo total es el que recorre cada colector.
Figura 51 Conexión en serie
Las baterías entre si también deben conectarse en paralelo o en serie, independientemente
de la forma en que estén conectados los colectores que forman la batería.
Conexión de baterías en Paralelo: El flujo se divide en partes iguales entre las distintas
baterías. Se debe procurar que circule el mismo caudal por cada batería, para ello se
140
pueden utilizar dos procedimientos: el equilibrado con válvulas, consiste en que las distintas
baterías están conectadas a una alimentación común al igual que las salidas y se usan
válvulas de balanceo hidráulico para ajustar el caudal; o el retorno invertido, consiste en
utilizar una tubería adicional en la alimentación común de forma que en el conexionado se
igualen los recorridos y los flujos de todas las baterías(Martínez 2010).
Conexión de baterías en Serie: El mismo flujo recorre todas las baterías de colectores.
d. Fluido de Trabajo
En el circuito secundario y en el de consumo siempre se utiliza el agua de red o de consumo
como fluido de trabajo, sin embargo en el circuito primario se puede utilizar agua o agua
con aditivos, según las características climatológicas del lugar de ubicación de la instalación
y del agua utilizada. Podrá utilizarse agua sola (cuando la salinidad del agua no exceda de
500 mg/l totales de sales solubles, el contenido en sales de calcio no exceda de 200 mg/l
expresados como contenido en carbonato cálcico y el contenido de dióxido de carbono libre
contenido en el agua no exceda de 50 mg/l) o agua desmineralizada con aditivos
estabilizantes y anticorrosión en las zonas sin riesgos de heladas. Por otro lado en las zonas
con riego de heladas se puede utilizar una mezcla de agua con anticongelante para proteger
al circuito primario. Preferentemente se utilizara como anticongelantes los que utilizan
propilenglicol. Se considerarán zonas con riesgo de heladas aquellas en las que se hayan
registrado en un período de 20 años temperaturas inferiores a 0ºC.
2. Sistema de intercambio y Acumulación
La energía térmica procedente de los colectores se almacena en depósitos en forma de
agua caliente, para poder utilizarla en periodos en los que la demanda exceda la capacidad
de producción. El traspaso del calor del fluido de trabajo que circula por el circuito primario
al agua acumulada se realiza mediante intercambiadores de calor, que pueden estar en el
interior del acumulador o pueden ser intercambiadores de calor que se instalan en el
exterior (Llardén 2004). Generalmente si la instalación es pequeña se utilizan
interacumuladores, mientras que si se trata de instalaciones grandes de recurre a depósitos
son sistema de intercambio externo al mismo (Mendez Muñiz and Cuervo Garcia 2008).
141
Preferentemente el sistema de acumulación del circuito primario estará constituido por un
solo depósito. Sin embargo, en algunos casos necesariamente el sistema de acumulación
estará formado por más de un depósito, estos se pueden conectar en serie invertida en el
circuito de consumo o en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrado.
También en algunos casos será necesario instalar un estanque acumulador en el Circuito
secundario, el cual se utiliza como acumulador de apoyo. Este acumulador se calienta a
través del sistema de energía auxiliar.
a. Estanque Acumulador
Los estanque acumuladores pueden ser de tipo horizontal o vertical. Preferentemente, los
estanque son verticales y con una relación altura/diámetro alta. En el interior del acumulador
se debe procurar favorecer el principio de estratificación, que consiste en acumular el agua
más caliente en la parte superior y agua más fría en la parte inferior, para esto se debe
poner cuidado en las conexiones de tubería al acumulador.
La estratificación es para tener un suministro instantáneo de agua a la temperatura de
trabajo sin la necesidad de que este todo el estanque a la dicha temperatura.
Los estanque se pueden hacer de materiales como el acero inoxidable y el acero al carbono
con tratamientos interiores a base de vitrificado de simple o doble capa y recubrimientos
resinas epoxi. También, para minimizar las perdidas térmicas hacia el exterior a este
estanque se le debe agregar un aislamiento. Este estanque debe soportar temperaturas
superiores a los 70 °C y debe contar con un sistema de protección catódica (Llardén 2004).
b. Intercambiador de Calor externo
Los intercambiadores de calor externos normalmente utilizados son los de placas. Pueden
ser de placas de cobre, de acero inoxidable o de titanio, bien desmontables o bien electro
soldadas (Martínez 2010).
142
c. Intercambiador de calor interno
Los intercambiadores de calor interno generalmente, son de tipo serpentín construidos con
cañería de cobre o de acero inoxidable (Martínez 2010). Para acumuladores no muy
grandes, preferentemente en sistemas termosifónicos, se utilizan los intercambiadores de
doble envolvente, estos suelen ser del mismo material que el estanque acumulador (E-solar
2012).
2. Red hidráulica
Está constituido por todos los circuitos hidráulicos que son los conjuntos de cañerías, con su
aislante, accesorios, bombas, válvulas, etc. que interconectan los distintos sistemas y
mediante la circulación de fluidos producen la transferencia de calor desde el sistema de
captación hasta el consumo (Martínez 2010).
En la red hidráulica se destacan los siguientes equipos y elementos:
Tuberías: Es el conducto a través de cual fluye el fluido de trabajo, permitiendo así el
recorrido del fluido por todos los elementos del sistema. Generalmente se utilizan en estas
instalaciones tuberías de cobre. Para evitar pérdidas térmicas las tuberías deben ser
aisladas. Además para un adecuado armado del recorrido de tuberías se necesitan diversos
accesorios del mismo material de las tuberías e igualmente aislados térmicamente.
Depósito o Vaso de expansión: dispositivo que permite absorber las variaciones de presión
en un circuito cerrado producidas por las variaciones de temperatura del fluido circulante.
Puede ser abierto o cerrado, según esté o no en comunicación con la atmósfera.
Bombas de circulación: dispositivo electromecánico que produce la circulación forzada del
fluido a través de un circuito.
Purgador de aire: dispositivo que permite la salida del aire acumulado en el circuito. Puede
ser manual o automático.
Válvula de seguridad: dispositivo que limita la presión máxima del circuito.
Válvula anti retorno: dispositivo que permite interrumpir el paso de fluido en un sentido.
Válvula de corte: dispositivo que interrumpe el paso de fluido en un circuito (SODEAN 2004).
Válvula mezcladora termostática: Válvula que controla la temperatura de paso de un fluido a
una temperatura fija preseleccionada. Generalmente, se usa en los sistemas solares cuando
la temperatura a la cual va el agua de consumo es muy alta, esta válvula permite bajar esa
temperatura mezclándola con agua fría.
143
Válvulas motorizadas de 3 vías: Estas válvula se instala para que cumpla dos funciones
desviar o permitir el paso de un fluido según su temperatura.
2. Sistema de Control
Encargado del correcto funcionamiento de la instalación dando las órdenes necesarias a las
bombas y válvulas para que funcionen según los valores aportados por las diferentes
sondas (SODEAN 2004) .
En el sistema de Control se destacan los siguientes elementos:
Control diferencial de temperaturas: dispositivo electrónico que arranca o para las bombas
en función de la diferencia de temperaturas prefijada entre los captadores y el acumulador
solar.
Termostato de seguridad: dispositivo que controla la temperatura del fluido de trabajo.
Control anti hielo: termostato que impide la congelación del fluido de trabajo (SODEAN
2004) .
4. Sistema auxiliar o de apoyo
Complementa el aporte solar suministrando la energía necesaria para cubrir el consumo
previsto (Martínez 2010).
En una instalación, pueden presentarse varios días seguidos con cielo nublado, en los que
la acumulación de energía solar será nula o casi nula. Por esta razón es necesario contar
con un sistema auxiliar que aporte la energía que el Sol en ese momento no nos dé (Ribot i
Marin 1994). El tipo de combustible usado como energía auxiliar puede ser eléctrica (para
instalaciones pequeñas) o de glp, gas natural, biomasa o gasóleo para instalaciones
medianas y grandes (Martínez 2010).
El sistema de aporte de energía auxiliar generalmente se instala con acumulación o en caso
de pequeñas cargas de consumo, en línea (SODEAN 2004) .
144
A.3 Descripción de una Instalación de Calefacción por Calderas de Biomasa
Una instalación de este tipo, consiste básicamente en la extracción de la energía contenida
en la biomasa por medio del proceso de la combustión directa. En el proceso de combustión
la materia orgánica (combustible) reacciona químicamente con el oxígeno (carburente) en
una reacción exotérmica (cede calor al medio), obteniéndose dióxido de carbono (CO2),
agua (H2O) y, si los elementos azufre y nitrógeno forman parte de los reactivos, óxidos de
azufre (SOx) y nitrógeno (NyOz).
Mediante esta combustión directa de la biomasa se produce la transformación de la energía
química almacenada en ella, en energía calorífica (Rcalero 2012). Luego esta energía
calorífica es traspasada a un fluido calo portador el cual calefaccionará el punto de
consumo.
Los principales elementos de estas instalaciones se detallan a continuación:
A.3.1 Unidad de Combustión de la Biomasa
Corresponde al equipo y sus componentes en donde ocurre la combustión de la biomasa.
Luego el calor producido por la combustión se traspasa al fluido que circula por su interior.
El equipo y sus componentes se describen a continuación.
1. Caldera de Biomasa
Las calderas de biomasa son equipos compactos diseñados específicamente para su uso,
ya sea doméstico en viviendas unifamiliares, edificios de viviendas o comerciales, existiendo
también modelos para instalaciones industriales. Todas ellas presentan sistemas
automáticos de encendido y regulación e, incluso algunas, de retirada de cenizas, que
facilitan el manejo al usuario. Para aplicaciones de calefacción doméstica o comercial, estos
equipos son de potencia baja o media, hasta 150-200 kW. Este tipo de sistemas alcanzan
rendimientos entre el 85 y 92%, valores similares a los de las calderas de gasóleo o de gas
(IDAE 2007).
Las calderas de biomasa pueden clasificarse según el tipo de combustible que admiten, la
clase de tecnología que utilizan o según el diseño de sus componentes.
145
Las calderas clasificadas según el tipo de combustible son:
Calderas específicas de pellets: Suelen ser pequeñas (hasta 40 kW) y altamente
eficientes. Destaca su compactibilidad debido a la estabilidad del combustible
suministrado. Son calderas de bajo costo, pequeño tamaño y elevado rendimiento.
En algunos casos pueden utilizar otros biocombustibles con características similares
siempre que el fabricante lo garantice.
Calderas de biomasa: Su potencia varía desde 25 kW a cientos de kW. No admiten
varios combustibles simultáneamente, aunque se puede cambiar el combustible si se
programa con suficiente anticipación el vaciado del silo, la nueva recarga y la
reprogramación de la caldera. Precisan de modificaciones en el tornillo de
alimentación y en la parrilla.
Calderas mixtas o poli combustibles: Admiten varios tipos distintos de combustible,
cambiando de unos a otros de manera rápida y eficiente. Suelen fabricarse para
potencias medias (alrededor de 200 kW) o grandes. Por otro lado, las calderas clasificadas de acuerdo a su tecnología son:
Calderas convencionales adaptadas para biomasa: Suelen ser antiguas calderas de
carbón adaptadas para poder ser utilizadas con biomasa o calderas de gasóleo con
un quemador de biomasa. Aunque resultan baratas, su eficiencia es reducida,
situándose en torno al 75-85%. Suelen ser semi-automáticas ya que, al no estar
diseñadas específicamente para biomasa no disponen de sistemas específicos de
mantenimiento y limpieza.
Calderas estándar de biomasa: Diseñadas específicamente para un biocombustible
determinado (pellets, astillas, leña, etc.), alcanzan rendimientos de hasta un 92%,
aunque suele ser posible su uso con un combustible alternativo a costa de una
menor eficiencia. Generalmente se trata de calderas automáticas ya que disponen de
sistemas automáticos de alimentación del combustible, de limpieza del
intercambiador de calor y de extracción de las cenizas.
Calderas mixtas: Las calderas mixtas permiten el uso alternativo de dos
combustibles, haciendo posible el cambio de uno a otro si las condiciones
económicas o de suministro de uno de los combustibles así lo aconsejan. Necesitan
un almacenamiento y un sistema de alimentación de la caldera para cada
146
combustible, por lo que el costo de inversión es mayor que para otras tecnologías.
Su rendimiento es alto, cercano al 92%, y son calderas totalmente automáticas.
Calderas de pellets a condensación: Pequeñas, automáticas y para uso exclusivo de
pellets, estas calderas recuperan el calor latente de condensación contenido en el
combustible bajando progresivamente la temperatura de los gases hasta que se
condensa el vapor de agua en el intercambiador. Mediante esta tecnología, el ahorro
de pellets es del 15% respecto a una combustión estándar, logrando así las mayores
eficiencias del mercado, con un rendimiento de hasta el 103% respecto al poder
calorífico inferior (PCI) (IDAE 2009).
Finalmente las calderas clasificadas según la estructura de sus componentes son:
Calderas compactas: Las calderas compactas de biomasa se han diseñado
específicamente para su uso en calefacción doméstica, en viviendas unifamiliares o
edificaciones. Incluyen sistemas de encendido y limpieza automáticos, que facilitan el
manejo del usuario. Normalmente estos equipos son de potencia baja a media
(hasta 150 kW).
Figura 52 Caldera compacta
Calderas con alimentador inferior: Estas calderas disponen de un sistema de
alimentación por afloramiento en la zona inferior, y presentan buen rendimiento con
147
biomasas de alta calidad, es decir, poco húmedas y con bajo contenido de cenizas,
como pueden ser las astillas secas, los pellets y algunos residuos Agroindustriaes.
Figura 53 Caldera con alimentador inferior
Calderas con parrilla móvil: Este sistema se aplica en calderas de mayor tamaño, que
permiten utilizar biomasa de calidad inferior y composición variable, con mayor
contenido en humedad y cenizas. Este diseño se utiliza generalmente en calderas
con una potencia superior a 500 kW, que normalmente utilizan como combustible
astillas, cortes, residuos agrícolas e, incluso, mezclas de composiciones variables
(Madrid 2006).
Figura 54 Caldera con parrilla móvil
Calderas de gasoil con un quemador de pellets: Una vieja caldera de gasoil existente
se adapta con un quemador de pellets. Esto es una solución perceptiblemente más
barata con algunas desventajas: la potencia obtenida se reduce alrededor del 30 %
148
por la conversión y la limpieza de la caldera no puede ser automatizada siendo más
laboriosa su operación.
Calderas adaptadas con quemador en cascada: El quemador en cascada se está
utilizando para la conversión de calderas de combustibles convencionales o su uso
en calderas de biomasa. Básicamente, la parrilla se estructura igual que una parrilla
móvil, pero el quemador se sitúa fuera de la caldera.
La impulsión de aire se hace con un doble objetivo; introducir aire en el quemador
para que se produzca la combustión en la primera parrilla y empujar el aire resultante
de la combustión hacia las parrillas siguientes y hacia el interior de la caldera para
conseguir su completa combustión y la obtención del máximo rendimiento posible. El
resultado del proceso es la aparición de una llama semejante a la de combustibles
tradicionales como el carbón o el gas natural dentro de la caldera (IDAE 2002).
Este sistema se utiliza en calderas de tamaño medio, con combustibles de calidad
media y alta, como pueden ser los residuos de almazara o los pellets (Madrid 2006).
Figura 55 Caldera adatada con quemador en cascada
2. Componentes de las Calderas de Biomasa
En la figura 56 se aprecian los distintos elementos de una caldera de biomasa de alta tecnología.
149
Figura 56 Componentes de una caldera de biomasa
Cada número corresponde al siguiente componente:
1. Tubos de intercambio de calor y el sistema de limpieza automático de los mismos.
2. Zonas de combustión.
3. Central de control.
4. Sistema de aporte de aire secundario.
5. Sistema de encendido automático.
6. Retirada automática de las cenizas.
7. Placa de bypass para el desvió de gases de la combustión.
8. Tiro aspirado con sonda lambda.
9. Alimentación automática del combustible granular desde el depósito o
almacenamiento.
10. Compuertas de carga del combustible.
Todos estos elementos forman parte de los siguientes componentes de las calderas de
biomasa.
a. Zona de Combustión
La zona de combustión está formada generalmente por el quemador, la cúpula de
distribución de gases de alta temperatura y la zona de combustión.
150
Algunas calderas tienen un sensor de nivel del combustible que detecta la cantidad de éste
necesaria en cada momento (en función del tipo de combustible utilizado y de la potencia
de calefacción), que supone un importante parámetro de regulación para una eficaz
utilización del sistema de calefacción (Madrid 2006).
b. Sistema de Alimentación del combustible
En lo referente al sistema de alimentación del combustible a la zona de combustión,
fundamentalmente existen dos sistemas, los de alimentación inferior y los de alimentación
superior. En los primeros es fácil controlar la cantidad de biomasa presente en la parrilla,
mientras que los segundos tienen la ventaja de reducir la producción de cenizas al mantener
un lecho de combustión más homogéneo y compacto (AAE).
c. Aire Secundario
La aportación de aire secundario es para completar la combustión de la biomasa. Esto es
fundamental para obtener un elevado rendimiento, debido al gran contenido en volátiles con
que cuentan las biomasas que se utilizan como combustible. En la figura 57 se aprecia las
boquillas de impulsión de aire secundario especialmente orientadas para aumentar la
turbulencia, acelerando el proceso de difusión másica en el frente de llama y con ello la
velocidad de la combustión.
La cúpula que aparece en la figura tiene una doble misión, por un lado genera el efecto de
“llama envolvente”, gracias al cual se consigue la recirculación de los gases producto de la
combustión, no permitiéndose que supere los 1.200 ºC de temperatura de llama. A estas
elevadas temperaturas habría disociación de CO2 (reacción endotérmica) y aumentaría la
formación de NOx.
Por otro lado, la cúpula dirige parte de las cenizas volantes hacia la parte inferior de donde
es recogida o queda almacenada hasta su retirada. De esta manera se evita, en parte, el
fenómeno denominado “slagging” o acumulación de las cenizas en las zonas de radiación,
que en las calderas tratadas en esta sección corresponde al hogar.
151
Figura 57 Sistema de aporte de aire secundario
d. Intercambiador de Calor
El intercambiador de calor está compuesto de un haz de tubos normalmente verticales que
permiten la transferencia de calor entre los humos y el agua. En este sentido, se pueden
distinguir dos tipos de calderas:
Piro tubulares: los humos circulan por dentro de los tubos y el agua los rodea. En
este caso la cámara de combustión ha de estar separada del intercambiador.
Acuotubulares: los gases de combustión van por fuera de los tubos y por dentro de
ellos se conduce el agua.
La mayoría de los modelos actuales de calderas están dotadas de un dispositivo de limpieza
de cenizas automática (accionada con un motor) o semiautomática (accionada con una
palanca) del intercambiador de calor que permite un elevado grado de eficiencia (Madrid
2006).
e. Sistema de retirada de cenizas El sistema de retirada de cenizas puede ser automático o manual. El sistema automático se
compone de un tornillo sinfín que transporta y compacta las cenizas desde la cámara de
combustión a un contenedor situado en el exterior de la caldera. En algunas calderas este
contenedor dispone de ruedas y un tirador para que su vaciado sea más sencillo.
152
En el caso de sistema manual, la frecuencia de la retirada de cenizas depende de la
biomasa combustible utilizada. En el caso de usar pellets de madera 100%, para un uso
doméstico de calefacción, el vaciado se calcula que será una o dos veces al año (IDAE
2007).
f. Sistema de evacuación de humos
El sistema de evacuación de humos no es más que una chimenea y, como ya se ha
comentado anteriormente, las emisiones a la atmósfera no varían mucho respecto a las de
combustibles fósiles como gasóleo o gas natural, y son mucho menores que las de carbón.
La única diferencia es el diámetro necesario para la chimenea. En el caso de biomasa hay
que prever un volumen de gases ligeramente superior, debido a que la humedad que
contiene la biomasa se evapora en la caldera y da lugar a vapor de agua que sale mezclado
con los productos de la combustión, aumentando así el volumen de los gases (IDAE 2007).
g. Sistema de Regulación y Control
En cada momento la combustión se deberá realizar con la adecuada relación combustible
/comburente. Además cada biomasa, por su mayor o menor contenido en volátiles, exigirá
mayor o menor caudal de aire secundario. Por estos motivos, será el sistema de regulación
y control el encargado de optimizar en cada momento las condiciones de operación de la
caldera. El uso de microprocesadores aporta la posibilidad de adaptar las condiciones de
operación del equipo a la demanda de energía que aparece en cada momento, siempre
dentro del margen de regulación de la caldera. El margen típico de regulación en calderas
de biomasa para usos domésticos y residenciales es de 1:3.
El sistema de regulación, según el tipo de biomasa utilizada, ajustará el caudal de aire de
combustión y la cantidad de combustible presente en la parrilla para conseguir la relación
combustible – comburente adecuada. Esto se hará, recibiendo información de la cantidad de
biomasa presente en el hogar, por ejemplo mediante el uso de la boya que aparece en la
figura siguiente, o mediante la señal enviada por una sonda lambda (sonda de oxígeno)
colocada en el conducto de evacuación de gases de la combustión, y mandando las señales
adecuadas para el ajuste electrónico de las velocidades de los ventiladores de aire de
combustión.
153
El control mediante sonda lambda tiene la ventaja de posibilitar un preciso ajuste del exceso
de aire comburente. Las proporciones en volumen de O2 y CO presentes en los gases de la
combustión están relacionados con el exceso de aire. En el caso de la combustión estricta y
perfecta el contenido de O2 en los humos es nulo. Se buscará un exceso de aire no superior
al 40%, pero que permita la combustión completa de la materia combustible.
Figura 58 Esquema de funcionamiento con sonda lambda
Gracias al control que se realiza sobre los parámetros de la combustión, las calderas son
capaces de mantener una llama estable, corta e intensa. Ésta es la llama ideal, conseguida
gracias a la turbulencia y a la adecuada velocidad de la combustión. Llamas largas y suaves
son el resultado de mezclas incompletas y bajas velocidades (AAE).
h. Sistema de seguridad
Algunos de los dispositivos con los que puede estar dotada una caldera de biomasa son los
siguientes:
5. Compuerta de cierre estanca para evitar el peligro de retroceso de la combustión.
6. Rociador de extinción de emergencia.
7. Interruptor de control de temperatura.
8. Dispositivo de limitación de los niveles máximo y mínimo de combustible en el
quemador.
9. Dispositivo de control de la temperatura.
10. Equipos con turbinas de circulación de aire y termostato que pone en funcionamiento
un ventilador al alcanzar el aire una temperatura determinada, para evitar
sobrecalentamientos.
154
En general, los sistemas de seguridad están preparados para que puedan actuar incluso en
situaciones de falta de suministro (Madrid 2006).
A.3.2 Biocombustible Sólido
La biomasa es la materia orgánica originada por un proceso biológico, espontáneo o
provocado, que puede ser utilizable como fuentes de energía (Diccionario RAE), es decir
como combustible. Todos los combustibles sólidos, no fósiles, compuestos por materia
orgánica de orígenes vegetales, animales o producidos a partir de la misma mediante
procesos físicos, susceptibles de ser utilizados en aplicaciones energéticas se les
consideran como biocombustibles sólidos.
El origen de estos biocombustibles engloba distintos sectores productivos desde los cultivos
agrícolas o los aprovechamientos forestales, hasta los residuos producidos de industrias
agroalimentarias o forestales (EAE 2012).
El desarrollo del mercado de la biomasa ha permitido que en la actualidad exista una gran
variedad de biocombustibles sólidos susceptibles de ser utilizados en sistemas de
calefacción (IDAE 2009). De entre todos ellos, los tipos de biomasa comerciales empleados
comúnmente para sistemas de calefacción son:
1. Leña
La leña que consumen las calderas de biomasa automáticas procede normalmente de
troncos o ramas grandes árboles. Esta materia prima se deja secar normalmente durante
varias semanas o incluso meses hasta poder ser utilizados de forma económica en una
caldera (IDAE 2009) .
Es el tipo de biomasa que sufre la menor transformación, puesto que prácticamente tienen
un tratado de secado y posterior corte al tamaño deseado. Se utiliza en tamaños de 25 cm y
su contenido de humedad suele ser mayor al 20%.
Por esta sencillez, su empleo está limitado a estufas de leña domésticas, de potencias hasta
70 kW, con carga de combustible manual, lo que limita mucho la proliferación de estos
equipos. También puede ser utilizada en grandes calderas industriales para la incorporación
de calor en el proceso (Martínez 2010).
155
2. Pellets
Los pellets son uno de los principales productos de la compactación de la biomasa.
Generalmente para su fabricación se utilizan materiales residuales de las industrias de
transformación de la madera tales como virutas, serrines, polvo de lijado, etc. También es
posible utilizar residuos de poda agrícola y de limpieza forestal. En este caso se requiere
una serie de tratamientos previos de los residuos como el secado, astillado y/o molienda
debido a que las operaciones de pelletizado necesitan unas condiciones de humedad y
granulometría especiales (IDAE 2007). La fabricación de pellets se realiza mediante un proceso denominado pelletizado que
consiste en la compactación de la biomasa de madera natural mediante la aplicación de una
gran presión (por encima de 100 bar) con unos rodillos sobre una matriz perforada, a través
de la cual se hace pasar el materia (IDAE 2009).
Los pellets tienen forma cilíndrica, con diámetros normalmente comprendidos entre 6 y 12
mm y longitudes de 10 a 30 mm. Como consecuencia, los pellets pueden ser alimentados y
dosificados mediante sistemas automáticos (IDAE 2007).
3. Briquetas
Las briquetas son cilindros compactos de mayor tamaño, obtenidos a partir de la misma
materia prima que el pellet y a través de un proceso similar. Son asimilables en su uso a la
leña, ya que se introducen directamente en las calderas preparadas con este fin (IDAE
2009).
4. Astillas
Es otra forma de utilizar la madera de forma que pueda ser automatizada su carga en la
caldera (Martínez 2010). El proceso de astillado puede realizarse en el lugar de producción
mediante maquinaria móvil, o bien ser transportados a la planta industrial donde se astillan con máquinas fijas. En cualquier caso, su proceso de adecuación suele implicar el secado
natural de la madera, que permite reducir la humedad y aumentar el poder calorífico del
residuo.
Normalmente se somete a la materia prima a un pre triturado o primer astillado, donde se
trocea a tamaños de 150-200 mm, y un post-triturado o segundo astillado, donde se reduce
a tamaño 30-50 ms. Previamente si ha permanecido al aire, la humedad (en base húmeda)
156
puede reducirse al 20 o 30%, condiciones adecuadas para el almacenamiento en destino y
posterior consumo de la astilla en las calderas (IDAE 2009).
Es más barato que el pellet pero su densidad es menor, por lo que hace falta disponer de
mayor espacio de almacenamiento. (Martínez 2010).
5. Residuos Agroindustriaes
Los residuos Agroindustriaes pueden tener distintos orígenes como por ejemplo: las
industrias de la aceituna, la uva y los frutos secos (IDAE 2009). Suelen ser de tamaño
reducido (menores de 10 mm). El grado de humedad varía de forma significativa según el
tipo de residuo existiendo un intervalo de variación muy amplio, entre el 10 y el 40 %,
generalmente los proveedores de este tipo de combustibles disminuyen estos valores
mediante secado. Su composición varía mucho según el tipo de residuo siendo necesario
poner especial atención a las emisiones en algunos casos. Su poder calorífico inferior se
sitúa en el rango de los 4,0 – 4,7 kWh/kg (3.500 kcal/kg – 4.000 kcal/kg) siendo
combustibles baratos y de gran calidad (IDAE 2002).
A.3.3 Almacenamiento de la Biomasa
En este tipo de instalaciones de producción energética es muy poco práctico ir entregando
el biocombustible solido a los equipos de combustión justo en el tiempo que se necesite,
por lo que previamente hay que acumular el biocombustible para que esté dispuesto para
su consumo.
Almacenar, además, nos permite hacer frente a interrupciones de suministro de la biomasa.
Por estas razones este tipo de instalaciones de calefacción debe contar con un sistema de
acopio, el cual se explica a continuación (Abrego Garrués, Reseau et al. 2010).
1. Sistemas de almacenamiento
El lugar destinado al almacenamiento de los biocombustibles sólidos debe estar destinado
exclusivamente para este uso, pudiendo hallarse dentro o fuera del lugar de consumo (IDAE
2009).
Existen distintas posibilidades de almacenamiento de la biomasa. La elección del sistema y
el volumen de almacenamiento depende de varios factores: características de los sistemas
157
de distribución y suministro de biomasa, necesidad anual, espacio disponible para caldera y
almacén, etc. (Madrid 2006).
Existen además, diversos sistemas para llenar el almacén y para entregar la biomasa desde
el almacén a la caldera. A continuación se describen con más detalle:
a. Almacenamientos prefabricados
Los almacenamientos prefabricados están diseñados específicamente para combustibles de
pequeña granulometría y estandarizados, como los pellets, las astillas e incluso los huesos
de aceituna o las cáscaras de almendra. Existen los siguientes tipos:
Contenedor o tolva exterior: Este sistema ex para usuarios que dispongan de poco espacio.
Gracias a la dimensión del contenedor (de hasta 3.000 kg) se pueden conseguir largos
periodos de autonomía de la caldera. Se sitúan al lado del edificio y la caldera, y permiten un
transporte modular sencillo.
Silo flexible: De lona o de polipropileno, este sistema es óptimo en lugares en los que haya
espacio suficiente para su instalación. El silo está soportado por una estructura metálica
permeable al aire pero no al polvo y conectada a tierra para evitar cargas electrostáticas. Se
rellena de biomasa por la parte superior. De forma cuadrada o rectangular, la capacidad de
estos silos está entre 2 y 5 toneladas de combustible. Se puede instalar tanto en el interior
como en el exterior.
Depósito subterráneo: Cuando no existe espacio suficiente para el almacenamiento del
combustible, se podrá utilizar este tipo de depósito en el exterior. Es recomendable que la
conexión del tanque subterráneo con la vivienda sea estanca y que se haga mediante un
tubo corrugado, al menos a 300 mm de profundidad respecto al nivel del suelo, por el que
pasen todos los conductos del sistema.
Tolva o almacenamiento integrado: Algunos sistemas de calefacción disponen de un
almacenamiento intermedio de tipo tolva o integrado en la caldera, que en calderas de baja
potencia puede ser único. Su ventaja reside en el poco espacio que ocupa, junto con su
elevada integración con la caldera, y se recomienda su uso en el caso de no disponer de
suficiente espacio para un almacenamiento independiente. La principal desventaja es su
menor capacidad, aunque esto puede no ser problemático si se dispone de suministro
habitual. Existen almacenamientos integrados en calderas de hasta 40 kW, con capacidades
de hasta 2 m3 (IDAE 2009).
158
b. Almacenamientos de obra
Para combustibles de tamaño y forma heterogénea no existen silos prefabricados, sino que
son necesarios almacenamientos de obra en los cuales se almacene el combustible.
Los almacenamientos de obra son salas de nueva construcción o salas existentes
adaptadas para su uso como silo de biomasa. Su característica más importante es la
ausencia de humedad, ya que ésta hace que la biomasa aumente de volumen y pierda parte
de sus propiedades como combustible.
Con suelo inclinado de dos lados: Esta solución es recomendable en silos rectangulares en
los que un rascador no podría barrer toda el área del silo. Se colocan dos falsos suelos
inclinados para que el pellet almacenado entre ellos se deslice por gravedad hasta el tornillo
sinfín que transporta el combustible a la caldera o hasta el sistema de alimentación
neumática que permite que el silo esté situado hasta a 30 m de la caldera.
Con suelo inclinado de un lado: Se trata del sistema idóneo para silos cuadrados. La
inclinación del suelo determina la necesidad de rascadores.
Con suelo horizontal: Es la opción más acertada cuando se dispone de poco espacio
disponible o el combustible tiene poca densidad. El suelo plano necesita de rascadores
horizontales hidráulicos, lo que implica un mayor coste pero optimiza el volumen del silo
(IDAE 2009).
2. Sistemas de carga al Sistema de almacenamiento
Independientemente del tipo de almacenamiento, los de estos pueden clasificarse en:
Sistema semiautomático: se basa en la recarga del silo de forma manual (por
ejemplo, mediante bolsas).
Sistema de descarga directa: mediante camiones o volquetes que recargan
directamente el silo a través de una trampilla.
Sistema automático: emplea dos mangueras flexibles, una de succión y otra de
llenado, para la recarga del silo a distancias de hasta 40 m. El sistema crea una
pequeña depresión en la manguera de succión mientras la manguera de llenado
rellena el silo (EAE 2012).
159
A.3 .4 Sistema de alimentación desde el Sistema de almacenamiento a la caldera
El sistema de alimentación desde el silo hasta la caldera puede efectuarse por uno de los
sistemas siguientes:
Sistema manual: empleado en sistemas de pequeña potencia, tipo tolva o integrado. Los
pellets se introducen por una tolva superior.
Tornillo sinfín: sistema mecánico para conducir el combustible a lo largo de su longitud hasta
la propia caldera. Puede ser de tipo flexible o en codo.
Sistema neumático: una bomba succiona el combustible desde el silo y lo bombea hasta la
caldera. Permite distancias de hasta 15 m (EAE 2012).
A.3.5 Red hidráulica
Está constituido por todos los circuitos hidráulicos que son los conjuntos de cañerías, con su
aislante, accesorios, bombas, válvulas, etc. que mediante la circulación de fluidos (producen
la transferencia de calor desde la unidad de combustión hasta el consumo o hasta un
estanque donde se almacena el calor previo al consumo.
Los elementos son similares a los descritos en la red hidráulica del sistema solar térmico.
160
B Hoja de Calculos
B.1 Dimensionamiento del Sistema Híbrido Solar-Biomasa para el Vivero
B.1.1 Cálculo del número de Colectores
Existen distintos métodos y software para diseñar la instalación de colectores solares. Pero
para este trabajo hemos decidido utilizar uno de los métodos más confiables y que brinda
buenos resultados para diseños de instalaciones solares térmicas, este método se llama f-
chart.
1. Descripción del Método F-Chart La ecuación utilizada en este método puede apreciarse en la siguiente fórmula (Román, Petersen et al. 2007) :
Ecuación 8 Método F-Chart
La secuencia que suele seguirse en el cálculo es la siguiente:
1. Valoración de las cargas caloríficas para el calentamiento de agua destinada a la
calefacción.
2. Valoración de la radiación solar incidente en la superficie inclinada del captador o
captadores.
3. Cálculo del parámetro D1.
4. Cálculo del parámetro D2.
5. Determinación de la gráfica f.
6. Valoración de la cobertura solar mensual.
7. Valoración de la cobertura solar anual y formación de tablas.
Las cargas caloríficas corresponde a la cantidad de calor necesario mensualmente que se
debe aportar al agua usada para calefacción, en este caso corresponde al consumo
161
mensual de gas licuado, en el caso del vivero, y de gas licuado más electricidad, en el caso
de la almazara:
Dónde:
Qa = Carga calorífica mensual de agua para calefacción (Joule/mes).
Qglp = Consumo mensual de gas licuado y (en algunos casos) de electricidad (Joule/mes).
El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador
plano y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes:
Ecuación 9 Parámetro D1
La Energía absorbida por el colector viene dada por la siguiente expresión:
Ecuación 10 Energía absorbida por el Colector
Dónde:
Sc = Superficie del campo de colectores (m2).
Ri = Radiación incidente mensual en plano inclinado sobre la superficie de captación por
unidad de área (Joule/m2).
Fr’(τα) = Factor adimensional, que viene dado por la siguiente expresión.
Ecuación 11 Factor de eficiencia óptica del colector
Dónde:
Fr(τα)n = Factor de eficiencia óptica del colector, es decir, ordenada en el origen de la curva
característica del colector.
162
(τα)/(τα)n = Modificador del ángulo de incidencia. En general se puede tomar como
constante: 0,96 (superficie transparente sencilla) o 0,94 (superficie transparente doble).
Fr’ /Fr = Factor de corrección del conjunto captador-intercambiador. Se recomienda tomar el
valor de 0,95.
El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador, para una
determinada temperatura, y la carga calorífica de calentamiento durante un mes:
Ecuación 12 Parámetro D2
La Energía perdida por el captador viene dada por la siguiente expresión:
Ecuación 13 Energía pérdida por el Colector
Dónde: Sc = Superficie del captador (m2)
′ ′
Dónde:
FrUL = Pendiente de la curva característica del captador (coeficiente global de pérdidas del
colector (W/m2 °C).
Fr’ /Fr = Factor de corrección del conjunto captador-intercambiador. Se recomienda tomar el
valor de 0,95.
Ta = Temperatura media mensual del ambiente (°C).
∆t = Período de tiempo considerado en horas (hr).
En la mayoría de las bibliografías en las cuales se explica el método f-chart se mencionan
dos factores de corrección que se deben aplicar a la fórmula de la Energía perdida por el
captador, que son: factor de corrección por el volumen de acumulación y factor de
163
corrección por temperatura de agua de red. Sin embargo, estos factores se aplican para el
cálculo de la cantidad de paneles solares para Agua Caliente Sanitaria y según el curso de
la CTE (Ribot i Marin 1994) no se deben aplicar para el cálculo de paneles solares para
calefacción.
Una vez obtenido D1 y D2, aplicando la ecuación inicial se calcula la fracción de la carga
calorífica mensual aportada por el sistema de energía solar, conocida como fracción solar.
De esta forma, la energía útil captada cada mes, Qu, tiene el valor:
Ecuación 14 Fracción solar mensual
Dónde:
Qa = Carga calorífica mensual de agua para calefacción (Joule/mes).
f = fracción solar
Qu = Energía útil captada cada mes (Joule/mes).
Mediante igual proceso operativo que el desarrollado para un mes, se operará para todos
los meses del año. La relación entre la suma de las coberturas mensuales y la suma de las
cargas caloríficas, o necesidades mensuales de calor, determinará la cobertura anual del
sistema:
Ecuación 15 Fracción solar anual
También se puede determinar otro parámetro importante de considerar para determinar la
viabilidad del proyecto, el cual es el rendimiento anual de la instalación de colectores
solares, este valor se obtiene relacionando la suma de las coberturas mensuales y la
radiación incidente anual, junto con la superficie total de colectores.
Ecuación 16 rendimiento medio anual
164
Para obtener la superficie de colectores más eficiente para nuestro proyecto es necesario
obtener la máxima fracción solar anual al máximo rendimiento medio anual posible.
Para utilizar este método f-chart de forma práctica utilizaremos el programa de Microsoft
llamado Excel.
Datos del colector solar y del sistema
Área exterior Área de
absorción
Fr(τα)n (τα)/(τα)n Fr’ /Fr Fr’(τα)n FrUL Fr‘UL Superficie
de
colectores
proyectada
m2 m2 W/m2°C W/m2°C m2
Tabla 42 Hoja de datos necesarios del colector solar para el cálculo f-chart en Excel
Mes N° de días T° amb. Ri ∆t Qa EA D1 EP D2 f
Qu
°C kwh/m2 hr Kwh kwh Kwh % kwh Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total Media
Tabla 43 Hoja de cálculo del Método f-chart en Excel
165
Como se comentó anteriormente para calcular la cantidad de colectores solares que se
necesitan para calentar el agua de proceso del Vivero utilizaremos el Método F-chart.
Primeramente es necesario entregar algunos datos generales y de la disposición de los
colectores solares en el vivero, lo cual se presenta en la siguiente tabla:
Agroindustria Sueños de Cartago
Ubicación Nogales Área de la Agroindustria Vivero
Latitud 32,73° sur T agua de proceso 45 °C Azimut captadores 0 ° sur
Inclinación captadores 33° Tabla 44 Datos generales del Vivero
También es necesario definir los datos técnicos del colector solar seleccionado, el cual es de
la marca Chromagen (CR-120) y algunos datos del sistema de calefacción solar. Con estos
valores podremos realizar el cálculo en la planilla Excel por el Método F-chart.
Datos del colector solar y del sistema
Área exterior Área de
absorción
Fr(τα)n (τα)/(τα)n Fr’ /Fr Fr’(τα)n FrUL Fr‘UL
m2 m2 W/m2°C kW/m2°C
2,8 2,54 0,722 0,96 0,95 0,66 3,39 0,0032
Tabla 45 Datos del colector solar y del sistema
Otro dato que se necesita introducir es un área proyectada o el área supuesta que tendrá el
campo de colectores. Para determinar cuál es el área real u óptima introduciremos a la
planilla de cálculo un rango de áreas colectoras de 5 a 90 m2 de superficie útil o
absorbedora de colectores.
Área de Colectores (m2)
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Introduciremos cada una de estas áreas colectoras en la planilla Excel y determinaremos la
Fracción Solar Anual y el Rendimiento Medio Anual, para así determinar cuál será el área
colectora óptima para el Vivero.
166
Los resultados se presentan en el gráfico 1, y vemos que el punto de intersección entre la
línea de fracción solar anual y de rendimiento medio anual representa el área colectora
optima, corresponde a 53 m2.
Se debe ahora determinar cuántos colectores se necesitaran para aportar la superficie
colectora necesaria. La fórmula de cálculo es la siguiente:
Ecuación 17 Número de Colectores solares
Dónde:
Soptima = Superficie óptima de colectores solares calculada por comparación entre la fracción
solar anual y el rendimiento medio anual (m2).
Ac = Superficie de absorción del colector solar seleccionado (m2).
Entonces el número de colectores solares que se necesitan para el vivero son:
En conclusión, se necesitan 21 para el Vivero. Sin embargo para disponer los colectores en 4 grupos con igual número de colectores se optara por la cantidad de 20 colectores solares Modelo CR-120
La superficie real de absorción del campo de colectores será de 50,8 m2 y la superficie real
exterior del campo de colectores será de 52,48 m2.
La tabla 5 muestra los resultados del método f-chart para un campo de 20 colectores y el
gráfico 2 muestra el beneficio o la cobertura energética que obtendrá el Vivero por instalar
esta cantidad de colectores.
167
Gráfico 34 Fracción Solar Anual versus Rendimiento Medio Anual
168
Mes N° de días
T° amb ∆t Ri
Qa EA D1 EP D2 f Qu
°C hr MJ/m2 GJ MJ MJ % GJ Enero 31 20,2 744 612,63 0 Febrero 28 20,5 672 555,09 0 Marzo 31 19,6 744 543,89 11,75 18193,2 1,55 35226,09 3,00 90,7% 10,66 Abril 30 16,4 720 402,34 13,71 13458,1 0,98 35434,02 2,58 63,8% 8,75 Mayo 31 13,7 744 342,30 13,71 11449,9 0,84 37811,41 2,76 53,5% 7,34 Junio 30 11,8 720 310,56 13,71 10388,2 0,76 37422,84 2,73 48,4% 6,64 Julio 31 10,8 744 308,61 11,75 10322,8 0,88 39086,55 3,33 53,3% 6,27 Agosto 31 11,6 744 413,59 11,75 13834,4 1,18 38727,23 3,30 71,2% 8,37 Septiembre 30 12,9 720 433,16 11,75 14489,2 1,23 36939,42 3,14 75,0% 8,81 Octubre 31 15,1 744 522,75 11,75 17485,9 1,49 37197,95 3,17 87,2% 10,25 Noviembre 30 16,9 720 543,36 11,75 18175,4 1,55 35221,99 3,00 90,6% 10,65 Diciembre 31 19,0 744 591,86 11,75 19797,7 1,68 35484,63 3,02 96,1% 11,30 Total 365 8.760 5580,14 123,40 147595 368552,13 89,04 Media 15,72 465,01 12,34 14759,5 36855,21 73,0% 8,90 Fanual 72,1% Rend med 31,41%
Tabla 46 Cálculo F-chart para el Vivero
169
Gráfico 35 Cobertura Energética que brinda el Sistema Solar en el Vivero
B.1.2 Distancia mínima entre los Colectores Solares
Para evitar que entre las filas de colectores se produzcan sombras se calculará la distancia
mínima que debe haber entre las filas de colectores solares, según se describe en el Manual
de la CDT (Román, Petersen et al. 2007). La siguiente figura muestra a partir de una vista
superior del campo de colectores cuales son las variables que se deben determinar:
0
2
4
6
8
10
12
14
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicQa 0,00 0,00 11,75 13,71 13,71 13,71 11,75 11,75 11,75 11,75 11,75 11,75Qu 10,94 9,06 7,61 6,90 6,49 8,64 9,09 10,52 10,93 11,57
Ener
gía
(GJ)
Mes
Qa vs. Qu
170
Figura 59 Vista superior trasera del campo de Colectores
Dónde:
h = Altura del colector que proyecta la sombra sobre el colector en estudio.
α = Angulo de altura solar.
x = Largo de la sombra en el suelo.
d = Distancia entre la base del colector en estudio y el del obstáculo.
Como principio de diseño se debe considerar que la distancia (d) debe ser superior a la
estimada por la siguiente expresión:
Ecuación 18 Distancia mínima entre Colectores
Dónde:
d = Distancia mínima entre colectores (m).
h = Altura del colector que proyecta la sombra sobre el colector en estudio (m).
k = Coeficiente adimensional que depende de la latitud (m) (Anexos, página en la página
239) (Román, Petersen et al. 2007).
171
Primeramente debemos calcular h, para esto realizaremos un cálculo geométrico a partir de
otra vista del campo de colectores (figura 60)
Figura 60 Vista lateral del Campo de Colectores
En donde la altura h es equivalente a c y se define de la siguiente forma (E-solar 2012):
Ecuación 19 Altura del Colector que proyecta la sombra sobre el Colector en estudio
Dónde:
c = Altura del colector que proyecta la sombra sobre el colector en estudio (m).
l = Longitud de los colectores (m).
β = Angulo de inclinación de los colectores respecto al plano horizontal (grados).
La Altura del colector que proyecta la sombra nos da el siguiente resultado:
Por lo tanto, la distancia mínima entre colectores será de:
172
En conclusión, Los colectores solares en el vivero deben instalarse a una distancia mínima de 2,04 m.
B.1.3 Fluido de Trabajo del circuito Primario
La proporción de anticongelante de las mezclas propilenglicol y agua se determinan
utilizando la curva dela figura 3 y en ningún caso será inferior al 10%. La temperatura de
congelación se fijará 5 º por debajo de la temperatura mínima local registrada (SODEAN
2004)
Gráfico 36 Proporción de anticongelante según la Temperatura mínima registrada
Consideraremos una temperatura mínima histórica para Nogales de -2 °C, entonces se
considera una temperatura de -7°C. Por lo tanto, como se muestra en el gráfico la
proporción de anticongelante será de un 20%.
173
Gráfico 37 Proporción de anticongelante según la Temperatura mínima registrada
B.1.4 Caldera de Biomasa
Para calcular la Potencia nominal de la caldera de biomasa se ocupa el siguiente criterio,
considerando un 20% de pérdidas en las tuberías:
Ecuación 20 potencia nominal de la Caldera de Biomasa
Dónde:
P = Potencia nominal de la Caldera de Biomasa (kWt).
Qqi =Carga Calorífica para el mes de mayor consumo de Energía (kWt), en este caso es el
mes de Junio.
En conclusión, la caldera de biomasa debe tener como mínimo una potencia de 6, 3 kWt.
174
B.1.5 Silo para Almacenar la biomasa
Para almacenar la biomasa incorporaremos un silo prefabricado, en el cual se almacenara
biomasa para el consumo de una temporada.
Para determinar el tamaño del silo debemos determinar cuanta biomasa se consume en una
temporada, equivalente a 10 meses de operación del vivero.
Como la caldera de biomasa es sólo un sistema de apoyo para el sistema solar, sólo una
fracción de la demanda de energía térmica anual es cubierta con biomasa, es decir un 28%,
por lo tanto esta es nuestra verdadera demanda a suplir con biomasa.
Entonces, la cantidad de biomasa que se consumirá en una temporada se estima a través
de la siguiente fórmula (Santos 2010):
Ecuación 21 Carga calorífica mensual de agua para calefacción para el Vivero
Dónde:
Qa = Carga calorífica mensual de agua para calefacción (GJ/año).
0,28 = Porcentaje de la demanda a cubrir
PCI = Poder calorífico inferior del alperujo (kJ/kg)
mb = Demanda de alperujo para la temporada (kg/año)
δ = Rendimiento de la caldera de biomasa
c. En conclusión, se necesita un silo prefabricado de 2 toneladas de capacidad.
175
B.1.6 Estanques Acumuladores
1. Calculo del Estanque Acumulador del Circuito Primario
Se necesita acumular agua para un día de operación, es por esto que primero hay que
determinar cuánta agua caliente se suministrará al sistema de calefacción en un día y esta
será la capacidad (lts) del estanque acumulador. Para obtener este valor es necesario hacer
un balance de energía:
Ecuación 22 Carga Calorífica del mes de mayor consumo de agua para calefacción
Dónde:
Qa = Carga Calorífica del mes de mayor consumo de agua para calefacción, corresponde al
mes de Junio (J/mes)
mH2O = Flujo de agua (kg/mes)
CH2O = Capacidad calorífica del agua (J/(kg °C))
∆T = Salto térmico (°C). Definido por:
Tac = Temperatura de acumulación del agua (°C).
Tret= Temperatura mínima a la que retornara el agua, bajo esta temperatura se utilizara el
sistema auxiliar para cumplir con estándares operacionales (°C)
Para determinar el flujo volumétrico de agua ocuparemos la siguiente ecuación:
176
Ecuación 23 Flujo volumétrico de agua
Dónde:
qH2O = Flujo de agua (lt/día)
mH2O = Flujo de agua (kg/día)
ρH2O = Densidad del agua, equivale a 1 (kg/lt)
En conclusión, El estanque acumulador tendrá una capacidad de 5.000lt
Además, según (SODEAN 2004), para un correcto diseño del estanque acumulador, al
relacionarlo con la superficie de colectores solares debe cumplirse la siguiente condición:
Por lo tanto, queda demostrado que se cumple con esta exigencia en el diseño del
acumulador
a. Aislamiento del Estanque Acumulador
También otro factor de diseño a considerar, es el del espesor mínimo de aislamiento del
estanque acumulador. El aislamiento de acumuladores cuyo volumen sea inferior a 2 m3
177
tendrá un espesor mínimo de 30 mm, para volúmenes superiores el espesor mínimo será de
50 mm. (Román, Petersen et al. 2007). En este caso el espesor mínimo de aislamiento será de 50 mm.
2. Estanque Acumulador Auxiliar
El volumen de este estanque debe ser entre el 30% y el 100% de la carga de consumo
diario (SODEAN 2004). Para esta instalación consideraremos un volumen del estanque del
50 % de la carga de consumo diario.
Dónde:
qH2O = Flujo de agua (lt/día)
qH2O(auxiliar) = 50% del Flujo de agua (lt/día)
b. En conclusión, El estanque acumulador auxiliar tendrá una capacidad de 2.500lt
En este caso el espesor mínimo de aislamiento será de 30 mm.
B.1.7 Calculo del Intercambiador de Calor
La potencia mínima de diseño del intercambiador de calor independiente debe cumplir la
siguiente condición (Román, Petersen et al. 2007):
178
Ecuación 24 potencia mínima de diseño del Intercambiador de calor
Dónde:
Pmin = Potencia mínima del intercambiador de calor (W).
Sc =Superficie del campo de colectores (m2).
Entonces la potencia mínima del intercambiador externo en el vivero es de:
(21.840,07 kcal/hr)
En conclusión, el intercambiador de calor tendrá una potencia mínima de 25,4 kW.
En el Catalogo de los Intercambiadores de calor de la marca Zilmet aparecen ejemplos
prácticos a través de los cuales según nuestras necesidades podemos seleccionar el
intercambiador de calor.
Para nuestra instalación de agua caliente la siguiente tabla nos ayudara a seleccionar:
Ejemplos de Instalación de Sistema de agua Caliente con estanque y Tabla de selección del Intercambiador de Calor
Primario: 80 - 70°C Secundario: 59 – 69°C
Potencia Modelo N° de placas
Flujo circuito Primario
Flujo circuito
Secundario
Perdida de carga
circuito Primario
Perdida de carga
circuito Secundario
Kcal/hr m3/hr m3/hr mH2O mH2O
20.000 ZB 207 30 1,98 2 0,3 0,3
30.000 ZB 207 40 3 3 0,4 0,4
50.000 ZB 500 20 5,12 5,09 2,8 2,9
80.000 ZB 500 30 8,19 8,15 3,1 3,2
100.000 ZB 600 30 12,8 12,74 1,6 1,6
175.000 ZB 600 30 17,93 17,93 3 3
200.000 ZB 600 30 20,49 20,49 3,8 3,9
179
400.000 ZB 700 50 40,9 40,9 4,4 4,5
500.000 ZB 700 60 51,2 50,9 4,7 4,8 Tabla 47 Criterio para seleccionar el Intercambiador de calor
1. Aislamiento del Intercambiador de calor
El espesor del aislamiento del intercambiador de calor no será inferior a 20 mm (Román,
Petersen et al. 2007).
B.1.8 Circuito Hidráulico
1. Dimensionado de las Tuberías
La longitud de las tuberías se definirán en base a las distancias que deben recorrer los
fluidos y el diámetro de las tuberías se determina en base a los siguientes criterios de
diseño:
El valor óptimo de velocidad de circulación debe estar entre 0,5 y 2 m/s (Mendez
Muñiz and Cuervo Garcia 2008).
Las pérdidas de cargas unitarias deben estar dentro del rango de 10 a 40 m.m.c.a. (1
a 4 milibares) por metro lineal de tubería de cobre (Martínez 2010).
Por lo tanto, en base al plano de la instalación determinaremos la longitud de la tubería y en
base a la estimación de las pérdidas de carga determinaremos el diámetro de tubería.
a. Pérdida de Carga por tubería
Las pérdidas de carga por metro lineal se calculan a través de la ecuación de Darcy-
Weisbach (Martínez 2010):
Ecuación 25 Pérdida de carga por metro lineal
Dónde:
Ht = Perdida de carga en la tubería por metro lineal (m.m.c.a/m).
ρ = Densidad del fluido (Cuando es agua es 1.000 kg/m3 y para mezclas de glicoles
1.050 kg/m3).
180
v = Velocidad del fluido (m/s). Se determina de la siguiente forma:
Ecuación 26 Velocidad de un fluido
Dónde:
0,28 = Factor de corrección de unidades
q = Caudal del fluido calo portador (l/h). Dependiendo del circuito el caudal se calcula de la
siguiente forma:
Caudal del Circuito Primario
Ecuación 27 Caudal del fluido en el Circuito primario
Dónde:
q = Caudal de fluido calo portador (l/h).
qr = Cauda recomendado por el fabricante de los colectores solares (l/h×m2).
Sc = Superficie total de colectores solares relacionados con este caudal (m2).
Caudal del Circuito Secundario
Dónde:
q = Caudal de fluido calo portador en el circuito primario (lt/hr).
qs = Caudal del circuito secundario (lt/hr).
A= Área de la tubería (mm2). El Área de la tubería se estima de la siguiente forma
Dónde:
D = Diámetro nominal interior de la tubería (mm).
181
g = Constante de aceleración de gravedad (Corresponde a 9,8 m/s2).
D = Diámetro nominal interior de la tubería (mm).
fr = Factor de fricción adimensional. Se determina de la siguiente forma:
Para Flujo Laminar la Ecuación de Poiseuille:
Ecuación 28 Factor de fricción para Flujo laminar
Para Flujo Turbulento Ecuación de Blasius:
Ecuación 29 Factor de fricción para Flujo turbulento
Dónde:
Re = Número de Reynolds. Se determina de la siguiente forma:
Ecuación 30 Número de Reynolds
Dónde:
u = Viscosidad dinámica del fluido de trabajo (Corresponde a 0,096×10-3 Pa/s para agua y
1,5×10-3 Pa/s para una mezcla de glicol al 20%).
El criterio para determinar el régimen de circulación del fluido, es el siguiente (Ribot i Marin
1994):
Re < 2.000 el régimen de circulación del fluido es Laminar.
Re > 2.000 el régimen de circulación del fluido es Turbulento.
Para facilitar este cálculo lo realizaremos en el software de Microsoft Excel de la siguiente
manera:
182
Datos
Caudal recomendado por el fabricante del
colector
Área total de un colector
Densidad Viscosidad Aceleración de gravedad
lt/hr×m2 m2 kg/m3 Pa×s m/s2
45 2,8 1.050 0,0015 9,8 Tabla 48 Datos necesarios para calcular la perdida de carga por metro lineal de Tubería
Diámetro de las Tuberías
Número tramo
Longitud Número Colectores
Caudal Diámetro exterior
Diámetro interior
Velocidad Re fr Perdida de carga por metro lineal
m l/hr pulg mm m/s m.m.c.a/m
Tabla 49 Hoja de cálculo de la perdida de carga lineal por metro lineal de Tubería
b. Tramos de Tubería
Los tramos se definen desde un punto inicial en el plano del sistema solar térmico hasta un
punto final en el plano del sistema solar térmico. A continuación se muestra la imagen del
campo de colectores del vivero, en la cual se indican estos puntos (fig. 3) y luego se
presenta la imagen del sistema completo del sistema solar térmico, con sus respectivos
puntos (fig. 4). Cabe mencionar que solo se consideran los tramos de tubería importantes y
que necesitan tuberías de cobre.
183
Figura 61 Puntos que indican los tramos de tubería del Campo de Colectores del Vivero
Figura 62 Puntos que indican los tramos del Sistema solar térmico del Vivero
184
Circuito Primario
En la siguiente tabla se presenta la longitud de los tramos del circuito primario:
Tramos de Tubería
Recorrido agua entrante (fría) Recorrido agua que sale (caliente)
Puntos Tramo Distancia (m) Puntos Tramo Distancia (m)
1-2 1 16,8 9-11 10 8,58 2-3 2 0,2 10-11 11 1,5 2-4 3 2,04 12-14 12 8,58 3-5 4 0,4 13-14 13 1,5 4-6 5 0,4 11-15 14 2,04 3-7 6 7,48 14-15 15 0,2 4-8 7 7,48 15-16 16 2,03
1-17 8 12 16-17 17 12 17-19 9 2 17-18 18 5,5
Tabla 50 Tramos de tubería del Campo de Colectores del Vivero
Circuito Secundario
En la siguiente tabla se presenta la longitud de los tramos del circuito secundario:
Tramos de Tubería
Recorrido de agua fría Recorrido de agua caliente
Puntos Tramo Distancia (m) Puntos Tramos Distancia (m)
21-22 19 2 25-20 20 5 -- -- 23-24 21 3,6
Nota: El recorrido de agua desde el pozo hasta los estanques acumuladores y hasta el circuito primario no es de tubería de cobre. La mayor parte de este sistema circuito ya está instalada, solo hay que añadir más tubería.
Nota: Los tramos de agua desde el estanque auxiliar hasta el consumo y además, en el retorno, no han sido considerado para este cálculo, ya que ya está instalado.
Tabla 51 Tramos de Tubería del Sistema Solar Térmico del Vivero
185
c. Diámetro de Tuberías
En la siguiente tabla se muestran los diámetros de las tuberías por cada tramo:
Diámetro de las Tuberías
Número tramo
Longitud Número Colectores
Caudal Diámetro exterior
Diámetro interior
Velocidad Re fr Perdida de carga por metro lineal
m l/hr pulg Mm m/s m.m.c.a/m
Circuito Primario
1 16,8 20 2520 1 1/4 34 0,82 19479 0,027 28,23
2 0,2 10 1260 1 27 0,66 12459 0,030 25,79
3 2,04 10 1260 1 27 0,66 12459 0,030 25,79
4 0,4 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
5 0,4 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
6 7,48 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
7 7,48 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
8 12 20 2520 1 1/4 34 0,82 19479 0,027 28,23
9 2 20 2394 1 1/4 34 0,78 18505 0,027 25,81
10 8,58 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
11 1,5 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
12 8,58 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
13 1,5 5 630 3/4 21 0,56 8189 0,033 26,30
14 2,04 10 1260 1 27 0,66 12459 0,030 25,79
15 0,2 10 1260 1 27 0,66 12459 0,030 25,79
16 2,03 20 2520 1 1/4 34 0,82 19479 0,027 28,23
17 12 20 2520 1 1/4 34 0,82 19479 0,027 28,23
18 5,5 20 2394 1 1/4 34 0,78 18505 0,027 25,81
Circuito Secundario
19 2 294 1/2 15 0,53 5570 0,037 36,77
20 5 294 1/2 15 0,53 5570 0,037 36,77
186
21 3,6 294 1/2 15 0,53 5570 0,037 36,77 Tabla 52 Diámetro de Tuberías
En conclusión, considerando que las tuberías comercializadas son de una longitud estándar de 6 m, se necesitan las siguiente cantidad de tuberías:
Diámetro (pulg)
Longitud total (m)
Número de tuberías
1/2 10,6 2 3/4 35,92 6 1 4,48 1
1 1/4 50,33 9 Tabla 53 Cantidad y dimensión de tuberías de cobre
d. Aislamiento de las tuberías
Los espesores de aislamiento de las tuberías y accesorios situados al interior no serán
inferiores a los valores que aparecen en la siguiente tabla:
Espesores de aislamiento
Fluido interior caliente
Diámetro exterior
(mm)
Temperatura del fluido (°C)
40 a 65 66 a 100 101 a 150 151 a 200
D < 35 20 20 30 40
35 < D < 60 20 30 40 40
60 < D < 90 30 30 40 50
90 < D < 140 30 40 50 50
140 < D 30 40 50 60 Tabla 54 Espesores de aislamiento de tuberías y accesorios
Para tuberías y accesorios situados en el exterior, los valores de la tabla se incrementarán
en 10 mm como mínimo.
En conclusión, como todas las tuberías y accesorios son de un diámetro menor a 35 mm y la
temperatura será entre 40 a 65 °C, el espesor mínimo de aislamiento será de 20 mm en el
interior y de 30 mm para las tuberías y accesorios que están en el exterior.
187
2. Bombas de Circulación
La bomba se debe seleccionar de forma que el caudal y la pérdida de carga de diseño se
encuentren dentro de la zona de rendimiento óptimo especificado por el fabricante en la
curva característica de la bomba (Martínez 2010).
Figura 63 Diagrama Caudal-Presión para la selección de Bombas de circulación
La bomba se seleccionará a partir de los datos de caudal y presión:
El caudal nominal será igual al caudal de diseño del circuito. Los caudales del circuito
ya han sido calculado en la sección anterior, en la cual se realizó el dimensionamiento
de las tuberías.
La presión de la bomba debería compensar la pérdida de carga del circuito
correspondiente. Por lo tanto, debemos calcular la perdida de carga del circuito por el
cual hará circular fluido la bomba. Dentro de este circuito habrá diferentes elementos y
equipos cada uno de ellos tendrá un valor de perdida de carga, los cuales deben ser
sumados para así obtener la perdida de carga total del circuito.
Ecuación 31 Perdidas de carga totales
188
Dónde:
H = Perdida de carga total del circuito.
Hi = Perdida de carga en el equipo o elemento perteneciente al circuito.
También todas las bombas deberán protegerse, aguas arriba, por medio de las instalación
de un filtro de malla o tela metálica (SODEAN 2003).
A continuación se muestra como calcular la perdida de carga por cada elemento o equipo:
a. Método para calcular la perdida de carga por cada elemento o equipo
Tuberías
Véase la sección Circuito Hidráulico, Dimensionado de Tuberías, Pérdida de Carga por
tubería. Para calcula la perdida de carga total del circuito sólo se considera un recorrido del
fluido, el cual es el recorrido más desfavorable o con mayor pérdida de carga.
Accesorios
Para calcular la perdida de carga dada por los accesorios solo consideraremos los
elementos principales. Se calcula a través de la siguiente fórmula(Martínez 2010):
Ecuación 32 Perdida de Carga en Accesorios
Dónde:
Ha = Perdida de carga en accesorio (m.m.c.a)
Ht = Perdida de carga en la tubería por metro lineal (m.m.c.a/m). Corresponde a la tubería
en la cual está ubicado el accesorio. En el caso de las tees, corresponde a la tubería donde
ocurre el cambio en 90°.
Le = Longitud equivalente del accesorio (m). En la siguiente tabla se muestran los distintos
valores de Longitud equivalente para cada accesorio, según su dimensión:
189
Longitud equivalente en metros
Diámetro Válvula de Retención
Codos T 90º Válvula de Esfera
9 0,900 0,313 0,460 0,120 12 1,200 0,370 0,530 0,150 15 1,500 0,420 0,600 0,180 18 1,800 0,480 0,670 0,210 22 2,400 0,610 0,900 0,270 28 3,600 0,790 1,100 0,300 35 4,200 1,000 1,520 0,460 42 4,800 1,200 1,750 0,540 54 6,100 1,500 2,200 0,700 63 7,600 1,800 2,650 0,850 80 9,100 2,300 3,350 0,980
100 10,700 2,700 3,900 1,200 Tabla 55 Longitud equivalente para los principales accesorios
Colectores
La pedida de carga en los colectores, se determinan a partir de la siguiente ecuación,
proporcionada en el catalogo del fabricante de los coelctores solares:
Ecuación 33 Pérdida de carga en Colectores CR-120
Dónde:
Hc = Perdida de carga en colectores (m.m.c.a)
qu = Caudal Unitario o Caudal que fluye por un colector (l/min)
El Caudal Unitario se determina según la siguiente ecuación:
Ecuación 34 caudal unitario por Colector
Donde
qu = Caudal Unitario o Caudal que fluye por un colector (l/h)
qr = Caudal recomendado por el fabricante (l/h m2)
190
Su.c = Superficie unitaria o Superficie de un Colector (m2)
Intercambiador de Calor
La pérdida de carga para el intercambiador de calor es un dato que se obtienen desde el
catalogo del fabricante.
Caldera de Biomasa
La pérdida de carga en la Caldera de biomasa es un dato que se obtiene desde el catalogo
del fabricante.
b. Dimensionado de las Bombas del Circuito Primario
b.1 Bombas Colectores-Intercambiador de Calor
Como se explicó anteriormente necesitamos conocer el caudal y la perdida de carga total
del circuito.
Primero calcularemos la perdida de carga total de este circuito, la que se determina
sumando todos los elementos o equipos involucrados. A continuación se presenta la fórmula
del cálculo de perdida de carga de este circuito:
Dónde:
H = Perdida de carga total del circuito (m.m.c.a)
Ht = Perdida de carga en las tuberías (m.m.c.a)
Ha = Perdida de carga en los accesorios (m.m.c.a)
Hc = Perdida de carga en los colectores (m.m.c.a)
Hi,c = Perdida de carga en el intercambiador de calor (m.m.c.a)
191
1,1 = Sobredimensionaremos la perdida de carga total un 10% por los elementos que no han
sido considerados en este cálculo.
En las siguientes imágenes se muestra más detalladamente todos los elementos y equipos
involucrados en este circuito:
Figura 64 Recorrido en el campo de colectores considerado en el circuito Colectores-Intercambiador de Calor
Figura 65 Circuito Colectores-Intercambiador de Calor
192
Perdida de carga en Tuberías
La pérdida de carga en las tuberías se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo Longitud (m) mm.c.a./m mm.c.a. tramo 1 16,8 28,23 474,26 3 2,04 25,79 52,61 7 7,48 26,30 196,69 8 12 28,23 338,76
13 1,5 26,30 39,44 15 0,2 25,79 5,16 16 2,03 28,23 57,31 17 12 28,23 338,76
Total 54,05 1503 Tabla 56 Perdida de carga en la tuberías del circuito Colectores-Intercambiador de Calor
Perdidas de carga en Accesorios
La pérdida de carga en los accesorios se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo
mm.c.a./m Nº válv. Retención
Nº codos Nº T90 Nº válv. esfera
Longitud equivalente
(m)
Total tramo accesorios (mm.c.a.)
1 28,23 0 3 0 0 3,00 84,69 3 25,79 0 1 1 0 1,89 48,74 7 26,30 0 2 0 1 1,49 39,18 8 28,23 1 7 0 4 13,04 368,12
13 26,30 0 1 1 1 1,78 46,81 15 25,79 0 0 1 0 1,10 28,37 16 28,23 0 0 0 0 0 0 17 28,23 0 4 0 2 4,92 138,89
Total 1 18 3 8 752,8 Tabla 57 Perdida de carga en los accesorios del circuito Colectores-Intercambiador de Calor
Perdida de carga Colectores
Para determinar la perdida de carga en los Colectores primero debemos determinar el
caudal unitario:
La pérdida de carga en los colectores
193
Pérdida de carga en el Intercambiador de Calor
La pérdida de carga en el Intercambiador de calor , se presenta en la siguiente tabla.
Potencia Modelo Perdida de carga
Kcal/hr m.c.a m.m.c.a
100.000 ZB 505 2,8 2800 Tabla 58 Perdida de carga en el Intercambiador de Calor en el circuito Colectores-Intercambiador de Calor
Perdida de carga total en el circuito Colectores-Intercambiador de Calor
A partir de la fórmula antes mencionada, determinaremos la perdida de carga total del
circuito.
Caudal Nominal del circuito Colectores-Intercambiador de Calor
Corresponde al caudal que circula por el tramo n° 1 del Circuito Primario.
Selección de la Bomba
Para seleccionar la bomba necesitamos entrar a la curva característica con los siguientes
valores:
q= 2,52 m3/lt
H = 5,58 m.c.a
La bomba seleccionada es la GRS32/10F. A continuación se muestra la curva característica
de la bomba y se muestra que los parámetros de caudal y de presión de este circuito están
dentro de la zona de rendimiento dado por el fabricante de la bomba.
194
Gráfico 38 Curva característica de la bomba GRS32/10F
b.2 Bombas Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar
De la misma forma que en el cálculo anterior primero necesitamos conocer el caudal y la
perdida de carga total del circuito.
A continuación se presenta la fórmula del cálculo de perdida de carga de este circuito:
Dónde:
H = Perdida de carga total del circuito (m.m.c.a)
Ht = Perdida de carga en las tuberías (m.m.c.a)
Ha = Perdida de carga en los accesorios (m.m.c.a)
Hi,c = Perdida de carga en el intercambiador de calor (m.m.c.a)
1,1 = Sobredimensionaremos la perdida de carga total un 10% por los elementos que no han
sido considerados en este cálculo.
En las siguientes imágenes se muestra más detalladamente todos los elementos y equipos
involucrados en este circuito:
195
Figura 66 Circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar
Perdida de carga en Tuberías
La pérdida de carga en las tuberías se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo Longitud (m) mm.c.a./m mm.c.a. tramo 9 2 25,81 51,61
18 5,5 25,81 141,94 Total 7,5 193,55
Tabla 59 Perdida de carga en la tuberías del circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar
196
Perdidas de carga en Accesorios
La pérdida de carga en los accesorios se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo
mm.c.a./m Nº válv. retención
Nº codos
Nº T90 Nº válv. Esfera
Longitud equivalente
(m)
Total tramo accesorios (mm.c.a.)
9 25,81 1 8 0 3 13,58 350,45 18 25,81 0 5 0 2 5,92 152,77
Total 1 13 0 5 503,22 Tabla 60 Perdida de carga en los accesorios del circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar
Pérdida de carga en el Intercambiador de Calor
La pérdida de carga en el Intercambiador de calor , se presenta en la siguiente tabla.
Potencia Modelo Perdida de carga
Kcal/hr m.c.a m.m.c.a
100.000 ZB 500 2,9 2900 Tabla 61 Perdida de carga en el Intercambiador de Calor en el circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador
Solar
Perdida de carga total en el circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador
Solar
A partir de la fórmula antes mencionada, determinaremos la perdida de carga total del
circuito.
Caudal Nominal del circuito Intercambiador de Calor-Estanque Acumulador Solar
Corresponde al caudal que circula por el tramo n° 9 del Circuito Primario.
197
Selección de la Bomba
Para seleccionar la bomba necesitamos entrar a la curva característica con los siguientes
valores:
q = 2,4 m3/hr
H = 3,96 m.c.a
La bomba seleccionada es la GRS32/10F. A continuación se muestra la curva característica
de la bomba y se muestra que los parámetros de caudal y de presión de este circuito están
dentro de la zona de rendimiento dado por el fabricante de la bomba.
Gráfico 39 Curva característica de la bomba GRS32/10F
c. Bombas del Circuito Secundario
Circuito de Energía Auxiliar
De la misma forma que en el cálculo anterior primero necesitamos conocer el caudal y la
perdida de carga total del circuito.
A continuación se presenta la fórmula del cálculo de perdida de carga de este circuito:
198
Dónde:
H = Perdida de carga total del circuito (m.m.c.a).
Ht = Perdida de carga en las tuberías (m.m.c.a).
Hc,b = Perdida de carga en la caldera de biomasa (m.m.c.a).
1,1 = Sobredimensionaremos la perdida de carga total un 10% por los elementos que no han
sido considerados en este cálculo.
En las siguientes imágenes se muestra más detalladamente todos los elementos y equipos
involucrados en este circuito:
Figura 67 Circuito de Energía Auxiliar
199
Perdida de carga en Tuberías
La pérdida de carga en las tuberías se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo Longitud (m) mm.c.a./m mm.c.a. tramo 19 2 36,77 73,53 21 3,6 36,77 132,36
Total 5,6 205,89 Tabla 62 Perdida de carga en la tuberías del circuito de Energía Auxiliar
Perdidas de carga en Accesorios
La pérdida de carga en los accesorios se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo
mm.c.a./m Nº válv. retención
Nº codos
Nº T90 Nº válv. esfera
Longitud equivalente
(m)
Total tramo accesorios (mm.c.a.)
19 36,77 1 3 0 3 3,30 121,33 21 36,77 0 3 0 2 1,62 59,56
Total 1 6 0 5 180,9 Tabla 63 Perdida de carga en los accesorios del circuito de Energía Auxiliar
Pérdida de carga la Caldera de biomasa
El valor de perdida de carga en la caldera de biomasa no se especifica en el catálogo del
fabricante, sin embargo tomamos como referencia la perdida de carga de una caldera Met
mann de igual potencia.
Potencia Modelo Perdida de carga
Kcal/hr m.m.c.a
25.000 CS25 18 Tabla 64 Perdida de carga en la Caldera de Biomasa
Perdida de carga total en el circuito de Energía Auxiliar
A partir de la fórmula antes mencionada, determinaremos la perdida de carga total del
circuito.
Caudal Nominal del circuito de Energía Auxiliar
200
Corresponde al caudal que circula por el tramo n° 19 del Circuito Secundario.
Selección de la Bomba
Para seleccionar la bomba necesitamos entrar a la curva característica con los siguientes
valores:
q = 0,3 m3/hr
H = 0,445 m.c.a
La bomba seleccionada es la GRS15/6. A continuación se muestra la curva característica de
la bomba y se muestra que los parámetros de caudal y de presión de este circuito están
dentro de la zona de rendimiento dado por el fabricante de la bomba.
Gráfico 40 Curva característica de la bomba GRS15/6
201
3. Dimensionado del Vaso de expansión
El volumen del estanque de expansión se estimara a partir de la suma de los siguientes
volúmenes (Martínez 2010):
Volumen de expansión debido a la dilatación térmica del líquido.
Volumen debido a la formación de vapor que puede crearse en los colectores y en las
cañerías durante el estancamiento del sistema.
Volumen de reserva para asegurar que el estanque no se vacía de fluido cuando las
temperaturas son más bajas que aquellas a las que se hizo el llenado.
El Volumen útil del estanque de expansión se calcula mediante las siguientes ecuación
(Martínez 2010):
Ecuación 35 Volumen útil del Estanque de expansión
Dónde:
Vu = Volumen útil del estanque de expansión.
Ve = Volumen de expansión.
Vvap = Volumen debido a la formación de vapor.
Vr = Volumen de reserva. Se considerará el 3% del volumen del circuito con un mínimo
de 3 litros.
Cp = Coeficiente de presión.
Para determinar esto valores, necesitamos las siguientes ecuaciones:
Ecuación 36 Volumen de expansión
Dónde:
Ve = Volumen de expansión.
Vt = Contenido total de líquido en el circuito.
202
Ce = Coeficiente de expansión. Se recomienda adoptar 0,043 para el agua y 0,085 para
las mezclas agua-glicol.
Ecuación 37 volumen por formación de vapor
Dónde:
Vvap = Volumen debido a la formación de vapor.
Vcolectores = Volumen total contenido en los colectores del circuito.
Vuberías = Volumen total contenido en las cañerías del circuito primario que están por
encima de la parte inferior de los colectores.
Ecuación 38 Volumen de reserva
Dónde:
Vr = Volumen de reserva. Se considerará el 3% del volumen del circuito con un mínimo
de 3 litros.
Vt = Contenido total de líquido en el circuito.
Ecuación 39 coeficiente de presión
Dónde:
Cp = Coeficiente de presión.
Pm = Presión mínima. Para sistemas a temperaturas inferiores a 90 °C será como mínimo de
0,2 bar y para sistemas a temperaturas superiores a 90°C será como mínimo de 0,5 bar
(Mendez Muñiz and Cuervo Garcia 2008).
PM = Presión máxima. Se calcula de la siguiente forma:
203
Dónde:
Pvs = Presión de tarado de la válvula de seguridad. Está definida por las máximas presiones
que soportan los equipos del circuito.
Debe ajustarse la presión inicial del gas (Pi) del estanque de expansión a la presión mínima
del estanque de expansión.
a. Vaso de expansión del Circuito Primario
En base a las anteriores ecuaciones realizaremos el siguiente cálculo para determinar el
volumen del estanque de expansión del circuito primario.
El contenido total de líquido en el circuito se detalla en la siguiente tabla:
Contenido total de líquido en el circuito primario Volumen agua colectores Tipo de colector nº colectores Volumen (l)/colector Volumen total
(l) Plano 20 1,45 29
Volumen agua intercambiador (lt) Dato 5
Volumen agua tuberías de cobre Diámetro Longitud Volumen unitario Volumen total
(mm) (m) (l/m) (l) 16 10,6 0,151 1,60 22 35,92 0,311 11,17 28 4,48 0,531 2,38 35 42,83 0,809 34,65
Total volumen en circuito ( lt ) 83,8 Tabla 65 Contenido total de líquido en el Circuito primario
En conclusión, el Volumen de expansión es de 7,1 lt.
El contenido de líquido debido a la formación de vapor se estima a partir de los datos de
la siguiente tabla:
204
Contenido de líquido Volumen agua colectores Tipo de colector nº colectores Volumen (l)/colector Volumen total
(l) Plano 20 1,45 29
Volumen agua tuberías de cobre Diámetro Longitud Volumen unitario Volumen total
(mm) (m) (l/m) (l) 22 35,92 0,311 11,17 28 4,48 0,531 2,38 35 18,83 0,809 15,23
Total Volumen agua tubería ( lt) 28,78 Tabla 66 Contenido de líquido para estimar el Volumen de vapor
En conclusión, el Volumen debido a la formación de vapor es de 57,78 lt.
En conclusión, el Volumen de reserva será el mínimo, es decir 3 lt.
En el circuito primario, la presión máxima está limitada por la bomba de circulación.
Entonces, el coeficiente de presión es:
En conclusión, el coeficiente de presión es 1,23.
Finalmente calcularemos el volumen del estanque de expansión:
205
En conclusión, el Volumen del estanque de expansión será mínimo de 83,5 lt.
b. Vaso de expansión del Circuito Secundario
De manera similar determinaremos el volumen del estanque de expansión del circuito
secundario.
El contenido total de líquido en el circuito se detalla en la siguiente tabla:
Contenido total de líquido en el circuito Volumen agua en caldera de biomasa (lt)
Dato 82 Volumen agua tuberías de cobre
Diámetro Longitud Volumen unitario Volumen total (mm) (m) (l/m) (l)
16 5,6 0,151 0,85 Tabla 67 Contenido total de líquido en el circuito
En conclusión, el Volumen de expansión es de 3,56 lt.
El contenido de líquido debido a la formación de vapor se estima a partir de los datos de
la siguiente tabla:
Contenido total de líquido Volumen agua en caldera de biomasa (lt)
Dato 82 Volumen agua tuberías de cobre
Diámetro Longitud Volumen unitario Volumen total (mm) (m) (l/m) (l)
16 1 0,151 0,151 Tabla 68 Contenido de líquido para estimar el Volumen de vapor
En conclusión, el Volumen debido a la formación de vapor es de 82,151 lt.
206
En conclusión, el Volumen de reserva será el mínimo, es decir 3 lt.
En el circuito secundario la presión máxima está limitada por la Caldera de biomasa.
Entonces, el coeficiente de presión es:
En conclusión, el coeficiente de presión es 1,75.
Finalmente calcularemos el volumen del estanque de expansión:
En conclusión, el Volumen del estanque de expansión será mínimo de 155,2 lt.
B.2 Sistema Solar Térmico auxiliado por Gas Licuado para la Almazara
B.2.1 Cálculo del número de Colectores
En esta área de la Agroindustria también ocuparemos el Método F-chart para calcular el
tamaño del campo de colectores.
Los datos generales y la disposición de los colectores solares en la almazara es la siguiente:
Agroindustria Sueños de Cartago
Ubicación Nogales Área de la Agroindustria Almazara
Latitud 32,73° sur
207
T agua de proceso 35 °C Azimut captadores 0 ° sur
Inclinación captadores 43° Tabla 69 Datos Generales de la Almazara
El colector solar que se utilizara será el mismo que en el vivero, el CR-120 de la marca
Chromagen, por lo tantos los tatos técnicos del colector y del sistema son los mismos en
ambas áreas de la Agroindustria.
Datos del colector solar y del sistema
Área exterior Área de
absorción
Fr(τα)n (τα)/(τα)n Fr’ /Fr Fr’(τα)n FrUL Fr‘UL
m2 m2 W/m2°C kW/m2°C
2,8 2,54 0,722 0,96 0,95 0,66 3,39 0,0032
Tabla 70 Datos técnicos del colector y del Sistema
Al igual que en el cálculo del vivero, introduciremos diferentes áreas a la planilla Excel para
determinar la superficie optima de colectores. Sin embargo estas áreas estarán en el rango
de 1 a 12 m2.
Área de Colectores (m2)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
También para cada una de estas áreas se determinará por el método f-chart la fracción solar
anual y el rendimiento medio anual, para posteriormente graficarlos y determinar cuál es la
superficie de colectores óptima. El gráfico 8 nos muestra que la superficie óptima de
colectores es de 5,2 m2.
Se debe ahora determinar la cantidad de colectores necesarios para aportar la superficie
óptima del campo de colectores, esto se determinará de la misma forma que en el Vivero.
En conclusión, se necesitan 2 colectores solares Modelo CR-120 para la Almazara
208
La superficie real de absorción del campo de colectores será de 5,08 m2 y la superficie real
exterior del campo de colectores será de 5,6 m2.
La tabla 29 muestra los resultados del método f-chart para un campo de 2 colectores y la
gráfico 9 muestra la cobertura energética que brinda el sistema Solar aplicado a la
Almazara.
209
Gráfico 41 Fracción Solar anual versus Rendimiento Medio Anual
210
Mes N° de días T° amb ∆t Ri Qa EA D1 EP D2 f Qu
°C hr MJ/m2 GJ MJ MJ % GJ Enero 31 20,2 744 564,98 0 Febrero 28 20,5 672 529,86 0 Marzo 31 19,6 744 536,74 0 Abril 30 16,4 720 413,00 0 Mayo 31 13,7 744 361,70 1,35 1209,88 0,90 3781,14 2,80 57,3% 0,77 Junio 30 11,8 720 330,94 1,35 1107,00 0,82 3742,28 2,78 52,5% 0,71 Julio 31 10,8 744 326,52 1,32 1092,22 0,83 3908,65 2,97 52,0% 0,68 Agosto 31 11,6 744 428,57 0,75 1433,57 1,92 3872,72 5,20 93,7% 0,70 Septiembre 30 12,9 720 431,34 0,71 1442,83 2,02 3693,94 5,18 96,9% 0,69 Octubre 31 15,1 744 504,81 0,68 1688,60 2,48 3719,79 5,47 100% 0,68 Noviembre 30 16,9 720 507,54 0 Diciembre 31 19,0 744 540,84 0 Total 365 8.760 5476,84 6,15 7974,09 22718,54 4,24 Media 15,72 456,40 0,77 1329,01 3786,42 75,4% 0,71 Fanual 68,8% Rend med 15,22%
Tabla 71 Calculo F-chart para la Almazara
Gráfico 42 Cobertura energética por la aplicación del Sistema Solar en la Almazara
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicQa 0 0 0 0 1,35 1,35 1,32 0,75 0,71 0,68 0 0Qu 0,77 0,71 0,68 0,70 0,69 0,68
Ener
gía
(GJ)
Mes
Qa vs. Qu
211
B.2.2 Fluido de trabajo del Circuito primario
El cálculo es idéntico al del Vivero. Por lo tanto la proporción de anticongelante será de un
20%.
B.2.3 Sistema Auxiliar
Al igual que en el Vivero, el sistema solar de la Almazara necesita un sistema de energía
auxiliar. El cálculo de la caldera de biomasa se realiza en forma similar al del Vivero.
Dónde:
P = Potencia nominal de la Caldera de Biomasa (kWt).
Qqi =Carga Calorífica para el mes de mayor consumo de Energía (kWt), en este caso es el
mes de Junio.
En este caso, no es factible instalar una caldera de biomasa como sistema auxiliar debido a
la baja potencia necesaria.
Por este motivo utilizaremos una fuente de energía convencional como sistema auxiliar, más
exactamente un calefón a glp, ya que estos sistemas han sido bastante probados y han
provocado altas eficiencias y ahorros. En la almazara hay un calefón instalado, pero hay
calefones que permiten una mejor combinación con sistemas solares. Para seleccionar el
calefón solar solo se exigirá que tenga como mínimo la potencia del calefón que ya está
instalado.
A.2.4 Calculo del Estanque acumulador
Este cálculo se realizara en forma similar al Vivero. Se debe acumular agua para un día de
operación, es por esto que primero determinar cuánta agua caliente se suministrará al
sistema de calefacción en un día y esta será la capacidad (lts) del estanque acumulador.
Para obtener este valor es necesario hacer el balance de energía:
212
Para determinar el flujo volumétrico de agua ocuparemos la siguiente ecuación:
En conclusión, El estanque acumulador tendrá una capacidad de 400lt
Además, según (SODEAN 2004), para un correcto diseño del estanque acumulador, al
relacionarlo con la superficie de colectores solares debe cumplirse la siguiente condición:
Por lo tanto, queda demostrado que se cumple con esta exigencia en el diseño del
acumulador.
2. Aislamiento del Estanque Acumulador
También otro factor de diseño a considerar, es el del espesor mínimo de aislamiento del
estanque acumulador. El aislamiento de acumuladores cuyo volumen sea inferior a 2 m3
tendrá un espesor mínimo de 30 mm, para volúmenes superiores el espesor mínimo será de
50 mm. (Román, Petersen et al. 2007). En este caso el espesor mínimo de aislamiento será de 30 mm.
213
B.2.5 Cálculo del Intercambiador de Calor
El intercambiador de calor incorporado en el estanque acumulador se diseñara según el
siguiente criterio (Román, Petersen et al. 2007):
Dónde:
Sic= Superficie mínima del intercambiador de calor en el interior del acumulador (m2).
Sc = Superficie del campo de colectores (m2).
En conclusión, la Superficie mínima del intercambiador de calor será de 0,76 m2.
B.2.6 Circuito Hidráulico
Se utilizará el mismo método y el mismo criterio que se utilizó en el circuito hidráulico del
vivero.
1. Dimensionamiento de Tuberías
a. Tramos de Tubería
Los tramos se definen desde un punto inicial en el plano del sistema solar térmico hasta un
punto final en el plano del sistema solar térmico. A continuación se muestra la imagen del
campo de colectores del vivero, en la cual se indican estos puntos (fig. 10) y luego se
presenta la imagen del sistema completo del sistema solar térmico, con sus respectivos
puntos (fig. 11). Cabe mencionar que solo se consideran los tramos de tubería importantes y
que necesitan tuberías de cobre.
214
Figura 68 Puntos que indican los tramos de tubería del Campo de Colectores del Vivero
Figura 69 Puntos que indican los tramos del Sistema solar térmico de la Almazara
Circuito Primario
En la siguiente tabla se presentan los tramos de tubería del circuito primario:
Tramos de Tubería
Recorrido agua entrante (fría) Recorrido agua que sale (caliente)
Puntos Tramo Distancia (m) Puntos Tramo Distancia (m)
c1-2 1 7,652 c3-4 5 7,13 c1-5 2 3 c4-10 6 1,8 c5-6 3 1 c8-10 7 1
215
c5-7 4 1 c9-10 8 1 Tabla 72 Tramos de tubería del campo de colectores de la Almazara
Circuito Secundario
En la siguiente tabla se presentan los tramos de tubería del circuito secundario:
Tramos de Tubería
Recorrido de agua fría Recorrido de agua caliente
Puntos Tramo Distancia (m) Puntos Tramos Distancia (m)
-- -- c11-13 9 1 -- -- c12-13 10 1 -- -- c13-14 11 5
Nota: El recorrido de agua desde el pozo hasta los estanques acumuladores y hasta el circuito primario no es de tubería de cobre. La mayor parte de este sistema circuito ya está instalada, solo hay que añadir más tubería.
Nota: Los tramos de agua desde el sistema auxiliar hasta el consumo y además, en el retorno, no han sido considerado para este cálculo, porque que ya está instalado, solo hay que añadir más tubería.
Tabla 73 Tramos de Tubería del Sistema Solar Térmico del Vivero.
b. Diámetro de Tuberías
En la siguiente tabla se muestran los diámetros de las tuberías por cada tramo:
Diámetro de las Tuberías
Número tramo
Longitud Número Colectores
Caudal Diámetro exterior
Diámetro interior
Velocidad Re fr Perdida de carga por metro lineal
m l/hr Pulg mm m/s m.m.c.a/m
Circuito Primario
1 7,652 2 252 ¾ 22 0,22 3275 0,042 5,29 2 3 2 252 ¾ 22 0,22 3275 0,042 5,29 3 1 1 126 ½ 16 0,23 2387 0,045 8,35 4 1 1 126 ½ 16 0,23 2387 0,045 8,35 5 7,13 2 252 ¾ 22 0,22 3275 0,042 5,29 6 1,8 2 252 ¾ 22 0,22 3275 0,042 5,29 7 1 1 126 ¾ 16 0,23 2387 0,045 8,35 8 1 1 126 ¾ 16 0,23 2387 0,045 8,35
216
Circuito Secundario
9 1 12,325 3/8 12 0,04 336 0,074 0,68
10 1 12,325 3/8 12 0,04 336 0,074 0,68
11 5 24,65 3/4 22 0,02 320 0,075 0,09 Tabla 74 Diámetro de las Tuberías
En conclusión, considerando que las tuberías comercializadas son de una longitud estándar de 6 m, se necesitan las siguiente cantidad de tuberías:
Diámetro (pulg)
Longitud total (m)
Número de tuberías
3/8 2 1
1/2 2 1 3/4 26,582 5
Tabla 75 Cantidad y diámetro de tuberías
c. Aislamiento de las Tuberías
Al igual que en el Vivero como todas las tuberías y accesorios son de un diámetro menor a
35 mm y la temperatura será entre 40 a 65 °C, el espesor mínimo de aislamiento será de 20
mm en el interior y de 30 mm para las tuberías y accesorios que están en el exterior.
3. Bombas de Circulación
a. Dimensionado de la Bomba del Circuito Primario
Como se explicó anteriormente necesitamos conocer el caudal y la perdida de carga total
del circuito.
Primero calcularemos la perdida de carga total de este circuito, la que se determina
sumando todos los elementos o equipos involucrados. A continuación se presenta la fórmula
del cálculo de perdida de carga de este circuito:
217
Dónde:
H = Perdida de carga total del circuito (m.m.c.a)
Ht = Perdida de carga en las tuberías (m.m.c.a)
Ha = Perdida de carga en los accesorios (m.m.c.a)
Hc = Perdida de carga en los colectores (m.m.c.a)
1,1 = Sobredimensionaremos la perdida de carga total un 10% por los elementos que no han
sido considerados en este cálculo.
En las siguientes imágenes se muestra más detalladamente todos los elementos y equipos
involucrados en este circuito:
Figura 70 Recorrido en el Campo de colectores considerado en el Circuito Primario
218
Figura 71 Circuito Primario
b. Perdida de carga en Tuberías
La pérdida de carga en las tuberías se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo Longitud (m) mm.c.a./m mm.c.a. tramo
1 7,652 5,29 40,48 2 3 5,29 15,87 4 1 8,35 8,35 5 7,13 5,29 37,72 6 1,8 5,29 9,52 8 1 8,35 8,35
Total 21,6 120,4 Tabla 76 Perdida de carga en la tuberías del Circuito Primario
c. Perdidas de carga en Accesorios
La pérdida de carga en los accesorios se detalla en la siguiente tabla:
Número tramo
mm.c.a./m Nº válv. retención
Nº codos Nº T90 Nº válv. esfera
Longitud equivalente
(m)
Total tramo accesorios (m.m.c.a.)
1 5,29 0 3 0 1 2,10 11,11
219
2 5,29 1 3 0 3 5,04 26,66 4 8,35 0 2 1 1 1,62 13,52 5 5,29 0 1 0 1 0,88 4,66 6 5,29 0 6 0 1 3,93 20,79 8 8,35 0 2 1 1 1,62 13,52
Total 1 17 2 8 90,26 Tabla 77 Perdida de carga en los accesorios del Circuito Primario
d. Perdida de carga Colectores
Para determinar la perdida de carga en los Colectores primero debemos determinar el
caudal unitario:
La pérdida de carga en los colectores
e. Perdida de carga total en el Circuito Primario
A partir de la fórmula antes mencionada, determinaremos la perdida de carga total del
circuito.
f. Caudal Nominal del Circuito Primario
Corresponde al caudal que circula por el tramo n° 2 del Circuito Primario.
g. Selección de la Bomba
Para seleccionar la bomba necesitamos entrar a la curva característica con los siguientes
valores:
q = 0,252 m3/hr
H = 0,25 m.c.a
La bomba seleccionada es la GRS15/1.5. A continuación se muestra la curva característica
de la bomba y se muestra que los parámetros de caudal y de presión de este circuito están
dentro de la zona de rendimiento dado por el fabricante de la bomba.
220
Gráfico 43 Curva característica de la bomba GRS15/1.5
3. Dimensionado del Estanque de Expansión
Para este cálculo utilizaremos el mismo método del Vivero.
El contenido total de líquido en el circuito se detalla en la siguiente tabla:
Contenido total de líquido en el circuito Volumen agua colectores Tipo de colector nº colectores Volumen (l)/colector Volumen total
(l) Plano 2 1,45 2,9
Volumen agua en los intercambiadores de los estanques de acumulación (lt)
Dato 6,4 Volumen agua tuberías de cobre
Diámetro Longitud Volumen unitario Volumen total (mm) (m) (l/m) (l)
221
16 2 0,151 0,3 22 21,6 0,311 6,7
Total volumen en circuito ( lt ) 7 Tabla 78 Contenido total de líquido en el circuito
En conclusión, el Volumen de expansión es de 1,39 lt.
El contenido de líquido debido a la formación de vapor se estima a partir de los datos de
la siguiente tabla:
Contenido de líquido Volumen agua colectores Tipo de colector nº colectores Volumen (l)/colector Volumen total
(l) Plano 2 1,45 2,9
Volumen agua tuberías de cobre Diámetro Longitud Volumen unitario Volumen total
(mm) (m) (l/m) (l) 22 14,8 0,311 4,6
Tabla 79 Contenido de líquido para estimar el volumen de vapor
En conclusión, el Volumen debido a la formación de vapor es de 7,5 lt.
En conclusión, el Volumen de reserva será el mínimo, es decir 3 lt.
En el circuito primario, la presión máxima está limitada por la bomba de circulación.
Entonces, el coeficiente de presión es:
222
En conclusión, el coeficiente de presión es 1,23.
Finalmente calcularemos el volumen del estanque de expansión:
En conclusión, el Volumen del estanque de expansión será mínimo de 14,6 lt.
223
C Informacion de las Tecnologıas de Energıas Renovables existentes y aplicables a la Agroindustria
C.1 Estado actual de las Energías Renovables (IPCC 2011)
Estado actual de las tecnologías para entregar energía eléctrica a partir de Energías Renovables Recurso Tecnología Medidas
comunes del equipo (MW)
Costo de la inversión (USD/kW)
Costos de funcionamiento y
mantenimiento, fijo anual (USD/kW)
Duración económica proyectada (en años)
Bioenergía Lecho fluido circulante de la bioenergía eléctrica
asignada
25-100 2.700-4.100 87 20
Bioenergía eléctrica asignada por cargador
25-100 2.600-4.000 84 20
Bioenergía eléctrica asignada (cogeneración de
calor y electricidad por cargador)
25-100 2.800-4.200 86 20
Combustión combinada alimentación combinada
20-100 430-500 12 20
Combustión combinada alimentación separada
20-100 700-900 18 20
Cogeneración de calor y electricidad (ciclo orgánico
de Rankine (OCR))
0,65-1,6 6.500-9800 59-80 20
Cogeneración de calor y electricidad (turbinas de
vapor)
2,5-10 4.100-6.200 54 20
Cogeneración de calor y electricidad (gasificación de
motores de combustión interna (MCI))
2,2-13 1.800-2.100 65-71 20
Energía solar directa
Energía fotovoltaica (residencial en tejados)
0,004-0,01 3.700-6.800 19-110 20-30
Energía fotovoltaica (comercial en tejados)
0,02-0,5 3.500-6.600 18-100 20-30
224
Energía fotovoltaica (a nivel de la empresa
eléctrica, inclinación fija)
0,5-100 2.700-5.200 14-69 20-30
Energía fotovoltaica ( a escala de gran operador,
un eje)
0,5-100 3.100-6.200 16-75 20-30
Energía solar por concentración
50-250 6.000-7.300 60-82 20-30
Energía Geotérmica
Energía geotérmica (planta de condensación súbita)
10-100 1.800-3.600 150-190 25-30
Energía geotérmica (planta de ciclo binario)
2-20 2.100-5.200 150-190 25-30
Energía hidroeléctrica6
Hidro eléctricas grandes 10-20.000 1.000-5.500 25-75 40-80
Hidro eléctricas pequeña 1-10 2.500-7.000 25-75 40-80 Micro-Hidro eléctricas 1-100 kW 1.000-2.000 25-75 40-80 Energía oceánica
Amplitud de la marea <1->250 4.500-5.000 100 40
Energía eólica Energía eólica ( en tierra, turbinas de gran tamaño)
5-300 1.200-2.100 0,012-0,023 USD/kwh 20
Pequeña turbina eólica2 3-100 kW 3000-5000 0,012-0,023 USD/kwh 20 Energía eólica aguas
adentro, turbinas de gran tamaño)
20-120 3.200-5.000 0,02-0,04 USD/kwh 20
Estado actual de las tecnologías para entregar energía térmica a partir de Energías Renovables Recurso Tecnología Medidas
comunes del equipo (MWt)
Costo de la inversión
(USD/kWt)
Costos de funcionamiento y mantenimiento,
fijo anual (USD/kW)
Duración económica proyectada (en años)
Bioenergía Biomasa (calefacción central por gránulos)
0,005-1 310-1.200 13-43 10-20
Biomasa ((MSW, cogeneración de calor y
electricidad)
1-10 370-3.000 15-130 10-20
Biomasa (turbina de vapor, cogeneración de calor y
electricidad)
12-14 370-1.000 1,2-2,5 10-20
Biomasa (digestión 0,5-5 170-1.000 37-140 15-25
6 Nota: estos datos son según la International Energy Agency IEA (2008). Deploying Renewables: Principles for
Effective Policies. I. E. Agency. Paris, France, IEA PUBLICATIONS: 202.
225
anaeróbica, cogeneración de calor y electricidad)
Energía solar Calefacción con energía solar térmica (ACS, China)
0,0017-0,01 120-540 1,5-10 10-15
Calefacción con energía solar térmica (agua
caliente sanitaria, sifones térmicos, sistemas
combinados)
0,0017-0,07 530-1.800 5,6-22 15-25
Energía geotérmica
Geotérmica (Calefacción de edificios)
0,1-1 1.600-3.900 8,3-11 USD/GJ 20
Geotérmica (calefacción central en barrios o
ciudades)
3,8-35 600-1.600 8,3-11 USD/GJ 25
Geotérmica (invernaderos) 2-5,5 500-1.000 5,6-8,3 USD/GJ 20 Geotérmica
(estanques acuícolas, descubiertos)
5-14 50-100 8,3-11 USD/GJ 20
Bombas de calor geotérmicas
0,01-0,35 900-3.800 7,8-8,9 USD/GJ 20
Estado actual de la producción de biocombustibles Insumo Combustible Medidas
comunes del equipo (MWt)
Costo de inversión
(USD/kWt)
Costo de funcionamiento y mantenimiento,
fijo anual (USD/kWt)
Duración económica proyectada (en años)
Caña de azúcar
Etanol 170-1.000 83-360 16-35 20
Maíz Etanol 140-550 160-310 9-27 20 Trigo Etanol 150-610 140-280 8-25 20 Aceite de soja Biodiesel 44-440 160-320 9-46 20 Aceite de palma
Biodiesel 44-440 160-340 10-46 20
Madera, bagazo, otros
Aceite combustible pirolítico
110-440 160-240 12-44 20
Tabla 80 Estado actual de las Energías Renovables
226
C.2 Selección tecnológica de Energías Renovables según la Potencia (MW) Electricidad
Recurso Tecnología Medidas comunes del equipo (MW)
Potencia en la Agroindustria
Bioenergía Lecho fluido circulante de la bioenergía eléctrica asignada
25-100 28,5 kW
Bioenergía eléctrica asignada por cargador 25-100 28,5 kW Bioenergía eléctrica asignada (cogeneración
de calor y electricidad por cargador) 25-100 28,5 kW
Combustión combinada alimentación combinada
20-100 28,5 kW
Combustión combinada alimentación separada
20-100 28,5 kW
Cogeneración de calor y electricidad (ciclo orgánico de Rankine (OCR))
0,65-1,6 28,5 kW
Cogeneración de calor y electricidad (turbinas de vapor)
2,5-10 28,5 kW
Cogeneración de calor y electricidad (gasificación de motores de combustión
interna (MCI))
2,2-13 28,5 kW
Energía solar directa Energía fotovoltaica (residencial en tejados) 0,004-0,01 28,5 kW Energía fotovoltaica (comercial en tejados) 0,02-0,5 28,5 kW Energía fotovoltaica (a nivel de la empresa
eléctrica, inclinación fija) 0,5-100 28,5 kW
Energía fotovoltaica ( a escala de gran operador, un eje)
0,5-100 28,5 kW
Energía solar por concentración 50-250 28,5 kW Energía Geotérmica Energía geotérmica (planta de condensación
súbita) 10-100 28,5 kW
Energía geotérmica (planta de ciclo binario) 2-20 28,5 kW Energía hidroeléctrica Hidro eléctricas grandes 10-20.000 28,5 kW
Hidro eléctricas pequeña 1-10 28,5 kW Micro-Hidro eléctricas 1-100 kW 28,5 kW
Energía oceánica Amplitud de la marea <1->250 28,5 kW Energía eólica Energía eólica ( en tierra, turbinas de gran
tamaño) 5-300 28,5 kW
Pequeña turbina eólica 3-100 kW 28,5 kW Energía eólica aguas adentro, turbinas de
gran tamaño) 20-120 28,5 kW
Calefacción Recurso Tecnología Medidas comunes del equipo
(MWt) Potencial en la Agroindustria
Bioenergía Biomasa (calefacción central por gránulos) 0,005-1 55,1 kWt Biomasa ((MSW, cogeneración de calor y
electricidad) 1-10 55,1 kWt
227
Biomasa (turbina de vapor, cogeneración de calor y electricidad)
12-14 55,1 kWt
Biomasa (digestión anaeróbica, cogeneración de calor y electricidad)
0,5-5 55,1 kWt
Energía solar Calefacción con energía solar térmica (ACS, China)
0,0017-0,01 55,1 kWt
Calefacción con energía solar térmica (agua caliente sanitaria, sifones térmicos, sistemas
combinados)
0,0017-0,07 55,1 kWt
Energía geotérmica Geotérmica (Calefacción de edificios) 0,1-1 55,1 kWt Geotérmica (calefacción central en barrios o
ciudades) 3,8-35 55,1 kWt
Geotérmica (invernaderos) 2-5,5 55,1 kWt Geotérmica
(estanques acuícolas, descubiertos) 5-14 55,1 kWt
Bombas de calor geotérmicas 0,01-0,35 55,1 kWt
Tabla 81 Selección tecnológica de Energías Renovables según la Potencia
228
D Estudio Energetico de la Agroindustria
D.1 Potencia Instalada en la Agroindustria Área Etapa de Proceso Tipo de Energía Equipo Potencia Total
ALMAZARA Molienda Electricidad Molino de Martillos 7,5 kW 8,6 kW Elevador de Olivas 1,1 kW
Batido Electricidad Termo batidora 1,5 kW 6,44 kW Tornillo sinfín de pasta 1 0,75 kW Tornillo sinfín de pasta 2 0,75 kW
Bomba periférica de agua 0,37 kW Bomba de recirculación de agua 0,07 kW
Calor (Electricidad) Resistencias Eléctricas Calefactoras 3 kWt 3 kWt Calor Calefón 13 kWt 13 kWt
Decantación Electricidad Bomba de alimentación a Decantador 0,55 kW 4,87 kW Decantador 2,2 kW
Raspador de orujo 0,25 kW Vibrador 0,22 kW
Tornillo sinfín orujo 1,1 kW Bomba de aceite de oliva 0,55 kW
Filtrado Electricidad Bomba de filtrado 0,55 0,55 kW Envasado Electricidad Taponadora semi automática 0,75 kW 0,75 kW
Otros Iluminación Almazara Electricidad Focos 0,1 kW 0,172 kW
229
Iluminación Sala de Envasado Electricidad Tubos fluorescentes 0,072 kW VIVERO Enraizamiento
Electricidad Bomba de nebulización 2,42 kW 6,369 kW
Encendido caldera 0,016 kW Termostatos mesas 0,396 kW Válvulas solenoide 0,264 kW
Bomba de recirculación de agua 0,256 kW Electro válvula 0,017 kW Humidificador 3 kW
Calor Calefactor de aire 40 kWt 79,1 kWt Caldera 39,1 kWt
Endurecimiento Calor Calefactores de aire 80 kWt 80 kWt Otros
Bomba Pozo (agua para riego) Electricidad Bomba de riego 2,2 kW 3,66 kW
Iluminación Huerto Olivos Madres
Focos 1 kW
Iluminación Invernadero Focos 0,36 kW Iluminación Crianza Focos 0,1 kW
Tabla 82 Potencia Instalada en la Agroindustria
230
D.2 Consumo anual de Energía en la Agroindustria
Consumo de Electricidad Área Etapa de Proceso Equipo Potencia
(kW) hr/día días/anuales hr/anuales Energía
(kwh) Energía Total
(kwh) Almazara Molienda Molino de Martillos 7,5 4 131 524 3930 4506,4
Elevador de Olivas 1,1 4 131 524 576,4 Batido Termo batidora 1,5 8 131 1048 1572 3998,12
Tornillo sinfín de pasta 1
0,75 4 131 524 393
Tornillo sinfín de pasta 2
0,75 4 131 524 393
Bomba periférica de agua
0,37 8 131 1048 387,76
Bomba de recirculación de agua
0,07 8 131 1048 73,36
Resistencias Eléctricas Calefactoras
3 3 131 393 1179 (kwht)
Decantación
Bomba de alimentación a Decantador
0,55 4 131 524 288,2 4249,64
Decantador 2,2 7 131 917 2017,4 Raspador de orujo 0,25 7 131 917 229,25
Vibrador 0,22 7 131 917 201,74 Tornillo sinfín orujo 1,1 7 131 917 1008,7
Bomba de aceite de oliva
0,55 7 131 917 504,35
Filtrado Bomba de filtrado 0,55 3 66 198 108,9 108,9 Envasado Taponadora semi
automática 0,75 3 66 198 148,5 148,5
231
Otros Iluminación Almazara Focos 0,1 2 65 130 13 22
Iluminación Sala de Envasado
Tubos fluorescentes 0,072 2 65 130 9,36
Vivero Enraizamiento
Bomba de nebulización 2,42 0,1 306 30,6 74,052 3894,0642 Encendido caldera 0,016 0,5 306 153 2,448 Termostatos mesas 0,396 0,5 306 153 60,588 Válvulas solenoide 0,264 0,5 306 153 40,392 Bomba de recirculación
de agua 0,256 24 306 7344 1880,064
Electro válvula 0,017 0,1 306 30,6 0,5202 Humidificador 3 2 306 612 1836 Otros Bomba Pozo
(agua para riego) Bomba de riego 2,2 0,5 306 153 336,6 5697,72
Iluminación Huerto Olivos Madres
Focos 1 12 306 3672 3672
Iluminación Invernadero Focos 0,36 12 306 3672 1321,92 Iluminación Crianza Focos 0,1 12 306 3672 367,2
Consumo de Gas Licuado Área Etapa de Proceso Equipo Potencia
(kWt), Rend.
(%)
Poder calorífico
Combustible (kcal/kg)
kg/mes kg/anuales Energía (kcal)
Energía Total(kcal)
Almazara Batido Calefón 13,1 kWt (85 %)
11.900 15 45 455.175 455.175
Vivero Enraizamiento Calefactor de aire 40 kWt 11900 0 0 0 29.451.965
232
Caldera 39,1 kWt
(87,3%) 11900 270 28357 29.451.965
Endurecimiento Calefactores de aire 80 kWt 11900 0 0 0 0
Tabla 83 Consumo anual de Energía en la Agroindustria
D.3 Costo anual de la Energía en la Agroindustria Costo de Electricidad
Área Etapa de Proceso Energía Total (kwh)
Precio8 ($/kwh) Costo ($) Total ($)
Almazara Molienda 4506,4 55,29 $ 249.159 $ 720.626 Batido 3998,12 55,29 $ 221.056
Decantación 4249,64 55,29 $ 234.963 Filtrado 108,9 55,29 $ 6.021
Envasado 148,5 55,29 $ 8.211 Otros 22 55,29 $ 1.216
Vivero Enraizamiento 3894,0642 55,29 $ 215.303 $ 530.330 Otros 5697,72 55,29 $ 315.027
Costo de Gas Licuado Área Etapa de Proceso kg/anuales Precio9 ($/kg) Costo ($) Total ($)
Almazara Batido 45 996,57 $ 44.846 $ 44.846 Vivero Enraizamiento 2835 985,32 $ 2.793.382 $ 2.793.382
Tabla 84 Costo anual de la Energía en la Agroindustria
7 Se agregan 3 galones de 45 kg por los meses de invierno (junio, julio y agosto). 8 Precio según la CNE 9 Precio según la Asociación Chilena de Gas Licuado
233
D.4 Emisiones anuales de CO2 en la Agroindustria
Área Etapa de Proceso Equipo Energía (kwh)
Emisión (kg CO2) Total (kg CO2)
Almazara Molienda Molino de Martillos 3930 1489,47 1707,93 Elevador de Olivas 576,4 218,46
Batido Termo batidora 1572 595,79 1515,29 Tornillo sinfín
de pasta 1 393 148,95
Tornillo sinfín de pasta 2
393 148,95
Bomba periférica de agua
387,76 146,96
Bomba de recirculación de agua
73,36 27,80
Resistencias Eléctricas Calefactoras
1179 446,84
Decantación Bomba de alimentación a Decantador
288,2 109,23 1610,61
Decantador 2017,4 764,59 Raspador de orujo 229,25 86,89
Vibrador 201,74 76,46 Tornillo sinfín orujo 1008,7 382,30
Bomba de aceite de oliva
504,35 191,15
Filtrado Bomba de filtrado 108,9 41,27 41,27 Envasado Taponadora semi automática 148,5 56,28 56,28
Otros Iluminación Almazara Focos 13,2 5,00 8,60
Iluminación Sala de Envasado Tubos fluorescentes 9,504 3,60
Enraizamiento Bomba de nebulización 74,052 28,07 1475,85 Encendido caldera 2,448 0,93
234
Vivero
Termostatos mesas 60,588 22,96 Válvulas solenoide 40,392 15,31
Bomba de recirculación de agua
1880,064 712,54
Electro válvula 0,5202 0,20 Humidificador 1836 695,84
Otros Bomba Pozo
(agua para riego) Bomba de riego 336,6 127,57 2159,44
Iluminación Huerto Olivos
Madres Focos 3672 1391,69
Iluminación Invernadero Focos 1321,92 501,01 Iluminación Crianza Focos 367,2 139,17
Área Etapa de Proceso Equipo kg/anuales Emisión (kg CO2) Total (kg CO2) Almazara Batido Calefón 45 136,89 136,89
Vivero Enraizamiento Calefactor de aire 0 0,00 8624,07 Caldera 2.835 8624,07 Endurecimiento Calefactores de aire 0 0,00
Tabla 85 Emisiones anuales de CO2 en la Agroindustria
D.5 Emisiones anuales de CH4 en la Agroindustria
Área Etapa de Proceso Equipo Energía (GJ) Emisión (kg CH4) Total (kg CH4) Almazara Batido Calefón 2,24 0,0002 0,0002
Vivero Enraizamiento Calefactor de aire 0 0 0,0127 Caldera 141,4 0,0127 Endurecimiento Calefactores de aire 0 0
Tabla 86 Emisiones anuales de CH4 en la Agroindustria
235
D.6 Emisiones anuales de N2O en la Agroindustria (Minenergía 2012)
Área Etapa de Proceso Equipo Energía (GJ) Emisión (kg N2O) Total (kg N2O) Almazara Batido Calefón 2,24 0,0089 0,0089
Vivero Enraizamiento Calefactor de aire 0 0 0,565 Caldera 141,4 0,565 Endurecimiento Calefactores de aire 0 0
Tabla 87 Emisiones anuales de N2O en la Agroindustria
236
E Informacion de la Radiacion Solar en Chile
E.1 Irradiancia Solar en Chile por Regiones (CNE/PNUD/UTFSM 2008)
237
Tabla 88 Irradiancia Solar en Chile por Regiones
238
E.2 Factor de corrección k para superficies inclinadas(Román, Petersen et al. 2007).
Tabla 89 Factor de corrección k para superficies inclinadas
239
E.3 Valores del factor adimensional k para latitudes chilenas (Román, Petersen et al. 2007)
Tabla 90 Valores del factor adimensional k para latitudes chilenas
240
F Cotizacion de los equipos y elementos para el Sistema de Energıas Renovables para la Agroindustria
F.1 Presupuesto Sistema Híbrido (Solar Térmico-Caldera de Biomasa) para el Vivero
Concepto Equipo Empresa
distribuidora Unidades Precio
unitario Precio total Precio + IVA
Colectores Solares Colector Solar CR-120 Isener 20 $ 295.869 $ 5.917.380 $ 7.041.682
Soporte para Colectores Solares Soporte para techo plano 2 panel Winter S.A 8 $ 126.900 $ 1.015.200 $ 1.208.088
Soporte para techo plano 1 panel Winter S.A 4 $ 87.750 $ 351.000 $ 417.690
Acumulación Solar y Auxiliar Estanque acumulador 5.000lt Winter S.A 1 $ 3.479.465 $ 3.479.465 $ 4.140.563 Estanque acumulador 2.500lt Winter S.A 1 $ 2.270.158 $ 2.270.158 $ 2.701.488
Intercambiador de calor externo Intercambiador de Calor Zilmet 500-
20 Winter S.A 1 $ 180.669 $ 180.669 $ 214.996
Bombas de circulación Bomba de circulación GRS32/10F Winter S.A 4 $ 93.909 $ 375.636 $ 447.007
Bomba de circulación GRS15/6 Winter S.A 1 $ 18.298 $ 18.298 $ 21.775
Anticongelante Bidón de 10 lts de Propilenglicol Winter S.A 2 $ 30.000 $ 60.000 $ 71.400
Tuberías y Accesorios Copla de compresión para CU
22mm
Winter S.A 32 $ 2.000 $ 64.000 $ 76.160
Terminal 3/4 para CU 22 mm Winter S.A 8 $ 884 $ 7.072 $ 8.416
Tubería de cobre de 1/2” (tira de 6mt)
Cobrexpres 2 $ 12.150 $ 24.300 $ 28.917
241
Tubería de cobre de 3/4” (tira de 6mt)
Cobrexpres 6 $ 19.680 $ 118.080 $ 140.515
Tubería de cobre de 1” (tira de 6mt) Cobrexpres 1 $ 28.320 $ 28.320 $ 33.701
Tubería de cobre de 1 1/4” (tira de 6mt)
Cobrexpres 10 $ 38.520 $ 385.200 $ 458.388
Tubería de cobre de 3/8” (tira de 6mt)
Cobrexpres 1 $ 8.580 $ 8.580 $ 10.210
Codo 90° 1/2” Cobrexpres 12 $ 129 $ 1.548 $ 1.842
Codo 90° 3/4” Cobrexpres 12 $ 305 $ 3.660 $ 4.355
Codo 90° 1” Cobrexpres 2 $ 571 $ 1.142 $ 1.359
Codo 90° 11/4” Cobrexpres 21 $ 919 $ 19.299 $ 22.966
Codo 90° 3/8” Cobrexpres 10 $ 105 $ 1.050 $ 1.250
Tee 1/2” Cobrexpres 6 $ 252 $ 1.512 $ 1.799
Tee 3/4” Cobrexpres 8 $ 627 $ 5.016 $ 5.969
Tee 1” Cobrexpres 2 $ 1.131 $ 2.262 $ 2.692
Tee 11/4” Cobrexpres 8 $ 1.664 $ 13.312 $ 15.841
copla 1 1/4" Cobrexpres 2 $ 293 $ 586 $ 697
Coplas reductoras 1 ¼ a 1 Cobrexpres 6 $ 582 $ 3.492 $ 4.155
Coplas reductoras 1 a 3/4 Cobrexpres 4 $ 412 $ 1.648 $ 1.961
Coplas reductoras 1 ¼ a 3/4 Cobrexpres 2 $ 576 $ 1.152 $ 1.371
Coplas reductoras 1 1/4 a 3/8 Cobrexpres 8 $ 1.869 $ 14.952 $ 17.793
Coplas reductoras ½ a 3/8 Cobrexpres 2 $ 136 $ 272 $ 324
Coplas reductoras ½ a 3/4 Cobrexpres 5 $ 212 $ 1.060 $ 1.261
Coplas reductoras 2 a 1 1/4 Cobrexpres 9 $ 1.549 $ 13.941 $ 16.590
Coplas reductoras 3 a 1/2 Cobrexpres 1 $ 8.000 $ 8.000 $ 9.520
Coplas reductoras 1 a 1/2 Cobrexpres 2 $ 426 $ 852 $ 1.014
Coplas reductoras 2 a 1 1/4 Cobrexpres 1 $ 1.549 $ 1.549 $ 1.843
Coplas reductoras ½ a 2 Cobrexpres 3 $ 1.869 $ 5.607 $ 6.672
Coplas reductoras 1 ¼ a 3 Cobrexpres 2 $ 4.938 $ 9.876 $ 11.752
Aislación de Tuberías y Accesorios Aislación para tubería de 1/2” (tira
de 2 m) Impovar 6 $ 1.640 $ 9.840 $ 11.710
Aislación para tubería de 3/4” (tira de 2 m)
Impovar 18 $ 1.886 $ 33.948 $ 40.398
242
Aislación para tubería de 1” (tira de 2 m)
Impovar 3 $ 2.337 $ 7.011 $ 8.343
Aislación para tubería de 1 1/4” (tira de 2 m)
Impovar 30 $ 2.747 $ 82.410 $ 98.068
Aislación para tubería de 3/8” (tira de 2 m)
Impovar 2 $ 1.435 $ 2.870 $ 3.415
Elementos para equilibrar el Sistema incluye expansión, valvuleria, purgadores y protección del Sistema Vaso de expansión EZL-105 Winter S.A 1 $ 63.886 $ 63.886 $ 76.024
Vaso de expansión EZL -200 Winter S.A 1 $ 139.132 $ 139.132 $ 165.567
Filtro Y de 1 ¼” Winter S.A 4 $ 1.240 $ 4.960 $ 5.902
Filtro Y de ½” Winter S.A 1 $ 1.240 $ 1.240 $ 1.476
Válvula de bola de 1/2” Cobrexpres 8 $ 2.080 $ 16.640 $ 19.802
Válvula de bola de 3/4” Cobrexpres 12 $ 3.210 $ 38.520 $ 45.839
Válvula de bola de 1 1/4” Cobrexpres 17 $ 7.510 $ 127.670 $ 151.927
Válvula de bola de 3/8” Cobrexpres 10 $ 2.000 $ 20.000 $ 23.800
Válvula de seguridad de 3/4” Winter S.A 5 $ 7.400 $ 37.000 $ 44.030
Válvula de seguridad de 1/2” Winter S.A 1 $ 3.800 $ 3.800 $ 4.522
Válvula de retención de 1/2” Winter S.A 1 $ 4.376 $ 4.376 $ 5.207
Válvula de retención de 1 1/4" Winter S.A 4 $ 4.376 $ 17.504 $ 20.830
Purgador de aire de 1/2" Cosmoplas 4 $ 860 $ 3.440 $ 4.094
Válvula Motorizada de CLAPETA de 3 vías de 1/2"
Winter S.A 1 $ 13.248 $ 13.248 $ 15.765
Válvula Mezcladora termostática de 1 1/4"
Winter S.A 1 $ 41.788 $ 41.788 $ 49.728
Elementos de Medida y Control Termostato diferencial solar Winter S.A 1 $ 24.000 $ 24.000 $ 28.560
Termostato diferencial auxiliar Winter S.A 1 $ 24.000 $ 24.000 $ 28.560
Manómetro radial 3/8” Winter S.A 5 $ 1.000 $ 5.000 $ 5.950
Caldera de biomasa Caldera de Biomasa CS-25 Biomass 1 $ 5.067.008 $ 5.067.008 $ 6.029.740
Silo para almacenar biomasa Silo para almacenar biomasa de 2
ton Biomass 1 $ 2.380.000 $ 2.380.000 $ 2.832.200
Tabla 91 Presupuesto Sistema Híbrido (Solar Térmico-Caldera de Biomasa) para el Vivero
243
F.2 Presupuesto Sistema Solar Térmico con Sistema auxiliar de Energía convencional para la Almazara
Concepto Equipo Empresa
distribuidora Unidades Precio
unitario Precio total
Precio total +IVA
Colectores Solares Colector Solar CR-120 Isener 2 295869 591738 $ 704.168
Soporte para Colectores Solares Soporte para techo plano 2
panel Winter S.A 1 $ 126.900 $ 126.900 $ 151.011
Acumulación Solar con Intercambiador de Calor interno Estanque Inter-Acumulador
200 lt Winter S.A 2 344860 689720 $ 820.766
Bombas de circulación Bomba de circulación
GRS15/1.5 Winter S.A 1 $ 18.298 $ 18.298 $ 21.775
Anticongelante Bidón de 10 lts de
Propilenglicol Winter S.A 1 $ 30.000 $ 30.000 $ 35.700
Tuberías y Accesorios Copla de compresión para CU
22mm
Winter S.A 2 $ 2.000 $ 4.000 $ 4.760
Terminal 3/4 para CU 22 mm Winter S.A 2 $ 884 $ 1.768 $ 2.104
Tubería de cobre de 1/4” (largo: 6mt)
Cobrexpres 1 $ 7.110 $ 7.110 $ 8.461
Tubería de cobre de 3/8” (largo: 6mt)
Cobrexpres 2 $ 8.580 $ 17.160 $ 20.420
Tubería de cobre de 1/2” (largo: 6mt)
Cobrexpres 1 $ 12.150 $ 12.150 $ 14.459
Tubería de cobre de 3/4” (largo: 6mt)
Cobrexpres 4 $ 19.680 $ 78.720 $ 93.677
Codo 90° 3/8” Cobrexpres 12 $ 105 $ 1.260 $ 1.499
Codo 90° 1/2” Cobrexpres 4 $ 129 $ 516 $ 614
Codo 90° 3/4” Cobrexpres 13 $ 305 $ 3.965 $ 4.718
Tee 1/2” Cobrexpres 2 $ 252 $ 504 $ 600
Tee 3/4” Cobrexpres 4 $ 627 $ 2.508 $ 2.985
244
Tee 3/8” Cobrexpres 3 $ 190 $ 570 $ 678
Coplas reductoras 3/8” a 3/4" cobrexpres 10 $ 426 $ 4.260 $ 5.069
Coplas reductoras 1/2" a 3/8” cobrexpres 4 $ 136 $ 544 $ 647
Coplas reductoras 3/4" a 1/2" Cobrexpres 7 $ 212 $ 1.484 $ 1.766
Coplas reductoras 3/4" a 1” Cobrexpres 2 $ 412 $ 824 $ 981
copla 3/4” Winter S.A 2 $ 293 $ 586 $ 697
Aislación de Tuberías y Accesorios Aislación para tubería de 1/4”
(tira de 2 m) Safe-energy 3 $ 1.300 $ 3.900 $ 4.641
Aislación para tubería de 3/8” (tira de 2 m)
Impovar 6 $ 1.435 $ 8.610 $ 10.246
Aislación para tubería de 1/2” (tira de 2 m)
Impovar 3 $ 1.640 $ 4.920 $ 5.855
Aislación para tubería de 3/4” (tira de 2 m)
Impovar 12 $ 1.886 $ 22.632 $ 26.932
Elementos para equilibrar el Sistema incluye expansión, valvulería, purgadores y protección del Sistema Vaso de expansión EZL-18 Winter S.A 1 $ 16.783 $ 16.783 $ 19.972
Filtro Y de 3/4” Winter S.A 1 $ 1.240 $ 1.240 $ 1.476
Válvula de bola de 3/8” Cobrexpres 9 $ 2.000 $ 18.000 $ 21.420
Válvula de bola de 1/2” Cobrexpres 4 $ 2.080 $ 8.320 $ 9.901
Válvula de bola de 3/4” Cobrexpres 6 $ 3.210 $ 19.260 $ 22.919
Válvula de seguridad de 1/2” Winter S.A 2 $ 3.800 $ 7.600 $ 9.044
Válvula de seguridad de 3/4” Winter S.A 1 $ 7.400 $ 7.400 $ 8.806
Válvula de retención de 3/4” Winter S,A 1 $ 2.008 $ 2.008 $ 2.390
Purgador de aire de 1/2" Cosmoplas 1 $ 860 $ 860 $ 1.023
Válvula Motorizada de CLAPETA de 3 vías de 1/2"
Winter S.A 1 $ 13.248 $ 13.248 $ 15.765
Válvula Mezcladora termostática de 3/4"
Winter S.A 1 $ 15.520 $ 15.520 $ 18.469
Elementos de Medida y Control Termostato diferencial solar Winter S.A 1 $ 24.000 $ 24.000 $ 28.560
Manómetro radial 3/8” Winter S.A 1 $ 1.000 $ 1.000 $ 1.190
Calefón solar 10 Winter S.A 1 $ 121.116 $ 121.116 $ 144.128
Tabla 92 Presupuesto Sistema Solar Térmico con Sistema auxiliar de Energía convencional para la Almazara
245
G Catalogo de Equipo Principales
G.1 Colectores Solares
Figura 72 Catálogo Colector Solar
246
247
248
Figura 73 Certificación Colector Solar
249
G.2 Estanques Acumuladores
Figura 74 Catálogo Estanques Acumuladores
250
Figura 75 Catálogo Estanque Inter acumuladores
251
G.3 Intercambiador de Calor
Figura 76 Catálogo Intercambiador de calor
252
G.4 Caldera de Biomasa
253
Figura 77 Catálogo Caldera de Biomasa
254
G.5 Calefón Solar
Figura 78 Catálogo calefón Solar
255
G.6 Bombas de Circulación
Figura 79 Bomba de circulación GRS32/10F
256
Figura 80 Bomba de circulación GRS15/6
257
Figura 81 Bomba de circulación GRS15/1.5
258
H Flujo de Caja del Analisis de Rentabilidad Economica H.1 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 1
259
Tabla 93 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 1
260
H.2 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 2
261
Tabla 94 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 2
262
H.3 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 3
263
Tabla 95 Análisis de Rentabilidad Económica Financiado con Suposición 3
264
I Esquema instalaciones de EERR en Agroindustria
Figura 82 Campo de Colectores Solares para el Vivero
265
Figura 83 Esquema de la instalación de EERR en el Vivero
266
Figura 84 Campo de Colectores Solares para la Almazara
267
Figura 85 Esquema de instalación de EERR en la Almazara
