Proyecto Fin de Carrera Ingeniería...

Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial

Estudio de integración de instalaciones de ciclo orgánico de Rankine en aplicaciones residenciales

Autor: Juan Antonio Méndez Díaz

Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez

Dep.Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial

Estudio de integración de instalaciones de ciclo

orgánico de Rankine en aplicaciones residenciales

Autor:

Juan Antonio MéndezDíaz

Tutor:

Ricardo ChacarteguiRamírez

Profesor titular

Dep. de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla Sevilla, 2015

v

Proyecto Fin de Carrera: Estudio de integración de instalaciones de ciclo orgánico de Rankine en aplicaciones residenciales

Autor: Juan Antonio MéndezDíaz

Tutor: Ricardo ChacarteguiRamírez

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2015

vi

El Secretario del Tribunal

vii

A mi familia

A mis maestros

ix

Resumen

En este documento se trata de analizar la viabilidad de la aplicación para uso residencial de instalaciones que se componen de sistemas que utilizan un ciclo orgánico de Rankine (ciclo ORC) para la generación de energía eléctrica.

Mientras que en las instalaciones con ciclo convencional de Rankine el fluido de trabajo es el agua, en instalaciones de ciclo orgánico el fluido de trabajo es un fluido de alto peso molecular y punto de ebullición inferior al agua. Esta característica permite obtener la energía necesaria para completar el ciclo desde fuentes de calor a baja temperatura.

La producción de energía eléctrica mediante ciclo ORC presenta ventajas desde el punto de vista del tamaño y posible localización de la instalación, la fiabilidad de sus elementos y el mantenimiento. Además, la generación de energía eléctrica mediante instalaciones de ciclo ORC presenta mejores rendimientos de producción a escala relativamente pequeña en comparación con las plantas degeneración eléctrica mediante ciclo Rankine convencional.

Durante el desarrollo del proyecto se han modelado 2 instalaciones independientes en las que se ha intentado analizar y presentar su comportamiento en función de los diferentes parámetros de operación del circuito, proponiéndose márgenes de funcionamiento adecuados a las características propias de cada instalación.

Se compara además el comportamiento según dos emplazamientos con condiciones climatológicas distintas para las instalacionesalcanzándose una visión objetiva de la tecnología analizada.

Por otra parte se establecen diferentes hipótesis para el almacenamiento de energía pudiéndose configurar instalaciones de funcionamiento eléctrico autónomo en las que no es necesario el abastecimiento de electricidad por parte de la red eléctrica e instalaciones de funcionamiento semiautónomo en las que se completa el consumo de energía cuando es necesario mediante el abastecimiento de la red. De esta forma se presenta un análisis energético profundo desde el punto de vista cuantitativo y cualitativo.

Un aspecto fundamental en el desarrollo de una nueva tecnología es su viabilidad económica. Es necesario cuantificar de manera precisa el coste que puede alcanzar cada uno de los elementos que componen la instalaciónasí como medir los beneficios que produce la integración de este tipo de instalaciones en su uso residencial para obtener, mediante indicadores económicos de rentabilidad, resultados que nos ayuden a elegir entre las diferentes hipótesis de almacenamiento, emplazamiento o configuración presentadas.

Por último se presentan hipótesis del comportamiento global futuro de la economía analizándose las instalaciones desde el punto de vista de descenso en el coste de los elementos de la instalación o de incremento en el precio de la electricidad.

Además se presentan una comparativa entre las dos instalaciones presentando sus diferencias funcionales, ventajas e inconvenientes.

Por todo ello, este proyecto pretende presentar una perspectiva completa y desde un punto de vista objetivo de la integración en aplicación residencial de instalaciones que utilizan sistemas de generación eléctrica mediante la utilización del ciclo orgánico de Rankine.

x

Abstract

This document try to analyze the feasibility for residential facilities of installation through systems using an organic Rankine cycle (ORC cycle) for the generation of electricity.

While in conventional Rankine cycle systems the working fluid is water, organic cycle installations working fluid is a fluid which has an high molecular weight and a lower boiling point than water. This feature allows for the energy to complete the cycle from low temperatures heat sources.

The production of electrical energy by ORC cycle has advantages from the point of view of size and possible location of the installation, the reliability of its elements and maintenance. Moreover, the generation of electricity by ORC cycle has better production yields on relatively small scale compared to power plants using conventional Rankine cycle.

During the project has been modeled 2 independent installations that have attempted to analyze and present their behavior as a function of different operating parameters of the circuit, proposing suitable margins to the specific characteristics of each facility operation.

Behavior was also compared in two places with different climatic conditions for installations reaching an objective view of technology analyzed.

Moreover different hypotheses are established for energy storage. It is possible to configure autonomous power plants operating in the electricity supply from the mains and semiautonomous power plants in which energy consumption is completed by the mains. Therefore a deep energy analysis is presented from the point of quantity and quality.

A key aspect in the development of a new technology is economic viability. It is necessary to quantify the cost which can reach each of the elements of the installation and measure the benefits produced by the integration of such facilities for residential use by economic indicator of profitability, results that we help choose between different hypotheses storage, installation or configuration presented.

Finally hypothesis overall performance of the economy analyzing future installations from the point of view of decrease in the cost of elements or increase in the price of electricity are presented.

Furthermore a comparison between the two facilities presenting their functional differences, advantages and disadvantages are presented.

Because of this, this project aims to present a complete perspective and from an objective point of integration in residential application installations using power generation systems using organic Rankine cycle view.

xi

Índice

Agradecimientos ¡Error! Marcador no definido.

Resumen ix

Abstract x

Índice xi

Índice de Tablas xiii

Índice de Figuras xvi

Notación xviii

1 Instroduccion 11

2 Instalacion termosolar de produccion de potencia y agua sanitaria 13

2.1. Descripcion de la instalacion 15

2.2. Descripcion del modelo 17

2.3. Margenes de operación de la instalacion 26

3 Analisis de funcionamiento 27

4 Comparativa según modalidad de utilizacion 41

5 Analisis economico 46

5.1. Almacenamiento mediante acumulador de calor 46

5.2. Almacenamiento mediante bateria 48

5.3.Almacenamiento mediante bateriay grupo electrogeno 49

5.4. Balance electrico neto 51

6 Analisis de inversion economica 56

6.1. Funcionamiento autonomo 57

6.2. Funcionamiento semiautonomo 64

6.3.Analisis de tendencia 71

7 Instalacion termosolar de produccion de potencia y modod de funcionamiento modod de calor 90

7.1. Descripcion de la instalacion 90

7.2. Descripcion del modelo 93

7.3. Margenes de operación de la instalacion 100

7.4. Validacion del modelo 101

8 Analisis de funcionamiento en modo produccion de potencia 104

9 Analisis de funcionamiento en modo bomba de calor 111

10 Comparativa entre instalaciones 115

11 Analisis economico 120

11.1. Almacenamiento mediante acumulador de calor 119

11.2. Almacenamiento mediante bateria 121

5.3.Almacenamiento mediante bateriay grupo electrogeno 121

5.4. Balance electrico neto 122

xii

12 Analisis de inversion economica 126

12.1. Funcionamiento autonomo 127

12.2. Funcionamiento semiautonomo 133

13 Comparativa entre instalaciones 141

14 Conclusiones 149

xiii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1- Radiacion solar mensual 15

Tabla 2- Potencia absorbida en el colector 24

Tabla 3- Margenes de operación de la instalacion A 27

Tabla 4-- Potencia desarrollada en función de la presión/temperatura de evaporacion 31

Tabla 5- Potencia absorbida-Potencia turbina-Potencia bomba-Caudal refrigerante 34

Tabla 6- Parametros de operacion 35

Tabla 7- Parametros intercambiador de calor 40

Tabla 8- Dimensionamiento intercambiador de calor 40

Tabla 9- Numero de placas 41

Tabla 10- Diferencia absoluta de absorción entre emplazamientos 43

Tabla 11- Produccion de potencia en distintos emplazamientos 44

Tabla 12- Potencia horaria producida 46

Tabla 13- Estimación de consumo ACS 50

Tabla 14- Coste almacenamiento mediante batería y grupo electrogeno 53

Tabla 15- Energia producida según modo de funcionamiento autonomo en Sanlucar 54

Tabla 16- Energia producida según modo de funcionamiento autonomo en Santiago 55

Tabla 17- Coste de elementos de la instalacion autonoma 59

Tabla 18- Balance neto sanlucar 61

Tabla 19- Balance neto santiago 62

Tabla 20- Resumen de consideraciones en instalacion A 63

Tabla 21- Resultados económicos 65

Tabla 22- Energia producida en funcinamiento semiautonomo 66

Tabla 23- Potencia horaria producida funcionamiento semiautonomo 67

Tabla 24- Balance neto funcionamiento semiautónomo Sanlucar 68

Tabla 25- Balance neto funcionamiento semiautónomo Sanlucar .69

Tabla 26- Coste de instalacion semiautonoma 70

Tabla 27- VAN/TIR 79

Tabla 28- VAN/TIR (10 años) 78

Tabla 29- VAN/TIR 82

Tabla 30- Evolucion TIR para distintos descensos de coste de la instalacion 84

Tabla 30- Evolucion TIR para distintos descensos de coste de la instalacion 85

Tabla 31- Coste elementos almacenamiento en bateria 89

Tabla 32- Radiacion solar mensual 93

Tabla 33- Margenes de operación de la instalacion B en modo ORC 100

xiv

Tabla 34- Margenes de operación de la instalacion B en modo ORC .101

Tabla 35- Validacion del modelo 101

Tabla 36- Error en la validacion 103

Tabla 37- Parametros de operacion de la instalacion B 103

Tabla 38- Error en la validacion en modo bomba de calor 103

Tabla 39- Parametros y resultados de operación 105

Tabla 40- Parametros de operacion 108

Tabla 41- Propiedades intercambiador de calor 110

Tabla 42- Propiedades intercambiador de calor-2 110

Tabla 43- Numero de placas intercambiador 110

Tabla 44- Potencia compresor frente al calor absorbido en el colector 111

Tabla 45- Condiciones de operacion 112

Tabla 46- Diferencia absoluta entre emplazamientos 115

Tabla 47- Potencia mensual producida 116

Tabla 48- Produccion horaria de potencia en modo ORC 117

Tabla 49- Coste elementos de almacenamiento mediante bateria 122

Tabla 50- Balance neto mensual en Sanlucar 123


Tabla 52- Coste de elementos en funcionamiento autonomo 127

Tabla 53- VAN según modalidad de almacenamiento 128

Tabla 54- Balance neto mensual en modo autónomo en Sanlucar 129

Tabla 55- Balance neto mensual en modo autónomo en Santiago 129

Tabla 56- VAN según enplazamiento 131

Tabla 57- TIR según emplazamiento 131

Tabla 58- Resumen de condiciones de operacion 132

Tabla 59- Indicadores económicos según modalidad de almacenamiento 132

Tabla 60- Produccion de potencia mensual en funcionamiento semiautonomo 133

Tabla 61- Produccion horaria de potencia 135


Tabla 63- ance neto mensual en Santiago 137

Tabla 64- Coste de los elementos en funcionamiento semiautonomo 138

Tabla 65- VAN según emplazamiento 138

Tabla 66- TIR según emplazamiento 139

Tabla 67- Temperatura de evaporación de refrigerantes 141

Tabla 68- Propiedades de refrigerantes en el condensador 142

Tabla 69- Potencia de la bomba 141

Tabla 70- Propiedades de refrigerantes en el condensador 142

Tabla 71- Parametros de operación de instalaciones 143

Tabla 72- Potencia desarrollada en el expansor 143

xv

Tabla 73- Gasto masico de refrigerante 144

Tabla 74- Comparativa entre refrigerantes 139

Tabla 75- Comparativa entre refrigerantes en instalacion B 139

xvi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1- Diagrama de operación de la instalacion A 15

Figura 2- Diagrama temperatura-entropia del ciclo organico de Rankine 17

Figura 3- Diagrama de procesos de Instalacion A 17

Figura 4- Modelo del expansor 18

Figura 5- Intercambiador de calor 21

Figura 6- Perdidas en colector solar 23

Figura 7- Colector solar 23

Figura 8- Diagrama energético de colector solar 24

Figura 9- Condiciones de operación Instalacion A 28

Figura 10- Potencias desarrollada y consumida en función de la absorbida en el colector 29

Figura 11- Potencia desarrollada frente a calor absorbido (10 bar) 30

Figura 12- Potencia desarrollada en función de la presión/temperatura de evaporacion 32

Figura 13- Potencia desarrollada en función de relaciónes de compresión y volumenes 33

Fig. 14- Potencia desarrollada en función de relaciónes de compresión para distintos caudales 34

Figura 15- - Potencia absorbida en el colector frente a caudal de refrigerante 35

Figura 16- Temperatura en función de apertura de bypass 1 36

Figura 17- Temperatura en función de apertura de bypass 2 37

Figura 18- - Temperatura en función de la potencia absorbida 37

Figura 19- Potencia desarrollada en función de rendimiento del expansor 38

Figura 20- Transmision de calor en el evaporador 39

Figura 21- Area del colector frente a potencia absorbida 43

Figura 22- Uso combinado (ACS+ORC) 44

Figura 23- Uso exclusivo como sistema ORC 45

Figura 24- Produccion horaria de potencia 46

Figura 25- Acumulador de calor 53

Figura 26- Balance eléctrico neto 54

Figura 27- Uso exclusivo como sistema ORC 66

Figura 28- Produccion horaria de potencia 67

Figura 29- Evolucion VAN con precio electricidad constante 71

Figura 30- Evolucion VAN con incremento 5% precio electricidad 73

Figura 31- Evolucion VAN para distintos incrementos del precio electrico 74

Figura 32- Evolucion TIR con 5% de incremento anual precio electrico 76

Figura 33- Evolucion TIR con distintos incrementos anuales del precio electrico 78

Figura 34- Evolucion VAN para 15% descenso del coste de instalacion 80

xvii

Figura 35- Evolucion TIR para 15% descenso del coste de instalacion 81

Figura 36- Evolucion VAN para distintos descensos de coste de la instalacion 83

Figura 37- Evolucion TIR para distintos descensos de coste de la instalacion 84

Figura 38- Evolucion VAN 85

Figura 39- Evolucion TIR 85

Figura 40- VAN-Inversion inicial 86

Figura 41- VAN-Precio colector solar 87

Figura 42-VAN-Precio bateria 89

Figura 43- Diagrama de operación ciclo ORC 91

Figura 44- Diagrama de operación Bomba de calor 91

Figura 45- Diagrama de operación en almacenamiento de calor 92

Figura 46- Propiedades refrigerante R-134a 93

Figura 47- Diagrama temperatura-entropia 93

Figura 48- Funcionamiento como ciclo ORC 95

Figura 49- Modelo del expansor 96

Figura 50- Diagrama de operación 98

Figura 51- Modelo del compresor 98

Figura 52- Potencia desarrollada- Temperatura de evaporador 104

Figura 53- Potencia desarrollada frente a caudal de refrigerante 106

Figura 54- Potencia en el expansor frente a presión en evaporador 107

Figura 55- Potencia desarrollada frente a rendimiento en el expansor 108

Figura 56- Transmision de calor en el evaporador 109

Figura 57- Transmision de calor en el condensador 109

Figura 58- Potencia de compresión frente a caudal de refrigerante 111

Figura 59- Potencia del condensador frente a rendimiento del compresor 112

Figura 60- Transmision de calor en el evaporador en modo bomba de calor 113

Figura 61- Transmision de calor en el evaporador en modo bomba de calor 113

Figura 62- Potencia absorbida-Area de colector solar 114

Figura 63- Produccion de potencia en modo ORC 117

Figura 64- Potencia absorbida horaria en el colector 118

Figura 65- Produccion horaria de potencia en modo ORC 119

Figura 66- Acumulador de calor 119

Figura 67- Calor absorbido en el colector 134

Figura 68- Produccion menusal de potencia 134

Figura 69- Diagramas de operación de las instalaciones 139

Figura 70- Comparativa entre refrigerantes 145

Figura 71- Potencia desarrollada en función de presión en el evaporador 145

Figura 72- Comparativa entre refrigerantes en instalacion B 146

Figura 73- Presion frente a temperatura en el evaporador 147

xviii

Notación

InstalaciónA

Instalacion B

Mwf Gasto másico de refrigerante

Msc Gasto másico del circuito de colector solar

Mbp1 Gasto másico introducido en el primer bypass

Mbp2 Gasto másico introducido en el segundo bypass

Mad Gasto másico de agua para uso domestico

Tbp Temperatura entre las válvulas de bypass

Tec Temperatura de entrada al colector solar

Tsc Temperatura de salida del colector solar

Tea Temperatura de entrada del agua doméstica en el intercambiador

Tsa Temperatura de salida del agua doméstica en el intercambiador

Mwf Gasto másico de refrigerante

Msa Gasto másico del circuito de colector solar

Mgh Gasto másico del circuito de agua de radiadores domésticos en modo ORC

Mhs Gasto másico del circuito de agua de radiadores domésticos en modo bomba de calor

T1sa Temperatura de entrada al colector solar

T2sa Temperatura de salida del colector solar

T1gh Temperatura de entrada del agua de radiadores domésticos en modo ORC

T2gh Temperatura de salida del agua de radiadores domésticos en modo ORC

T1sa Temperatura de entrada del agua de radiadores domésticos en modo bomba de calor

T2sa Temperatura de salida del agua de radiadores domésticos en modo bomba de calor

1 INTRODUCCIÓN

l objetivo de este estudio es analizar la viabilidad y rango de operación de dos instalaciones compuestas de varios circuitos termodinámicos que utilizan un ciclo orgánico de Rankine para la producción de energía eléctrica. Ambas instalaciones se aplican en uso residencial integrándose en una vivienda y

haciendo producir la energía consumida de forma autónoma o semiautónoma.

El ciclo orgánico de Rankine (ciclo ORC a partir de ahora) es una modificación del ciclo de Rankine convencional en la que el fluido utilizado es un fluido de alto peso molecular y cuyo punto de ebullición debe ser menor a 100 ºC, de esta forma se puede instalar este sistema de generación en fuentes de energía de un nivel relativamente bajo de temperaturas.

La energía se produce mediante circuitos binarios en los cuales se transmite energía por medio de intercambiadores de calor a las diferentes partes de la instalación.

Debido al menor rango de temperaturas necesario para su instalación, la tecnología ORC encuentra entre sus aplicaciones el aprovechamiento de energía solar, geotérmica de baja temperatura o recuperación de calor residual

La integración de un ciclo orgánico de Rankine con una planta solar permite la producción de electricidad mediante una conversión termodinámica. El potencial de un ORC es enorme, la utilización de un ciclo ORC en instalaciones solares permite obtener ventajas con respecto a los métodos convencionales de generación mediante vapor de agua:

• Permite mejores resultados en menor escala de potencia generada • El tamaño compacto de la unidad ORC hace más fácil la detección de la ubicación adecuada para la

obtención de la planta en un periodo más corto de tiempo • La unidad ORC ofrece una mayor fiabilidad y facilidad de uso y mantenimiento que las plantas

termosolares convencionales

Las razones expuestas anteriormente hacen que las instalaciones ORC que hacen uso de la energía solar se conviertan en una interesante opción para la producción de potencia eléctrica a pequeña escala pudiendo cubrir de forma totalmente autónoma o semiautónoma la demanda energética de una vivienda.

Es interesante, por tanto, analizar la viabilidad de utilizar una instalación que produce energía mediante ciclo orgánico de Rankine en aplicaciones residenciales desde un punto de vista tecnológico y económico.

La viabilidad tecnológica viene determinada por la capacidad de la instalación para cubrir la demanda energética requerida por una vivienda teniendo en cuenta además el tamaño de los componentes de la instalación y su integración en el edificio.

Desde el punto de vista económico se evalúa la viabilidad de la instalación mediante varios indicadores de rentabilidad que cuantifican los costes del sistema y periodos de amortización en función de diversos parámetros como la inversión inicial, tipo de interés o el ahorro económico que supone la utilización de la instalación.Además se presentan varios escenarios futuros posibles consiguiéndose así una visión global de lo que puede aportar la integración de esta tecnología en usos residenciales.

Mediante la realización de balances energéticos en las diferentes etapas del ciclo orgánico de Rankine y analizando termodinámicamente los agentes que intercambian energía con el fluido de trabajo se consiguen

E

12

definir los flujos energéticos que se producen en la instalación. De esta forma se consigue modelar el funcionamiento de la instalación permitiéndonos obtener una herramienta mediante la cual podemos obtener interesantes análisis cualitativos y cuantitativos del funcionamiento de la instalación ORC para producción de potencia doméstica.

El modelado de la instalación permite variar las condiciones atmosféricas con las que interactúa el sistema pudiendo comprobar cómo se comporta en diferentes localizaciones geográficas introduciendo datos climatológicos del emplazamiento seleccionado. Además a través del establecimiento de diferentes parámetros asociados al funcionamiento de la instalación se consigue una regulación de las condiciones de carga óptimas para un funcionamiento con un rendimiento que se sitúa en márgenes aceptables.

La resolución de los modelos de la instalación se ha realizado con ayuda del software EngineeringEquationSolverpermitiendo, de esta forma, introducir una gran cantidad de parámetros y variables en los modelos para obtener un resultado que se aproxime al comportamiento real de una instalación de este tipo.

Por otra parte se presentan diferentes configuraciones y escenarios económicos para llevar a cabo la instalación analizándose la rentabilidad y viabilidad tecnológica del almacenamiento de la energía eléctrica producida por la instalación para su posterior consumo comparándose los resultados obtenidos en una instalación de funcionamiento autónomo y semiautónomo.

Una vez analizada la viabilidad energética y tecnológica de las instalaciones presentadas se realiza un análisis atendiendo a criterios económicos en el que se tiene en cuenta el coste de inversión de cada instalación así como los periodos de amortización y retorno de la inversión que permiten conocer el potencial económico que presentan las instalaciones que utilizan el ciclo orgánico de Rankine para la producción energética en función de los diferentes posibles escenarios económicos que podemos encontrar en el futuro.

Para ello se han realizado hipótesis de incrementos del precio de la electricidad o de descenso del precio de los elementos que componen la instalación. Estas hipótesis aportan una perspectiva del potencial económico de este tipo de instalaciones.

Durante el transcurso de este texto se analizaran de forma independiente dos instalaciones que utilizan de forma diferente el ciclo orgánico de Rankine para posteriormente presentarse la comparación y conclusiones derivadas del estudio de comportamiento de ambas en diferentes situaciones. A partir de este tipo de análisis en diferentes escenarios geográficos, económicos y diferentes configuraciones de funcionamiento se consigue una visión cualitativa y cuantitativa del comportamiento de este tipo de instalaciones.

Por todo lo anteriormente expuesto el documento que se presenta a continuación pretende ofrecer una referencia de viabilidad tecnológica, termodinámica y económica de la utilización del ciclo orgánico de Rankine para la producción de energía eléctrica a pequeña y media escala.

13

2 INSTALACIÓN TERMOSOLAR DE PRODUCCIÓN

DE POTENCIA Y AGUA CALIENTE SANITARIA

(INSTALACIÓN A)

L a aplicación de la tecnología termosolar para la producción de agua caliente sanitaria a escala domestica

esta considerablemente extendida en la actualidad.

Por otra parte el uso de tecnología termosolar para la producción de energía eléctrica en plantas de generación se está desarrollando rápidamente a escala industrial en instalaciones termosolares que alcanzan producción de varios megavatios potencia eléctrica mediante el uso de un ciclo de Rankine convencional.

En este proyecto se plantea analizar su estudio en dos instalaciones de aplicación doméstica. En este apartado se analiza una instalación de generación simultánea de agua caliente sanitaria y electricidad.

2.1 Descripcion de la instalación

En esta instalación se trata de establecer la viabilidad de la utilización de la tecnología termosolar de forma combinada para la producción de potencia eléctrica a escala doméstica y el suministro de calor para el correcto funcionamiento de una instalación de agua caliente sanitaria. Por tanto, se realiza en primera instancia una selección de los elementos necesarios que nos permitan la utilización de la instalación para obtener ambas finalidades.

Posteriormente se analizara la respuesta en el comportamiento de un ciclo orgánico de Rankine según los diferentes parámetros que podemos operar para conseguir distintos resultados.

Para realizar un correcto análisis del funcionamiento de la instalación se deben tener en cuenta todas las variables y estados intermedios que le afectan. En la siguiente figura se presenta el diagrama de procesos de la instalación y la nomenclatura de las variables elegidas para el posterior análisis en cada una de los estados del ciclo:

14

Fig.1- Diagrama de operación de la instalación A

El colector solar recibe energía en forma de radiación solar (KJ/m2), este parámetro varía en función del emplazamiento, siendo un factor importante en el dimensionamiento de los elementos que componen la instalación.

La potencia absorbida en el colector solar es función de la radiación solar global y la superficie del colector.

En este proyecto se ha planteado el análisis para dos ubicaciones con características climáticas diferentes

Mediante la información obtenida de la Agencia Meteorológica de Galicia y la Agencia Andaluza de la Energía se ha analizado la radiación solar en dos ciudades con características climatológicas distintas, de esta forma se puede comprobar la influencia especifica de este parámetro en el dimensionamiento de la instalación. Las ciudades elegidas para el análisis son Sanlúcar la Mayor (Sevilla) y Santiago de Compostela (A Coruña), a partir de los datos de radiación diaria a lo largo de un año se ha realizado una media mensual de la radiación en ambas ciudades:

Radiación Solar (KJ/m2·dia)

Mes Sanlúcar la Mayor Santiago

Enero 9243,33 4410

Febrero 11460 7220

Marzo 16950 9150

Abril 20120 16580

Mayo 25660 19600

Junio 26753,33 19820

Julio 28093,33 22400

Agosto 25280 21260

15

Septiembre 19823,33 14550

Octubre 13420 8800

Noviembre 9560 6010

Diciembre 7703,33 5230

Tabla 1- Radiación solar mensual

Se analizara la viabilidad y rentabilidad de la instalación de la instalación según el emplazamiento elegido.

2.2 Descripción del modelo

Atendiendo al diagrama de procesos de la figura 1 se pueden identificar 4 circuitos que forman parte de la instalación: circuito de refrigerante, circuito de agua que atraviesa el colector solar, circuito de agua de refrigeración del condensador y circuito de agua para uso doméstico.

El circuito refrigerante funciona según el ciclo orgánico de Rankine (ORC). Este ciclo es una modificación del ciclo de Rankine convencional (Agua/Vapor) en la que el fluido utilizado es un fluido orgánico de alto peso molecular. Se trata de una tecnología para la producción de energía eléctrica a partir de fuentes de energía de bajo nivel de temperaturas.

Debido a sus buenas condiciones de adaptación a circuitos ORC el fluido elegido es el refrigerante R-245fa, se trata de un fluido orgánico llamado pentafluoropropano (CF3CH2CHF2) cuyas propiedades son las siguientes:

Propiedades refrigerante R-245fa

Peso molecular 134,03 g/mol

Punto de ebullición 15,3 ºC

Densidad (20ºC) 1320 kg/m3

Viscosidad 0,226 cP

Capacidad calorífica 1,51 ��

��·�

El refrigerante se vaporiza en el evaporador mediante un intercambiador de calor con el circuito de agua que pasa por el colector solar. El refrigerante en fase de vapor atraviesa un dispositivo expansor extrayendo su energía. Posteriormente pasa por un intercambiador de calor donde se condensa volviendo a su estado líquido. Por último se bombea de nuevo hacia el evaporador cerrando de esta forma el ciclo.

Debido a las propiedades físicas del fluido orgánico, la expansión del vapor saturado no conduce a la zona de vapor húmedo, sino que queda en la zona de vapor sobrecalentado como se aprecia en el siguiente diagrama.

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Fig.2- Diagrama temperatura-entropía del ciclo orgánico de Rankine

La utilización de un ciclo ORC tiene ventajas con respecto a la utilización del ciclo Rankine convencional relacionadas con el dispositivo expansor:

• Alta eficiencia • Posibilidad de operar a cargas parciales en un rango entre el 30% y plena carga • Bajas tensiones mecánicas debidas a baja velocidad periférica • Rango de bajas velocidades de giro que pueden permitir la transmisión directa del generador eléctrico

sin engranaje de reducción • Se evita la erosión de los elementos del expansor debido al sobrecalentamiento del vapor a la salida

del expansor y por tanto la ausencia de humedad

El líquido refrigerante pasa por 4 estados termodinámicos, a continuación se presentan el diagrama de procesos del circuito refrigerante y de la instalación completa:

Fig.3- Diagrama de procesos de Instalación A

Atendiendo a la nomenclatura para las variables expuesta en el diagrama de procesos de la instalación se realiza un balance termodinámico en los 4 elementos constitutivos del ciclo del refrigerante. Se detalla a continuación la caracterización de los diferentes elementos que componen la instalación.

2.2.1 Bombahidraulica

La bomba se caracteriza mediante el volumen de fluido barrido y el rendimiento isentrópico. El rendimiento isotrópico es debido a las perdidas mecánicas que producen irreversibilidades internas en el proceso de bombeo. El volumen de fluido desplazado por la bomba se relaciona con el flujo másico mediante el volumen específico del fluido en las condiciones de operación

17

�� = �� · M �

La potencia eléctrica consumida por la bomba se puede obtener a partir del balance de estados termodinámicos a la entrada y salida

Ẇ�� = M � · (h� − h�)

El rendimiento isentrópico se obtiene comparando la potencia consumida por la bomba con la potencia consumida por la bomba suponiendo que el proceso de bombeo se realiza a entropía constante

ɳ�� = ℎ�� − ℎ�ℎ� − ℎ�

2.2.2 Expansor

Para el análisis del expansor se caracteriza el proceso de expansión del fluido en dos fases dentro del elemento expansor. Una primera fase a entropía constante y una segunda fase a volumen constante. Para el modelado del comportamiento del expansor nos basamos en las investigaciones de Winandy, más concretamente en el modelo propuesto por (V.Lemort et al 2009) que desarrolla el modelo que aparece en la publicación(Winandy et al. 2002b). La representación del modelo se expone a continuación en la siguiente figura

Fig.4 – Modelo del expansor(Fuente:Sustainable Energy Conversion Through the use of Organic Rankine Cycles for Waste

Heat Recovery and Solar Applications, Sylvain Quoilin)

En el proceso de expansión aparecen perdidas de calor y perdidas de flujo por fugas. El flujo interno (Min) es la diferencia entre el flujo que llega al expansor (Msu) y las fugas (Mleak). El flujo interno también puede definirse como el flujo volumétrico (Vexp) dividido entre el volumen especifico del fluido en las condiciones de operación del expansor (vsu2)

M�� = �� − �� = �� !��

Por otra parte, en el modelo del expansor se consideran pérdidas de calor en el proceso de succión del expansor y en el proceso de descarga una vez el fluido ha atravesado el expansor. Se produce por tanto un enfriamiento del fluido en la succión (Qsu) y un calentamiento en la descarga una vez finalizado el proceso de

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expansión (Qex). También se producen perdidas debido a la diferencia de temperaturas entre el ambiente y el expansor, llamamos a estas pérdidas Qamb. Para calcular la potencia perdida en el proceso de expansión debido a las pérdidas de calor (Wperd) se realiza un balance termodinámico obteniéndose:

"!�#$ = %� + %�� − %��

Winandy también mostraba que la potencia perdida debido a las pérdidas se puede expresar como una función del par de giro del expansor (Tm) y de la velocidad de rotación (Nexp)

"!�#$ = 2 · ( · )� · *� !

La potencia producida por la turbina es la suma de la potencia desarrollada a entropía constante (Wscte) y la potencia desarrollada a volumen constante (Wvcte) pudiendo escribirse como

Ẇ� !��# = M�� · (w� -.� − w/ -.�) = M�� · ((h�� − h��) + �� · (p�� − p� �))

Donde el subíndice “in” denomina el estado intermedio en el expansor entre la expansión a volumen constante y a entropía constante.

La relación de volúmenes es la relación entre el volumen específico a la salida y a la entrada del expansor, se debe señalar que los estados “ex” y “su” en el esquema del expansor corresponden con los estados 4 y 3 del ciclo ORC respectivamente:

1/ = ��

= �2�3

Del mismo modo se define la relación de presiones:

1! = 4� 4��

= 4243

Por último la potencia eléctrica producida por el expansor se calcula mediante un balance termodinámico completo a la salida y entrada, siendo su rendimiento isentropico (en el que se tienen en cuenta irreversibilidades y pérdidas de calor) la comparación entre la potencia real producida y la potencia si la expansión se realizara a entropía constante:

Ẇ� !��# = M � · (h2 − h3)

ɳ� !��# = ℎ2 − ℎ3ℎ2� − ℎ3

2.2.3 Dimensionamiento de intercambiadores de calor[3]

El tipo de intercambiador de calor adecuado para las presiones y temperaturas de operación del ciclo es el intercambiador de placas (SylvainQuoilin, SustainableEnergyConversionthroughthe use of organicRankineCycles, Liege 2011)

El dimensionamiento de los intercambiadores se realiza mediante el método de la diferencia media logarítmica de temperaturas. La diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) es usada para determinar la fuerza que impulsa la transferencia de calor en sistemas de flujo:

5)6� = ∆)��.#$ − ∆)��$ln ∆:;<=>?@?

∆:A?BC@?

Se trata de la media logarítmica de la diferencia de temperatura entre los arroyos calientes y fríos en cada extremo del intercambiador. Cuanto mayor sea el DTLM, más calor se transfiere.

El calor transferido en un intercambiador de calor se relaciona con la DTLM mediante la siguiente expresión:

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Q = U · A · DTLM

Donde Q es el intercambio de calor (W), U es el coeficiente de transferencia de calor (W/K·m2) y A es el área de intercambio (m2).

El coeficiente global de transferencia de calor es un factor que determina la cantidad de calor intercambiada entre dos superficies. Este factor está relacionado con el coeficiente de película de ambos fluidos. El coeficiente de película (h) cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección.

El coeficiente de película depende de múltiples parámetros relacionados con el flujo del fluido a través

del cual se da la convección:

• del tipo de convección (forzada o natural)

• del régimen del fluido (laminar o turbulento)

• de la velocidad del flujo

• de la viscosidad del fluido,

• de la densidad del fluido,

• de la conductividad térmica del fluido,

• del calor específico del fluido.

• del coeficiente de dilatación del fluido,

• de la forma de la superficie de intercambio

• de la rugosidad de la superficie de intercambio

• de su temperatura,

• de si el derrame es interior o exterior,...

Las formas clásicas de estimarlo se basan en el empleo de correlaciones de números adimensionales.

El número de Nusselt es un paramento adimensional que mide el aumento de la transmisión de calor por convección desde la superficie por la que discurre el fluido comparándola con la transferencia de calor si ocurriera por conducción. Existen numerosas formas de obtener el valor de este parámetro mediante correlaciones pero su expresión general se relaciona con la conductividad térmica (kf), el coeficiente de película (h) y una dimensión (L) que es la relación entre el volumen y la superficie de transmisión.

*J = ℎ · 6K�

Entre las correlaciones que existen para la estimación del número de Nusselt se escoge la correlación de

Churchill&Chu debido a las características del intercambiador. Esta correlación expresa el número de

Nusselt como función del número de Prandlt (Pr) y del número de Rayleigh (Ra):

*J = (0.825 + 0,387 · ST� UV

1 + ((0,492 41V )Z �U⁄ )\ �]⁄ )�

El Número de Prandlt (Pr) relaciona la viscosidad del fluido y la difusividad térmica. El número de Prandlt es bajo cuando la conducción de calor es efectiva en comparación a la convección, pero cuando la convección es más eficiente transfiriendo calor en comparación con la conducción, el número de Prandtl es alto:

20

41 = ^! · _K

Siendo “_” la viscosidad del fluido y “k” la conductividad térmica

El Número de Rayleigh (Ra) de un fluido es un número adimensional asociado con la transferencia de

calor en el interior del fluido. Cuando el número de Rayleigh está por debajo de un cierto valor crítico, la

transferencia de calor se produce principalmente por conducción; cuando está por encima del valor

crítico, la transferencia de calor se produce principalmente por convección. El número de Rayleigh se

puede expresar entre otras formas como el producto del número de Grashof (Gr) y el número de Prandlt

ST = 41 · `1

El Número de Grashof (Gr) es un número adimensional que se utiliza en mecánica de fluidos para

expresar la proporcionalidad entre las fuerzas de flotación y las fuerzas viscosas que actúan en un fluido.

Su definición general es:

`1 = a · b · ()� − )��) · 63

��

Donde b es el coeficiente de expansión térmica, Ts es la temperatura de la superficie, L es la longitud

característica y v es la viscosidad cinemática.

En este caso la longitud característica (L) es la longitud de la placa del intercambiador, esta expresión además

aparece la conductividad térmica (k) del fluido.

Fig.5- Intercambiador de calor(Fuente: http://www.tranter.com)

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Una vez estimado el coeficiente de película de ambos fluidos se puede obtener el coeficiente global

de transferencia teniendo en cuenta que este coeficiente se ve fuertemente afectado por el

ensuciamiento. Se introduce por tanto un factor de ensuciamiento que afectara al coeficiente:

1c�

= 1c�

− S�

Siendo Rf la resistencia al ensuciamiento del intercambiador.

A partir del coeficiente global de transferencia se puede obtener el área necesaria de transferencia del intercambiador que recordamos:

Q = U · A · DTLM

El número de placas necesario del intercambiador se calcula relacionando el ancho de la placa (W) y su longitud (L) para calcular el área de cada placa. El número de placas (Np) del intercambiador se calcula dividiendo el área total necesaria por el área de una placa:

d! = 6 · "

*! = dd!

Para su modelado se divide el intercambiador en tres subzonas, esto es debido a la variación de las propiedades del fluido en función de la temperatura y de la fase en que se encuentre, variando por tanto los coeficientes de película y de transferencia de calor para cada zona.

Cada coeficiente global de transferencia (U) se calcula considerando dos resistencias a la transferencia de calor en serie:

1c = 1

ℎ�+ 1

ℎ�

Siendo h1 y h2 los coeficientes de película de ambos fluidos que atraviesan el intercambiador

El área de transferencia de calor es la suma del área de cada una de las subzonas que dividen el intercambiador:

d� + d� + d/ = e*! − 2f · 6 · "

Al ,Af y Av son las respectivas áreas de intercambio en zona de líquido, zona bifásica y zona de vapor. El ancho (W), largo (L) y número de placas (Np) definen el dimensionamiento del intercambiador

En intercambiadores de placas la caída de presión del refrigerante utilizado suele ser muy pequeña por eso se considera el intercambio a presión constante a lo largo del evaporador.

2.2.4 Colector solar [4]

El colector solar es el elemento que transforma la radiación solar en energía para calentar un fluido (http://www.fao.org/docrep/x5058s/x5058s04.htm).

La eficiencia del colector solar es un factor determinante en el funcionamiento de la instalación debiendo tener en cuenta las pérdidas de energía que se harán más importantes cuanto mayor sea la superficie del colector.

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Fig.6- Perdidas en colector solar

En este caso debido a consideraciones económicas y de facilidad de instalación se decide elegir un colector plano frente al colector solar parabólico.

El funcionamiento básico del colector solar consiste en recibir la radiación solar que incide en la superficie externa del colector, hecha de material transparente, generalmente vidrio o plástico. La radiación solar que atraviesa la película transparente del colector incide en una superficie interna, que se denomina absolvedora, y aumenta su temperatura. Entre estas dos superficies se encuentra un intercambiador atravesado por el fluido térmico elegido y que recibe el calor del sol

Fig.7- Colector solar (fuente: http://www.thermosolar.sk)

A partir de los datos de irradiación solar podemos modelar el comportamiento del colector solar para conocer la potencia absorbida en cada momento. Suponiendo cuasi-equilibrio en el colector la expresión que relaciona la radiación solar con la potencia térmica absorbida en el colector:

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Fig.8- Diagrama energético de colector solar

Para el diseño de los intercambiadores se tienen en cuenta características propias de cada fluido, para el circuito de colector solar se usa un agua en lugar de aceite térmico debido a su menor coste, su menor impacto ambiental y sus mejores condiciones para reparación en caso de fuga.

El calor absorbido en el colector es cedido en el evaporador del sistema de generación de energía eléctrica y en el intercambiador de agua sanitaria siendo la temperatura de entrada al colector:

)�-gh + 1i = )�-ghi + %�-ghi − %�/!ghi − %$ghi(j · ^k)

La temperatura de entrada al colector (Tec) iría variando en función de las demandas en el evaporador (Qev) y en el intercambiador de agua domestica (Qad). En nuestro caso suponemos cuasi-equilibrio igualando el calor absorbido en el colector a la suma del calor cedido en el evaporador y al calor cedido en el intercambiador de agua domestica consiguiendo una temperatura de entrada al colector constante:

%-�� = %$ + %�/!

A partir de los datos de irradiación media (Isol) por meses presentados para Sanlúcar la Mayor (Sevilla) y Santiago (Galicia) y aplicando un balance en el colector se puede obtener la potencia media absorbida por el colector en cada mes.

%-�� = ɳ-�� · l�� · d-��

La potencia absorbida depende además de la irradiación del tamaño de la superficie colectora. Para los cálculos y como aproximación hemos supuesto un rendimiento del colector del 75 %. Por otra parte, aunque es un dato que varía mensualmente e incluso diariamente, según los análisis de irradiación diaria realizados es correcto considerar que el total de irradiación diaria se produce durante 12 horas diarias considerando los periodos en los que es de noche o en los que el cielo se encuentra nublado. Elegimos una superficie de 40 m2 para el análisis de la situación en los dos emplazamientos elegidos. Teniendo en cuenta estas consideraciones y realizando los cambios de variable necesarios se obtiene una potencia media absorbida por mes y localización:

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Potencia absorbida en el colector (KW)


Enero 6,42 3,06

Febrero 7,96 5,01

Marzo 11,77 6,35

Abril 13,97 11,51

Mayo 17,82 13,61

Junio 18,58 13,76

Julio 19,51 15,56

Agosto 17,56 14,76

Septiembre 13,77 10,10

Octubre 9,32 6,11

Noviembre 6,64 4,17

Diciembre 5,35 3,63

Tabla.2- Potencia absorbida en el colector

2.2.5 Análisis termodinámico en los intercambiadores de calor

Se realiza un balance termodinámico del intercambiador de calor calculando los estados termodinámicos, y por tanto la entalpia, a la salida y la entrada para obtener de esta forma la cantidad de calor aportado o extraído del fluido.

2.2.5.1 Condensador

En el condensador se intercambia calor entre el refrigerante y aire a temperatura ambiente impulsado por ventiladores. El balance termodinámico atendiendo al circuito de refrigerante es:

%-��$ = M � · (h� − h2)

2.2.5.2 Evaporador (circuitorefrigerante)

En este intercambiador los dos fluidos que atraviesan el evaporador son el refrigerante y el agua del circuito que atraviesa el colector solar. A partir del gasto másico y las condiciones de entrada y salida de los fluidos se obtiene el calor intercambiado en el evaporador. Además se obtiene la temperatura de saturación del refrigerante a partir del Pinch Point del intercambio estableciendo un grado de sobrecalentamiento de 10ºC a la salida del evaporador.

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Atendiendo únicamente al balance termodinámico del circuito de refrigerante se tiene:

%�/! = M � · (h3 − h�)

)3�. = T3 − 10

4hm^ℎ!��. = T�-_o − )3�.

%�/! = M � · (h3 − h�)

Siendo Tsc_B la temperatura del agua del colector al comienzo del cambio de fase del refrigerante en el evaporador.

2.2.5.3 Colector solar

Analizamos ahora el circuito de agua que atraviesa el colector solar, vemos que existen varios estados termodinámicos, se realiza un balance en su paso por el evaporador, en el intercambiador de agua para uso doméstico, en las dos válvulas de bypass y en el colector solar.

El balance en el colector está determinado por las temperatura de entrada, temperatura de salida y gasto másico del circuito del colector solar.

%-�� = M�- · ^! · (T�- − T�-)

2.2.5.4 Evaporador (circuito de agua)

En el balance del evaporador se tiene en cuenta la apertura del primer bypass que controla el gasto másico que atraviesa el evaporador

%�/! = M�- · e1 − p!�f · ^! · (T�- − T�-;�$)

2.2.5.5 Intercambiador de aguacaliente sanitaria

El gasto másico que atraviesa el intercambiador de agua para uso doméstico se ve afectado por el grado de apertura de las dos válvulas de bypass. Por otro lado el balance se realiza teniendo en cuenta el gasto másico de agua y la temperatura de salida necesaria:

M�- · ^! · e1 − p!�f · e1 − p!�f · (T�-;�$ − )�-;�$) = M$ · ^! · (T� − )�)

2.2.5.6 Válvula de bypass número 1

Atendiendo a la nomenclatura descrita se realiza el balance energético en el flujo que atraviesa la válvula de bypass numero 1

M�- · ^! · (T�! · e1 − p!�f + T�- · p!�) = M�- · ^! · T�-

2.2.5.7 Valvula de bypass número 2

De la misma forma que se ha realizado en la válvula número 1 y atendiendo nuevamente a la nomenclatura descrita se realiza el balance energético en el flujo que atraviesa la válvula de bypass numero 2

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M�- · ^! · (T�-;�$ · e1 − p!�f · e1 − p!�f + T�-;�$ · p!� · (1 − p!�))= M�- · e1 − p!�f · ^! · T�!

2.3 Márgenes de operación de la instalación

Para la operación de la instalación se construye un modelo que permite su manipulación y simulación mediante el programa EngineeringEquationSolver (EES)

A partir de las simulaciones realizadas en los modelos se consideran los siguientes márgenes de valores aceptables de operación para la instalación y funcionamiento correcto del sistema

Tª Condensador 5-30 ºC

Tª Evaporador 90-200 ºC

Tªsc_sad 80-130 ºC

Apertura bypass 1 0-70%

Apertura bypass 2 0-70%

Calor absorbido en Colector

5-200 KW

Caudal Refrigerante 0,003-0,6 Kg/s

Caudal agua colector 0,03-0,25 Kg/s

Caudal agua domestica 0,03-0,45 Kg/s

Presión evaporador 5-18 bar

Tabla.3- Márgenes de operación de la instalación

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3 ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO

os distintos márgenes de operación de la instalación permiten realizar un análisis que nos muestra la relación entre las diferentes variables operacionales.

Recordamos que el refrigerante utilizado en la instalación es el R245fa. La figura 2 muestra el diagrama temperatura-entropía del ciclo asumiéndose una apertura de las dos válvulas de Bypass del 10% además de las siguientes condiciones de operación:

Tcond Tevap Pevap Tec Tea Tsa Qcol Mwf Msc

17 ºC 120 ºC 10 bar 80 ºC 18 ºC 35 ºC 10 KW 0,01Kg/s 0,03Kg/s

Fig.9- Condiciones de operación Instalación A

Se recuerda además el diagrama de la instalación y los distintos parámetros de operación:

Para empezar se analiza el comportamiento en el evaporador. La instalación puede funcionar según varios parámetros de operación. Uno de los parámetros que debemos establecer es la presión en el evaporador. Se realiza a continuación el estudio de la producción de potencia para varias presiones de trabajo del evaporador,

L

28

siendo la temperatura en el evaporador constante e igual a 120 ªC. Además se debe señalar que esta variación en la potencia desarrollada en el expansor se hace posible debido a la regulación del caudal de refrigerante que circula por el circuito ORC permitiendo al sistema funcionar con un rendimiento en el expansor establecido en el 80%. Además la apertura de las dos válvulas de bypass se encuentra en una posición de apertura del 10% mientras que los caudales de agua sanitaria y de aceite térmico son constantes. Se establece por ultimo para esta comprobación un incremento de temperatura del agua sanitaria de 17 ºC. Todos estos parámetros establecidos influyen en los valores nominales obtenidos pero no en la tendencia de las curvas representadas.

Fig.10- Potencias desarrollada y consumida en función de la potencia absorbida en el colector

Se aprecia una tendencia ascendente de la potencia de salida de la turbina directamente proporcional a la potencia absorbida en el colector solar. La diferencia entre los valores obtenidos de potencia producida en el expansor para las distintas presiones en el evaporador se va incrementando cuantitativamente a medida que la potencia absorbida en el colector es mayor. El incremento de potencia directamente proporcional al incremento de presión desarrollado en el expansor es debido al mayor grado de saturación con el que el refrigerante llega a la etapa de expansión y por tanto mayor entalpia disponible con la que llega al expansor.

En la tabla siguiente se presentan la diferencia cuantitativa en la producción de potencia en el expansor para 3 potencias de absorción del colector:

Potencia colector (KW)

Pevap=9 bar Pevap=12 bar

Pevap=15 bar

8 0,1168 0,1304 0,142

40 4,596 5,132 5,518

100 13,55 15,13 16,27

Para una potencia absorbida en el colector de 8 KW se puede calcular un incremento en la potencia producida

29

en el expansor del 11,64 % para un incremento de presión desde 9 a 12 bar, sin embargo este incremento de potencia en el expansor es menor para el mismo incremento de presión esta vez desde 12 a 15 bar siendo en este caso 8,89 %. Si analizamos ahora este comportamiento para una potencia absorbida en el colector de 100 KW se obtienen un incremento de 11,66% y 7,53% respectivamente. Se corrobora por tanto que el incremento de potencia se mantiene prácticamente constante para las distintas potencias de absorción del colector.

La misma tendencia se aprecia si analizamos la potencia consumida por la bomba para las diferentes potencias absorbidas por el colector y distintas presiones de evaporación.

Esta relación se explica asumiendo que la bomba debe impulsar un fluido hasta una presión mayor necesitando un incremento en la potencia consumida para alcanzar la presión establecida en el evaporador.

Si se realiza un análisis similar modificando ahora la temperatura de evaporación y estableciendo la presión en el evaporador en 10 bares. Para la realización de este análisis se establecen los mismos valores determinados en los parámetros de funcionamiento de caudales, rendimiento y temperaturas que en el análisis de la sensibilidad a la variación de la presión en el evaporador:

Fig.11- Potencia desarrollada frente a calor absorbido (10 bar)

Se aprecia como la modificación de la temperatura de evaporación (entre 90ºC y 150 ºC) apenas afecta a la potencia desarrollada en la turbina. Por tanto apenas se aprecia sensibilidad del expansor a la modificación de la temperatura en el evaporador. Para una potencia absorbida en el colector de 8 KW la potencia producida se decrementa en solo un 0,41 % para una disminución de temperatura desde 90 a 120 ºC mientras que este incremento alcanza el 1,87 % para la diferencia de temperaturas entre 90 y 150 ºC

Calor absorbido (KW)

90 ºC 120 ºC 150 ºC

8 0,1225 0,1219 0,1202

24 2,472 2,459 2,425

40 4,822 4,796 4,729

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Aunque permanezca casi constante es necesario señalar que se produce un ligero descenso en la potencia desarrollada debido al aumento de temperaturas de salida del evaporador.

Profundizando en este análisis, se decide fijar la potencia absorbida en el colector solar en 10 KW y representamos la potencia de salida del expansor con la temperatura de evaporación y presión evaporación confirmando la tendencia inversa en ambos casos:

Presión evaporación (bar)

Potencia expansor (W)

Temperatura evaporación (ºC)

Potencia expansor (W)

9 330,6 90 420,4

7,33 365,8 96,67 420,4

8,67 394,4 103,3 420,1

10 418,2 110 419,5

11,33 438,4 116,7 418,7

12,67 455,8 123,3 417,6

14 471 130 416,5

15,33 484,2 136,7 415,2

15,67 495,8 143,3 413,8

Tabla 4- Potencia desarrollada en función de la presión/temperatura de evaporación

Representando la información obtenida en las anteriores iteraciones se tiene la siguiente figura en la que se puede apreciar la evolución de la potencia desarrollada en el expansor en función de la temperatura y la presión en el evaporador:

31

Fig.12

El comportamiento del expansor es muy importante en el rendimiento total de la instalación ya que es el elemento donde se transforma la energía del fluido en energía mecánica que posteriormente se convertirá en energía eléctrica. Se continúa por tanto analizando el comportamiento de la instalación en función del grado de expansión.

La relación de presiones y de volúmenes entre la entrada y salida del expansor tienen una influencia distinta en la potencia desarrollada en el expansor, si se establece una presión ligeramente superior a la atmosférica a la salida del expansor (P4=1,089 bar) y se modifica las condiciones termodinámicas de entrada se tiene obtiene la sensibilidad en el comportamiento de la instalación a estos parámetros que queda representada en la siguiente gráfica:

32

Fig.13- Potencia desarrollada en función de relaciones de compresión y volúmenes

Se comprueba como la relación es lineal e inversamente proporcional entre la relación de volúmenes y la potencia desarrollada en el expansor.

Por otro lado la potencia en el expansor es lineal para relaciones de presiones pequeñas mientras que se va haciendo cada vez más constante cuando esta relación aumenta.

Profundizando en este análisis se valora la influencia de la relación de presiones para diferentes caudales másicos de refrigerante en la potencia desarrollada en el expansor obteniéndose la siguiente relación:

Fig.14- Potencia desarrollada en función de relaciones de compresión para distintos caudales

33

Se comprueba como la influencia del gasto másico de refrigerante sigue siendo determinante en la potencia desarrollada en el expansor aunque también se puede observar como el valor de la relación de presiones a partir del cual esta curva cambia su inclinación y se hace cada vez más constante es el mismo para los diferentes valores de caudal másico.

Resulta importante resaltar como la operación de la instalación mediante la variación de las condiciones en el evaporador o la potencia absorbida en el colector requiere de nuevo la variación del caudal del circuito de refrigerante (Mwf) que el sistema autorregula mediante un controlador PID en función de las necesidades manteniendo el rendimiento de los elementos en los valores adecuados, esto se podría realizar mediante un deposito reservorio de refrigerante que mediante la operación del controlador automático atiende las necesidades de la instalación.

Se muestra a continuación la relación entre la potencia absorbida en el colector y el caudal másico de refrigerante necesario para conservar el rendimiento del expansor:

Fig.15- Potencia absorbida en el colector frente a caudal de refrigerante

Se trata de una relación lineal directamente proporcional a la potencia absorbida en el colector solar. Esto es debido a la necesidad de ceder todo el calor absorbido en el colector entre los dos intercambiadores por los que atraviesa el aceite térmico. En este caso el caudal e incremento de temperaturas del agua sanitaria se encuentran establecidos, por tanto un aumento en la potencia absorbida en el colector debe ser asumida mediante un aumento del flujo de refrigerante para que el agua del circuito de colector solar pueda ceder todo el calor absorbido a su paso por el colector.

De la misma forma y según las necesidades del cliente se podría regular mediante la modificación del caudal o diferencia de temperaturas en el circuito de agua domestica aunque como veremos más adelante resulta más práctico utilizar para este circuito un acumulador de agua a una temperatura concreta mediante el cual se regule la temperatura de servicio según las condiciones necesarias.

Se presentan ahora en una tabla los datos obtenidos para realizar las anteriores representaciones confirmando la tendencia observada:

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Potencia absorbida (KW)

Potencia turbina (W)

Potencia bomba (W)

Caudal refrigerante (Kg/s)

8 130,4 2,63 0,0029

8,78 253,7 5,12 0,0058

9,56 377 7,61 0,0085

10,33 500,2 10,1 0,0113

11,11 623,5 12,59 0,0141

11,89 746,8 15,08 0,0169

12,67 870,1 17,57 0,0197

13,44 993,3 20,06 0,0225

14,22 1170 22,55 0,0253

Tabla 5- Potencia absorbida-Potencia turbina-Potencia bomba-Caudal refrigerante

Comparando la tendencia en el consumo de refrigerante, la potencia consumida por la bomba y la potencia desarrollada en la turbina se obtiene un incremento cuantitativamente similar. Para un aumento de la potencia absorbida en el colector del 77,7 % (desde 8 hasta 14,22 KW) se observa en la tabla un incremento del 800 %, 757 % y del 772 % para la potencia consumida en la bomba, la potencia desarrollada en la turbina y el caudal de refrigerante respectivamente. Confirmando una tendencia similar en el comportamiento de estos parámetros. Debido al aumento de potencia absorbida en el colector la instalación aumenta el caudal de refrigerante para mantener el rendimiento de funcionamiento, la potencia del expansor y la bomba es directamente proporcional al caudal de refrigerante de funcionamiento:

Ẇ� !��# = M#��#�r�#�.� · (h��$ − h��.#$)

Ẇ�� = M#��#�r�#�.� · (h��$ − h��.#$)

El circuito de colector solar pasa por varios estados intermedios que dependen de la operación de los parámetros que permiten modificar el funcionamiento de la instalación. Se analiza ahora la tendencia de la temperatura en los diferentes estados presentada en el diagrama de procesos en función de la operación de la apertura de las válvulas de bypass.

Se establece un incremento de 10 ºC para el circuito de agua caliente sanitaria, además se toman los siguientes valores en las variables de operación que quedan reflejados en la siguiente tabla:

Tcond Tevap Pevap Tea Tsa Qcol Mwf Msc Tsc_sad

17 ºC 120 ºC 10 bar 25 ºC 35 ºC 20 KW 0,01Kg/s 0,03Kg/s 70,5

Tabla 6- Parámetros de operación

Se ha considerado constante la temperatura de salida del circuito del colector en su paso por el intercambiador de agua domestica (Tsc;sad), autoregulandose esta temperatura a partir de las diferentes temperaturas intermedias

35

y del caudal de agua caliente sanitaria utilizado.

Para empezar se representa la evolución de las temperaturas en función de la apertura de la ByPass numero 1 dejando completamente cerrada la valvula 2:

Fig.16- Temperatura en función de apertura de bypass 1

Se aprecia un aumento exponencial progresivo de las temperaturas de entrada y salida del colector además de la temperatura de salida del evaporador (Tsc;ead). La temperatura a la salida del intercambiador de agua domestica no se ve afectada debido a que fue establecida como constante. En esta ocasión, al establecer un caudal constante de refrigerante se consigue hacer constante la temperatura de salida del segundo intercambiador regulando el caudal de agua para servicio doméstico que pasa por el intercambiador. La temperatura intermedia entre las dos válvulas de bypass tampoco se ve afectada debido a que la válvula numero dos está cerrada.

Se ha limitado la apertura de esta válvula hasta un 65 % debido a que para aperturas mayores se alcanzarían temperaturas por encima de 500 ºC que comprometen el correcto funcionamiento de diversos elementos de la instalación. Se podrían incluir elementos y dispositivos de medición de parámetros o conducción del fluido

que pudiesen por encima de esta temperatura aunque esto encarecería innecesariamente la instalación sin ser absolutamente necesario ya que la temperatura en el evaporador no excede de 150 ºC.

La potencia desarrollada en la turbina no se ve en este caso afectada por la operación de la válvula debido a que el caudal de refrigerante es constante y en este caso el sistema se autorregula mediante el caudal de agua para uso doméstico.

Se continúa analizando la sensibilidad a la apertura de la válvula de bypass número 2 de las temperaturas del ciclo. En este caso aumentamos progresivamente la apertura de la válvula dejando totalmente cerrada la válvula número 1

36

Fig.17- Temperatura en función de apertura de bypass 2

Se vuelve a observar un aumento exponencial progresivo directamente proporcional a la apertura de la válvula número 2 de las temperaturas de entrada y salida del colector. En este caso la temperatura entre bypasses (Tbp) coincide con la temperatura de entrada al colector solar (Tec). Esto es debido a que la válvula número 1 está completamente cerrada, no viéndose afectada la temperatura intermedia.

La potencia cedida en la turbina continua sin verse afectada por el grado de apertura de esta válvula debido al caudal constante de refrigerante.

En este caso se ha limitado la apertura de la válvula hasta un 70 % para no comprometer el buen funcionamiento de los dispositivos y elementos adicionales de la instalación.

Se observa como el sistema puede ser operador a través del caudal de agua doméstica en vez de regularse mediante el caudal de refrigerante como en anteriores ocasiones. Realizando análisis similar al realizado cuando la instalación regulaba el caudal de refrigerante par mantener el rendimiento se observa como las temperaturas del circuito del colector se ven afectadas por la cantidad de calor absorbido en el colector solar.

Fig.18- Temperatura en función de la potencia absorbida

37

En este caso las dos válvulas de bypass permanecen cerradas y por eso la temperatura de salida del segundo intercambiador (Tsc;sad) coincide con la temperatura entre las dos válvulas (Tbp) y la temperatura de entrada al colector.

Es importante resaltar que en esta ocasión, una vez fijado el caudal de refrigerante el sistema se autorregula mediante el caudal de agua del circuito doméstico (Mad), siendo la potencia desarrollada en la turbina constante.

La temperatura de salida del colector es directamente proporcional a la potencia recibida en el colector solar. Además el caudal de agua domestica también sufre un incremento proporcional al aumento de la potencia del colector. Este comportamiento es debido a que el calor absorbido en el evaporador permanece constante al establecer como constante el caudal de refrigerante y el rendimiento de operación del expansor y por tanto la única forma de ceder todo el calor absorbido en el colector es aumentar el caudal de agua en el segundo intercambiador:

%r� $��.�- = Mr� $��.�- · ^! · (T��$ − T��.#$)

De la expresión anterior se aprecia que otra forma de regular el sistema es fijando el caudal de agua doméstica y de refrigerante y dejando libre la temperatura de salida del agua en el segundo intercambiador. Este tipo de operación puede resultar más inestable debido al posible aumento de temperatura hasta valores indeseados que supongan un riesgo para el correcto funcionamiento de los elementos de la instalación. Una forma mixta de operación de la instalación podría ser establecer un valor máximo de la temperatura de salida a partir del cual el sistema se autorregula mediante la modificación del caudal de refrigerante o el caudal de agua.

Uno de los factores que más condicionan la producción de energía y en consecuencia el funcionamiento de la instalación es el rendimiento del expansor. La eficiencia de este dispositivo es muy sensible a los cambios en los parámetros de funcionamiento.

En el siguiente grafico se observa la influencia de este factor en el rendimiento térmico total de la instalación y en la producción de energía para un caudal de refrigerante constante e igual a 0,08 Kg/s y una potencia absorbida en el colector de 30 KW

Fig.19- Potencia desarrollada en función de rendimiento del expansor

En azul se representa la eficiencia térmica del proceso obteniéndose un aumento del 200% para una variación en el rendimiento del expansor comprendida entre valores del 30 y 90%. Igualmente la potencia producida en

38

la turbina se ve afectada por un importante aumento en relación con el rendimiento del expansor.

Esto es debido al mejor funcionamiento del expansor mediante la disminución de fugas y perdidas de calor en el proceso de expansión del refrigerante obteniéndose por tanto una mayor potencia en el eje y de esta forma en el alternador al que se encuentra acoplado para la generación de energía eléctrica.

Por tanto, y como era de esperar, el rendimiento que consigamos en el expansor es determinante para el funcionamiento de la instalación.

En el evaporador se producen un intercambio de calor debido al cual el refrigerante pasa por 3 estados termodinámicos (liquido, vapor y zona bifásica).

Se establece un calor absorbido en el colector de 25 KW, un caudal de agua en el colector de 0,1 Kg/s, una temperatura de salida del refrigerante del evaporador de 110 ºC y el funcionamiento exclusivo como ciclo de producción de potencia de la instalación, lo que supone abrir completamente la válvula de bypass numero 2, se tiene al simular el funcionamiento de la instalación un caudal necesario de refrigerante de 0,987 Kg/s.

Para el diseño del intercambiador se ha establecido un Pinch Point de 10 ºC. Además el grado de sobrecalentamiento con el que sale el refrigerante del evaporador es 15ºC. El balance de energía intercambiada en el evaporador en función de las temperaturas del refrigerante y el agua utilizado en el circuito del colector solar es el siguiente:

Fig.20- Transmisión de calor en el evaporador

Se puede apreciar en el grafico como a pesar de producirse un incremento de temperatura importante del refrigerante un gran porcentaje de la transferencia de calor (alrededor del 50 %) se usa para producir el cambio de fase a temperatura constante del refrigerante desde su estado de líquido procedente de la bomba al estado de vapor con el que llega al expansor. En la figura además también se observa el grado su enfriamiento con el que sale el refrigerante de la bomba y el grado de sobrecalentamiento del vapor que llega al expansor.

El dimensionamiento del intercambiador se ha realizado en tres partes debido a la variación de los parámetros de transmisión de calor en función del estado termodinámico del refrigerante.

Se establecen 3 zonas en el intercambiador:

Precalentador: En la primera zona el refrigerante cambia su fase desde liquido comprimido hasta su estado de saturación.

39

Cambio de fase: En la segunda zona del intercambiador el refrigerante realiza un cambio de fase desde liquidohasta vapor.

Sobrecalentador: En la tercera zona el fluido pasa desde su estado de vapor saturado hasta vapor sobrecalentado.

A partir de las condiciones establecidas para la simulación del comportamiento en el evaporador y las expresiones descritas para el dimensionamiento del intercambiador de calor se tienen los siguientes valores del numero de nusselt y por consiguiente de coeficiente de película para el refrigerante en estado liquido y vapor y el agua del circuito de colector solar:

Refrigerante liquido

Refrigerante vapor

Agua en precalentador

Agua en sobrecalentador

Nusselt 7159 4897 1045 1508

Coeficiente de película

808 239,2 1712 2523

Tabla 7- Parámetros intercambiador de calor

Para el calculo del coeficiente de película se ha considerado una altura del intercambiador de 0,4 m.

El calor absorbido en el colector para la realización del dimensionamiento es 25 KW.

Se realizan a partir de estos valores las simulaciones pertinentes en el modelo del intercambiador desarrollado en EES para hallar el área de transferencia necesario para cada zona del intercambiador obteniéndose:

Área de intercambio (m2)

Coeficiente global de transferencia

Precalentador 0,66 461,7

Cambio de fase 1,71 297,9

Sobrecalentador 0,26 241

Tabla 8- Dimensionamiento intercambiador de calor

Para calcular el numero de placas que necesita el evaporador se establece una relación entre el ancho y el alto de la placa. A partir de la longitud de placa de 0,4 m seleccionada para los cálculos se tiene: st = 2→ W=0,2 m

40

Cada placa tiene un área de 0,08 m2. El numero total de placas necesaria para cada fase del intercambiador es:

Numero de placas

Precalentador 9

Cambio de fase 22

Sobrecalentador 4

Tabla 9- Numero de placas

41

4 COMPARATIVA SEGÚN MODALIDAD DE

UTILIZACIÓN DE LA INSTALACIÓN

Sin definir y aplicar un método, con orden, voluntad y sacrificio es imposible alcanzar el éxito o la genialidad

Solón, sabio de la antigua Grecia

El dimensionamiento de la instalación depende de diversos factores pero los más importantes son el

emplazamiento, la finalidad doméstica o industrial de la instalación y la elección de una instalación totalmente autónoma o semiautónoma.

Para empezar se toma una media de la radiación solar mensual en la localidad de Sanlúcar la Mayor de la tabla de irradiaciones presentada anteriormente. El valor medio por mes es 17513,66 KJ/m2·dia

De la misma forma obtenemos un valor medio de irradiación para la ciudad de Santiago de 11565,87 KJ/m2·dia

Se representa a continuación la potencia eléctrica absorbida por el colector para estas dos localizaciones en función del tamaño del colector

Fig.21- Área del colector frente a potencia absorbida

42

A partir de los datos representados se puede obtener la desviación de los valores nominales de potencia absorbida entre las dos ciudades para un mismo tamaño de colector:

SANTIAGO (KW)

SANLÚCAR (KW)

DIFERENCIA ABSOLUTA (KW)

0,669 1,013 0,344

2,082 3,153 1,071

3,459 5,293 1,834

4,908 7,432 2,524

6,321 9,572 3,251

7,734 11,71 3,976

9,147 13,85 4,703

10,56 15,99 5,43

11,97 18,13 6,16

13,39 20,27 6,88

Tabla 10- Diferencia absoluta de absorción entre emplazamientos

Se puede observar como la diferencia absoluta entre la energía absorbida en ambos emplazamientos va aumentando de forma proporcional al aumento el tamaño del colector solar (m2). Sin embargo la diferencia relativa se mantiene constante siendo un 41% mayor la potencia absorbida en Sanlúcar con respecto a la potencia absorbida en Santiago independientemente del tamaño del colector.

El calor absorbido en el colector se utiliza para la producción de potencia eléctrica en el expansor y al calentamiento de agua para uso doméstico. La potencia media producida por la instalación depende por tanto del calor cedido para el calentamiento de agua doméstica. El calor cedido al circuito de agua doméstica es a su vez función del caudal de agua utilizado y del incremento de temperaturas exigido. Para un análisis de funcionalidad de la instalación se establece un caudal de agua en el circuito de agua sanitaria constante de 0,1 kg/s y medimos la producción de potencia para un incremento de temperatura de 15 ºC en el circuito de agua doméstica y también para un uso exclusivo del sistema de producción de potencia abriendo completamente la válvula de bypass número 2. Elegimos un hipotético tamaño de colector de 40 m2 para la realización de los cálculos:

Mes Sanlúcar la Mayor

(Qcol=KW)

Incremento de temperatura

15ºC

Uso exclusivo para

producción de potencia

Santiago (Qcol=KW)

Incremento de temperatura

15ºC

Uso exclusivo para

producción de potencia

Enero 6,42 0,02 0,95 3,06 0,00 0,46

Febrero 7,96 0,25 1,18 5,01 0,00 0,75

43

Tabla 11- Producción de potencia en distintos emplazamientos

Las casillas donde el valor de la potencia producida es nulo significan que no es posible a partir de esa potencia en el colector obtener el incremento necesario de temperatura en el circuito de agua doméstica y por tanto no se genera tampoco energía eléctrica dado que hemos dado prioridad al calentamiento de agua.

A continuación se representan los datos obtenidos comparándolos entre las dos ciudades para un incremento de temperaturas de agua caliente sanitaria (ACS) necesario de 15 ºC combinado con el ciclo de producción de potencia ORC

Fig.22- Uso combinado (ACS+ORC)

La comparación entre los dos emplazamientos para un uso exclusivo del sistema de producción de potencia queda también representada en el siguiente grafico

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (

KW

)

Uso combinado (ACS+ORC)

Sanlucar

Santiago

Marzo 11,77 0,82 1,75 6,35 0,01 0,94

Abril 13,97 1,14 2,08 11,51 0,78 1,71

Mayo 17,82 1,72 2,65 13,61 1,09 2,02

Junio 18,58 1,83 2,76 13,76 1,11 2,05

Julio 19,51 1,97 2,90 15,56 1,38 2,31

Agosto 17,56 1,68 2,61 14,76 1,26 2,19

Septiembre 13,77 1,12 2,05 10,10 0,57 1,50

Octubre 9,32 0,45 1,39 6,11 0,00 0,91

Noviembre 6,64 0,05 0,99 4,17 0,00 0,62

Diciembre 5,35 0,00 0,80 3,63 0,00 0,54

44

Fig.23- Uso exclusivo como sistema ORC

Los datos de irradiación son de irradiación media a lo largo de todo un mes. Profundizando en esta comparativa se presentan ahora datos de irradiación solar por horas a lo largo de un día, de esta forma comprobamos la producción eléctrica en cada momento. Se escoge un día en el mes de mayor irradiación media (Julio) y en el de menor (Diciembre) obteniéndose así un análisis cualitativo más específico del comportamiento de la instalación. En este caso escogemos la modalidad de producción exclusiva de potencia eléctrica y la ciudad elegida es Sanlúcar la Mayor. Los datos de irradiación solar (Agencia Andaluza de Meteorología) y la potencia producida en el expansor para una superficie de colector de 30 m2 son los siguientes

15 Julio Radiación (KJ/m2)

Potencia absorbida

(KW)

Potencia producida (KW)

15 Diciembre Radiación (KJ/m2)

Potencia absorbida

(KW)


5:00 69,7 0,77 0,12 0 0 0

6:00 546,6 6,07 0,91 0 0 0

7:00 1119,8 12,44 1,87 0 0 0

8:00 1740,7 19,34 2,90 233,1 2,59 0,39

9:00 2340,6 26,01 3,90 593,10 6,59 0,99

10:00 2842,7 31,59 4,74 926,80 10,30 1,54

11:00 3176,9 35,30 5,29 1162,20 12,91 1,94

12:00 3294,2 36,60 5,49 1247,00 13,86 2,08

13:00 3176,9 35,30 5,29 1162,20 12,91 1,94

14:00 2842,7 31,59 4,74 926,80 10,30 1,54

15:00 2340,6 26,01 3,90 593,10 6,59 0,99

16:00 1740,7 19,34 2,90 233,10 2,59 0,39

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00P

ote

nci

a p

rod

uci

da

(K

W)

Uso exclusivo como sistema ORC

Sanlucar

Santiago

45

17:00 1119,8 12,44 1,87 0 0 0

18:00 546,6 6,07 0,91 0 0 0

19:00 69,7 0,77 0,12 0 0 0

Tabla 12- Potencia horario producida

Como era de esperar se aprecia una gran disparidad entre los valores de irradiación correspondientes a cada franja horaria. Esto supone una absorción de calor en el colector que varía en función de la franja horaria.

Se observan intervalos de horas donde la potencia absorbida en el colector se sitúa por encima de los 18 KW y periodos en los que la potencia absorbida es nula. Para hacer la instalación totalmente autónoma debe asegurarse un suministro de potencia mínimo (potencia elegida por el cliente) a cualquier hora del día, por ello se debe almacenar la energía durante los periodos en que la potencia exceda de la potencia necesaria para suministrarla en los periodos donde no se produce energía.

A partir de los datos de potencia absorbida en el colector se representa a continuación la potencia producida en el expansor por franja horaria:

Fig.24- Producción horaria de potencia

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (

KW

)

Produccion horaria de potencia

Sanlucar Santiago

46

5 ANÁLISIS ECONÓMICO

The fundamental problem of communication is that of reproducing at one point either exactly or approximately a message selected at another point.

Claude Shannon, 1948

A la hora de realizar un balance económico y perspectiva de amortización de la inversión

realizada se deben tener en cuenta factores a los que el funcionamiento de la instalación presenta especial sensibilidad.

La amortización de la instalación depende en gran medida del grado de autonomía que dotemos a la instalación, de la finalidad de la instalación que queramos instalar y del emplazamiento elegido.

Se analizan a continuación 3 hipotéticos escenarios de funcionamiento:

• Almacenamiento de la energía eléctrica mediante batería. • Almacenamiento de la energía en acumuladores de calor.

• Funcionamiento de la instalación mediante balance eléctrico neto

Para la realización de los cálculos se ha considerado un consumo medio doméstico en España de 3500 KWh al año, extrapolando este dato el consumo diario se sitúa en 9,58 KWh (34488 KJ).

5.1 Almacenamiento mediante acumulador de calor

La temperatura necesaria para el funcionamiento del sistema de producción de potencia ORC viene determinada por la temperatura necesaria en el evaporador. El rango de operación de temperatura en el evaporador se sitúa entre 90-150 ºC. Se trata de unos valores de temperatura relativamente bajos por lo que sería posible el almacenamiento de energía en forma de calor en acumuladores. El Acumulador es un tanque, principalmente en acero esmaltado y con aislamiento térmico, dentro hay un intercambiador de calor que está conectado al colector.

47

Fig.25 Acumulador de calor (Fuente: http://www.bonysol.com)

Esta opción resulta útil debido a la posibilidad de usar un mismo acumulador que suministrase el calor necesario al sistema de calentamiento de agua sanitaria (ACS) y al ciclo de producción de potencia.

De esta forma la instalación no transforma toda la energía absorbida en el colector en electricidad pudiendo adaptarse la producción de potencia a las necesidades domésticas.

La forma de calcular la energía almacenada en este tipo de acumuladores es mediante un balance energético. A partir del volumen del acumulador y de la temperatura y presión de almacenamiento se puede obtener la energía almacenada en el acumulador:

umv1ahT TwjT^vmTxT = j · ^! · ) = � · y · ^! · )

La densidad (y) y el calor especifico (^!) dependen de las condiciones de almacenamiento del fluido. El fluido que circula por el colector solar es agua y las condiciones de almacenamiento elegidas son 140º C y 5 bar. En estas condiciones las propiedades del agua son:

Capacidad calorífica (KJ/Kg·k) 4,29

Densidad (Kg/m3) 926,3

Realizando un cambio de variable para el consumo eléctrico medio de una vivienda (9,58 KWh) se considera un consumo de 34200 KJ/día de energía eléctrica. La potencia intercambiada en el evaporador es mayor que la potencia producida en el expansor en el circuito ORC. Por tanto debemos tener en cuenta el ratio de transformación de potencia con el que funciona nuestro ciclo de producción para estimar el consumo de agua caliente necesario. Según las simulaciones realizadas en los modelos mediante el programa EngineeringEquationSolver el ratio de transformación del calor absorbido en el colector frente a la potencia desarrollada en el expansor considerando un rendimiento del expansor del 90 % es de 0,15 KW de producción en el expansor por cada KW absorbido en el colector. Por tanto la energía necesaria en el acumulador para abastecer la demanda eléctrica diaria es de 228000 KJ/día.

48

Para el dimensionamiento del acumulador es necesario tener en cuenta el consumo de agua caliente sanitaria (ACS). Según la web de Gas Natural Fenosa la estimación de consumo de ACS es la siguiente:

Uso Estimación (Litros por persona y día)

Lavabo 10-35

Ducha domestica 25-40

Lavado vajilla 50-70 por servicio

Lavado de ropa 40-70 por servicio

Tabla 13- Estimación de consumo ACS

Se establece para el dimensionamiento de la instalación una vivienda de 4 personas en el que el lavabo y ducha se usan todos los días y lavado de ropa y vajilla un servicio cada dos días. Para estos supuestos se estima entonces un consumo de 580 litros/día.

Se considera además un incremento de temperatura promedio de 25 ºC. Teniendo en cuenta estas consideraciones y realizando un balance térmico en el intercambiador de agua sanitaria:

umv1ahT mv^vzT1hT = j · ^! · ∆) = � · y · ^! · ∆)

Se necesitan 60610 KJ/día de energía en forma de calor para abastecer el consumo de agua caliente sanitaria. [2]

El aporte energético diario total para una vivienda de 4 personas es, por tanto, la suma de la energía necesaria para el calentamiento de agua sanitaria y la energía necesaria para la producción de potencia, estimándose en un valor de 288610 KJ/día.

Teniendo en cuenta la expresión anterior para la energía almacenada se estima un consumo de 175,91 litros de agua almacenada a 140 ºC y a una presión de 5 bares por día. Para un establecimiento de autonomía de 3 días se debe disponer por tanto de un acumulador capaz de acumular un volumen superior a 527,73 litros.

Entre las opciones de intercambiadores de calor de agua sanitaria que presenta el mercado actual se opta por elegir el modelo del fabricante SalvadorEscoda de 750 litros tiene un precio de 1994 € (http://www.salvadorescoda.com/tarifas/Agua_Caliente_Sanitaria_Tarifa_PVP_SalvadorEscoda.pdf)

5.2 Almacenamiento mediante batería [5]

La función de una batería en nuestra instalación solar es acumular la energía eléctrica que genera el sistema de producción de potencia mediante ciclo orgánico de Rankine (ORC). Esta energía puede ser utilizada en la noche o durante periodos donde los paneles termosolares no son capaces de generar la electricidad que se demanda.

Las propiedades fundamentales de una batería para un sistema de producción de potencia son la profundidad de la descarga y la capacidad de acumulación eléctrica de la batería, medida frecuentemente en las especificaciones de los fabricantes en amperios-hora (Ah) aunque durante el transcurso de esta comparativa se realizara un cambio de variable para medir esta capacidad en KWh de modo que se puede obtener una mejor perspectiva de funcionamiento.

• La capacidad de acumulación de una batería medida en amperios-hora son el número de amperios que proporciona la batería solar por el número de horas, durante las cuales está aportando corriente de carga. Conocer este parámetro es fundamental antes de realizar la compra

49

de una batería para una instalación de producción de potencia, ya que en función del mismo sabremos la autonomía que tendrá la instalación en el caso de que la radiación solar sea nula o baja, durante un periodo amplio de tiempo. Existen algunos factores que pueden afectar la capacidad de una batería solar como son la temperatura ambiente o el ritmo de carga-descarga al que se la somete.

• La profundidad de descarga es el porcentaje de la capacidad total que la batería utiliza durante un ciclo de carga y descarga. La profundidad de la descarga, puede definir que encontremos baterías de ciclo “poco profundo”, diseñadas para descargas del 10% al 25%; y de ciclo “profundo”, diseñadas para descargas de hasta un 80%. Estas últimas son las baterías más empleadas en sistemas de producción de potencia autónomas.

Cuanto mayor es el grado de descarga que soporta una batería mayor es el precio de esta. Aunque se podría optar por conectar un conjunto de baterías de ciclo poco profundo que aportaran la capacidad de almacenamiento necesaria sin descargarse por debajo de su umbral resulta más conveniente por razones económicas y de fiabilidad elegir baterías de ciclo profundo para instalaciones de producción autónomas.

Aunque se traten de baterías de ciclo profundo su durabilidad y vida útil se ven afectadas por el grado de descargas al que se sometan. En las baterías de ciclo profundo, se adaptan unos electrodos de aleación de antimonio para conseguir una mayor actividad y resistencia.

Una clasificación de estas baterías se puede realizar atendiendo al formato en el que se encuentran. De este modo, podemos encontrar en el mercado baterías estacionarias que se caracterizan por presentar un elevada profundidad de descarga (60 al 80%) y baterías monoblock en las que la profundidad de descarga es menor (50%).

Sin embargo, las baterías estacionarias tienen una mayor pérdida de carga en periodos de no utilización de las mismas, mientras que la capacidad de las baterías monoblock se mantiene prácticamente constante.

De este modo la utilización de baterías monoblock está más indicada en los casos en los que la instalación no se utilice con frecuencia.

Por tanto las baterías estacionarias están indicadas para instalaciones de uso frecuente con una elevada potencia de acumulación mientras que las monoblock se indican en pequeñas instalaciones y de uso esporádico.

En nuestro caso queremos alimentar una vivienda de forma autónoma en la que el consumo de diversos electrodomésticos hace que exista demanda de electricidad a lo largo de todo el día. Por este motivo se selecciona una batería de tipo estacionaria para nuestra instalación.

Por otro lado, atendiendo a la tecnología que se utiliza en su fabricación, podemos encontrar baterías de ácido abiertas, de ácido cerradas, de gel selladas y AGM selladas.

Las baterías de ácido abiertas presentan la ventaja de poder ser rellenadas con agua destilada. Sin embargo, como desventaja de este tipo de baterías es que necesitan mantenimiento.

Las baterías de ácido selladas no necesitan mantenimiento y su problema radica en la corta vida útil que poseen. Esto se debe a que por su válvula escapa una cierta cantidad de vapor de agua e hidrógeno, y una vez evaporado el electrolito, la batería se seca y se daña.

Las baterías de gel selladas carecen de mantenimiento ya que están protegidas contra la salida de ácido. Sin embargo, no son capaces de aguantar una corriente mayor de lo que su modelo especifica.

La instalación de batería solar de AGM sellada es la que más se efectúa. Esto se debe a sus considerables ventajas como que no necesitan mantenimiento, están protegidas contra la salida de ácido y catalizan

50

hasta el 95% del hidrógeno y oxígeno gasificado logrando una vida útil mucho más extensa. Su única desventaja radica en su alto precio.

Cuando nos planteamos la instalación de un sistema solar de producción de potencia autónomo, debemos conocer los consumos diarios que se prevé tener. Si conocemos la energía que se utiliza diariamente, es posible dimensionar la batería para almacenar la energía suficiente durante el tiempo de autonomía que queremos que tenga nuestro sistema sin necesidad de aporte solar.

Para hacer la instalación totalmente autónoma y fiable se debe establecer un tiempo de autonomía que permita el suministro de energía a pesar de una eventual avería en el sistema de producción o de periodos en los que la generación debido a las condiciones meteorológicas sea menor.

Se establecen 3 días completos de autonomía, para este grado de autonomía y considerando el consumo eléctrico medio diario de una vivienda necesitaríamos al menos 28,74 KWh de energía almacenada en baterías para cubrir la demanda media de una casa durante 3 días. Teniendo en cuenta la profundidad de descarga de las baterías estacionarias, en torno al 70%, se debe por tanto utilizar baterías de al menos 41,05 KWh de capacidad. En la etapa de dimensionamiento específico de la instalación este consumo medio se calculara específicamente a partir del consumo en anteriores años de la vivienda donde se pretenda realizar la instalación para elegir de esta forma la capacidad adecuada de la batería. Además el cliente podrá elegir el grado de autonomía o número de días de consumo capaz de cubrir con baterías. El coste de la instalación será muy sensible a la autonomía debido a la influencia de las baterías en el coste total que se puede estimar entre un 15-35 % del coste total de la instalación.

Para alcanzar el funcionamiento totalmente autónomo de la instalación se decide por almacenar en un conjunto de baterías estacionarias de 22,08 KWh de capacidad (https://autosolar.es/baterias/bateria-48v/bateria-rolls-48v-460ah-s460_precio). Atendiendo a la profundidad de descarga de la batería se considera por tanto una capacidad de 15,45 KWh. El precio de esta batería es de 2682,5 euros y se necesitarían dos baterías de este tipo para cubrir una demanda de 3 días de autonomía. Esto supone un coste relativo de almacenamiento que podría situarse en torno al 50 % del coste total de la instalación.

5.3 Almacenamientomediantegrupo electrógeno y batería

Una forma alternativa de funcionamiento mediante batería es considerar la adquisición de un grupo electrógeno y un cargador de batería mediante el cual se pudiese recargar la batería en caso de previsión de necesidad de mayor autonomía debido a condiciones meteorológicas desfavorables. En este caso se elegiría una batería de menor capacidad reduciendo notablemente el precio aunque se debe incorporar un cargador de batería y un grupo electrógeno en el coste total de la instalación.

Se elige una batería para instalaciones autónomas de 9,18 KWh de capacidad que alcanza un precio de 1368 euros (https://autosolar.es/baterias/acumuladores-opzs/baterias-estacionarias-12v/bateria-12v-765ah-transparente-opzs_precio). Debe ser considerado que según la bibliografía y pruebas realizadas no se recomienda la descarga de este tipo de baterías por debajo del 40 % si se quiere mantener una considerable larga vida útil de la batería.

Esta batería tiene un valor bastante considerable para una autonomía de unas 14 horas según el consumo medio de una vivienda en España y respetando los límites recomendados de descarga.

El grupo electrógeno elegido con el fin de cargar la batería se trata un grupo electrógeno diésel que aportaría la energía necesaria para dotar de una mayor autonomía a la instalación. Se trata de u n Generador insonorizado con motor diésel de 4,2 kVA (http://www.supertiendasolar.es/solaronline/eshop/7-1-GRUPOS-ELECTROGENOS/77-2-DIESEL/5/579-GENERADOR-INSONORIZADO-CON-MOTOR-DIESEL-4-2-kVA-230V-POWERMATE-PMD5000S).

51

Por ultimo necesitaríamos un accesorio mediante el cual poder conectar este grupo electrógeno a la batería para recargarla. El modelo elegido es el cargador de baterías 12V 10A Victron Phoenix que está

construido con una tecnología adaptable gestionada por un microprocesador que controla la carga de la batería. Dependiendo del uso que se le dé a la batería, el Cargador de baterías 12V 10A Victron Phoenix se ajustará al proceso de carga y descarga de la misma gracias a su microprocesador incorporado.

El sistema de carga variable que posee el cargador de baterías de 12V 10ª Victron Phoenix es de 4 etapas: Incial, absorción, carga lenta y almacenamiento (https://autosolar.es/cargador-baterias/cargado-de-baterias-

12v-10a-victron-phoenix_precio)

El coste total de almacenamiento eléctrico mediante batería y grupo electrógeno es de 2750 € y se desglosa a continuación:

ELEMENTO PRECIO (€)

BATERÍA DE 9,18 KWH 1368

GRUPO ELECTRÓGENO 1250

CARGADOR DE BATERÍA

132

Tabla 14- Coste almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno

Aunque la instalación almacene energía eléctrica en batería, es necesario de cualquier forma almacenar calor para el funcionamiento del circuito de agua caliente sanitaria. Según los cálculos realizados anteriormente para el almacenamiento mediante calor es necesario un aporte energético de 60610 KJ/día para el correcto funcionamiento de la instalación de agua caliente sanitaria.

umv1ahT mv^vzT1hT = � · y · ^! · )

Los valores de densidad y calor especifico del agua a 140 ºC y 5 bar son 926,3 Kg/m3 y 4,29 KJ/Kg·K respectivamente. De la expresión anterior se obtiene que para alcanzar esta energía es necesario un volumen de 36,93 litros de agua a 140 ºC y 5 bar. Si se establece un horizonte de autonomía de 4 días se necesita un depósito acumulador de 147 litros.

Se elige el modelo “InteracumuladorACS WWKS200-1” de 200 litros del fabricante Salvador Escoda. Este acumulador supone un coste de 814 €.

5.4 Balance eléctrico neto

Otra modalidad de generación eléctrica es el funcionamiento de forma semiautónoma. En esta modalidad la energía eléctrica que genera la instalación y no es consumida se cede a la red haciendo uso de la red cuando la instalación no es capaz de producir la energía necesaria. Para esta modalidad es necesaria la instalación de contadores bidireccionales que realicen un balance neto de la energía.

El balance neto (en inglés net metering) o medición neta de electricidades un esquema de utilidad general para el uso y pago del recurso en el cual un cliente que genera su propia energía eléctrica puede compensar los saldos de energía de manera instantánea o diferida, permitiendo a los consumidores la producción individual de energía para su propio consumo, compatibilizando su curva de producción con su curva de demanda

Este sistema puede ser aprovechado por consumidores que poseen una instalación de energías renovables, y permite verter a la red eléctrica el exceso producido por un sistema de autoconsumo con la finalidad de poder hacer uso de ese exceso en otro momento. De esta forma, la compañía eléctrica que proporcione la electricidad cuando la demanda sea superior a la producción del sistema de autoconsumo, descontará en el consumo de la red de la factura, los excesos vertidos a la misma.

52

Fig.26- Balance eléctrico neto (Fuente: Periódico El País)

La situación en España con respecto a este tipo de generación es un tanto peculiar, a finales de 2011 se aprobó un real decreto por el que se estableció la regulación de las condiciones administrativas, técnicas y económicas de la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia. Sin embargo, todavía se espera que se apruebe la norma que indique las condiciones técnicas necesarias para dichas conexiones y la regulación de un modelo de balance neto adecuado a las características del sistema eléctrico nacional. Por tanto este tipo de sistema todavía no puede ser implantado en España por un cliente particular obstaculizando el crecimiento y la expansión domestica de las energías renovables.

Por otro lado, debido al creciente auge de pequeñas instalaciones de energía renovable, el autoconsumo con balance neto ha comenzado a ser regulado en muchos países del mundo, siendo actualmente una realidad en países como Alemania, Holanda, Italia, Dinamarca, Japón, Australia, Estados Unidos, Canadá, México o Brasil. Otros países como Francia o Bélgica están en proceso y redacción de un conjunto de leyes que regulen este tipo de generación. Por tanto la verdadera realidad internacional nos muestra un escenario más que esperanzador para este tipo de modalidad de instalaciones domesticas semiautónomas.

La posibilidad de la elección de funcionamiento de la instalación mediante balance eléctrico neto disminuye de forma considerable la inversión inicial que se debe realizar reduciendo en aproximadamente un 25% el coste total de la instalación.

El precio de la electricidad en España en Abril de 2014 es de 0,16 €/KWh. Suponiendo un consumo de 9,58 KWh diario se realiza un balance neto de la energía eléctrica a partir de los datos de irradiación presentados. Para realizar este balance neto debemos diferenciar los periodos de tiempo donde la instalación está funcionando exclusivamente como ciclo ORC y los periodos de tiempo en los que está funcionando de forma combinada como ciclo ORC y sistema de calentamiento de agua sanitaria.

Para establecer una relación entre el tiempo que funciona en cada modalidad se utilizan las previsiones realizadas del consumo de agua sanitaria y el consumo de energía eléctrica diario en una vivienda de 4 personas para el dimensionamiento del acumulador de calor:

Energía eléctrica=228000 KJ/día

Energía sistema ACS=60610 KJ/día

Se utiliza esta previsión de consumo de energía para establecer un número aproximado de horas de

53

funcionamiento en cada modo de funcionamiento. Se tiene, por tanto, un total de 2,4 horas de funcionamiento en modo combinado y 9,6 horas de funcionamiento en modo de producción de potencia.

A partir de esta relación de funcionamiento se realiza un balance neto entre la energía total producida por el sistema y el consumo de energía eléctrico medio para una vivienda de 4 personas (9,58 KWh)

Se realiza este balance en primer lugar para el emplazamiento en Sanlúcar la Mayor (Sevilla) obteniéndose los siguientes resultados:

Tabla 15- Energía producida según modo de funcionamiento

Los valores positivos en el balance neto diario significan que la instalación está produciendo más energía de la que la vivienda necesita, por tanto y debido a las condiciones de balance neto se cede esa energía a la red eléctrica. La red eléctrica paga un precio por esa producción de energía. Los valores negativos del balance neto significan que la instalación produce menos energía de la que necesita diariamente y debe acudir a la red eléctrica para compensar este déficit energético.

Mes Calor absorbido

en el colector (KW)

Energía producida en modo

combinado (KWh)


producción ORC

(KWh)

Energía total

producida

Balance neto

diario (KWh)

Enero 6,42 0,02 0,95 9,17 -0,41

Febrero 7,96 0,25 1,18 11,93 2,35

Marzo 11,77 0,82 1,75 18,77 9,19

Abril 13,97 1,14 2,08 22,70 13,12

Mayo 17,82 1,72 2,65 29,57 19,99

Junio 18,58 1,83 2,76 30,89 21,31

Julio 19,51 1,97 2,90 32,57 22,99

Agosto 17,56 1,68 2,61 29,09 19,51

Septiembre 13,77 1,12 2,05 22,37 12,79

Octubre 9,32 0,45 1,39 14,42 4,84

Noviembre 6,64 0,05 0,99 9,62 0,04

Diciembre 5,35 0,00 0,80 7,68 -1,90

54

A continuación se presentan los resultados obtenidos para las condiciones de irradiación del emplazamiento en Santiago:

Tabla 16- Energía producida según modo de funcionamiento en Santiago

En este caso existe un número mayor de meses en los que el balance neto es negativo debido a los menores valores de irradiación que se dan en este emplazamiento.

Para calcular la rentabilidad de la inversión se debe establecer el precio al que se paga cada KWh producido y el precio que se paga por cada KWh consumido.

Aunque la mayoría de países de la Unión Europea tienen leyes que permiten el balance neto (España lamentablemente todavía no ha aprobado la suya) la regulación es diferente en cada país. Se muestra a continuación el escenario regulatorio actual respecto a la ley de balance neto en distintos países de Europa (Fuente: Entelsa):

• Alemania: Se paga una prima inferior a la pagada para energías renovables. La rentabilidad queda garantizada por el ahorro que supone la utilización de la energía generada y por la prima dada. Hay limitación de la potencia.

• Italia: Ofrece un sistema de apoyo atractivo, donde se analiza la energía producida y consumida y se le otorga un valor económico a ambas, dependiendo de cada valor se recibe un crédito o un abono. La diferencia de energía (en kWh) no siempre es valorada de la misma manera ya que existe discriminación horaria. Adicionalmente se establece una limitación de potencia de 200 KW

Mes Calor absorbido

en el colector (KW)


combinado (KWh)


producción ORC

(KWh)

Energía total

producida

Balance neto diario

(KWh)

Enero 3,06 0,00 4,42 4,42 -5,16

Febrero 5,01 0,00 7,20 7,20 -2,38

Marzo 6,35 0,03 9,02 9,05 -0,53

Abril 11,51 1,87 16,42 18,28 8,70

Mayo 13,61 2,62 19,39 22,01 12,43

Junio 13,76 2,66 19,68 22,34 12,76

Julio 15,56 3,31 22,18 25,49 15,91

Agosto 14,76 3,02 21,02 24,05 14,47

Septiembre 10,10 1,37 14,40 15,77 6,19

Octubre 6,11 0,00 8,74 8,74 -0,84

Noviembre 4,17 0,00 5,95 5,95 -3,63

Diciembre 3,63 0,00 5,18 5,18 -4,40

55

• Bélgica: Utiliza un esquema complejo, siendo un híbrido de primas por generación y certificados verdes. El balance neto está previsto solo para instalaciones fotovoltaica de menos de 10 kW

• Dinamarca: El sistema de balance neto es a base de créditos energéticos, que permiten al productor utilizar toda la energía generada en el momento en que la necesite a través de la concesión de créditos cuando genera excedentes. Todo ello solo para instalaciones de menos de 6kW

• Francia: Recientemente se ha propuesto una forma de balance neto a través de Électricité de France. De acuerdo a su página web, la energía que producen los productores domésticos de energía puede ser comprada a un precio mayor que el que se carga a los consumidores. Por ello, se recomienda, vender toda la energía producida y comprar la energía necesaria para el consumo a un precio menor. El precio ha sido fijado durante un período de 20 años por el gobierno

La elección de una instalación semiautónoma reduce considerablemente la inversión inicial reduciendo el plazo de amortización y haciéndola por tanto mucho más atractiva para el cliente particular.

56

6 ANÁLISIS DE INVERSION ECONOMICA

.

P ara el cálculo del periodo de amortización de la inversión se utiliza los indicadores VAN y TIR.

Comenzaremos calculando el VAN. El Valor Actualizado Neto (VAN) es un método de valoración de inversiones que puede definirse como la diferencia entre el valor actualizado de los cobros y de los pagos generados por una inversión. Este indicador proporciona una medida de la rentabilidad del proyecto analizado en valor absoluto, es decir expresa la diferencia entre el valor actualizado de la cantidad de dinero que se cobra y se paga.

Analíticamente se expresa como la diferencia entre el desembolso inicial (que no se actualiza ya que se genera en el momento actual) y el valor actualizado, al mismo momento, de los flujos de caja (diferencia entre ingresos y gastos):

�d* = −d + %�(1 & K� &

%��1 & K�� &⋯& %�

�1 & K�� d &|� %}�1 & K�}�

�

}~�

Siendo “k” la tasa de descuento, “n” el número de años, “A” la inversión inicial y “Qj” el flujo de caja en el periodo j

En nuestro caso el valor de la factura eléctrica y la factura de gas para calentamiento de agua sanitaria es considerado como el ingreso mientras que estableceremos una cuota de mantenimiento de la instalación como gasto para de esta forma generar el flujo de caja.

Para calcular la tasa de descuento en este caso se tener en cuenta el capital inicial (C) que se aporta además de la deuda o financiación que se contrae (D).

La tasa de descuento se obtiene mediante la siguiente expresión:

K K� � � �� & 5� & K$ � �

55 & �� 1 � )�

Esta expresión depende de varios parámetros además del capital inicial y de la deuda que se contrae:

• Kd es la tasa o interés que te cobra el banco o método de financiación por el capital prestado • Ke es un coeficiente que define en porcentaje el valor que espera el inversor que el proyecto que rinda • T es el impuesto sobre la renta

Para calcula el coeficiente Ke se tiene en cuenta el interés del banco y el riesgo que se asume, que por lo general suele considerarse un 10% aunque depende del sector al cual está dedicada la inversión:

K� �1 & K$� � �1 & Shvza�� 1

A partir de las ecuaciones presentadas se puede calcular el periodo de amortización de las diferentes posibilidades de almacenamiento de energía presentadas.

57

6.1 Funcionamiento autónomo

En la siguiente tabla se presenta un resumen de los costes de los elementos necesarios para cada modalidad para una superficie de colector de 39,45 m2 compuesta por 15 colectores solares de 2,63 m2.

A la hora de calcular el coste de la instalación se ha tenido en cuenta el precio del montaje de la instalación, que consultando a diversas fuentes supone un precio aproximado de 450 euros para el montaje de los colectores.

Además se ha elegido para los conductos el uso de polipropileno teniendo un coste en el mercado actual de 3 € por metro. A este coste debemos sumarle el coste de aislamiento de los conductos que se establece en 1,25 € por metro. Se supone una instalación en la que se necesitan al menos 30 metros.

Almacenamiento en batería y grupo electrógeno

Coste Elementos (€)

Almacenamiento en acumulador de calor


Balance neto Coste Elementos (€)

15 Colectores solares de 2,63 m2

15·450 15 Colectores solares de 2,63 m2


15·450

Batería de 9,18 KWh

1368 Acumulador 750 litros

1995 Evaporador 220

Grupo electrógeno

1250 Evaporador 220 Condensador 220

Evaporador 220 Condensador 220 Intercambiador de agua sanitaria

220

Condensador 220 Intercambiador de agua sanitaria

220 Montaje 450

Intercambiador de agua sanitaria

220 Montaje 450 Coste en tubería polipropileno y aislamiento (70 metros)

90

Montaje 450 Coste en tubería polipropileno y aislamiento (70 metros)

90 Coste elementos (10% coste total)

397,5

Coste en tubería polipropileno y aislamiento (30 metros)


499,5 Coste aislamiento (30 metros)

45

Coste aislamiento (30 metros)

45 Coste aislamiento (30 metros)

45 Expansor 600

58

Tabla 17- Coste de elementos de la instalaciónautónoma

Para calcular el VAN necesitamos la tasa de descuento que depende a su vez del capital inicial y del capital financiado. Suponemos un capital inicial de 1000 € para los cálculos. El capital financiado se obtiene por tanto mediante la diferencia entre el coste total y el capital inicial:

�Tkh�Tw �hmTm^hTx� = ��z�v ��Tw − �Tkh�Tw hmh^hTw

Las necesidades de financiación para cada una de las posibilidades serian:

• Almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno=11598,35 € • Almacenamiento mediante acumulador de calor=10089,5 €

• Balance neto=7947,5 €

Una vez definido el capital financiado, para poder calcular el VAN y el periodo de amortización se deben establecer valores para el tipo de interés y el impuesto sobre la renta. Aunque estos valores dependen de la entidad que financia y de diversos variables de mercado se han fijado en 4,28% y 15% respectivamente.

Por último se necesita conocer el valor del coeficiente Ke que mide la productividad que el inversor espera obtener. Este valor depende del tipo de interés, para el tipo de interés determinado se obtiene ke=0,14.

Se calcula a partir de las consideraciones anteriores el valor de la tasa de descuento en cada una de las modalidades:

• Almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno=4,46 % • Almacenamiento mediante acumulador de calor=4,57 %

• Balance neto=4,79 %

Para calcular el periodo de amortización buscamos el punto en el que el valor del VAN se hace nulo. Los flujos de caja para la modalidad de almacenamiento en batería y almacenamiento en acumulador son constantes e iguales en ambos casos.

Se considera como ingreso el valor ahorrado en la factura de electricidad además del valor ahorrado en gas para calentamiento de agua sanitaria.

La factura de electricidad se ve afectada por el consumo energético, el término de potencia y el servicio de asistencia y mantenimiento (fuente: factura empresa eléctrica e-on)

Los precios que establece la fuente consultada para estos servicios son:

• Consumo energético= 0,16 €/KWh • Termino de potencia= 46,45 €/KW

• Servicio asistencia= 2,58 €/mes

Considerando un consumo energético medio de una vivienda unifamiliar de 9,58 KWh y un año natural de 365 días se tiene un gasto por consumo energético de 559,47 €/año.

Coste elementos (5 % coste total)

571,35 Expansor 600

Acumulador de calor (200 litros)

814

Expansor 600

Coste total (€) 12598,35 Coste total (€) 11089,5 Coste total (€) 8947,5

59

Por otro lado se considera además una contratación de una potencia pico de 3,3 KW lo que supone un gasto de 153,29 €/año

Por último el servicio de asistencia supone un gasto de 30,96 €/año.

El gasto en la factura de gas se establece en 35 €/mes para una vivienda unifamiliar de 4 personas. Se obtiene un ahorro de 420 €/año.

El flujo de caja total para un periodo de un año suma un valor de 1163,72 € [1]

Aplicando la expresión del VAN, se obtiene un periodo de amortización de 17 años en caso de almacenamiento en batería y grupo y un periodo de 15 años para almacenamiento en acumulador de calor, el valor del VAN que se obtiene es el siguiente:

MODALIDAD VAN


75,17 (17 años)


354,35 (15 años)

Según el indicador VAN la modalidad de almacenamiento de energía en acumulador de calor tiene mayor interés económico.

Posteriormente se debe calcular la tasa interna de retorno para corroborar las conclusiones obtenidas mediante el indicador VAN. La Tasa Interna de Retorno o de Rentabilidad (TIR), es un método de valoración de inversiones que mide la rentabilidad de los cobros y los pagos actualizados, generados por una inversión, en términos relativos, es decir en porcentaje

Analíticamente se calcula despejando la tasa de descuento (k) que hace que el valor del VAN sea nulo. Recordando la expresión utilizada para el cálculo del VAN:

�d* = −d + %�(1 + K) + %�

(1 + K)� + ⋯ + %�(1 + K)� = −d + |( %}

(1 + K)})�

}~�

Utilizando un horizonte de amortización determinado en el cálculo del VAN el valor del TIR para ambas modalidades se calcula obteniéndose:

MODALIDAD TIR


5 % (17 años)


3 % (13 años)

Para el cálculo de los indicadores VAN y TIR de amortización de la inversión en la modalidad de balance neto es necesario realizar un balance anual de la energía producida por la instalación y la energía media demandada por una vivienda unifamiliar (9,58 KWh).

Como se ha comprobado anteriormente según el emplazamiento este balance neto puede varia significativamente. A partir de las cifras de balance neto diario obtenidas en la descripción de la modalidad de balance neto se realiza en este caso un balance neto anual para el emplazamiento en Sanlúcar la Mayor:

60

Tabla 18- Balance neto Sanlúcar

Se obtienen 3300,6 KWh de superávit energético para el emplazamiento de la instalación en Sanlúcar.

Del mismo modo se comprueba en esta ocasión el balance energético anual en el segundo emplazamiento elegido obteniéndose:

Mes Calor absorbido en

el colector (KW)

Balance neto diario (KWh)

Balance neto Energético

mensual (KWh)

Enero 3,21 -1,08 -32,4

Febrero 3,98 1,84 55,2

Marzo 5,89 7,89 236,7

Abril 6,99 12,31 369,3

Mayo 8,91 17,92 537,6

Junio 9,29 20,23 606,9

Julio 9,75 20,76 622,8

Agosto 8,78 18,43 552,9

Septiembre 6,88 11,16 334,8

Octubre 4,66 3,76 112,8

Noviembre 3,32 -0,34 -10,2

Diciembre 2,67 -2,86 -85,8

Total 3300,6

61

Tabla 19- Balance neto Santiago

En esta ocasión se obtienen 1269,9 KWh de superávit energético para el emplazamiento de la instalación en Santiago.

Se puede comprobar como la diferencia en el balance neto anual en dos emplazamientos con unas condiciones climáticas distintas es significativa aunque en ambos casos es positivo el balance. Este dato asegura un correcto funcionamiento mediante baterías y acumulador ya que se puede conseguir una recarga de los métodos de almacenamiento suficiente para el funcionamiento anual.

Para el cálculo de los indicadores económicos en la modalidad de balance neto se deben tener en cuenta factores como el balance neto anual, el precio que paga la compañía por la energía cedida y si existe limitación de potencia en el balance.

Para el cálculo del VAN en la modalidad de balance neto establecemos un escenario en el que la potencia pico cedida a la red no está limitada y se supone además un pago del 60% del precio de venta (0,16€/KWh) por la energía cedida a la compañía eléctrica.

El valor de los flujos de caja varía en función del emplazamiento debido a la diferencia en el balance neto anual en ambos emplazamientos. Calculamos por tanto el valor del VAN para ambos emplazamientos considerando un precio de venta de la energía sobrante de 0,078 €/KWh.

El flujo de caja anual es en esta modalidad la suma del ahorro en consumo eléctrico, el ahorro en calentamiento de agua sanitaria y la prima por la energía generada. Para el emplazamiento en Sanlúcar el flujo de caja se sitúa en 1480,58 €/año mientras que para el emplazamiento en Santiago el flujo de caja alcanza un valor de 1285,63 €/año.


el colector (KW)



mensual (KWh)

Enero 1,53 -5,36 -160,8

Febrero 2,51 -2,67 -80,1

Marzo 3,18 -0,24 -7,2

Abril 5,76 9,04 271,2

Mayo 6,81 13,08 392,4

Junio 6,88 16,12 483,6

Julio 7,78 15,00 450

Agosto 7,38 6,52 195,6

Septiembre 5,05 -0,75 -22,5

Octubre 3,06 -3,82 -114,6

Noviembre 2,09 -4,59 -137,7

Diciembre 1,82 -6,32 -189,6

Total 1269,9

62

En esta ocasión el periodo de amortización es considerablemente menor debido al ingreso que supone la venta del excedente de energía además de la menor inversión necesaria para acumulación.

EMPLAZAMIENTO VAN

SANLÚCAR 267,38 (9 años)

SANTIAGO 680,67 (11 años)

Se comprueba como el balance neto es la modalidad de explotación de la instalación más rentable a pesar de verse afectada la prima por la energía cedida por un factor del 60%. Estableciéndose la amortización para ambos emplazamientos se puede calcular el valor del TIR para cada lugar obteniéndose:

EMPLAZAMIENTO TIR

SANLÚCAR 5 % (9 años)

SANTIAGO 6 % (11 años)

Los resultados obtenidos para la modalidad de balance neto están fuertemente sujetos a la normativa de regulación regional.

Se resume a continuación en la siguiente tabla las consideraciones realizadas para el calculo de los indicadores hipótesis en cada una de las modalidades de almacenamiento y las hipótesis generales:

63

Acumulador de calor

Batería y grupo electrógeno

Batería Balance neto

Temperatura de almacenamiento de agua de 140 ºC

Profundidad de descarga de la batería del 60 %


Precio de venta de electricidad es 60% de precio de compra

Presión de almacenamiento de agua de 5 bar

4 días de autonomía de ACS


• 12 horas de sol al día • 2,4 horas en modo combinado y 9,6 horas en modo producción de potencia • Rendimiento de colector solar=75% • Rendimiento del expansor=90 % • Consumo diario de ACS=580 litros • Incremento de temperatura de ACS=25 ºC • Consumo medio de gas para ACS=35 €/mes • Consumo eléctrico diario=9,58 KWh • Precio de energía eléctrica=0,16 €/KWh • Potencia eléctrica máxima contratada=3,3 KW • 30 metros de tubería propileno desde colectores solares • 3 €/metro de propileno y 1,5 €/metro de aislamiento de tubería • 450 € montaje de colectores solares • Coste de elementos del ciclo de producción de potencia=10% coste total de la

instalación • Impuesto sobre la renta=15 % • Tipo de interés=4,28 %

Tabla 20-

A partir de las hipótesis realizadas se presentan los resultados obtenidos de los indicadores económicos de inversión de las posibles modalidades de almacenamiento energético:

Acumulador de calor


Batería Balance neto en Sanlúcar

Balance neto en Santiago

Ahorro anual energía eléctrica (€)

743,72 743,72 743,72 743,72 743,72

Ahorro anual en gas para ACS (€)

420 420 420 420 420

Inversión inicial (€)

1000 1000 1000 1000 1000

64

Ingreso por venta de energía producida (€)

- - - 316,85 121,91

Tasa de descuento

4,57 % 4,46 % 4,31 % 4,79 % 4,79 %

Periodo de amortización (años)

13 16 20 8 9

Valor actualizado neto (VAN)

216,65 539,63 19,89 889,41 461,01

Tasa interna de retorno (TIR)

4,91 % 5,04 % 4,68 % 7,27 % 5,99 %

Tabla 21- Resultados económicos

6.2 Funcionamiento semiautónomo

Con objeto de reducir los plazos de amortización y el coste total de la instalación se estudia la posibilidad de realizar la instalación para un tamaño de colector considerablemente menor. En este escenario el colector aportaría una potencia eléctrica inferior a la demanda y por tanto debe estar conectado a la red para completar la demanda eléctrica diaria pero el coste disminuye considerablemente debido a que en este caso no se necesita acumular energía para producción de potencia y además el tamaño necesario de colector, y por tanto el coste de este elemento, es mucho menor.

Al ser el tamaño de colector mucho menor no se contempla la posibilidad de funcionamiento combinado como ciclo de producción de potencia y como sistema de calentamiento de agua sanitaria. En este escenario la instalación funciona como producción de potencia o como calentamiento de agua sanitaria pero nunca en ambas modalidades simultáneamente.

Para el calentamiento de agua se establece un margen de temperaturas de funcionamiento en el acumulador de calor. La temperatura en el depósito acumulador debe mantenerse en este margen de forma que cuando baje de un mínimo establecido la instalación comienza a usar la potencia absorbida en el colector para volver a calentar el agua del acumulador. De esta forma el funcionamiento de como ciclo de producción de potencia queda totalmente desacoplado del ciclo de calentamiento de agua sanitaria.

65

Tabla 22- Energía producida en funcionamientosemiautónomo

En la siguiente figura se muestra la representación de los valores obtenidos para ambos emplazamientos:

Fig.27- Uso exclusivo como sistema ORC

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (

KW

)

Uso exclusivo como sistema ORC

Sanlucar

Santiago


(Qcol=KW)

Producción de potencia en el

expansor (KW)

Santiago (Qcol=KW)


expansor (KW)

Enero 1,20 0,18 0,57 0,09

Febrero 1,49 0,22 0,94 0,14

Marzo 2,21 0,33 1,19 0,18

Abril 2,62 0,39 2,16 0,32

Mayo 3,34 0,50 2,55 0,38

Junio 3,48 0,52 2,58 0,39

Julio 3,66 0,55 2,92 0,44

Agosto 3,29 0,49 2,77 0,42

Septiembre 2,58 0,39 1,89 0,28

Octubre 1,75 0,26 1,15 0,17

Noviembre 1,24 0,19 0,78 0,12

Diciembre 1,00 0,15 0,68 0,10

66

El análisis por franja horaria de la potencia absorbida y producida es el siguiente:


Potencia absorbida

(KW)



Potencia absorbida

(KW)


5:00 69,7 0,15 0,02 0 0 0,00

6:00 546,6 1,14 0,17 0 0 0,00

7:00 1119,8 2,33 0,35 0 0,00 0,00

8:00 1740,7 3,63 0,54 233,1 0,49 0,07

9:00 2340,6 4,88 0,73 593,10 1,24 0,19

10:00 2842,7 5,92 0,89 926,80 1,93 0,29

11:00 3176,9 6,62 0,99 1162,20 2,42 0,36

12:00 3294,2 6,86 1,03 1247,00 2,60 0,39

13:00 3176,9 6,62 0,99 1162,20 2,42 0,36

14:00 2842,7 5,92 0,89 926,80 1,93 0,29

15:00 2340,6 4,88 0,73 593,10 1,24 0,19

16:00 1740,7 3,63 0,54 233,10 0,49 0,07

17:00 1119,8 2,33 0,35 0,00 0,00 0,00

18:00 546,6 1,14 0,17 0 0,00 0,00

19:00 69,7 0,15 0,02 0 0,00 0,00

Tabla 23- Potencia horaria producida funcionamiento semiautónomo

Como puede observarse la potencia eléctrica generada aporta un porcentaje de la potencia eléctrica necesaria siendo menor que la demandada en cualquier franja horaria necesitándose el consumo de la red eléctrica.

La representación cualitativa de la evolución de la producción por franja horaria para los dos emplazamientos elegidos se muestra en la siguiente figura:

67

Fig.28- Producción horaria de potencia

Para conocer la energía que se consume de la red eléctrica se realiza un balance entre la energía total producida y el consumo medio energético de una vivienda unifamiliar (9,58 KWh)

Para realizar este balance se tiene en cuenta la relación calculada anteriormente [2] mediante la cual se establece una relación entre el tiempo de funcionamiento en cada modalidad y se utilizan las previsiones realizadas del consumo de agua sanitaria y el consumo de energía eléctrica diario en una vivienda de 4 personas para el dimensionamiento del acumulador de calor:

Energía eléctrica=228000 KJ/día

Energía sistema ACS=60610 KJ/día

Se utiliza esta previsión de consumo de energía para establecer un número aproximado de horas de funcionamiento en cada modo de funcionamiento. Se tiene, por tanto, un total de 2,4 horas de funcionamiento en modo combinado y 9,6 horas de funcionamiento en modo de producción de potencia

A partir de esta relación se obtiene el siguiente balance energético para un colector solar de 7,5 m2 en Sanlúcar:

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (

KW

)Produccion horaria de potencia

Sanlucar Santiago


el colector (KW)



mensual (KWh)

Enero 1,2 -7,85 -235,5

Febrero 1,49 -7,43 -222,9

Marzo 2,21 -6,40 -192

Abril 2,62 -5,81 -174,3

Mayo 3,34 -4,77 -143,1

Junio 3,48 -4,57 -137,1

68

Tabla 24- Balance neto funcionamiento semiautónomo Sanlúcar

Para el emplazamiento en Santiago se tiene:

Tabla 25- Balance neto funcionamiento semiautónomo Santiago

En ambos emplazamientos se obtiene un balance energético negativo ya que el tamaño del colector solar no permite captar la suficiente energía para cubrir la demanda diaria.

Julio 3,66 -4,31 -129,3

Agosto 3,29 -4,84 -145,2

Septiembre 2,58 -5,86 -175,8

Octubre 1,75 -7,06 -211,8

Noviembre 1,24 -7,79 -233,7

Diciembre 1 -8,14 -244,2

Total -2244,9


el colector (KW)



mensual (KWh)

Enero 0,57 -8,76 -262,8

Febrero 0,94 -8,23 -246,9

Marzo 1,19 -7,87 -236,1

Abril 2,16 -6,47 -194,1

Mayo 2,55 -5,91 -177,3

Junio 2,58 -5,86 -175,8

Julio 2,92 -5,38 -161,4

Agosto 2,77 -5,59 -167,7

Septiembre 1,89 -6,86 -205,8

Octubre 1,15 -7,92 -237,6

Noviembre 0,78 -8,46 -253,8

Diciembre 0,68 -8,60 -258

Total -2613,3

69

Para realizar el balance económico se necesita conocer los flujos de caja (Qn) . En este caso el flujo de caja se considera el ahorro en la factura eléctrica total anual (E) y el ahorro de la factura del gas para agua caliente sanitaria (G) menos el gasto en energía eléctrica consumida debido al balance energético negativo (B):

% = u + ` − �

El coste del consumo eléctrico anual se estima mediante el consumo estimado diario (9,58 KWh) y el precio establecido para el precio de la energía eléctrica de 0,16 €/KWh. Además se tiene en cuenta el término de potencia contratada y el servicio de asistencia. [1]

Para el cálculo del ahorro de la factura de gas se estima un consumo de 35 € mensuales sumando un total de 420 €/año.

El ingreso anual se estima en 1163,72 €/año.

Por otro lado debemos calcular como un gasto adicional el gasto por consumo eléctrico debido al balance eléctrico negativo que supone la instalación de colectores solares de menor tamaño.

Considerando el precio de la energía eléctrica para el emplazamiento en Sanlúcar el gasto que supone este balance es de 359,18 €/año mientras que para el emplazamiento en Santiago el coste de energía eléctrica consumida es de 418,08 €/año

Los flujos de caja para ambos emplazamientos se establecen por tanto:

%��-# = 1163,72 − 359,18 = 804,54

%��.�r� = 1163,72 − 418,08 = 745,64

Para el funcionamiento semiautónomo no se necesita almacenamiento de energía para producción de potencia eléctrica pero si necesitamos almacenar energía para el consumo de agua caliente sanitaria.

El consumo energético para el funcionamiento correcto del sistema de agua caliente sanitaria se estima en 60610 KJ/día. [2]

umv1ahT mv^vzT1hT = � · y · ^! · )

Aplicando un balance energético en el intercambiador y considerando una temperatura de 140ºC y 5 bares de presión en el acumulador se puede obtener el volumen de agua necesario para una autonomía establecida en la instalación de 3 días.

Se necesitan 181830 KJ de energía en forma de calor para abastecer el consumo de agua caliente sanitaria con una autonomía de 3 días.

Teniendo en cuenta la expresión anterior para la energía almacenada se estima un consumo de 105,91 litros de agua almacenada a 140 ºC y a una presión de 5 bar. Para aumentar

Mediante un estudio de mercado se decide elegir el InteracumuladorACS WWKS200-1 con una capacidad de 200 litros pero que también puede funcionar con menos capacidad. De esta forma aseguramos un mayor grado de autonomía en el caso de que fuese necesario. El coste de este acumulador es de 814,6 €.

El coste total de la instalación se representa a continuación en la siguiente tabla:

Funcionamiento semiautónomo Coste Elementos (€)

3 Colectores solares de 2,63 m2 3·450

Evaporador 220

Condensador 220

70

Tabla 26- Coste de instalaciónsemiautónoma

Una vez calculado el coste total de la instalación y los flujos de caja anuales se puede calcular el periodo de amortización necesario utilizando el VAN.

Se calcula el VAN para este nuevo funcionamiento de la instalación en los dos emplazamientos seleccionados obteniéndose:

EMPLAZAMIENTO VAN (€)



En ambos casos el periodo de amortización son 6 años haciendo la inversión bastante rentable comparándola con la inversión en un sistema totalmente autónomo.

Por último se calcula el TIR en ambos emplazamientos para un periodo de amortización de 6 años:

EMPLAZAMIENTO TIR



6.3 Analisis de tendencia

En esta sección se trata de presentar una perspectiva de la rentabilidad de la inversión considerando distintos escenarios tecnológicos. Los de los indicadores de rentabilidad de la inversión dependen de un gran numero de parámetros, los cuales hemos fijado en valores de mercado actuales. A continuación se analiza el grado de influencia de estos parámetros en los indicadores. Se consideraran tres posibles escenarios: incremento del precio de la electricidad, descenso del precio de los componentes de la instalación y la combinación de ambos escenarios.

Intercambiador de agua sanitaria 220

Montaje 250

Coste en tubería polipropileno y aislamiento (30 metros) 40

Coste aislamiento (30 metros) 25

Coste elementos (10% coste total) 313,9

Acumulador de calor (200 litros) 814

Coste total (€) 3452,9

71

6.3.1 Incremento del precio de la electricidad

La tendencia al alza del precio de la electricidad es un factor importante a tener en cuenta debido a su fuerte influencia en los flujos de caja anuales producidos por la instalación.

El incremento del precio de la electricidad es una constante que se ha venido repitiendo en la ultima década en mayor o menor medida interanualmente. Por tanto, tomaremos en cuenta diferentes valores de incremento interanual del precio de la energía eléctrica para obtener una estimación cuantitativa de su influencia en los indicadores de viabilidad económica.

Para empezar se comienza mostrando la evolución del parámetro VAN a medida que avanzan los años considerando un precio de la electricidad constante:

Figura 29- Evolución VAN con precio electricidad constante

Como era de esperar se observa una tendencia ascendente en las curvas de todas las configuraciones de almacenamiento analizadas. Se puede además observar como esta tendencia se hace más acentuada en las configuraciones que utilizan un Sistema de producción totalmente autónomo. Esto convierte las instalaciones semiautónomas en más rentables en el corto plazo pero menos rentable que las configuraciones autónomas a partir de un numero de años determinado.

A los diez años la configuración de almacenamiento mediante balance neto autónomo en Santiago tiene un VAN de -77,19 € mientras que para la configuración de balance neto semiautónomo es de 2594,65 €. Si observamos estos valores a los 20 años se obtienen valores de 6127,16 y 4782,66 para las configuraciones de balance neto autónomo y semiautónomo respectivamente comprobándose como se invierte la rentabilidad de la entre las configuraciones de funcionamiento semiautónomo y las configuraciones de balance autónomo.

(€20.000,00)

(€15.000,00)

(€10.000,00)

(€5.000,00)

€0,00

€5.000,00

€10.000,00

€15.000,00

2 años 5 años 10 años 12 años 15 años 17 años 20 años 25 años

Evolucion VAN para distintas configuraciones con

precio de la electricidad constante

Bateria+Grupo Acumulador

B.Neto Sanlucar B.Neto Santiago

semiautonomo Sanlucar semiautonomo Santiago

Bateria

72

VAN Bateria+Grupo Acumulador Balance Neto Sanlúcar

Balance Neto Santiago SemiautonomoSanlucar

Semiautónomo Santiago Batería

2 años -11.417,26 € -9.920,39 € -7.295,12 € -7.590,68 € -889,00 € -993,51 € -14.084,09 €

5 años -8.482,48 € -6.996,85 € -3.751,50 € -4.442,02 € 861,62 € 628,85 € -11.134,36 €

10 años -4.368,11 € -2.913,80 € 1.160,82 € -77,19 € 2.982,47 € 2.594,31 € -6.978,08 €

12 años -2.957,41 € -1.518,67 € 2.827,98 € 1.404,16 € 3.618,13 € 3.183,40 € -5.546,48 €

15 años -1.058,94 € 354,35 € 5.055,74 € 3.383,62 € 4.398,22 € 3.906,34 € -3.613,74 €

17 años 75,67 € 1.471,04 € 6.377,61 € 4.558,16 € 4.822,54 € 4.299,58 € -2.454,92 €

20 años 1.602,60 € 2.970,24 € 8.143,97 € 6.127,66 € 5.343,28 € 4.782,16 € -890,45 €

A continuación se presenta la misma relación de variables considerando un incremento del precio de la energia electrica de un 5% interanual:

Figura 30- Evolución VAN con incremento 5% precio electricidad

Se comprueba como en este caso los plazos de amortización se reducen considerablemente en todas las configuraciones. La tendencia ascendente en el VAN se hace en esta ocasionmas importante llegando a superar en rentabilidad cualquier configuracionautonoma a las configuraciones semiautonomas aproximadamentea partir de los 20 años.

(€20.000,00)

(€15.000,00)

(€10.000,00)

(€5.000,00)

€0,00

€5.000,00

€10.000,00

€15.000,00

€20.000,00

€25.000,00

€30.000,00


Evolucion VAN para distintas configuraciones con 5% de

incremento anual de precio energia electrica

Bateria+Grupo Acumulador B.Neto Sanlucar

B.Neto Santiago semiautonomo Sanlucar semiautonomo Santiago

Bateria

73

VAN Bateria+Grupo Acumulador Balance Neto Sanlúcar



2 años -11.363,92 € -9.867,16 € -7.230,36 € -7.533,14 € -854,78 € -961,80 € -14.030,63 €

5 años -7.968,67 € -6.485,01 € -3.131,12 € -3.890,78 € 1.168,07 € 912,84 € -10.617,92 €

10 años -2.190,14 € -751,02 € 3.766,19 € 2.237,80 € 4.135,95 € 3.663,29 € -4.779,81 €

12 años 163,93 € 1.577,05 € 6.548,13 € 4.709,68 € 5.196,21 € 4.645,87 € -2.390,82 €

15 años 3.741,54 € 5.106,60 € 10.745,90 € 8.439,59 € 6.664,49 € 6.006,58 € 1.251,52 €

17 años 6.158,00 € 7.484,86 € 13.561,07 € 10.941,00 € 7.567,80 € 6.843,70 € 3.719,59 €

20 años 9.830,44 € 11.090,50 € 17.808,99 € 14.715,47 € 8.818,73 € 8.002,98 € 7.482,48 €

Se puede realizar, por tanto, una interesante comparación entre los diferentes escenarios posibles de incremento del precio de la electricidad para una misma configuración. Siendo esta relación parecida en todas las configuraciones presentamos a continuación la evolución en la configuración de almacenamiento en acumulador de calor:

Figura 31- Evolución VAN para distintos incrementos del precio eléctrico

(€20.000,00)

(€10.000,00)

€0,00

€10.000,00

€20.000,00

€30.000,00

€40.000,00

€50.000,00


Evolucion VAN para distintos incrementos del precio de

la electricidad

Precio electricidad constante 5% 3% 10%

74

Se confirma la fuerte dependencia de este indicador respecto al precio de la electricidad. En la tabla comparativa se puede comprobar cualitativa el valor de esta relación:

VAN

0 % Incremento coste



10% Incremento coste

2 años -9.920,39 € -11.385,26 € -9.867,16 € -9.813,93 €

5 años -6.996,85 € -8.180,17 € -6.485,01 € -5.921,93 €

10 años -2.913,80 € -3.128,60 € -751,02 € 2.039,53 €

12 años -1.518,67 € -1.204,93 € 1.577,05 € 5.835,04 €

15 años 354,35 € 1.581,46 € 5.106,60 € 12.302,51 €

17 años 1.471,04 € 3.375,08 € 7.484,86 € 17.195,22 €

20 años 2.970,24 € 5.973,10 € 11.090,50 € 25.532,31 €

25 años 5.064,04 € 11.289,52 € 17.203,41 € 42.586,61 €

Se observa la misma tendencia si analizamos el indicador TIR que presenta un incremento de su valor directamente proporcional a los años transcurridos. De forma similar al análisis del VAN se presenta a continuación una comparativa del valor del TIR para las diferentes posibles configuraciones de almacenamiento energético suponiendo un incremento interanual del precio de la electricidad de un 5%:

Figura 32- Evolución TIR con 5% de incremento anual precio eléctrico

-80%

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

60%

2 años 5 años 10 años 12 años 15 años 20 años 25 años

Evolucion TIR para distintas configuraciones con 5% de

incremento anual de precio energia electrica



Bateria

75

Se aprecia, en este caso, una tendencia incremental muchos mas fuerte en los primeros años en el incremento del TIR mientras que esta tendencia se hace casi constante cuando se consideran periodos de tiempo mayores.

TIR

Batería y Grupo electrógeno Acumulador

Balance Neto Sanlúcar



2 años -65% -63% -53% -57% -20% -24% -69%

5 años -20% -17% -7% -10% 26% 22% -24%

10 años 1% 3% 11% 9% 37% 34% -2%

12 años 5% 7% 14% 12% 38% 36% 2%

15 años 8% 9% 16% 14% 39% 37% 5%

20 años 10% 12% 18% 16% 40% 37% 8%

25 años 12% 13% 19% 17% 40% 37% 10%

La evolución del TIR para las distintas configuraciones son similares, por tanto tomamos como en el caso del VAN la configuración de almacenamiento de calor en acumulador para observar su evolución en función de los diferentes escenarios de incremento del precio de la electricidad:

Figura 33- Evolución TIR con distintos incrementos anuales del precio eléctrico

-70%

-60%

-50%

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%


Evolucion TIR para distintos incrementos del precio

de la electricidad

Precio electricidad constante 5% 3% 10%

76

Como en el caso del VAN se observa un mayor incremento en el TIR directamente proporcional al incremento del precio de la energiaelectrica

VAN





2 años -9.920,39 € -11.385,26 € -9.867,16 € -9.813,93 €

5 años -6.996,85 € -8.180,17 € -6.485,01 € -5.921,93 €

10 años -2.913,80 € -3.128,60 € -751,02 € 2.039,53 €

12 años -1.518,67 € -1.204,93 € 1.577,05 € 5.835,04 €

15 años 354,35 € 1.581,46 € 5.106,60 € 12.302,51 €

17 años 1.471,04 € 3.375,08 € 7.484,86 € 17.195,22 €

20 años 2.970,24 € 5.973,10 € 11.090,50 € 25.532,31 €

25 años 5.064,04 € 11.289,52 € 17.203,41 € 42.586,61 €

Un resumen global de los datos obtenidos tras las simulaciones y generación de graficas entre las diferentes configuraciones de almacenamiento eléctrico se muestran a continuación:

VAN TIR

Configuración 5 años 10 años 15 años 5 años 10 años 15 años

Acumulador -6.485,01 € -751,02 € 5.106,60 € -17%

3%

9%

Batería y grupo -7.968,67 € -2.190,14 € 3.741,54 € -20% 1% 8%

Balance Neto Sanlúcar -3.131,12 € 3.766,19 € 10.745,90 € -7% 11% 16%

Semiautonomo Sanlucar 1.168,07 € 4.135,95 € 6.664,49 € 26% 37% 39%

Tabla 27- VAN/TIR

Por tratarse de tendencias similares entre las configuraciones comparamos a continuación la configuración de almacenamiento en acumulador y la de balance neto semiautónomo localizado en Sanlúcar. Se observa como a los 5 años el valor del VAN en la configuración de balance neto semiautónomo en Sanlúcar es un 555,52 % mayor que en la configuración de almacenamiento en acumulador de calor. Esta diferencia se mantiene aproximadamente constante hasta los 10 años donde el valor es de 550,59 %. Sin embargo sin comparamos el valor del VAN entre ambas configuración a los 15 años vemos que la diferencia se reduce se reduce considerablemente siendo

77

solo un 76,62 % mayor. Esta tendencia continúa en los siguientes años como se puede observar en el grafico llegando un punto donde se hace menos rentable la configuración de funcionamiento semiautónomo respecto a las otras opciones presentadas.

En el caso del TIR la diferencia entre ambas configuraciones a los 5 años es de 43 puntos mientras que a los 10 y 15 años es de 34 y 30 puntos respectivamente. Aunque se observa una tendencia a disminuir la diferencia entre los valores, esta tendencia es mucho menos acentuada que en el caso del VAN. No llegándose en el periodo estudiado (25 años) a un punto en el que el TIR sea superior en el caso de la configuración de acumulación mediante acumulador frente a la opción de balance neto semiautónomo.

En el caso de la variación entre los diferentes aumentos del precio de la electricidad comparamos igualmente las configuraciones seleccionadas anteriormente por observarse una tendencia similar entre las diferentes configuraciones. Se establece un horizonte temporal de 10 años obteniéndose:

VAN TIR

Configuración/Incremento coste eléctrico

3 % 5 % 10 % 3 % 5 % 10 %

Acumulador -1.682,87 €

-751,02 €

2.039,53 €

2%

3%

7%

Tabla 28- VAN/TIR (10 años)

Para la configuración de acumulación de energía ene acumulador de calor se obtiene que el valor de VANes un 56,4 % mayor en el escenario de aumento del coste eléctrico un 5% respecto al incremento del coste un 3%. Mientras que en el caso del balance neto semiautónomo este incremento es tan solo un 12%. En el caso de un escenario de un 10% de incremento del coste la diferencia en el caso del acumulador es de un 271% y un 27% mayor en las configuraciones de acumulador y balance neto respectivamente. Aunque la tendencia es similar la pendiente de la curva en el caso de la configuración es mucho mayor.

En el caso del TIR se observa como el aumento entre los diferentes escenarios de ambas configuraciones es similar. Conservándose, por tanto la pendiente de ambas curvas como se podía observar en el grafico.

6.3.2 Descenso del precio de los componentes de la instalación

El segundo escenario que se contempla es el de un hipotetico descenso del precio de los elementos que componentes de la instalación.

El progreso y la evolución de la tecnología permite rebajar los precios de determinados elementos tecnológicos. Este descenso en el precio de los elementos afecta a la inversión que tenemos que realizar para adquirir la instalación afectando, por tanto, a los indicadores económicos analizados.

Se comienza comparando la evolución del VAN en función del transcurso de los años para los diferentes escenarios de descenso en el coste de los elementos obteniéndose la siguiente evolución para el caso de un descenso del 15% en el precio de la instalación:

78

Figura 34- Evolución VAN para 15% descenso del coste de instalación

VAN

Batería y grupoelectrógeno Acumulador


Balance Neto Santiago SemiautónomoSanlúcar


2 años -9.382,01 € -8.110,69 € -5.810,45 € -6.105,19 € -557,94 € -661,26 €

-11.647,48

€

5 años -6.463,21 € -5.205,00 € -2.293,08 € -2.979,85 € 1.139,98 € 912,26 € -8.711,19 €

10

años -2.393,33 € -1.171,49 € 2.547,04 € 1.320,83 € 3.135,92 € 2.761,97 € -4.592,58 €

12

años -1.004,74 € 199,13 € 4.178,71 € 2.770,64 € 3.717,46 € 3.300,90 € -3.179,78 €

15

años 857,62 € 2.032,20 € 6.348,94 € 4.698,98 € 4.417,63 € 3.949,78 € -1.277,86 €

17

años 1.966,81 € 3.120,83 € 7.630,61 € 5.837,80 € 4.791,08 € 4.295,86 € -140,81 €

20

años 3.454,44 € 4.576,78 € 9.335,31 € 7.352,51 € 5.240,70 € 4.712,54 € 1.389,88 €

Se observa una tendencia ascendente similar a la obtenida cuando se supone un incremento en el precio de la electricidad. En los primeros años de vida de la instalación se hace más rentable la opción de producción semiautónoma, mientras que la opción de producción autónoma de potencia

(€15.000,00)

(€10.000,00)

(€5.000,00)

€0,00

€5.000,00

€10.000,00

€15.000,00


Evolucion del VAN para un descenso del 15% en el precio de la

instalacion



Bateria

79

eléctrica en las diferentes configuraciones se va haciendo más viables de forma directamente proporcional al paso de los años.

Para el caso del TIR se realiza la misma representación obteniéndose:

Figura 35- Evolución TIR para 15% descenso del coste de instalación

De nuevo se obtiene una evolución similar al escenario contemplado anteriormente de incremento del precio de la energía eléctrica, teniéndose un incremento muy fuerte durante los primeros años y un evolución casi constante posteriormente.

Los datos obtenidos en la simulación de los escenarios expuestos se muestran a continuación:

VAN

Batería y grupo electrógeno Acumulador




2 años -9.382,01 € -8.110,69 € -5.810,45 € -6.105,19 € -557,94 € -661,26 €

-11.647,48

€

5 años -6.463,21 € -5.205,00 € -2.293,08 € -2.979,85 € 1.139,98 € 912,26 € -8.711,19 €

10 años -2.393,33 € -1.171,49 € 2.547,04 € 1.320,83 € 3.135,92 € 2.761,97 € -4.592,58 €

12 años -1.004,74 € 199,13 € 4.178,71 € 2.770,64 € 3.717,46 € 3.300,90 € -3.179,78 €

-80%

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

60%


Evolucion del TIR para un descenso del 15% en el precio de la

instalacion



Bateria

80

15 años 857,62 € 2.032,20 € 6.348,94 € 4.698,98 € 4.417,63 € 3.949,78 € -1.277,86 €

17 años 1.966,81 € 3.120,83 € 7.630,61 € 5.837,80 € 4.791,08 € 4.295,86 € -140,81 €

20 años 3.454,44 € 4.576,78 € 9.335,31 € 7.352,51 € 5.240,70 € 4.712,54 € 1.389,88 €

A modo global se muestra a continuación un resumen de los datos obtenidos en la simulación de los diferentes escenarios expuestos se muestran:

VAN TIR

Configuración 5 años 10 años 15 años 5 años 10 años 15 años


-1.171,49 €

2.032,20 €

-16%

2%

7%

Bateria+Grupo -6.463,21 €

-2.393,33 €

857,62 €

-19%

0%

6%

B.NetoSanlucar -2.293,08 €

2.547,04 €

6.348,94 €

-6%

11% 15%

SemiautonomoSanlucar 1.139,98 €

3.135,92 €

4.417,63 €

30%

39%

41%

Tabla 29- VAN/TIR

Se obtiene un incremento del VAN del 78,7 % y 275,43 % entre los 5 y 10 años para las configuraciones de acumulador y balance neto semiautónomo respectivamente. Si tomamos como espacio temporal entre los 5 y 15 años el aumento es del 286,56 % y del 387,79 % respectivamente. Se observa como la tendencia al incremento es mucho mayor en el caso de la configuración de acumulador de calor frente a la configuración de balance neto semiautónomo a medida que aumentan los años.

En el caso del TIR el incremento es de 18 y 9 puntos porcentuales entre los 5 y 10 años para las configuraciones de acumulador y balance semiautónomo respectivamente. Esta diferencia aumenta hasta 23 y 11 puntos si ampliamos el horizonte ente 5 y 15 años.

Se toma a continuación como referencia el almacenamiento energético en acumulador de calor para diferentes porcentajes de descenso del coste de la instalación para observar su influencia en el VAN

81

Figura 36- Evolución VAN para distintos descensos de coste de la instalación

La evolución VAN para los diferentes escenarios es similar siendo ascendente y directamente proporcional al numero de años.

VAN





2 años -9.920,39 € -9.888,45 € -9.867,16 € -9.813,93 €

5 años -6.996,85 € -6.695,69 € -6.485,01 € -5.921,93 €

10 años -2.913,80 € -1.682,87 € -751,02 € 2.039,53 €

12 años -1.518,67 € 219,56 € 1.577,05 € 5.835,04 €

15 años 354,35 € 2.968,55 € 5.106,60 € 12.302,51 €

17 años 1.471,04 € 4.733,82 € 7.484,86 € 17.195,22 €

20 años 2.970,24 € 7.284,62 € 11.090,50 € 25.532,31 €

25 años 5.064,04 € 11.289,52 € 17.203,41 € 42.586,61 €

(€15.000,00)

(€10.000,00)

(€5.000,00)

€0,00

€5.000,00

€10.000,00


Evolucion VAN para distintos descensos del coste de la

instalacion

Coste de los elementos constante 15% 25% 35%

82

La evolución del TIR para los escenarios de descenso del coste eléctrico:

Figura 37- Evolución TIR para distintos descensos de coste de la instalación

TIR

0 % descenso coste

15 % descenso coste

25 % descenso coste

35% descenso coste

2 años -64% -62% -60% -9.813,93 €

5 años -20% -15% -16% -5.921,93 €

10 años -1% 7% 2% 2.039,53 €

12 años 2% 11% 5% 5.835,04 €

15 años 5% 14% 7% 12.302,51 €

17 años 7% 17% 9% 17.195,22 €

20 años 8% 18% 10% 25.532,31 €

25 años -64% -62% -60% 42.586,61 €

-70%

-60%

-50%

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%


Evolucion TIR para distintos descensos del coste de la instalacion

Coste de los elementos constante 15% 25% 35%

83

En el caso de la variación entre los diferentes aumentos del precio de la electricidad comparamos igualmente las configuraciones seleccionadas anteriormente por observarse una tendencia similar entre las diferentes configuraciones. Se establece un horizonte temporal de 10 años obteniéndose:

VAN TIR

Configuración/Incremento coste eléctrico

15 % 25 % 35 % 15 % 25 % 35 %


-25,31 €

2.039,53 €

2%

5%

8%

Semiautonomo Sanlucar 3.135,92 €

3.204,24 €

5.611,53 €

39%

45%

53%

Tabla 30- VAN/TIR (10 años)

Se obtiene un incremento del VAN del 97,86 % y 3 % para un escenario de descenso del coste de la instalación de un 15 y un 25 % respectivamente para las configuraciones de acumulador y balance neto semiautónomo. Si tomamos un escenario de descenso del coste de un 15 hasta el 35 % el aumento es del 274,12 % y del 55,87 % respectivamente para las configuraciones de almacenamiento y de balance neto semiautónomo.

En el caso del TIR el incremento es de 3 y 6 puntos porcentuales para las configuraciones de acumulador y balance semiautónomo respectivamente si comparamos un descenso del 15 y el 25% mientras que esta diferencia aumenta hasta 5 y 14 puntos si ampliamos el descenso entre un 15 y un 35 %.

6.3.3 Descenso del precio de los componentes de la instalación e incremento del precio de la electricidad

En este ultimo escenario se considera un incremento en el precio de la electricidad así como un descenso en el precio de los elementos que componen la instalación. Fijando un valor del 5% de incremento en el precio de la energía y un descenso del 25% en el coste de la instalación se obtiene el siguiente grafico comparativo entre las configuraciones de almacenamiento posibles. En este caso la influencia de ambos factores se superponen obteniéndose:

84

Figura 38- Evolución VAN

Figura 39- Evolución TIR

(€15.000,00)

(€10.000,00)

(€5.000,00)

€0,00

€5.000,00

€10.000,00

€15.000,00

€20.000,00

€25.000,00

€30.000,00


Evolucion del VAN



Bateria

-80%

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

60%


Evolucion del TIR



Bateria

85

Se puede observar una tendencia similar a los escenarios planteados siendo en este caso mas acusado el incremento de los indicadores de amortización debido a la influencia de los dos escenarios planteados.

6.3.4 Otros posibles escenarios de evolución

Por otro lado la inversión inicial realizada tiene una influencia considerable en la rentabilidad de la inversión. En la siguiente figura se muestra un análisis de la rentabilidad de la inversión de las diferentes modalidades descritas considerando el periodo de amortización de cada modalidad:

Fig.40- VAN-Inversión inicial

Los periodos de amortización se hacen muy grandes debido al alto precio de los colectores solares. La tecnología de colectores solares está evolucionando rápidamente y los precios tienen una tendencia a descender. Se podría calcular el precio de los colectores solares para el cual se reduzcan considerablemente. Este plazo de reducción podría establecerse en 4 años por ejemplo, de este modo calculamos el precio necesario del colector para que el plazo de amortización se establezca en:

• Acumulación en batería=12 años • Acumulación en acumulador de calor=9 años • Balance neto en Santiago=5 años

• Balance neto en Sanlúcar=4 años

En la siguiente figura se representa el valor del VAN para el periodo de tiempo establecido en cada modalidad en función del precio de los colectores solares:

86

Fig.41- VAN-Precio colector solar

Para reducir los plazos de amortización de la instalación autónoma es muy importante realizar un análisis detallado de la eficiencia energética de la vivienda, se han comprobado como en algunos casos el consumo eléctrico de una vivienda puede incluso reducirse a una tercera parte realizando pequeñas modificaciones.

Por otra parte existen estudios que demuestran cómo tras una inversión inicial se obtienen ahorros que casi consiguen reducir a una séptima parte el consumo de un centro comercial (http://energiasrenovadas.com/ahorro-energetico-en-centros-comerciales/)

Por tanto la posibilidad de realizar una instalación autónoma quedaría estrechamente ligada a un estudio de eficiencia energética de la vivienda que permitiera un ahorro considerable en el precio de las baterías necesarias.

Otro factor que influye en el plazo de amortización es el precio de la electricidad y el precio del gas. Ambos valores influyen de forma considerable en los flujos de caja anuales afectando al valor del VAN. Suponemos ahora un escenario en el cual el precio de la electricidad y del gas aumenta un 40%.

El flujo de caja en esta ocasión para la modalidad de almacenamiento de energía en batería ayudada con grupo electrógeno y almacenamiento de energía en acumulador de calor es un 40% mayor que el valor obtenido con el precio actual [1] alcanzando un valor de 1628,2 €/año.

Para este escenario el periodo de amortización se reduce hasta 10 años en el caso de la modalidad de almacenamiento en batería y grupo electrógeno. Para la modalidad de almacenamiento en acumulador de calor el plazo de amortización se reduce hasta 8 años.

87

El valor del VAN para ambas modalidades:

MODALIDAD VAN


760,8 (10 años)


61,07 (8 años)

Se trata de una reducción considerable en el plazo de amortización debido a la sensibilidad del VAN respecto al precio de la electricidad y el gas.

La modalidad de batería y grupo electrógeno tiene el inconveniente del espacio necesario para alojar el grupo electrógeno en la vivienda. Además del gasto en combustible necesario que podría disminuir considerablemente los flujos de caja disminuyendo de esta forma el valor del VAN y aumentando el periodo requerido para la amortización de la inversión en la instalación.

Por otra parte no se trata de un sistema verdaderamente efectivo debido a tener que conectar o desconectar el grupo electrógeno a la batería en función de las necesidades energéticas y estas necesidades energéticas son difícilmente predecibles. Si consideramos la opción de instalar solo baterías y se realiza un análisis económico para una autonomía de 3 días se obtiene:

Almacenamiento en batería Coste Elementos (€)


2 Baterías de 22,08 KWh (15,45 KWh atendiendo a profundidad descarga)

5365

Evaporador 220

Condensador 220

Intercambiador de agua sanitaria 220

Montaje 450




Acumulador de calor (200 litros) 814

Expansor 600


88

Tabla 31- Coste elementos almacenamiento en batería

El coste total de la instalación se ve fuertemente incrementado debido al alto precio de las baterías y de los colectores solares, a continuación a partir del coste total se puede calcular el VAN y el periodo de amortización de esta modalidad para una inversión inicial de capital de 1000 euros obteniéndose un VAN de 113,02 para un periodo de amortización de 20 años. El valor obtenido del TIR en este caso es de 4,68 %

La tecnología de la industria de baterías se está desarrollando fuertemente y se espera una bajada considerable de este elemento en los próximos años. Por ello se realiza un análisis del precio de la batería que haría esta modalidad de funcionamiento interesante fijando un horizonte de amortización de 10 años. Se representa por tanto la evolución del valor del VAN a 8 años para distintos costes en la partida del precio de batería que proporciona una autonomía de 3 días (15,45 KWh) en el coste total:

Figura 42- VAN-Precio batería

Para considerar una inversión rentable el valor del VAN debe ser positivo. El precio de la batería necesaria debe ser menor de 1625 € para considerarse la opción de almacenamiento eléctrico. Esto supone un decremento del precio de la batería del 69 %.

89

7 INSTALACIÓN DE PRODUCCIÓN Y POTENCIA

CON FUNCIONAMIENTO ALTERNATIVO EN

MODO BOMBA DE CALOR(INSTALACIÓN B)

En esta ocasión se analiza el comportamiento de una instalación compuesta por un sistema de

producción de potencia mediante la utilización de un ciclo orgánico de Rankine, una bomba de calor

y un sistema de calefacción mediante radiadores.

Esta instalación realiza un servicio equivalente al que se podría conseguir de forma tradicional instalando placas fotovoltaicas para la generación de electricidad y una bomba de calor para cubrir las necesidades de calefacción. Aunque esta opción tradicional es más asequible económicamente presenta la importante desventaja que supone la imposibilidad del almacenamiento de calor que si se puede conseguir mediante la tecnología termosolar.

Además la tecnología termosolar presenta ventajas medioambientales ya que no necesita consumo eléctrico para su funcionamiento en modo bomba de calor.

7.1 Descripción de la instalacion

Se estudiara el comportamiento y la tendencia de los parámetros de salida de la instalación según los diferentes parámetros de operación.

La instalación está compuesta por 3 circuitos:

• Circuito de almacenamiento de calor (Heat Storage): Circuito que intercambia calor con el condensador, siendo posteriormente cedido a un depósito de almacenamiento de calor desde donde se cubrirá la demanda de los radiadores domésticos

• Circuito de trabajo: Consta de los elementos necesarios para la operación de un ciclo orgánico de Rankine o de una bomba de calor

• Circuito colector solar: Este circuito atraviesa el colector solar térmico absorbiendo la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo

Se trata de una instalación que presenta una gran versatilidad en la que podremos elegir entre tres modos de operación que realizaran diferentes funciones según la demanda.

90

La dificultad en el diseño de la instalación radica en la diferencia de los parámetros de operación entre las modalidades de utilización. Las presiones de trabajo, temperaturas y caudales de los fluidos son diferentes según su utilización suponiendo una pérdida de eficiencia en los elementos según la modalidad escogida. El funcionamiento principal será como generador eléctrico mediante la utilización del ciclo orgánico de Rankine siendo los elementos dimensionados para este modo de operación.

El diagrama de procesos para este modo de operación es el siguiente:

Figura 43- Diagrama de operación ciclo ORC

La instalación también puede funcionar en función de los requerimientos como bomba de calor haciendo funcionar el expansor como compresor mediante una válvula de cuatro vías y redirigiendo el fluido de trabajo hacia una válvula de expansión en el lugar de la bomba hidráulica. El diagrama de procesos para este modo de operación:

Figura 44- Diagrama de operación Bomba de calor

Por último, en caso de necesitar un aporte mayor de calefacción domestica la instalación puede funcionar directamente como intercambiador de calor entre los circuitos de almacenamiento de calor (circuito GH a partir de ahora) y el circuito de colector solar anulando en este caso el circuito de trabajo.

91

Figura 45-Diagrama de operación en almacenamiento de calor

La energía recibida en el colector solar se denomina radiación solar (KJ/m2), este parámetro varía en función del emplazamiento, siendo un factor importante en el dimensionamiento de los elementos que componen la instalación.

La potencia absorbida en el colector solar es función de la radiación solar global y la superficie del colector.

Mediante la información obtenida de la Agencia Meteorológica de Galicia y la Agencia Andaluza de la Energía se ha analizado la radiación solar en dos ciudades con características climatológicas distintas, de esta forma se puede comprobar la influencia especifica de este parámetro en el dimensionamiento de la instalación. Las ciudades elegidas para el análisis son Sanlúcar la Mayor (Sevilla) y Santiago de Compostela (A Coruña), a partir de los datos de radiación diaria a lo largo de un año se ha realizado una media mensual de la radiación en ambas ciudades:

Radiación Solar (KJ/m2·dia)


Enero 8945,16 4410

Febrero 11460 7220

Marzo 16403,22 9150

Abril 20120 16580

Mayo 24832,26 19820

Junio 26753,33 22400

Julio 27187,09 21260

Agosto 25280 14550

Septiembre 19183,87 8800

Octubre 12987 6010

Noviembre 9560 5230

Diciembre 7454,84 3360

Tabla 32- Radiación solar mensual

92

Se analizara la viabilidad y rentabilidad de la instalación según el emplazamiento elegido.

7.2 Descripción del modelo

El circuito de trabajo funciona según el ciclo orgánico de Rankine (ORC). Este ciclo es una modificación del ciclo de Rankine convencional (Agua/Vapor) en la que el fluido utilizado debe ser un fluido orgánico de alto peso molecular. Se trata de una tecnología para la producción de energía eléctrica a partir de fuentes de energía de bajo nivel de temperaturas.

Debido a sus buenas condiciones de adaptación a circuitos ORC y a circuitos de refrigeración el fluido elegido es el refrigerante R-134a, se trata de un fluido orgánico llamado tetrafluoroetano cuyas propiedades son las siguientes:

Propiedades refrigerante R-134a

Peso molecular 102,03 g/mol

Punto de ebullición -26,55 ºC

Densidad (20ºC) 1206 kg/m3

Viscosidad 0,202 cP

Capacidad calorífica 0,851 ��

��·�

Figura 46- Propiedades refrigerante R-134a

El refrigerante se vaporiza en el evaporador mediante un intercambiador de calor con el circuito de agua que pasa por el colector solar. El refrigerante en fase de vapor atraviesa un dispositivo expansor extrayendo su energía. Posteriormente pasa por un intercambiador de calor donde se condensa volviendo a su estado líquido. Por último se bombea de nuevo hacia el evaporador cerrando de esta forma el ciclo.

Debido a las propiedades físicas del fluido orgánico, la expansión del vapor saturado no conduce a la zona de vapor húmedo, sino que queda en la zona de vapor sobrecalentado

Figura 47- Diagrama temperatura-entropía

La utilización de un ciclo ORC tiene ventajas con respecto a la utilización del ciclo Rankine convencional relacionadas con el dispositivo expansor:

93

• Alta eficiencia • Posibilidad de operar a cargas parciales en un rango entre el 30% y plena carga • Bajas tensiones mecánicas debidas a baja velocidad periférica • Rango de bajas velocidades de giro que pueden permitir la transmisión directa del generador eléctrico

sin engranaje de reducción • Se evita la erosión de los elementos del expansor debido al sobrecalentamiento del vapor a la salida

del expansor y por tanto la ausencia de humedad

7.2.1 Funcionamiento como ciclo orgánico de Rankine

Se analiza primero la instalación funcionando en modo ORC debido al mayor tiempo de funcionamiento en este modo y por tanto mayor importancia. El líquido refrigerante pasa por 4 estados termodinámicos, a continuación se presentan el diagrama de procesos del circuito refrigerante y de la instalación completa en su modalidad de funcionamiento como ciclo de producción de potencia eléctrica:

Figura 48- Funcionamiento como ciclo ORC

Atendiendo a la nomenclatura para las variables expuesta en el diagrama de procesos de la instalación se realiza un balance termodinámico en los 4 elementos constitutivos del ciclo del refrigerante se detalla a continuación la caracterización de los diferentes elementos.

7.2.1.1 Bomba hidraúlica

La bomba se caracteriza mediante el volumen de fluido barrido y el rendimiento isentrópico. El rendimiento isotrópico es debido a las perdidas mecánicas que producen irreversibilidades internas en el proceso de bombeo. El volumen de fluido desplazado por la bomba se relaciona con el flujo másico mediante el volumen específico del fluido en las condiciones de operación

�� = �� · M �

La potencia eléctrica consumida por la bomba se puede obtener a partir del balance de estados termodinámicos a la entrada y salida

Ẇ�� = M � · (h� − h�)

El rendimiento isentropico se obtiene comparando la potencia consumida por la bomba con la potencia consumida por la bomba suponiendo que el proceso de bombeo se realiza a entropía constante

94

ɳ�� = ℎ�� − ℎ�ℎ� − ℎ�

7.2.1.2 Expansor

Para el análisis del expansor se caracteriza el proceso de expansión del fluido en dos fases dentro del elemento expansor. Una primera fase a entropía constante y una segunda fase a volumen constante. Para el modelado del comportamiento del expansor nos basamos en las investigaciones de Winandy, más concretamente en el modelo propuesto por (V.Lemort et al 2009) que desarrolla el modelo que aparece en la publicación (Winandy et al. 2002b). La representación del modelo se expone a continuación en la siguiente figura

Fig.49- Modelo del expansor (Fuente:Sustainable Energy Conversion Through the use of Organic Rankine Cycles for Waste Heat Recovery and Solar Applications, Sylvain Quoilin)

En el proceso de expansión aparecen perdidas de calor y perdidas de flujo por fugas. El flujo interno (Min) es la diferencia entre el flujo que llega al expansor (Msu) y las fugas (Mleak). El flujo interno también puede definirse como el flujo volumétrico (Vexp) dividido entre el volumen especifico del fluido en las condiciones de operación del expansor (vsu2)

M�� = �� − �� = �� !��

Por otra parte, en el modelo del expansor se consideran pérdidas de calor en el proceso de succión del expansor y en el proceso de descarga una vez el fluido ha atravesado el expansor. Se produce por tanto un enfriamiento del fluido en la succión (Qsu) y un calentamiento en la descarga una vez finalizado el proceso de expansión (Qex). También se producen perdidas debido a la diferencia de temperaturas entre el ambiente y el expansor, llamamos a estas pérdidas Qamb. Para calcular la potencia perdida en el proceso de expansión debido a las pérdidas de calor (Wperd) se realiza un balance termodinámico obteniéndose:

"!�#$ = %� + %�� − %��

Winandy también demostraba que la potencia perdida debido a las pérdidas se puede expresar como una

95

función del par de giro del expansor (Tm) y de la velocidad de rotación (Nexp)

"!�#$ = 2 · ( · )� · *� !

La potencia producida por la turbina es la suma de la potencia desarrollada a entropía constante (Wscte) y la potencia desarrollada a volumen constante (Wvcte) pudiendo escribirse como

Ẇ� !��# = M�� · (w� -.� − w/ -.�) = M�� · ((h�� − h��) + �� · (p�� − p� �))

Donde el subíndice “in” denomina el estado intermedio en el expansor entre la expansión a volumen constante y a entropía constante.

La relación de volúmenes es la relación entre el volumen específico a la salida y a la entrada del expansor, se debe señalar que los estados “ex” y “su” en el esquema del expansor corresponden con los estados 4 y 3 del ciclo ORC respectivamente:

1/ = ��

= �2�3

Del mismo modo se define la relación de presiones:

1! = 4� 4��

= 4243

Por último la potencia eléctrica producida por el expansor se calcula mediante un balance termodinámico completo a la salida y entrada, siendo su rendimiento isentropico (en el que se tienen en cuenta irreversibilidades y pérdidas de calor) la comparación entre la potencia real producida y la potencia si la expansión se realizara a entropía constante:

Ẇ� !��# = M � · (h2 − h3)

ɳ� !��# = ℎ2 − ℎ3ℎ2� − ℎ3

7.2.1.3 Dimensionamiento de intercambiadores de calor

El dimensionamiento de los intercambiadores de calor se realiza de la misma forma que se detalla en la anterior instalación [3]


El funcionamiento y dimensionamiento del colector solar es el mismo que en la anterior instalación [4]

96

7.2.1.5 Análisis termodinámico de los intercambiadores de calor

El análisis de los intercambiadores de calor se realiza teniendo en cuenta el Pinch Point seleccionado para el funcionamiento y el circuito con el que intercambia energía. Denominando T1sat a la temperatura de saturación a la presión establecida en el condensador donde se calcula el Pinch Point. Se realiza un balance termodinámico del intercambiador calculando la entalpia a la salida y la entrada para obtener de esta forma la cantidad de calor aportado o extraído del fluido

7.2.1.5.1 Condensador

El balance en el condensador se realiza a partir del gasto másico de los dos fluidos que lo atraviesan (refrigerante y agua de circuito gh) y las temperaturas de entrada y salida. Además es necesario introducir el Pinch Point para calcular la temperatura de saturación a la que se produce el intercambio

%-��$ = M � · (h� − h2) = �r� · ^! · ()�r� − )�r�) )��. = T� + 2

4hm^ℎ!��. = T��. − )�r�_o

En la expresión del “Pinch Point” la variable T2gh_B representa el valor de la temperatura del circuito ghen el momento en el que el refrigerante comienza el cambio de fase.

.

7.2.1.5.2 Evaporador

En este caso los dos fluidos que atraviesan el evaporador son el refrigerante y el agua del colector solar. A partir del gasto másico y las condiciones de entrada y salida de los fluidos se obtiene el calor intercambiado en el evaporador. Además se obtiene la temperatura de saturación del refrigerante a partir del Pinch Point del intercambio.

%�/! = M � · (h3 − h�) = �� · ^! · ()�� − )��)

)3�. = T3 − 10

4hm^ℎ!��. = T��_� − )3�. La variable T1sa_A representa la temperatura del agua del circuito de colector solar en el momento en que el refrigerante comienza el cambio de fase desde líquido hasta gas en el evaporador

Por último se calcula el rendimiento térmico de la instalación relacionando la energía aportada para el funcionamiento de la instalación con la energía generada en el proceso de generación mediante

ciclo orgánico de Rankine → ɳ.�#��-� = t��t=�;�?�

7.2.2 Funcionamientocomobomba de calor

El funcionamiento de la instalación como bomba de calor se consigue invirtiendo el sentido de paso del fluido por el compresor. La bomba de calor es una maquina térmica que permite transferir energía en forma de calor

97

a una fuente de alta temperatura absorbiéndolo desde una fuente a baja temperatura

El diagrama temperatura-entropía de una bomba de calor establece los estados termodinámicos del fluido de trabajo a su paso por las diferentes etapas del ciclo:

Figura 50- Diagrama de operación

Se presenta ahora la descripción y la realización de los balances energéticos en los elementos del ciclo en el funcionamiento de la instalación como bomba de calor

7.2.2.1 Compresor

Invirtiendo el sentido del flujo a través del expansor en el anterior modo de operación se consigue hacer funcionar este elemento como compresor, por tanto las dimensiones del elemento son las mismas y se realiza su caracterización teniendo en cuenta que la mayor parte del tiempo funciona como expansor en modo ORC. El diagrama del modelo del compresor se obtendría por tanto invirtiendo el sentido del flujo en el modelo del expansor modelado anteriormente según la publicación de Winandy citada anteriormente:

Figura 51- Modelo del compresor

Por ello nos limitamos en este modo de operación a realizar un balance termodinámico del estado del fluido a la entrada y salida para conocer la potencia eléctrica necesaria para hacer funcionar el ciclo. Se calcula el

98

rendimiento isentropico comparando la situación real con una situación ideal en ausencia de irreversibilidades y pérdidas térmicas:

Ẇ-��! = M � · (h� − h�)

ɳ-��! = ℎ�� − ℎ�ℎ� − ℎ�

7.2.2.2 Válvula de expansion

En el caso de la válvula de expansión se realiza un nuevo balance de estados a la entrada y salida del elemento así como la comparación con la situación ideal para obtener el rendimiento isentropico:

Ẇ/�/ = M � · (h2 − h3)

ɳ/�/ = ℎ2 − ℎ3ℎ2� − ℎ3

7.2.2.3 Dimensionamiento de intercambiadores de calor

El dimensionamiento de los intercambiadores de calor se realiza de la misma forma que se detalla en la anterior instalación [3]


El funcionamiento y dimensionamiento del colector solar es el mismo que en la anterior instalación [4]

7.2.2.5 Balance termodinámico en intercambiadores de calor

El análisis de los intercambiadores de calor se realiza teniendo en cuenta el Pinch Point seleccionado para el funcionamiento y el circuito con el que intercambia energía. Denominando T2sat a la temperatura de saturación a la presión establecida en el condensador donde se calcula el Pinch Point se puede expresar el siguiente balance:

7.2.2.5.1 Condensador

El balance en el condensador se realiza a partir del gasto másico de los dos fluidos que lo atraviesan, en este caso refrigerante y agua de circuito hs, y las temperaturas de entrada y salida. Además es necesario introducir el Pinch Point para calcular la temperatura de saturación a la que se produce el intercambio:

%-��$ = M � · (h3 − h�) = �r� · ^! · ()�� − )��)

)��. = T3 + 2

4hm^ℎ!��. = T��. − )��;�

En esta ocasión la variable T2hs;A representa la temperatura del agua del circuito hs a la que comienza a producirse el cambio de fase en el condensador desde vapor a líquido.

7.2.2.5.2 Evaporador

Se realiza un balance energético entre el circuito de colector solar y el circuito de refrigerante:

99

%�/! = M � · (h� − h2) = �� · ^! · ()�� − )��)

)��. = T� − 3 = T2

4hm^ℎ!��. = T�� − )2

7.2.2.5.3 Rendimiento

Las bombas de calor tienen un rendimiento denominado COP (coefficient of performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas.

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos

��4 = ��<@t��

7.3 Márgenes de operación de la instalación

Los elementos de la instalación se eligen y dimensionan para su correcto funcionamiento en un rango de valores. Se consideran aceptables para el funcionamiento de la instalación en el modo de ciclo orgánico de Rankine los siguientes valores asignables a las variables de operación del ciclo

Tª Evaporador 70-120 ºC

Calor absorbido en Colector 30-140 KW


Caudal colector 0,4-0,65 Kg/s

Caudal circuito GH 1-5 Kg/s

Presión evaporador 22-30 bar

Tabla 33- Margenes de operación de la instalación B en modo ORC

Los elementos de la instalación se dimensionan para el funcionamiento en modo ORC debido a la mayor potencia generada y el mayor número de horas de funcionamiento en este modo, por tanto los rendimientos del compresor y la válvula de expansión no serán excesivamente altos aunque tampoco deben ser demasiado bajos, fijamos el valor de los rendimientos de ambos dispositivos para considerar distintos regímenes de funcionamiento aceptables en el modo de funcionamiento como bomba de calor los siguientes valores. El valor del flujo másico en el circuito del colector solar coincide con el flujo másico elegido en el modo ORC

Presión Condensador 17-25 bar

100

Calor absorbido en Colector 7-30 KW

Rendimiento de la válvula de expansión

25-60 %

Rendimiento del compresor 30-70 %


Caudal circuito GH 0,4-2,25 Kg/s

Tabla 34- Margenes de operación de la instalación B en modo bomba de calor

7.4 Validación del modelo

Para comprobar la validez del modelo se compara con el artículo “Design, modeling and experimentation of a reversible HP/ORC prototype” realizado por el autor Olivier Dumont.

En este articulo se analiza el funcionamiento de un ciclo similar al descrito sometiéndolo a diferentes modos de operación.

Para empezar se analiza el modo de funcionamiento de generación eléctrica, para realizar la validación se introducirán los valores utilizados en el artículo analizado en el modelo realizado mediante EES para calcular el error cometido por el modelo.

Los valores utilizados en el modelo para su validación son los siguientes:

Tª entrada al condensador del

“circuito gh”

15 ºC

Tª salida de condensador del

“circuito gh”

20 ºC

Tª salida del evaporador

88 ºC

Rendimiento bomba

50%

Rendimiento del expansor

64%

Pinch Point en el evaporador

5 ºC

Pinch Point en el condensador

7,5 ºC

Calor intercambiado en

el evaporador

44 KW

Tabla 35- Validación del modelo

101

Introduciendo estos valores en el modelo y comparándolos con los valores obtenidos en el artículo de referencia se obtiene:

Referencia Modelo EES Error absoluto Error relativo %

Potencia generada en el expansor (KW)

3,1 3,56 0,46 14,84

Potencia consumida por la bomba (KW)

0,6 0,622 0,022 3,67

Calor cedido en el condensador (KW)

38 41,05 3,05 8,03

Temperatura de salida del condensador

22 25,5 3,5 15,91

Presión de trabajo del condensador

6 7,17 1,17 19,50

Presión de trabajo del evaporador

25,7 25,25 0,45 1,75

Rendimiento ORC 5,7 6,69 0,99 17,37

Tabla 36- Error en la validación

En el modo de funcionamiento como bomba de calor se establecen los siguientes parámetros para proceder a la validación:


19 ºC

Tª salida del condensador

50 ºC

Rendimiento del compresor

56 %


5 ºC


7,5 ºC

Caudal agua del circuito del

colector solar

0,57 Kg/s

Calor intercambiado en

evaporador

12 KW

102


13,7 bar

Tabla 37- Parámetros de operación de la instalación B

Se introducen estos valores en el modelo realizado para comprobar su validez obteniéndose:

Referencia Modelo Error absoluto Error relativo %

Potencia de compresión (KW) 3,4 3,202 0,198 5,82

Calor intercambiado en el condensador (KW)

14,4 15,07 0,67 4,65

Presión de trabajo del evaporador (bar)

5,1 5,04 0,06 1,18

COP 4,2 4,706 0,506 12,04

Tabla 38- Error en la validación en modo bomba de calor

103

8 ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO EN MODO

PRODUCCIÓN DE POTENCIA

Se comienza analizando el funcionamiento de la instalación en modo ORC. Para unas condiciones de operación dadas.

La potencia desarrollada en el expansor está relacionada con el caudal de refrigerante del circuito de producción de potencia. La temperatura de trabajo del evaporador afecta de forma considerable a la potencia de salida del expansor debido al grado de sobrecalentamiento con el que el fluido realiza la etapa de expansión.

Se analiza para distintos caudales de refrigerante la influencia de la temperatura del evaporador en la potencia desarrollada en la turbina obteniéndose:

Figura 52- Potencia desarrollada- Temperatura de evaporador

Se comprueba que existe un aumento de la potencia entregada por la turbina proporcional al aumento de la temperatura de trabajo en el evaporador

Se recuerda a continuación el diagrama de la instalación y sus parámetros de operación:

Por otra parte también se observa una relación directa entre el caudal de refrigerante y la potencia en el

104

expansor. Los resultados numéricos de las iteraciones realizadas para un caudal másico de refrigerante de 0,35 kg/s son:

Tª Evaporador

T1;sa T4 Potencia turbina(KW) Rendimiento térmico Calor evaporador(KW)

85 74,38 28,59 8,112 0,1242 70,3

95,44 75,1 40,85 8,84 0,1254 75,41

103,9 75,66 52,15 9,45 0,1259 79,97

113,3 76,14 62,93 10 0,126 84,27

122,8 76,55 73,39 10,51 0,1258 88,41

132,2 76,92 83,62 10,99 0,1255 92,47

141,7 77,26 93,68 11,44 0,125 96,46

151,1 77,56 103,6 11,88 0,1244 100,4

160,6 77,84 113,4 12,3 0,1238 104,4

170 78,1 123,2 12,71 0,123 108,3

Tabla 39- Parámetros y resultados de operación

Se observa un aumento de las temperaturas intermedias del ciclo y del calor intercambiado en el evaporador relacionado directamente con la temperatura de trabajo del evaporador debido al aumento de temperatura demandada en el evaporador. En este caso la regulación del sistema se realiza mediante el calor absorbido en el colector que coincide con el calor intercambiado en el evaporador. Esta situación en la que el sistema se regule mediante el calor aportado en el evaporador se podría conseguir mediante un deposito acumulador de calor que se colocaría entre el colector solar y el evaporador que aporte la potencia necesaria según las necesidades de demanda. Los caudales del circuito de radiación (circuito gh) y del circuito de colector solar (circuito sa) son variables y dependen del calor aportado en el evaporador.

Se establece ahora la temperatura en el evaporador en 88ºC y se observa las tendencias de los diferentes parámetros en función de la operación de la potencia de transferencia de calor en el evaporador obteniéndose:

105

Figura 53- Potencia desarrollada frente a caudal de refrigerante

Como era de esperar la potencia desarrollada en la turbina aumenta en una relación directa con la potencia absorbida en el colector solar, para la operación de la instalación en un margen de rendimiento aceptable los flujos másicos de operación de los circuitos que intervienen en el sistema se autorregulan en función del calor intercambiado en el evaporador.

Para que se produzca una mayor cantidad de calor intercambiado en el evaporador se necesita un incremento del flujo másico de los circuitos de colector y refrigerante.

Al crecer la temperatura en el evaporador aumenta la presión necesaria en el evaporador para que se produzca el cambio de fase a la temperatura deseada, por tanto la presión en el evaporador es un parámetro de operación de la instalación que debemos tener en cuenta debido a su influencia en la potencia desarrollada en el expansor. Su influencia para distintos caudales queda reflejada en la siguiente representación:

Figura 54- Potencia en el expansor frente a presión en evaporador

106

El caudal másico de refrigerante se regula para mantener un rendimiento estable en el expansor. Se comprueba como la potencia desarrollada es muy sensible al rendimiento de operación que se consiga en el expansor. En la siguiente figura se muestra un análisis de la sensibilidad de la potencia desarrollada en el expansor respecto al rendimiento desarrollado y al caudal de refrigerante:

Figura 55- Potencia desarrollada frente a rendimiento en el expansor

Los intercambiadores de calor se han diseñado como intercambiadores de 3 zonas en las que el refrigerante pasa por 3 estados termodinámicos: zona de liquido, zona de mezcla vapor húmedo y zona de vapor.

Recordando el establecimiento de los parámetros de operación mediante los cuales se ha realizado la validación del modelo y que se muestran a continuación:

Tª entrada al condensador del “circuito gh”

Tª salida de condensador del “circuito gh”


Rendimiento bomba

Rendimiento del expansor



Calor intercambiado en el evaporador

15 ºC 20 ºC 88 ºC 50% 64% 5ºC 7,5 ºC 44 KW

Tabla 40- Parámetros de operación

A continuación se presenta el balance de energía intercambiada en el evaporador en función de las temperaturas del refrigerante y agua del circuito de colector solar (circuito sa):

107

Figura 56- Transferencia de calor en el evaporador

El parámetro de operación para el evaporador es el Pinch Point del intercambiador

4hm^ℎ!��. = T��_� − )3�.

El refrigerante alcanza el evaporador como liquido subenfriado y tras un cambio de fase y posterior sobrecalentamiento del vapor sale del intercambiador para continuar con el ciclo.

Por otra parte, se muestra también el análisis obtenido del intercambio de calor producido en el condensador:

Figura 57- Transferencia de calor en el condensador

En este caso se produce una transformación de fase desde vapor sobrecalentado hasta liquidosubenfriado como puede apreciarse en la figura adjunta.

El dimensionamiento del intercambiador se ha realizado en tres partes debido a la variación de los parámetros

108

de transmisión de calor en función del estado termodinámico del refrigerante.

Establecemos, por tanto, 3 zonas en el intercambiador, a partir de las condiciones establecidas para la simulación del comportamiento en el evaporador y las expresiones descritas para el dimensionamiento del intercambiador de calor se tienen los siguientes valores del numero de nusselt y por consiguiente de coeficiente de película para el refrigerante en estado liquido y vapor y el agua del circuito de colector solar:

Refrigerante liquido

Refrigerante vapor

Agua precalentador

Agua sobrecalentador

Nusselt 4440 11685 679,4 998,8

Coeficiente de película

601 575 1089 1652

Tabla 41- Propiedades intercambiador de calor

Para el cálculo del coeficiente de película se ha considerado una altura del intercambiador de 0,4 m.

Recordando que los cálculos se realizan para una potencia absorbida en el colector de 25 KW se realizan a partir de estos valores las simulaciones pertinentes en el modelo del intercambiador desarrollado en EES para hallar el área de transferencia necesario para cada zona del intercambiador obteniéndose:

Área de intercambio (m2) Coeficiente global de transferencia

Precalentador 1,36 387,3

Cambio de fase 3,16 409,6

Sobrecalentador 0,34 426,5

Tabla 42-Propiedades intercambiador de calor-2

Para calcular el número de placas que necesita el evaporador se establece una relación entre el ancho y el alto de la placa. A partir de la longitud de placa de 0,789 m seleccionada para los cálculos se tiene: st = 2→ W=0,2 m

Cada placa tiene un área de 0,08 m2. El número total de placas necesaria para cada fase del intercambiador es:

Numero de placas

Precalentador 17

Cambio de fase 40

Sobrecalentador 5

Tabla 43- Numero de placas intercambiador

109

9 ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO EN MODO

BOMBA DE CALOR

El análisis de la instalación en modo bomba de calor se realiza teniendo en cuenta que los rendimientos de los elementos serán menores que en el modo generación de electricidad (modo ORC)

Esto es debido a que el dimensionamiento de la instalación se realiza para su funcionamiento en modo de generación ya que se genera una mayor potencia térmica además del mayor número de horas de funcionamiento en este modo. El caudal de aguadel circuito del colector solar que atraviesa el evaporador no es variable y por tanto se mantiene con el mismo valor elegido para el modo de funcionamiento predeterminado.

Se debe tener en cuenta la consideración de que en este caso la potencia absorbida en el colector es la misma que se intercambia en el evaporador. Si fijamos el rendimiento del compresor (ɳ-��! = 0,6) y el rendimiento de la valvula de expansión (ɳ/�/�� = 0,4) siendo esta potencia función de los caudales utilizados en cada circuito y obteniéndose una potencia de compresión necesaria para el funcionamiento que aumenta de forma proporcional:

Figura 58- Potencia de compresión frente a caudal de refrigerante

110

A se presentan los resultados numéricos de las iteraciones realizadas

Calor colector (KW) Caudal agua (Kg/s) Caudal refrigerante (Kg/s) Potencia compresor(KW)

7 0,45 0,056 2,51

10,11 0,65 0,081 3,63

13,22 0,84 0,11 4,75

16,33 1,05 0,13 5,86

19,44 1,24 0,16 6,98

22,56 1,44 0,18 8,09

25,67 1,65 0,21 9,21

28,78 1,86 0,23 10,33

31,89 2,04 0,26 11,45

35 2,25 0,28 12,57

Tabla 44- Potencia compresor frente al calor absorbido en el colector

La eficiencia en el funcionamiento del compresor es importante para predecir la potencia calorífica desarrollada por la bomba de calor.

Se establece un caudal másico en el circuito del colector de 0,57 Kg/s además de una presión a la salida del compresor de 17,64 bar y a continuación se representa la potencia transmitida al circuito de calefacción en función del rendimiento de compresión para diferentes caudales de refrigerante:

Figura 59- Potencia del condensador frente a rendimiento del compresor

Las variables de operación se establecen en los siguientes valores para el posterior análisis del funcionamiento de los intercambiadores:

111


Tª salida de condensador

Caudal de agua en “circuito sa”

Rendimiento del compresor




Calor intercambiado en el evaporador

19 ºC 50 ºC 0,57 Kg/s 60% 13,7 bar 5ºC 7,5 ºC 12 KW

Tabla 45- Condiciones de operación

De forma similar al modo de operación de generación eléctrica se analiza en este caso el margen de variación de las temperaturas en función del intercambio de calor que se produce en el evaporador obteniéndose:

Figura 60- Transmisión de calor en el evaporador en modo bomba de calor

En este caso el Pinch Point de trabajo del intercambiador

4hm^ℎ!��. = T�� − )2

En la representación del intercambio de calor en el evaporador se puede comprobar como el fluido sale de la válvula de expansión como mezcla bifásica de vapor y liquido.

Se realiza por ultimo una representación del intercambio de calor en el condensador, en este caso el refrigerante llega como vapor sobrecalentado y sale del condensador como liquido subenfriado:

112

Figura 61- Transmisiónde calor en el condensador en modo bomba de calor

113

10COMPARATIVA ENTRE MODALIDADES DE

FUNCIONAMIENTO

El dimensionamiento de la instalación depende de diversos factores pero los más importantes son el emplazamiento, la finalidad doméstica o industrial de la instalación y la elección de una instalación totalmente autónoma o semiautónoma.

Para empezar se toma una media de la radiación solar mensual en la localidad de Sanlúcar la Mayor de la tabla de irradiaciones presentada anteriormente. El valor medio por mes es 17513,66 KJ/m2·dia

De la misma forma obtenemos un valor medio de irradiación para la ciudad de Santiago de 11565,87 KJ/m2·dia

Se representa a continuación la potencia eléctrica absorbida por el colector para estas dos localizaciones en función del tamaño del colector

Figura 62- Potencia absorbida-Área de colector solar

114

A partir de los datos representados se puede obtener la diferencia absoluta de potencia absorbida entre las dos ciudades:

Santiago (KW)

Sanlúcar (KW)

Diferencia absoluta (KW)

0,669 1,013 0,344

2,082 3,153 1,071

3,459 5,293 1,834

4,908 7,432 2,524

6,321 9,572 3,251

7,734 11,71 3,976

9,147 13,85 4,703

10,56 15,99 5,43

11,97 18,13 6,16

13,39 20,27 6,88

Tabla 46: Diferencia absoluta entre emplazamientos

Se puede observar como la diferencia absoluta entre la energía absorbida en ambos emplazamientos va aumentando de forma proporcional al aumento el tamaño del colector solar (m2). Sin embargo la diferencia relativa se mantiene constante siendo un 41% mayor la potencia absorbida en Sanlúcar con respecto a la potencia absorbida en Santiago independientemente del tamaño del colector.

El calor absorbido en el colector se utiliza para la producción de potencia eléctrica en el expansor y al calentamiento de agua para uso doméstico. La potencia media producida por la instalación depende por tanto del calor cedido para el calentamiento de agua doméstica. El calor cedido al circuito de agua doméstica es a su vez función del caudal de agua utilizado y del incremento de temperaturas exigido. Para un análisis de funcionalidad de la instalación se establece un caudal de agua en el circuito de agua sanitaria constante de 0,1 kg/s y medimos la producción de potencia para un incremento de temperatura de 15 ºC en el circuito de agua doméstica y también para un uso exclusivo del sistema de producción de potencia abriendo completamente la válvula de bypass número 2. Elegimos un hipotético tamaño de colector de 40 m2 para la realización de los cálculos:


(Qcol=KW)

Potencia eléctrica

(KW)

Santiago (Qcol=KW)

Potencia eléctrica

(KW)

Enero 6,42 0,57 3,06 0,27

Febrero 7,96 0,7 5,01 0,44

Marzo 11,77 1,04 6,35 0,56

Abril 13,97 1,23 11,51 1,02

115

Tabla 47- Potencia mensual producida

A continuación se representa una comparación de la producción de potencia eléctrica mediante el ciclo orgánico de Rankine para ambos emplazamientos:

Figura 63- Producción de potencia en modo ORC

Los datos de irradiación son de irradiación media a lo largo de todo un mes. Profundizando en esta comparativa se presentan ahora datos de irradiación solar por horas a lo largo de un día, de esta forma comprobamos la producción eléctrica en cada momento. Se escoge un día en el mes de mayor irradiación media (Julio) y en el de menor (Diciembre) obteniéndose así un análisis cualitativo más específico del comportamiento de la instalación. En este caso escogemos la modalidad de producción exclusiva de potencia eléctrica y la ciudad elegida es Sanlúcar la Mayor. Los datos de irradiación solar (Agencia Andaluza de Meteorología) y la potencia producida en el expansor para una superficie de colector de 40 m2 son los siguientes:


Potencia absorbida

(KW)



Potencia absorbida

(KW)


5:00 69,7 0,77 0,07 0 0 0

6:00 546,6 6,07 0,54 0 0 0

0

0,5

1

1,5

2

Po

ten

cia

ge

ne

rad

a (

KW

)

Produccion potencia ciclo ORC

Sanlucar Santiago

Mayo 17,82 1,57 13,61 1,21

Junio 18,58 1,64 13,76 1,22

Julio 19,51 1,72 15,56 1,38

Agosto 17,56 1,55 14,76 1,3

Septiembre 13,77 1,22 10,10 0,89

Octubre 9,32 0,83 6,11 0,54

Noviembre 6,64 0,59 4,17 0,37

Diciembre 5,35 0,47 3,63 0,32

116

7:00 1119,8 12,44 1,1 0 0 0

8:00 1740,7 19,34 1,71 233,1 2,59 0,23

9:00 2340,6 26,01 2,29 593,10 6,59 0,58

10:00 2842,7 31,59 2,79 926,80 10,30 0,91

11:00 3176,9 35,30 3,12 1162,20 12,91 1,14

12:00 3294,2 36,60 3,23 1247,00 13,86 1,22

13:00 3176,9 35,30 3,12 1162,20 12,91 1,14

14:00 2842,7 31,59 2,79 926,80 10,30 0,91

15:00 2340,6 26,01 2,29 593,10 6,59 0,58

16:00 1740,7 19,34 1,71 233,10 2,59 0,23

17:00 1119,8 12,44 1,1 0 0 0

18:00 546,6 6,07 0,54 0 0 0

19:00 69,7 0,77 0,07 0 0 0

Tabla 48: Producción horaria de potencia en modo OR

Como era de esperar se aprecia una gran disparidad entre los valores de irradiación correspondientes a cada franja horaria. Si representamos estos valores se obtiene el siguiente gráfico:

Figura 64: Potencia absorbida horaria en el colector

Se observan intervalos de horas donde la potencia absorbida en el colector se sitúa por encima de los 18 KW y periodos en los que la potencia absorbida es nula. Para hacer la instalación totalmente autónoma debe asegurarse un suministro de potencia mínimo (potencia elegida por el cliente) a cualquier hora del día, por ello se debe almacenar la energía durante los periodos en que la potencia exceda de la potencia necesaria para suministrarla en los periodos donde no se produce energía.

A partir de los datos de potencia absorbida en el colector se representa a continuación la potencia producida en

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

Po

ten

cia

Pro

du

cid

a (

KW

)

15 de Julio 15 Diciembre

117

el expansor por franja horaria:

Figura 65- Producción horaria de potencia en modo ORC

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (

KW

)


Sanlucar Santiago

118

11 ANÁLISIS ECONOMICO

A la hora de realizar un balance económico y perspectiva de amortización de la inversión realizada se deben tener en cuenta factores a los que el funcionamiento de la instalación presenta especial sensibilidad.

La amortización de la instalación depende en gran medida del grado de autonomía que dotemos a la instalación, de la finalidad de la instalación que queramos instalar y del emplazamiento elegido.

Se analizan a continuación 3 hipotéticos escenarios de funcionamiento:

• Almacenamiento de la energía eléctrica mediante batería. • Almacenamiento de la energía en acumuladores de calor.

• Funcionamiento de la instalación mediante balance eléctrico neto

Para la realización de los cálculos se ha considerado un consumo medio doméstico en España de 3500 KWh al año, extrapolando este dato el consumo diario se sitúa en 9,58 KWh (34488 KJ).

11.1 Almacenamiento de energía mediante acumuladores de calor

La temperatura necesaria para el funcionamiento del sistema de producción de potencia ORC viene determinada por la temperatura necesaria en el evaporador. El rango de operación de temperatura en el evaporador se sitúa entre 70-120 ºC.

Al tratarse de valores de temperatura relativamente bajos sería posible el almacenamiento de energía en forma de calor en acumuladores. El Acumulador es un tanque, principalmente en acero esmaltado y con aislamiento térmico, que contiene dentro un intercambiador de calor que está conectado al colector solar.

Fig.66- Acumulador de calor-Fuente: http://www.bonysol.com)

119

Esta opción resulta útil debido a la posibilidad de usar un mismo acumulador que suministrase el calor necesario al sistema de calefacción domestica mediante radiadores (circuito gh) y al ciclo de producción de potencia.

De esta forma la instalación no transforma toda la energía absorbida en el colector en electricidad pudiendo adaptarse la producción de potencia a las necesidades de calefacción domésticas.

La forma de calcular la energía almacenada en este tipo de acumuladores es mediante un balance energético. A partir del volumen del acumulador y de la temperatura y presión de almacenamiento se puede obtener la energía almacenada en el acumulador:

umv1ahT TwjT^vmTxT = j · ^! · ) = � · y · ^! · )

La densidad (y) y el calor especifico (^!) dependen de las condiciones de almacenamiento del fluido. El fluido que circula por el colector solar es agua y las condiciones de almacenamiento elegidas son 140º C y 5 bar. En estas condiciones las propiedades del agua son:

Capacidad calorífica (KJ/Kg·k)

4,29

Densidad (Kg/m3) 926,3

Realizando un cambio de variable para el consumo eléctrico medio de una vivienda (9,58 KWh) se considera un consumo de 34200 KJ/día de energía eléctrica. La potencia intercambiada en el evaporador es mayor que la potencia producida en el expansor en el circuito ORC. Por tanto debemos tener en cuenta el ratio de transformación de potencia con el que funciona nuestro ciclo de producción para estimar el consumo de agua caliente necesario. Según las simulaciones realizadas en los modelos mediante el programa EngineeringEquationSolver el ratio de transformación del calor absorbido en el colector frente a la potencia desarrollada en el expansor considerando un rendimiento del expansor del 90 % es de 0,09 KW de producción en el expansor por cada KW absorbido en el colector. Por tanto la energía necesaria en el acumulador para abastecer la demanda eléctrica diaria es de 380000 KJ/día.

El consumo de calor destinado a los radiadores es el consumo residual procedente del ciclo de producción de potencia eléctrica. Por otra parte, el consumo de calor necesario para satisfacer la demanda de calor en los radiadores es difícilmente predecible debido a su dependencia de la zona climática en la que se realice la instalación, las horas de utilización de la calefacción por parte del cliente y el numero de personas que habitan en la vivienda.

Debido a la finalidad de la instalación se da preferencia a la satisfacción del consumo eléctrico por delante de las necesidades de calefacción, que por otra parte puede ser satisfecha en momentos puntuales de mayor necesidad mediante la modalidad de bomba de calor. Por tanto no se destinara un volumen especifico de acumulación para cubrir la demanda de calor.

Teniendo en cuenta la expresión anterior para la energía almacenada se estima un consumo de 231,61 litros de agua almacenada a 140 ºC y a una presión de 5 bares por día. Para un establecimiento de autonomía de 3 días se debe disponer por tanto de un acumulador capaz de acumular un volumen superior a 694,84 litros.

El modelo del fabricante SalvadorEscoda de 750 litros tiene un precio de 1994 € (http://www.salvadorescoda.com/tarifas/Agua_Caliente_Sanitaria_Tarifa_PVP_SalvadorEscoda.pdf)

11.2 Almacenamiento de energía mediante batería

La función de una batería en nuestra instalación solar es acumular la energía eléctrica que produce el sistema de producción de potencia mediante ciclo orgánico de Rankine (ORC). Esta energía puede ser utilizada en la noche o durante periodos en donde los paneles termosolares no son capaces de generar la electricidad que se demanda.

120

Las propiedades y características de las baterías de almacenamiento para colectores solares fueron descritas en [5].

Para alcanzar la autonomía y fiabilidad de la instalación se debe establecer un tiempo de autonomía que permita el suministro de energía a pesar de una eventual avería en el sistema de producción o de periodos en los que la generación debido a las condiciones meteorológicas sea menor.

Se establecen 3 días completos de autonomía, para este grado de autonomía necesitaríamos al menos 30 KWh de energía almacenada en baterías para cubrir la demanda media de una casa durante 3 días. Teniendo en cuenta la profundidad de descarga de las baterías estacionarias, en torno al 70%, se debe por tanto utilizar baterías de al menos 42,85 KWh de capacidad. En la etapa de dimensionamiento específico de la instalación este consumo medio se calculara específicamente a partir del consumo en anteriores años de la vivienda donde se pretenda realizar la instalación para elegir de esta forma la capacidad adecuada de la batería. Además el cliente podrá elegir el grado de autonomía o número de días de consumo capaz de cubrir con baterías. El coste de la instalación será muy sensible a la autonomía debido a la influencia de las baterías en el coste total que se puede estimar entre un 15-35 % del coste total de la instalación.

Para alcanzar el funcionamiento totalmente autónomo de la instalación se decide almacenar en un conjunto de baterías estacionarias de 22,08 KWh de capacidad (https://autosolar.es/baterias/bateria-48v/bateria-rolls-48v-460ah-s460_precio). Atendiendo a la profundidad de descarga de la batería se considera por tanto una capacidad de 15,45 KWh. El precio de esta batería es de 2682,5 euros y se necesitarían dos baterías de este tipo para cubrir una demanda de 3 días de autonomía. Esto supone un coste relativo de almacenamiento que podría situarse en torno al 50 % del coste total de la instalación.

11.3 Funcionamiento mediante batería y grupo electrógeno

Una forma alternativa de funcionamiento mediante batería es considerar la adquisición de un grupo electrógeno y un cargador de batería mediante el cual se pudiese recargar la batería en caso de previsión de necesidad de mayor autonomía debido a condiciones meteorológicas desfavorables. En este caso se elegiría una batería de menor capacidad reduciendo notablemente el precio aunque se debe incorporar un cargador de batería y un grupo electrógeno en el coste total de la instalación.

Se elige una batería para instalaciones autónomas de 9,18 KWh de capacidad que alcanza un precio de 1368 euros (https://autosolar.es/baterias/acumuladores-opzs/baterias-estacionarias-12v/bateria-12v-765ah-transparente-opzs_precio). Debe ser considerado que según la bibliografía y pruebas realizadas no se recomienda la descarga de este tipo de baterías por debajo del 40 % si se quiere mantener una considerable larga vida útil de la batería.

Esta batería tiene un valor bastante considerable para una autonomía de unas 14 horas según el consumo medio de una vivienda en España y respetando los límites recomendados de descarga.

El grupo electrógeno elegido con el fin de cargar la batería se trata un grupo electrógeno diésel que aportaría la energía necesaria para dotar de una mayor autonomía a la instalación. Se trata de u n Generador insonorizado con motor diésel de 4,2 kVA (http://www.supertiendasolar.es/solaronline/eshop/7-1-GRUPOS-ELECTROGENOS/77-2-DIESEL/5/579-GENERADOR-INSONORIZADO-CON-MOTOR-DIESEL-4-2-kVA-230V-POWERMATE-PMD5000S).

121

Por ultimo necesitaríamos un accesorio mediante el cual poder conectar este grupo electrógeno a la batería para recargarla. El modelo elegido es el cargador de baterías 12V 10A Victron Phoenix que está construido con una tecnología adaptable gestionada por un microprocesador que controla la carga de la batería. Dependiendo del uso que se le dé a la batería, el Cargador de baterías 12V 10A Victron Phoenix se ajustará al proceso de carga y descarga de la misma gracias a su microprocesador incorporado.

El Sistema de carga variable que posee el Cargador de baterías 12V 10A Victron Phoenix es de 4 etapas: inicial – absorción – carga lenta – almacenamiento. (https://autosolar.es/cargador-baterias/cargador-de-baterias-12v-10a-victron-phoenix_precio).

El coste total de almacenamiento eléctrico mediante batería y grupo electrógeno es de 2750 € y se detalla a continuación:

ELEMENTO PRECIO (€)

BATERÍA DE 9,18 KWH 1368

GRUPO ELECTRÓGENO 1250

CARGADOR DE BATERÍA

132

Tabla 49- Coste elementos de almacenamiento mediante batería

11.4 Balance eléctrico neto Otra modalidad de generación eléctrica es el funcionamiento de forma semiautónoma. En esta modalidad la energía eléctrica que genera la instalación y no es consumida se cede a la red eléctrica haciendo uso de la red cuando la instalación no es capaz de producir la energía necesaria. Para esta modalidad es necesaria la instalación de contadores bidireccionales que realicen un balance neto de la energía.

La modalidad de balance neto fue descrita y detallada en la anterior instalación en el punto [6]

La posibilidad de la elección de funcionamiento de la instalación mediante balance eléctrico neto disminuye de forma considerable la inversión inicial que se debe realizar reduciendo en aproximadamente un 30 % el coste total en esta instalación.

El precio de la electricidad en España en Abril de 2014 es de 0,13 €/KWh. En esta instalación, al aportar el calor mediante radiadores domésticos alimentados por el sistema, se considera una disminución del gasto eléctrico diario del 20% en los meses de condiciones climatológicas menos desfavorables, siendo en este caso el consumo medio diario de 7,66 KWh/día. Para los meses de mayor necesidad de calefacción (Noviembre, Diciembre, Enero y Febrero) se aumenta este porcentaje hasta un 30 %, siendo en estos casos el consumo eléctrico diario de 6,7KWh/día. Se realiza un balance neto de la energía eléctrica a partir de los datos de irradiación presentados.

Es necesario tener en cuenta el tiempo que la instalación funciona con la finalidad de producción de potencia eléctrica, el tiempo que la instalación funciona como bomba de calor y el tiempo que funciona directamente como intercambiador de calor para los radiadores domésticos.

Se debe establecer una relación entre el tiempo de utilización en cada una de las modalidades. Teniendo en cuenta que los radiadores continúan funcionando y absorbiendo calor del condensador aunque la instalación funcione como ciclo de producción de potencia se puede considerar la utilización del modo de utilización como bomba de calor y directamente como intercambiador de calor excepcionales, en especial en los meses de invierno.

Se considera como criterio de diseño el establecimiento de 12 de horas al día de sol. Se tiene en cuenta además el mayor consumo domestico de calor por parte de los radiadores en invierno (Noviembre, Diciembre, Enero y Febrero), estableciendo una relación de 4 meses en los que se dedican 10 horas de sol a la producción de

122

potencia y 2 horas diarias al funcionamiento como bomba de calor o como intercambiador directo. El resto del año se usa como criterio el uso de 11 horas de sol al día para producción de potencia eléctrica y 1 hora para un aporte mayor de calor. [6]

A partir de esta relación de funcionamiento se realiza un balance neto entre la energía total producida por el sistema y el consumo de energía eléctrico medio modificado mediante la reducción del consumo eléctrico por calefacción para una vivienda de 4 personas.

Se realiza este balance en primer lugar para el emplazamiento en Sanlúcar la Mayor (Sevilla) obteniéndose los siguientes resultados:

Tabla 50: Balance neto mensual en Sanlúcar

Los valores positivos en el balance neto diario significan que la instalación está produciendo más energía de la que la vivienda necesita, por tanto y debido a las condiciones de balance neto se cede esa energía a la red eléctrica. La red eléctrica paga un precio por esa producción de energía. Los valores negativos del balance neto significan que la instalación produce menos energía de la que necesita diariamente y debe acudir a la red eléctrica para compensar este déficit energético.


el colector (KW)

Potencia producida en

modo producción ORC (KW)

Energía total producida

(KWh)


Enero 6,42 0,57 5,7 -1,01

Febrero 7,96 0,7 7 0,29

Marzo 11,77 1,04 11,44 3,78

Abril 13,97 1,23 13,53 5,87

Mayo 17,82 1,57 17,27 9,61

Junio 18,58 1,64 18,04 10,38

Julio 19,51 1,72 18,92 11,26

Agosto 17,56 1,55 17,05 9,39

Septiembre 13,77 1,22 13,42 5,76

Octubre 9,32 0,83 9,13 1,47

Noviembre 6,64 0,59 5,9 -0,81

Diciembre 5,35 0,47 4,7 -2,01

123

A continuación se presentan los resultados obtenidos para las condiciones de irradiación del emplazamiento en Santiago:

Tabla 51- Balance neto mensual en Santiago

En este caso existe un número mayor de meses en los que el balance neto es negativo debido a los menores valores de irradiación que se dan en este segundo emplazamiento.

Para calcular la rentabilidad de la inversión se debe establecer el precio al que se paga cada KWh producido y el precio que se paga por cada KWh consumido.

Aunque fue descrito anteriormente en [6] recordamos a continuación el escenario regulatorio actual respecto a la ley de balance neto en distintos países de Europa (Fuente: Entelsa):

• Alemania: Se paga una prima inferior a la pagada para energías renovables. La rentabilidad queda garantizada por el ahorro que supone la utilización de la energía generada y por la prima dada. Hay limitación de la potencia.

• Italia: Ofrece un sistema de apoyo atractivo, donde se analiza la energía producida y consumida y se le otorga un valor económico a ambas, dependiendo de cada valor se recibe un crédito o un abono. La diferencia de energía (en kWh) no siempre es valorada de la misma manera ya que existe discriminación horaria. Adicionalmente se establece una limitación de potencia de 200 KW

• Bélgica: Utiliza un esquema complejo, siendo un híbrido de primas por generación y certificados verdes. El balance neto está previsto solo para instalaciones fotovoltaica de menos de 10 kW


el colector (KW)

Potencia producida en

modo producción ORC (KW)

Energía total producida

(KWh)


Enero 3,06 0,27 2,7 -4,01

Febrero 5,01 0,44 4,4 -2,31

Marzo 6,35 0,56 6,16 -1,5

Abril 11,51 1,02 11,22 3,56

Mayo 13,61 1,21 13,31 5,65

Junio 13,76 1,22 13,42 5,76

Julio 15,56 1,38 15,18 7,52

Agosto 14,76 1,3 14,3 6,64

Septiembre 10,10 0,89 9,79 2,13

Octubre 6,11 0,54 5,94 -1,72

Noviembre 4,17 0,37 3,7 -3,01

Diciembre 3,63 0,32 3,2 -3,51

124

• Dinamarca: El sistema de balance neto es a base de créditos energéticos, que permiten al productor utilizar toda la energía generada en el momento en que la necesite a través de la concesión de créditos cuando genera excedentes. Todo ello solo para instalaciones de menos de 6kW

• Francia: Recientemente se ha propuesto una forma de balance neto a través de Électricité de France. De acuerdo a su página web, la energía que producen los productores domésticos de energía puede ser comprada a un precio mayor que el que se carga a los consumidores. Por ello, se recomienda, vender toda la energía producida y comprar la energía necesaria para el consumo a un precio menor. El precio ha sido fijado durante un período de 20 años por el gobierno

La elección de una instalación semiautónoma reduce considerablemente la inversión inicial reduciendo el plazo de amortización y haciéndola por tanto mucho más atractiva para el cliente particular

125

12 ANÁLISIS ECONOMICO DE LA INVERSION

Para el cálculo del periodo de amortización de la inversión se utiliza los indicadores VAN y TIR. Comenzaremos calculando el VAN. El Valor Actualizado Neto (VAN) es un método de valoración de inversiones que puede definirse como la diferencia entre el valor actualizado de los cobros y de los pagos generados por una inversión. Este indicador proporciona una medida de la rentabilidad del proyecto analizado en valor absoluto, es decir expresa la diferencia entre el valor actualizado de la cantidad de dinero que se cobra y se paga.

Analíticamente se expresa como la diferencia entre el desembolso inicial (que no se actualiza ya que se genera en el momento actual) y el valor actualizado, al mismo momento, de los flujos de caja (diferencia entre ingresos y gastos):

�d* = −d + %�(1 + K) + %�

(1 + K)� + ⋯ + %�(1 + K)� = −d + |( %}

(1 + K)})�

}~�

Siendo “k” es la tasa de descuento, “n” el número de años, “A” la inversión inicial y “Qj” el flujo de caja en el periodo j

En nuestro cas o el valor de la factura eléctrica y la factura de gas para calentamiento de agua sanitaria es considerado como el ingreso mientras que estableceremos una cuota de mantenimiento de la instalación como gasto para de esta forma generar el flujo de caja.

Para calcular la tasa de descuento en este caso se tener en cuenta el capital inicial (C) que se aporta además de la deuda o financiación que se contrae (D).

La tasa de descuento se obtiene mediante la siguiente expresión:

K = K� · � �� + 5� + K$ · � 5

5 + �� · (1 − ))

Esta expresión depende de varios parámetros además del capital inicial y de la deuda que se contrae:

• Kd es la tasa o interés que te cobra el banco o método de financiación por el capital prestado • Ke es un coeficiente que define en porcentaje el valor que espera el inversor que el proyecto que rinda

• T es el impuesto sobre la renta

Para calcula el coeficiente Ke se tiene en cuenta el interés del banco y el riesgo que se asume, que por lo general suele considerarse un 10% aunque depende del sector al cual está dedicada la inversión:

K� = (1 + K$) · (1 + Shvza�) − 1

A partir de las ecuaciones presentadas se puede calcular el periodo de amortización de las diferentes posibilidades de almacenamiento de energía presentadas.

12.1 Funcionamiento autónomo

En la siguiente tabla se presenta un resumen de los costes de los elementos necesarios para cada modalidad para una superficie de colector de 18,41 m2 compuesta por 7 colectores solares de 2,63 m2.

A la hora de calcular el coste de la instalación se ha tenido en cuenta el precio del montaje de la instalación, que consultando a diversas fuentes supone un precio aproximado de 450 euros para el montaje de los

126

colectores.

Además se ha elegido para los conductos el uso de polipropileno teniendo un coste en el mercado actual de 3 € por metro. A este coste debemos sumarle el coste de aislamiento de los conductos que se establece en 1,25 € por metro. Se supone una instalación en la que se necesitan al menos 30 metros.

Tabla 52- Coste de elementos en funcionamiento autónomo

Para calcular el VAN necesitamos la tasa de descuento que depende a su vez del capital inicial y del capital financiado. Suponemos un capital inicial de 1000 € para los cálculos. El capital financiado se obtiene por tanto mediante la diferencia entre el coste total y el capital inicial:

�Tkh�Tw �hmTm^hTx� = ��z�v ��Tw − �Tkh�Tw hmh^hTw Las necesidades de financiación para cada una de las posibilidades serian:

• Almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno=10512,65 €




Coste Elementos (€) Balance neto Coste Elementos (€)

15 Colectores solares de 2,63 m2



15·450

Batería de 9,18 KWh 1368 Acumulador 750 litros

1995 Evaporador 220

Grupo electrógeno 1250 Evaporador 220 Condensador 220

Evaporador 220 Condensador 220

Condensador 220 Montaje 450

Montaje 450 Montaje 450 Coste en tubería polipropileno y aislamiento (70 metros)

90

Coste en tubería polipropileno y aislamiento (30 metros)

90 Coste en tubería polipropileno y aislamiento (70 metros)


388,75

Coste aislamiento (30 metros)



45

Coste elementos (5% coste total)


45 Expansor 600

Expansor 600 Expansor 600

Coste total (€) 11512,65 Coste total (€) 10858,5 Coste total (€) 8763,75

127

• Almacenamiento mediante acumulador de calor=9858,5 €

• Balance neto=7763,75 €

Una vez definido el capital financiado, para poder calcular el VAN y el periodo de amortización se deben establecer valores para el tipo de interés y el impuesto sobre la renta. Aunque estos valores dependen de la entidad que financia y de diversos variables de mercado se han fijado en 4,28% y 15% respectivamente.

Por último se necesita conocer el valor del coeficiente Ke que mide la productividad que el inversor espera obtener. Este valor depende del tipo de interés, para el tipo de interés determinado se obtiene ke=0,14.

Se calcula a partir de las consideraciones anteriores el valor de la tasa de descuento en cada una de las modalidades:

• Almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno=4,53 % • Almacenamiento mediante acumulador de calor=4,59 %

• Balance neto=4,82 %

Para calcular el periodo de amortización buscamos el punto en el que el valor del VAN se hace nulo. Los flujos de caja para la modalidad de almacenamiento en batería y almacenamiento en acumulador son constantes e iguales en ambos casos.

Se considera como ingreso el valor ahorrado en la factura de electricidad además del valor ahorrado en gas para calentamiento de agua sanitaria.

La factura de electricidad se ve afectada por el consumo energético, el termino de potencia y el servicio de asistencia y mantenimiento (fuente: factura empresa eléctrica e-on)

Los precios que establece la fuente consultada para estos servicios son:

• Consumo energético= 0,16 €/KWh • Termino de potencia= 46,45 €/KW

• Servicio asistencia= 2,58 €/mes

Considerando un consumo energético medio de una vivienda unifamiliar de 9,58 KWh y un año natural de 365 días se tiene un gasto por consumo energético de 559,47 €/año.

Por otro lado se considera además una contratación de una potencia pico de 3,3 KW lo que supone un gasto de 153,29 €/año

Por último el servicio de asistencia supone un gasto de 30,96 €/año.

El flujo de caja total para un periodo de un año suma un valor de 743,72 € [1]

Aplicando la expresión del VAN, se obtiene un periodo de amortización de 30 años en caso de almacenamiento en batería y grupo y un periodo de 25 años para almacenamiento en acumulador de calor, el valor del VAN que se obtiene es el siguiente:

MODALIDAD VAN

ALMACENAMIENTO EN BATERÍA Y GRUPO ELECTRÓGENO

226,31 (30 años)

ALMACENAMIENTO EN ACUMULADOR DE CALOR

103,75 (26 años)

Tabla 53: VAN según modalidad de almacenamiento

Se tratan de plazos de amortización totalmente inadmisibles debido al carácter de la inversión y el tiempo de retorno de la misma. Por tanto, se decide no considerar viables estos tipos de almacenamiento energético para el funcionamiento autónomo de la instalación.

128

Se procederá a evaluar el comportamiento económico de la instalación mediante balance neto

Para el cálculo de los indicadores VAN y TIR de amortización de la inversión en la modalidad de balance neto es necesario realizar un balance anual de la energía producida por la instalación y la energía media demandada por una vivienda unifamiliar reducida por el aporte de calefacción de la instalación mencionado anteriormente.

Como se ha comprobado anteriormente según el emplazamiento este balance neto puede varia significativamente. A partir de las cifras de balance neto diario obtenidas en la descripción de la modalidad de balance neto se realiza en este caso un balance neto anual para el emplazamiento en Sanlúcar la Mayor:

Tabla 54- Balance neto mensual en modo autónomo en Sanlúcar

Se obtienen 1619,4 KWh de superávit energético para el emplazamiento de la instalación en Sanlúcar.


el colector (KW)



mensual (KWh)

Enero 3,21 -1,01 -30,3

Febrero 3,98 0,29 8,7

Marzo 5,89 3,78 113,4

Abril 6,99 5,87 176,1

Mayo 8,91 9,61 288,3

Junio 9,29 10,38 311,4

Julio 9,75 11,26 337,8

Agosto 8,78 9,39 281,7

Septiembre 6,88 5,76 172,8

Octubre 4,66 1,47 44,1

Noviembre 3,32 -0,81 -24,3

Diciembre 2,67 -2,01 -60,3

Total 1619,4

129

Del mismo modo se comprueba en esta ocasión el balance energético anual en el segundo emplazamiento elegido obteniéndose:

Tabla 55- Balance neto mensual en modo autónomo en Santiago

En esta ocasión se obtienen 456 KWh de superávit energético para el emplazamiento de la instalación en Santiago.

Se puede comprobar como la diferencia en el balance neto anual en dos emplazamientos con unas condiciones climáticas distintas es significativa aunque en ambos casos es positivo el balance.

Para el cálculo de los indicadores económicos en la modalidad de balance neto se deben tener en cuenta factores como el balance neto anual, el precio que paga la compañía por la energía cedida y si existe limitación de potencia en el balance.

Para el cálculo del VAN en la modalidad de balance neto establecemos un escenario en el que la potencia pico cedida a la red no está limitada y se supone además un pago del 60% del precio de venta (0,16 €/KWh) por la energía cedida a la compañía eléctrica.

El valor de los flujos de caja varía en función del emplazamiento debido a la diferencia en el balance neto anual en ambos emplazamientos. Calculamos por tanto el valor del VAN para ambos emplazamientos considerando un precio de venta de la energía sobrante de 0,078 €/KWh.

El flujo de caja anual es en esta modalidad la suma del ahorro en consumo eléctrico y la prima por la energía generada. Para el emplazamiento en Sanlúcar el flujo de caja se sitúa en 869,28 €/año mientras que para el emplazamiento en Santiago el flujo de caja alcanza un valor de 778,57 €/año.

Calor absorbido en

el colector (KW)



mensual (KWh)

Enero 1,53 -4,01 -120,3

Febrero 2,51 -2,31 -69,3

Marzo 3,18 -1,5 -45

Abril 5,76 3,56 106,8

Mayo 6,81 5,65 169,5

Junio 6,88 5,76 172,8

Julio 7,78 7,52 225,6

Agosto 7,38 6,64 199,2

Septiembre 5,05 2,13 63,9

Octubre 3,06 -1,72 -51,6

Noviembre 2,09 -3,01 -90,3

Diciembre 1,82 -3,51 -105,3

Total 456

130

EMPLAZAMIENTO VAN



Tabla 56- VAN según emplazamiento

Aunque los plazos de amortización han disminuido considerablemente al aplicar el balance neto siguen siendo demasiado altos para hacer la inversión rentable económicamente.

Estableciéndose la amortización para ambos emplazamientos se puede calcular el valor del TIR para cada lugar obteniéndose:

EMPLAZAMIENTO TIR



Tabla 57- TIR según emplazamiento

Los resultados obtenidos para la modalidad de balance neto están fuertemente sujetos a la normativa de regulación regional.

Se resume a continuación en la siguiente tabla las consideraciones realizadas para el calculo de los indicadores hipótesis en cada una de las modalidades de almacenamiento y las hipótesis generales:

Acumulador de calor


Balance neto

Temperatura de almacenamiento de agua de 140 ºC


Precio de venta de electricidad es 60% de precio de compra

Presión de almacenamiento de agua de 5 bar


• 12 horas de sol al día • 2,4 horas en modo combinado y 9,6 horas en modo producción de potencia • Rendimiento de colector solar=75% • Rendimiento del expansor=90 % • Consumo diario de ACS=580 litros • Incremento de temperatura de ACS=25 ºC • Consumo medio de gas para ACS=35 €/mes • Consumo eléctrico diario=9,58 KWh • Precio de energía eléctrica=0,16 €/KWh • Potencia eléctrica máxima contratada=3,3 KW • 30 metros de tubería propileno desde colectores solares • 3 €/metro de propileno y 1,5 €/metro de aislamiento de tubería • 450 € montaje de colectores solares • Coste de elementos del ciclo de producción de potencia=10% coste total de la instalación • Impuesto sobre la renta=15 % • Tipo de interés=4,28 %

Tabla 58- Resumen de condiciones de operación

131

A partir de las hipótesis realizadas se presentan los resultados obtenidos de los indicadores económicos de inversión de las posibles modalidades de almacenamiento energético:

Acumulador de calor


Balance neto en Sanlúcar

Balance neto en Santiago

Ahorro anual energía eléctrica (€)

743,72 743,72 743,72 743,72

Inversión inicial (€)

1000 1000 1000 1000

Ingreso por venta de energía producida (€)

- - 155,42 43,78

Tasa de descuento 4,53 % 4,59 % 4,82 % 4,82 %

Periodo de amortización (años)

25 30 15 17

Valor actualizado neto (VAN)

55,42 548,25 370,54 138,46

Tasa interna de retorno (TIR)

5,43 % 5,03 %

Tabla 59- Indicadores económicos según modalidad de almacenamiento

Por otro lado la inversión inicial realizada tiene una influencia considerable en la rentabilidad de la inversión. En esta instalación no se consideran el caso de funcionamiento totalmente autónomo mediante baterías debido al excesivo numero de años de amortización para la modalidad de batería y grupo electrógeno.

Se ha decidido igualmente no presentar un escenario de bajada de precios de los colectores o subida del precio de la electricidad como en la anterior instalación ya que los plazos de amortización seguirían siendo inasumibles.

12. 2 Funcionamiento semiautónomo

Con objeto de reducir el excesivo plazo de amortización y el coste total de la instalación se estudia la posibilidad de realizar la instalación para un tamaño de colector considerablemente menor. En este escenario el colector aportaría una potencia eléctrica inferior a la demanda y por tanto debe estar conectado a la red para completar la demanda eléctrica diaria pero el coste disminuye considerablemente debido a que en este caso no

132

se necesita acumular energía para producción de potencia y además el tamaño necesario de colector, y por tanto el coste de este elemento, es mucho menor.

Tabla 60- Producción de potencia mensual en funcionamiento semiautónomo

En las siguientes figuras se muestran la representación de los valores obtenidos de calor absorbido en colector y de producción de potencia para ambos emplazamientos:

Figura 67- Calor absorbido en el colector

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Po

ten

cia

(K

W)

Calor absorbido en colector


(Qcol=KW)


expansor (KW)

Santiago (Qcol=KW)


expansor (KW)

Enero 1,20 0,11 0,57 0,05

Febrero 1,49 0,13 0,94 0,08

Marzo 2,21 0,20 1,19 0,11

Abril 2,62 0,24 2,16 0,19

Mayo 3,34 0,30 2,55 0,23

Junio 3,48 0,31 2,58 0,23

Julio 3,66 0,33 2,92 0,26

Agosto 3,29 0,30 2,77 0,25

Septiembre 2,58 0,23 1,89 0,17

Octubre 1,75 0,16 1,15 0,10

Noviembre 1,24 0,11 0,78 0,07

Diciembre 1,00 0,09 0,68 0,06

133

Figura 68- Producciónmensual de potencia

Se continúa realizando un análisis diario de la potencia producida por franja horaria en dos días con condiciones climatológicas adversas para el emplazamiento en Sanlúcar:


Potencia absorbida

(KW)



Potencia absorbida

(KW)


5:00 69,7 0,15 0,01 0 0 0,00

6:00 546,6 1,14 0,10 0 0 0,00

7:00 1119,8 2,33 0,21 0 0,00 0,00

8:00 1740,7 3,63 0,33 233,1 0,49 0,04

9:00 2340,6 4,88 0,44 593,10 1,24 0,11

10:00 2842,7 5,92 0,53 926,80 1,93 0,17

11:00 3176,9 6,62 0,60 1162,20 2,42 0,22

12:00 3294,2 6,86 0,62 1247,00 2,60 0,23

13:00 3176,9 6,62 0,60 1162,20 2,42 0,22

14:00 2842,7 5,92 0,53 926,80 1,93 0,17

15:00 2340,6 4,88 0,44 593,10 1,24 0,11

16:00 1740,7 3,63 0,33 233,10 0,49 0,04

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Po

ten

cia

(K

W)

Produccion de potencia

134

17:00 1119,8 2,33 0,21 0,00 0,00 0,00

18:00 546,6 1,14 0,10 0 0,00 0,00

19:00 69,7 0,15 0,01 0 0,00 0,00

Tabla 61- Producción horaria de potencia

Como puede observarse la potencia eléctrica generada aporta un porcentaje de la potencia eléctrica necesaria siendo menor que la demandada en cualquier franja horaria necesitándose el consumo de la red eléctrica.

La representación cualitativa de la evolución de la producción por franja horaria para los dos emplazamientos elegidos se muestra en la siguiente figura:

Fig.72

Para conocer la energía que se consume de la red eléctrica se realiza un balance entre la energía total producida y el consumo medio energético de una vivienda unifamiliar. En este caso y al tratarse de colectores solares mas pequeños se establece una reducción del consumo medio diario debido al aporte de calefacción de un 15%. El consumo medio estimado de la vivienda se fija en 8,14 KWh/día.

Para realizar este balance se tiene en cuenta la relacióncalculada anteriormente [6] mediante la cual seestablece una relación entre el tiempo de funcionamiento en cada modalidad.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (

KW

)


Sanlucar Santiago

135

A partir de esta relación se obtiene el siguiente balance energético para un colector solar de 7,5 m2 en Sanlúcar:

Tabla 62- Balance neto mensual en Sanlúcar


el colector (KW)



mensual (KWh)

Enero 1,2 -7,04 -211,2

Febrero 1,49 -6,84 -205,2

Marzo 2,21 -5,5 -165

Abril 2,62 -4,84 -145,2

Mayo 3,34 -4,73 -141,9

Junio 3,48 -4,51 -135,3

Julio 3,66 -4,84 -145,2

Agosto 3,29 -5,61 -168,3

Septiembre 2,58 -6,38 -191,4

Octubre 1,75 -6,93 -207,9

Noviembre 1,24 -7,15 -214,5

Diciembre 1 -7,04 -211,2

Total -2142,3

136

Para el emplazamiento en Santiago se tiene:

Tabla 63- Balance neto mensual en Santiago

En ambos emplazamientos se obtiene un balance energético negativo ya que el tamaño del colector solar no permite captar la suficiente energía para cubrir la demanda eléctrica diaria.

Para realizar el balance económico se necesita conocer los flujos de caja (Qn) . En este caso el flujo de caja se considera el ahorro en la factura eléctrica total anual (E) y el ahorro de la factura del gas para agua caliente sanitaria (G) menos el gasto en energía eléctrica consumida debido al balance energético negativo (B):

% = u + ` − �

El coste del consumo eléctrico anual se estima mediante el consumo estimado diario (9,58 KWh) y el precio establecido para el precio de la energía eléctrica de 0,16 €/KWh. Además se tiene en cuenta el término de potencia contratada y el servicio de asistencia. [1]

El ingreso anual se estima en 743,7 €/año.

Por otro lado debemos calcular como un gasto adicional el gasto por consumo eléctrico debido al balance eléctrico negativo que supone la instalación de colectores solares de menor tamaño.

Considerando el precio de la energía eléctrica para el emplazamiento en Sanlúcar el gasto que supone este balance es de 342,72 €/año mientras que para el emplazamiento en Santiago el coste de energía eléctrica


el colector (KW)


Balance neto Energético mensual (KWh)

Enero 0,57 -7,64 -229,2

Febrero 0,94 -7,34 -220,2

Marzo 1,19 -6,93 -207,9

Abril 2,16 -6,05 -181,5

Mayo 2,55 -5,61 -168,3

Junio 2,58 -5,61 -168,3

Julio 2,92 -5,28 -158,4

Agosto 2,77 -5,39 -161,7

Septiembre 1,89 -6,27 -188,1

Octubre 1,15 -7,04 -211,2

Noviembre 0,78 -7,37 -221,1

Diciembre 0,68 -7,44 -223,2

Total -2339,1

137

consumida es de 374,24 €/año

Los flujos de caja para ambos emplazamientos se establecen por tanto:

%��-# = 743,7 − 342,72 = 400,98

%��.�r� = 743,7 − 374,24 = 369,46

Para el funcionamiento semiautónomo no se necesita almacenamiento de energía para producción de potencia eléctrica.

El coste total de la instalación se representa a continuación en la siguiente tabla:

Tabla 64- Coste de los elementos en funcionamiento semiautónomo

Una vez calculado el coste total de la instalación y los flujos de caja anuales se puede calcular el periodo de amortización necesario utilizando el VAN.

Se calcula el VAN para este nuevo funcionamiento de la instalación en los dos emplazamientos seleccionados obteniéndose:

EMPLAZAMIENTO VAN (€)



Tabla 65- VAN según emplazamiento

Funcionamiento semiautónomo Coste Elementos (€)


Evaporador 220

Condensador 220

Montaje 250





138

Por último se calcula el TIR en ambos emplazamientos para un periodo de amortización de 6 años:

EMPLAZAMIENTO TIR

SANTIAGO 9,52 %

SANLÚCAR 9,94 %

Tabla 66- TIR según emplazamiento

139

13 COMPARATIVA ENTRE INSTALACIONES

Nos encontramos ante dos instalaciones que aprovechan el calor proveniente de un colector solar para producir potencia eléctrica mediante el intercambio de calor en un evaporador que es atravesado por un refrigerante en una de las etapas del ciclo orgánico de Rankine.

La principal diferencia entre las dos instalaciones propuestas es el uso alternativo que se le da a la instalación. Recordamos los diagramas de procesos de ambas instalaciones:

Figura 69- Diagramas de operación de las instalaciones

La diferencia principal entre ambas instalaciones se encuentra en el refrigerante utilizado para la producción de potencia en el ciclo Rankine. La instalación A utiliza refrigerante R-245fa mientras que la instalación B funciona con refrigerante R-134a.

Se tratan de dos fluidos con grado de volatilidad distinto afectando al comportamiento del ciclo. La volatilidad desde el punto de vista de la termodinámica es una medida de la tendencia de una sustancia a pasar a la fase vapor.

Se calcula la temperatura de evaporación de ambos fluidos para una presión de 1 bar obteniéndose:

R-245fa R-134ª

Temperatura de evaporación

14,86 ºC -26,37 ºC

Tabla 67- Temperatura de evaporación de refrigerantes

Se comprueba como el refrigerante R134a realiza el cambio de fase a menor temperatura, una temperatura mucho menor que la temperatura ambiente necesitado, por tanto, una fuente de frio en el fluido que atraviesa el condensador para absorber el calor del refrigerante.

Tener una temperatura de cambio de fase mayor permite a la instalación A realizar el cambio de fase en el condensador a mayor temperatura no siendo necesario un aporte extra de refrigeración al fluido secundario que atraviesa el condensador absorbiendo el calor del refrigerante pudiendo incluso realizarse a temperatura ambiente aumentando sensiblemente la presión de trabajo.

140

Se puede aumentar la temperatura de cambio de fase de un fluido mediante un aumento en la presión de trabajo del circuito.

En la instalación B el calor del condensador es absorbido por un circuito de agua que alimenta un conjunto de radiadores de calor mientras que en la instalación A el calor cedido en el condensador se desecha pudiendo ser absorbido por el aire a temperatura ambiente.

El circuito de agua que alimenta a los radiadores debe trabajar a una temperatura que permita un clima habitable dentro de la vivienda debiéndose aumentar, por tanto, la presión en el circuito para alcanzar esta temperatura.

Las presión de trabajo y temperaturas de entrada y salida en el condensador elegidas para ambas instalaciones en nuestras configuraciones de operación son:

R-245fa R-134a

Presión (bar) 1,089 7,168

Temperatura de entrada (ºC)

55,26 40,7

Temperatura de salida (ºC)

17 25,5

Tabla 68- Propiedades de refrigerantes

Se puede comprobar como la presión de trabajo en la instalación B es un 658 % mayor. Se ha elevado la presión en el condensador debido a la mayor volatilidad del refrigerante R-134a, de esta forma se consigue alcanzar una temperatura suficientemente alta como para ser adecuada para la climatización en los radiadores domésticos. Esto supone un intercambiador de calor con capacidad de trabajar a mayor presión.

Esta característica supone un mayor coste de los elementos que participan en la instalación además de un mayor coste de reparación en caso de avería debido a la dificultad a la hora de trabajar en circuitos de alta presión.

La bomba hidráulica aumenta la presión a la salida del condensador para llevarlo hasta una presión adecuada que produzca el cambio de fase en el evaporador a una temperatura aumente de forma notable la energía del fluido a su llegada al expansor.

Al trabajar a una presión mayor la bomba hidráulica consume mayor potencia en la instalación B suponiendo un mayor coste:

Instalación A Instalación B

Potencia de la bomba (W)

67,35 452

Tabla 69- Potencia de la bomba

La potencia de impulsión necesaria es considerablemente mayor en la instalación B, para las condiciones de operación establecida es un 671% mayor, se trata de una cifra similar al aumento de presión necesario.

Al llegar al evaporador el fluido debe aumentar su presión para producir la evaporación a una temperatura adecuada para alcanzar el nivel de energía necesario antes de llegar a la etapa de expansión.

141

Se continua analizando la temperatura y presión de trabajo del evaporador:

R-245fa R-134a

Presión (bar) 10 25,25

Temperatura de entrada (ºC)

17,34 26,95

Temperatura de salida (ºC)

110 88

Tabla 70- Propiedades de refrigerantesen el evaporador

Se observa una presión de trabajo un 252 % mayor en la instalación B respecto a la instalación A. Se puede comprobar además como la temperatura de trabajo del evaporador es menor en la instalación B, esto supone una menor energía a su llegada al expansor aunque se trata de una ventaja a la hora de alcanzar la temperatura necesaria en el circuito de agua del colector.

Se podría incrementar hasta 110 ºC la temperatura de evaporación en la instalación B para realizar la comparación pero supondría un aumento de la presión de trabajo de hasta 39,75 bar, valor considerablemente mayor y que encarecería aún más los elementos del circuito. Por ello la temperatura de trabajo seleccionada para la operación de la instalación B será menor presentando la ventaja de necesitar menor aporte de calor en el colector y un menor coste del aislamiento necesarioen las conducciones para mantener la temperatura de operación.

Para realizar una comparación cualitativa de las dos instalaciones se deben fijar los mismos parámetros de operación, por este motivo se presentan a continuación los valores de las variables en la instalación B estableciendo como parámetro la misma temperatura de evaporación en ambas instalaciones, en este caso en un valor intermedio al elegido para el análisis de operación de los circuitos. Se establece una temperatura de 100 ºC en el evaporador. También es necesario establecer la potencia absorbida en el colector que suponga unas condiciones similares de operación en ambos casos. La potencia absorbida en el colector para realizar la comparación es de 25KW.

Se establece para la comparación el modo de producción de potencia de la instalación A, dejando completamente abierta la válvula de bypass numero 2. Además se establece el mismo rendimiento en le bomba y en el expansor en el funcionamiento de ambas instalaciones obteniéndose:


Temperatura a la salida del evaporador (ºC)

100 100

Presión en el evaporador (bar)

10 39,75

Presión en el condensador (bar)

1,089 7,168

Temperatura de salida del condensador (ºC)

17 25,5

Potencia consumida por la bomba (W)

70,48 277

142

Tabla 71- Parámetros de operación de instalaciones

Se comprueba como al aumentar la temperatura en el evaporador en la instalación B la presión también aumenta necesitándose una mayor potencia de impulsión de la bomba hidráulica.

Para las mismas condiciones de operación y el mismo rendimiento se compara ahora la potencia desarrollada en el expansor entre ambas instalaciones:


Potencia desarrollada en el expansor (W)

3722 3281

Tabla 72- Potencia desarrollada en el expansor

Se puede observar como a pesar de trabajar con mayores presiones en el circuito de producción de la instalación B se obtiene una mayor potencia desarrollada en el expansor en la instalación A debido a las características del refrigerante elegido. El incremento de potencia desarrollado es un 13 % mayor usando el refrigerante R-245fa.

Otro aspecto a tener en cuenta es el consumo de refrigerante en ambas instalaciones, que puede suponer un aumento del coste de los elementos que intervienen en el circuito considerable además de los conductos y aislamiento necesarios para mantener la temperatura.

Se compara por tanto el gasto másico de refrigerante de cada instalación para las mismas condiciones de operación obteniéndose:


Gasto másico refrigerante (Kg/s)

0,0968 0,1192

Tabla 71- Gasto másico de refrigerante

El gasto másico en la instalación B es un 23 % mayor siendo favorable por tanto, respecto al consumo, la elección de la instalación A.

Atendiendo únicamente al ciclo de producción de potencia mediante ciclo orgánico de Rankine se puede concluir que resulta mas beneficioso el uso de refrigerante R-245 fa debido a sus condiciones de funcionamiento.

Profundizando en este análisis se realiza una comparación entre los distintos refrigerantes que pueden ser usados en el ciclo orgánico de Rankine para ambas instalaciones en las mismas condiciones de operación.

Para la instalación A se decide establecer las condiciones de operación de la instalación original fijando una presión en el evaporador de 10 bar y una temperatura en el condensador de 17 ºC. El calor absorbido en el colector es de 25 KW y la temperatura a la salida del evaporador de 100 ºC. Una vez fijados los parámetros de operación procedemos a realizar simulaciones del comportamiento para distintos refrigerantes obteniéndose:

Instalación A R-245fa R-134a R-600a R-152a


1,089 5,209 2,754 4,679

Flujo másico 0,0987 0,0963 0,052 0,0658

143

refrigerante (Kg/s)

Potencia absorbida por la bomba (KW)

0,071 0,041 0,076 0,042

Potencia desarrollada en el expansor (KW)

3,72 1,54 2,81 1,86

Rendimiento térmico

15,17 % 6,31 % 11,55 % 7,6 %

Tabla 74- Comparativa entre refrigerantes

Se comprueba como la menor presión de trabajo se consigue con el refrigerante R-245fa simplificando de esta forma el circuito y el trabajo de la instalación. Además la potencia producida y el rendimiento térmico para las condiciones de operación establecidas son mayores mediante la utilización de este refrigerante. Siendo por tanto, en términos termodinámicos, la mejor opción a elegir. Se representa a continuación información cualitativa referente a las simulaciones realizadas para los distintos refrigerantes:

Figura 70- Comparativa entre refrigerantes

Uno de los parámetros mas importantes para controlar el funcionamiento de la instalación es la presión en el evaporador.

Se presenta a continuación una representación de la tendencia de la potencia desarrollada en el expansor cuando aumenta la presión en el evaporador para los posibles refrigerantes que podemos usar en la instalación.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Potencia desarrollada en el expansor (KW) Rendimiento termico

Instalacion A

R-245fa R-134a R-600a R-152a

144

Figura 71- Potencia desarrollada en función de presión en el evaporador

Del mismo modo se establecen los parámetros de operación originales de la instalación B para comprobar el comportamiento del sistema para los distintos refrigerantes. Se toma una temperatura de entrada al condensador del agua del circuito gh de 15 ºC y un incremento de temperatura de 5 ºC del fluido a su paso por el intercambiador. Por otro lado se establece un pinchpoint en el condensador de 7,5 ºC a partir del cual se obtiene la presión de trabajo del refrigerante en el condensador.

El calor absorbido en el colector y la temperatura en el evaporador se fijan como en la comparación anterior en 25 KW y 100ºC respectivamente. Para estas condiciones de operación se tiene:

Instalación B R-134a R-245fa R-600a R-152a


7,17 1,62 3,77 6,43

Presión en el evaporador

32,47 10,09 16,4 26,03

Flujo másico refrigerante (Kg/s)

0,1192 0,1013 0,058 0,0787

Potencia absorbida por la bomba (KW)

0,28 0,071 0,148 0,19

Potencia desarrollada en el expansor (KW)

3,28 3,22 3,22 3,17

Rendimiento térmico

14,23 % 13,17 % 13,48 % 13,46

Tabla 75- Comparativa entre refrigerantes en instalación B

145

En este caso ha sido necesario disminuir sensiblemente la temperatura de salida del evaporador en el caso del refrigerante R-152a debido a la incompatibilidad en el funcionamiento para las condiciones de operación seleccionadas. La máxima temperatura posible a la salida del evaporador para este refrigerante es 95 ºC, al tratarse de una disminución de tan solo 5 ºC comparamos el funcionamiento de la instalación con las demás opciones de refrigerantes:

Figura 72- Comparativa entre refrigerantes en instalación B

Se puede observar como en esta instalación aunque las diferencias entre el funcionamiento para los distintos refrigerantes se han reducido la mejor opción continua siendo el refrigerante elegido en la instalación original R-134a

En esta instalación el parámetro de operación seleccionado para comprobar la respuesta de la instalación es la temperatura de salida del evaporador. Esta temperatura esta relacionada con la presión de trabajo en el evaporador para alcanzar la saturación y el grado de sobrecalentamiento deseado. Se presenta a continuación la evolución de la presión en función de la temperatura seleccionada a la salida del evaporador para los posibles refrigerantes:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Potencia desarrollada en el expansor (KW) Rendimiento termico

Instalacion B

R-134a R-245fa R-600a R-152a

146

Figura 73- Presión frente a temperatura en el evaporador

147

14 CONCLUSIONES

Debido al agotamiento de los recursos fósiles naturales y a la contaminación que este tipo de recursos genera, conseguir el funcionamiento eléctrico autónomo, eficiente y sostenible de una vivienda unifamiliar representa un desafío que deberemos abordar en el futuro no muy lejano.

En esta publicación se ha analizado con detenimiento y atendiendo a las dificultades tecnológicas y económicas la integración residencial de un sistema, autónomo o semiautónomo, de generación de energía eléctrica a través de un ciclo de producción de potencia que utiliza el ciclo orgánico de Rankine para la generación de energía.

El desarrollo del estudio, resultados y tendencia de dos instalaciones independientes que utilizan esta tecnología para la generación eléctrica arroja una serie de conclusiones que son interesantes evaluar.

14.1 Conclusiones de instalación de producción de potencia y calentamiento de agua sanitaria

La instalación A puede utilizar el calor del colector alternativamente o de forma combinada para el calentamiento de agua sanitaria que se aprovecha para uso domestico.

Se trata de una instalación con potencial para cubrir las necesidades energéticas de una vivienda en dos de sus mas importantes requerimientos de confort. A partir de la energía eléctrica obtenida podemos alimentar electrodomésticos y equipos eléctricos que nos permiten desarrollar nuestra vida diaria. Además se pueden alimentar equipos de climatización que establezcan los niveles de confort adecuados para la habitabilidad de la vivienda en las diferentes estaciones del año.

El análisis de esta instalación arroja las siguientes conclusiones particulares:

• El emplazamiento es un parámetro muy importante en el dimensionamiento de la instalación debido a la radiación solar recibida y en consecuencia a la potencia que son capaces de absorber los colectores solares que utilicemos en nuestra instalación. En este caso se ha analizado los emplazamientos de Sanlúcarla mayor (sur de España) y Santiago de Compostela (norte de España), dos emplazamientos con condiciones climatológicas diferentes apreciándose un 109,56 % en la radiación solar recibida y potencia absorbida en el colector en el mes de Enero. Esta decrece considerablemente en los meses más calurosos convirtiéndose en tan solo un 25,42 % en el mes de Julio.

• A partir de la producción de agua caliente sanitaria se da servicio a una necesidad de aseo y cocina, pudiéndose prescindir por completo de medios fósiles para la producción de energía alcanzándose una adecuada habitabilidad y sostenibilidad de una vivienda. La energía necesaria para cubrir los requerimientos de agua caliente sanitaria representa un 21 % del total de energía necesaria para el funcionamiento autónomo de la vivienda.

• El factor mas importante a determinar a la hora de seleccionar este tipo de instalaciones es la forma de almacenamiento energético que se establece. En este estudio se han considerado varias hipótesis de almacenamiento energético exponiéndose sus características y comparándose ventajas, inconvenientes y costes de cada una de las opciones analizadas para obtener una perspectiva global de lo que esta tecnología puede aportar en el desarrollo de la industria residencial. Cuando la legislatura del país lo permite la realización de un balance eléctrico neto se convierte en una de las opciones mas interesantes desde el punto de vista económico debido a la ausencia de un elemento acumulador de energía. El coste de la instalación con funcionamiento mediante balance eléctrico neto es un 19,43 % menor que en el caso de la configuración de almacenamiento mediante acumulador de calor y hasta un 28,97 % menor si la comparamos con la configuración de almacenamiento mediante batería y

148

grupo electrógeno.

• En este estudio se ha considerado analizar el funcionamiento energéticamente autónomo y semiautónomo de este tipo de instalación. Los resultados obtenidos muestran como las instalaciones con funcionamiento semiautónomo son mas beneficiosas en los primeros años debido a su menor coste inicial. Posteriormente se produce un cambio de tendencia en las curvas de funcionamiento autónomo y semiautónomo asemejandose hasta llegar al punto de hacerse mas rentables las instalaciones de funcionamiento autónomo a largo plazo frente al funcionamiento semiautónomo. Este cambio de tendencia depende de la configuración de almacenamiento elegida pero suele observarse a partir de los 10 años.

• El ahorro económico que supone la producción de agua caliente sanitaria eleva los flujos de caja y reduce considerablemente los tiempos de amortización de la inversión. El flujo de caja generado por la producción de agua caliente sanitaria supone un 36,09 % del flujo de caja total de la instalación en su funcionamiento autónomo.

• Uno de los grandes factores que determinan la viabilidad de la aplicación de esta instalación en usos residenciales es el coste de los elementos que la componen. Se han analizado varios escenarios posibles de reducción de coste de las tecnologías establecidas obteniéndose resultados que comprueban como este es uno de los parámetros que afectan de forma mas directa a la amortización y viabilidad de utilización.

• Se han establecido escenarios de operación en los cuales el precio de la electricidad continua su tendencia al alza. Un escenario en el que se presenta un mayor coste de la electricidad hace que los flujos de caja anuales aumenten debido al mayor ahorro económico que proporciona la instalación a la vivienda. El aumento del coste de la electricidad tiene una fuerte relación inversamente proporcional a los periodos de amortización de cada modalidad de almacenamiento energético. Por ejemplo, para el caso de almacenamiento energético mediante acumulador de calor el VAN a los 15 años se incremente desde 354,35 € hasta 5106,6 € si consideramos un escenario de aumento del 5% interanual del precio de la electricidad frente a la consideración de un precio de la electricidad constante

Es conveniente indicar que los resultados obtenidos se dan para el consumo energético medio considerado de una casa en una localización determinada como es España. Las conclusiones y viabilidad económica de la instalación se podrían ver condicionadas en función de un mayor requerimiento energético en condiciones climatológicas mas extremas.

14.2 Conclusiones de instalación de producción de potencia y funcionamiento alternativo como bomba de calor

En el caso de la instalación B se puede aprovechar el calor para hacer funcionar el circuito de refrigerante como bomba de calor invirtiendo el sentido del flujo y sustituyendo la bomba por una válvula de expansión. Esta bomba de calor abastece de la energía necesaria para la climatización domestica de la vivienda mediante radiadores. Tras el análisis de esta instalación se obtienen las siguientes conclusiones:

• Se trata de una instalación con potencial para cubrir las necesidades eléctricas de una residencia. A partir de la energía eléctrica obtenida podemos alimentar electrodomésticos y equipos eléctricos que nos permiten desarrollar nuestra vida diaria. Además se pueden alimentar equipos de climatización que establezcan los niveles de confort adecuados para la habitabilidad de la vivienda en las diferentes estaciones del año.

• Se debe tener en cuenta que la producción energética mediante el funcionamiento en modo bomba de calor puede hacer disminuir considerablemente las estimaciones de consumo eléctrico anual en una vivienda.

149

• El factor mas importante vuelve a ser la forma de almacenamiento energético que se establece. En este estudio se han considerado varias hipótesis de almacenamiento energético exponiéndose sus características y comparándose ventajas, inconvenientes y costes de cada una de las opciones analizadas obteniéndose una perspectiva global de lo que este tipo de instalación puede aportar en el desarrollo de la industria residencial. En esta instalación el coste total varía desde 8763,75 € hasta 11512,65 € entre las configuraciones de balance eléctrico neto y almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno respectivamente.

• La elección de una instalación completamente autónoma o semiautónoma hace variar de forma considerable el coste de la instalación. El coste de la instalación autónoma casi cuadriplica el coste de una instalación semiautónoma pasando de ser 8763,75 € hasta alcanzar solo un valor de 2315,5 € respectivamente.

• El funcionamiento en modo semiautónomo vuelve a ser más rentable en los primeros años de amortización frente al funcionamiento autónomo para irse paulatinamente reduciendo esta diferencia hasta el punto de verse invertida la rentabilidad de la inversión en periodos largos de tiempo. Esta tendencia se hace menos acentuada que en la instalación A debido a los menores flujos de caja obtenidos al no cubrirse en este caso el suministro de agua caliente sanitaria.

• Este tipo de instalación se hace interesante en lugares donde las condiciones climatológicas son mas exigentes con altos requerimientos de demanda energética en forma de calor debido a su funcionamiento alternativo que permite alimentar directamente los radiadores a partir de la energía obtenida en los colectores. De esta forma se consiguen mayor eficiencia energética que si se proporcionara este calor a partir de energía eléctrica.

En esta instalación vuelve a ser muy importante la consideración de distintos escenarios de aplicación para comprobar la tendencia y dependencia de estos parámetros en la viabilidad económica de la inversión. Se han planteado y mostrado los resultados de escenarios de descenso del coste de los elementos e incrementos del coste de la electricidad comprobándose su dependencia directamente e inversamente proporcional respectivamente.

14.3 Conclusiones de generales de la utilización de ciclos de potencia ORC en la producción de energía eléctrica a nivel residencial

El análisis de comportamiento según diversas condiciones de contorno y variables de operación de las instalaciones presentadas permite obtener interesantes conclusiones sobre esta particular forma de producción de energía eléctrica:

• La tecnología de producción de energía mediante ciclo orgánico de Rankine permite la adaptación para uso residencial de ciclos de producción eléctrica que anteriormente quedaban reservados solo a la generación de energía a gran escala

• La utilización del sistema de producción ORC se hace verdaderamente interesante desde reservorios de calor a temperaturas relativamente bajas. En el caso de la instalación A se comienza a producir energía eléctrica a partir de temperaturas en el evaporador superiores a 90 ºC mientras que en la instalación B se consigue producción eficiente de energía desde una temperatura en el evaporador de 85 ºC

• La viabilidad y rentabilidad económica de este tipo de instalaciones está fuertemente vinculada al precio de la energía eléctrica. Consideramos el plazo de amortización el espacio temporal en el que se alcanza un valor nulo del indicador VAN. Por ejemplo, en la instalación A, para una configuración de almacenamiento energético mediante acumulador de calor en el que se supone un precio de la electricidad constante el plazo de amortización es sensiblemente inferior a 15 años mientras que en el escenario de un incremento del coste de la electricidad de un 10 % interanual el periodo de

150

amortización se sitúaligeramente por encima de los 8 años. El descenso en el plazo de amortización es superior al 50 % en la comparación entre los dos escenarios.

• Los elementos necesarios para la aplicación de un ciclo orgánico de Rankine como son la bomba hidráulica, el expansor o los intercambiadores de calor, no presentan complejidad ni implican la investigación específica para el desarrollo actual de esta tecnología. Por tanto este tipo de instalaciones podrían comenzar a desarrollarse desde el punto de vista técnico.

• A pesar de ser una tecnología de producción de energía relativamente novedosa queda demostrado como los desafíos tecnológicos que presenta su implementación a gran escala en uso residencial se pueden solventar desde distintos conceptos de almacenamiento de la energía o uso alternativo de la instalación. En este estudio se han considerado varios modalidades de almacenamiento energético: almacenamiento mediante batería, almacenamiento mediante batería y grupo electrógeno, almacenamiento mediante acumulador de calor y balance eléctrico neto.

Cada una de las modalidades de almacenamiento consideradas presentan ventajas e inconvenientes en la utilización de una instalación de producción de potencia mediante ciclo orgánico de Rankine y en su integración para uso residencial.

• El modo de funcionamiento semiautónomo permite el potencial desarrollo de la tecnología en el corto plazo, debido a la menor inversión inicial y a su menor dependencia de los escenarios futuros de incremento o descenso de precios en comparación con el funcionamiento autónomo.

• Se trata de una difícil tarea seleccionar la mejor entre las diferentes modalidades para el almacenamiento de energía necesaria para el funcionamiento autónomo. La decisión de la modalidad de almacenamiento está fuertemente relacionada con la evolución del coste de los elementos que permiten la utilización de una de las modalidades. En la configuración de almacenamiento de energía mediante acumulador de calor el coste del acumulador supone aproximadamente un 18,2 % del precio total de la instalación.

• Por otro lado el coste de los colectores solares en la modalidad de funcionamiento autónomo de la instalación supone un coste de aproximadamente el 50 % del coste total de la instalación. Este valor representa una fuerte vinculación entre el coste de los colectores y el coste total de la instalación afectando a los plazos de amortización necesarios. Para un escenario de rápido desarrollo de este tipo de instalaciones en su modalidad autónoma es necesario un descenso en el coste de los colectores solares.

• La modalidad de balance eléctrico neto permite una gran versatilidad en el establecimiento de la finalidad y el dimensionamiento de los elementos de la instalación

La tecnología de producción de potencia eléctrica mediante ciclo orgánico de Rankine es una tecnología madura con un alto potencial de desarrollo e integración en el uso residencial que desde el punto de vista del autor debería ser impulsada legislativamente por parte de los estados ya que permite una fuerte desvinculación de la dependencia actual de los limitados combustibles fósiles pudiendo convertirse en un futuro en una forma de producción y consumo habitual en zonas residenciales.

151

REFERENCIAS

Publicacion Winandy et al. 2002b

SustainableEnergyConversionthroughthe use of organicRankineCycles, Liege 2011,SylvainQuoilin

http://www.fao.org/docrep/x5058s/x5058s04.htm

http://www.thermosolar.sk

http://www.bonysol.com

http://www.salvadorescoda.com/tarifas/Agua_Caliente_Sanitaria_Tarifa_PVP_SalvadorEscoda.pdf

http://www.supertiendasolar.es/solaronline/eshop/7-1-GRUPOS-ELECTROGENOS/77-2-DIESEL/5/579-GENERADOR-INSONORIZADO-CON-MOTOR-DIESEL-4-2-kVA-230V-POWERMATE-PMD5000S

https://autosolar.es/cargador-baterias/cargado-de-baterias-12v-10a-victron-phoenix_precio

http://energiasrenovadas.com/ahorro-energetico-en-centros-comerciales/

Fuente:Sustainable Energy Conversion Through the use of Organic Rankine Cycles for Waste Heat Recovery and Solar Applications, Sylvain Quoilin https://autosolar.es/baterias/acumuladores-opzs/baterias-estacionarias-12v/bateria-12v-765ah-transparente-opzs_precio

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