30/08/2007
RESURGIMIENTO DE GRANDES INSTALACIONES TÉRMICO SOLARES
Por Dr. Rolf Meissner
Articulo tomado de la revista: HEIZUNGS JOURNAL 6 JULIO 2007
El Dr. Rolf Meissner ha presentado en diversas publicaciones alemanas dedicadas al clima, confort y calefacción, un artículo bajo el título” Solarthermische Großanlagen im Aufbruch”. Agradecemos a su autor la colaboración en la elaboración de la versión española así como la actualización de la información. Por cortesía de su autor ofrecemos a nuestros lectores la edición en español de este artículo.
Resumen
Desde hace años la calefacción solar está tomando un impulso impresionante. Sin embargo las grandes instalaciones han tenido hasta la fecha una participación poco significativa, si bien en dichas instalaciones se encuentran los potenciales óptimos de aplicación y rentabilidad. Una serie de obstáculos, sobre todo del tipo técnico con mucho peso, han enfriado hasta ahora el interés de los inversores. La empresa PARADIGMA amplió inmediatamente su sistema AQUA, probado con éxito en unas 20.000 instalaciones pequeñas, en el que se emplea tan sólo agua pura en el proceso como portadora de calor en los colectores, en vez de anticongelantes, en instalaciones solares de cualquier tamaño, y a tal efecto ha formado un grupo de proyecto con expertos, que planifica individualmente las grandes instalaciones y lo ofrece como proyecto piloto bajo condiciones especiales (Contacto: sga@paradigma.de). Junto con los socios del sistema PARADIGMA, estos proyectos se encuentran también apoyados por cada planificador de grandes proyectos o instalaciones, que desearían soportar con energía solar sus necesidades de calor en el proceso. Desde su corta existencia, el grupo se ocupa de unos 100 proyectos pilotos, cuyos casi 43.000 m2 de superficie de colectores aseguran las necesidades mediante soluciones técnicas maduradas. También al final del presente artículo se recomiendan directrices actuales resumidas en relación con la calefacción solar, ya que finalmente ha madurado la situación para abrir paso a las grandes instalaciones de energía solar.
Antecedentes
Durante los últimos 30 años la energía térmica solar se ha desarrollado de forma imparable. Es una de las pocas energías “renovables”, que tiene que agradecer este desarrollo, algo menos que la energía eólica y fotovoltaica, no sólo al apoyo político y al patrocinio público, sino a las condiciones económicas límites en cambio permanente debido a los crecientes precios de la energía. Los períodos de amortización de 5 años y los tiempos energéticos de amortización de un año ya no son también una excepción sin el impulso estatal para las instalaciones sencillas térmico solares. El desarrollo térmico solar ha tenido lugar a nivel mundial, sin embargo sólo allí donde la energía es muy costosa. Sólo así es comprensible que países completamente diferentes, como Chipre, Israel, Grecia, Austria, Turquía, Australia, Alemania y China, se repartan los puestos de liderazgo en cuanto a superficies instaladas de colectores por habitante, mientras que por ejemplo Estados Unidos, la Comunidad de Estados Independientes (12 de las antiguas repúblicas soviéticas) o todos los países poseedores de gas natural y petróleo del Tercer Mundo constituyan la cola. Alemania estuvo en este proceso desde el comienzo en cabeza, y por ello en la actualidad se encuentra cualitativamente en la cúspide mundial y cuantitativamente muy por delante del resto.
Oportunidades y Obstáculos para las Grandes Instalaciones Solares
Hasta ahora la energía térmica solar se limitaba exclusivamente a pequeñas instalaciones, de iniciativa privada y financiadas por particulares, hasta unos 10 kW de máxima potencia térmica. Era chocante que sólo se realizaran raras veces grandes instalaciones térmico solares, y que las instalaciones piloto, las cuales estuvieron configuradas fuera del mercado con apoyo exagerado, proporcionaran escasos buenos ejemplos. Por lo tanto, han de tener tendencia a subir las oportunidades para mejorar la rentabilidad y la eficiencia de las instalaciones solares con sus magnitudes, para lo cual se tratan de algunas hipótesis plausibles:
- Con las grandes instalaciones se reducen las pérdidas específicas de calor (por metro cuadrado de colector);
- El perfil de consumo se optimizará gracias a la media estadística de las necesidades;
- Bajan los costes específicos para la adquisición de la tecnología de las instalaciones;
- Los costes específicos de instalación y mantenimiento son más reducidos;
- La necesidad específica de superficie es menor (Superficie útil para la técnica doméstica por kilowatio de calor solar). Cuando todo esto no se da en las grandes instalaciones solares realizadas, sólo pueden entrar en juego errores muy graves. ¿Por qué razón sólo se ha logrado rara vez desde el comienzo obtener correctamente estos potenciales, y por qué la industria apenas se ha interesado por el calor solar?
- Los períodos de tiempo para amortización se encuentran en el marco económico como máximo en 4 años, y los períodos de amortización de las instalaciones solares pretenciosas comienzan siempre casi a los 8 años. Por ello se dará por sentado normalmente que las buenas instalaciones solares funcionan casi sin mantenimiento, y al igual que las centrales hidráulicas pueden ser extremadamente rentables durante mucho tiempo tras un período de amortización más largo, ya que suministran energía prácticamente sin coste tras el plazo de amortización.
- Hasta ahora no existen estándares de soluciones para la utilización del calor solar en la industria, como ocurre en las instalaciones de preparación de agua caliente, soporte para calefacción de espacios y piscinas. El mercado aún reducido lleva a soluciones individuales muy costosas.
Cabría mencionar como otros motivos, los siguientes:
- Ausencia de motivación en los directores de obras (mucho tiempo también sin financiación alguna),
- Derecho de alquiler y de propiedad de vivienda (aportes económicos para modernización, costes suplementarios,...),
- Pésimas condiciones arquitectónicas límite en construcciones antiguas,
- Planteamiento restrictivo de prioridades por parte de los directores de obra y arquitectos en el caso de obra nueva,
- Inseguridades y desconocimiento por parte de los proyectistas y en el oficio,
- Problemas estructurales en la planificación y organización de grandes obras.
También el aspecto tecnológico trajo obstáculos muy serios:
- Las temperaturas requeridas en las aplicaciones de calor de procesos como mínimo de 90ºC no pueden producirse o no de una forma razonable por parte casi del 90% de los colectores planos predominantes en Europa. Por consiguiente apenas es posible la preparación de agua caliente con apoyo de calefacción en invierno.
- Las instalaciones se encuentran expuestas de forma extrema a los vientos. Con el fin de prevenir daños por heladas, debían instalarse hasta ahora mezclas de agua-glicol contra heladas como portadoras del calor. Éstas son caras, térmicamente inestables y por consiguiente no duraderas arbitrariamente, complican el llenado, la ventilación y el vaciado de las instalaciones, precisan de una mantenimiento regular, se han de sustituir cada 3 o 10 años según la carga térmica, y se han de eliminar conforme a la reglamentación vigente. Las dificultades con los medios de protección contra heladas crecen con el tamaño de la instalación solar.
- Aparte de los aceites térmicos, que conllevan costes anejos, los convencionales medios anticongelantes hierven según la presión de las instalaciones, como el agua entre 100ºC y aproximadamente 140ºC. Necesariamente esta situación ha de evitarse ya que sólo hierve el agua y se destilará. Pero la ebullición es inevitable, en cuanto no se capte calor de la instalación solar. Por eso en las instalaciones térmicas de los procesos siempre deben hacerse cálculos sobrados y en las instalaciones de calefacción como mínimo en verano. En ese caso las temperaturas para los modernos colectores planos suben hasta por encima de 200ºC, y en el caso de colectores tubulares por encima de 300ºC. El medio anticongelante existente en los colectores sufre él mismo los daños y puede perjudicar también la capacidad funcional de los componentes instalados por sus productos de desintegración, hasta el completo deterioro de la instalación.
Estos problemas son controlables aún hasta cierto punto en pequeñas instalaciones solares mediante un revestimiento protector y un par de trucos disipadores de calor. Además, en ellas las inversiones en una instalación individual se dominan y el riesgo es calculable. Pero cuando realmente se trata de grandes instalaciones solares térmicas, tanto los potenciales inversores como los fabricantes se asustan ante estas dificultades. O se construye un acumulador tan grande que jamás puede ni siquiera aproximarse la temperatura del colector a la temperatura de ebullición. Tales instalaciones pueden alcanzar por ejemplo al final de un buen verano escasamente los 60ºC, y al principio de Octubre ya están prácticamente vacías de nuevo. Los costes de fabricación del acumulador son tan elevados como los de todo el campo de colectores, y los impresionantes trabajos de infraestructura y el transporte para la instalación de tales acumuladores acortan no solamente la amortización energética, ya de por si justa.
Nuevos caminos sin complicaciones técnicas
La Empresa PARADIGMA de Baden-Württemberg, sobradamente conocida como pionera en el campo de la energía solar por la introducción de estándares técnicos siempre nuevos y revolucionarios y de la moderna tecnología de sistemas, conoce muy bien los problemas de la energía solar térmica y ahora abre un nuevo capítulo. A finales del año 2006 se creó un Grupo de Proyecto, que aplicará todo el conocimiento de PARADIGMA acerca de la técnica solar y de sistemas para la transformación de las grandes instalaciones solares con el agua como portadora exclusiva del calor. Este paso se realiza a su debido tiempo y como resultado de un largo proceso experimental.
Foto edificio de PARADIGMA Büro-Kühlung und –Heizung, 106 m2, desde 2006
[Foto: Museo en Waldenbuch, 212 m2, desde 2005]
PARADIGMA comenzó en 1994 a implantar sistemas estándar perfeccionados para grandes instalaciones solares con colectores planos de alta calidad, estaciones solares con bajo caudal, acumuladores nodriza, acumuladores por estratos de alta calidad y con una regulación modular integrando todos los componentes. Desde 1994 hasta la fecha se construyeron de esta forma más bien a propósito más de 1500 grandes instalaciones solares nada espectaculares, pues entretanto el objetivo principal de PARADIGMA estaba enfocado siempre a vivienda unifamiliar o de dos familias.
A comienzos de 1997, PARADIGMA forzó paulatinamente la implantación del colector tubular CPC. Esto dió sus resultados no sólo para las grandes instalaciones solares, sino que fundamentalmente
- las superficies de los colectores a iguales rendimientos anuales podían ser una tercera parte más pequeñas, y
- ahora en cada época del año se llegarían a alcanzar temperaturas hsata de 100ºC sin una disminución importante del rendimiento.
En el año 2006 PARADIGMA ha sacado de su programa el colector plano acreditado durante muchos años. La era del colector plano en PARADIGMA se sustituyó por el AquaSystem, nuevo desarrollo introducido en el año 2004, que funciona sólo en combinación con los colectores CPC de máxima eficiencia. Para ello se utiliza agua pura como portadora del calor. La instalación responde del anticongelante fundamentalmente con el calor a baja temperatura, además no útil, por su propia capacidad térmica. El dominio de esta técnica tiene las siguientes ventajas:
- La instalación solar trabaja como una caldera suplementaria, que cede el calor del colector directamente al agua caliente y la prepara igualmente a nivel de temperatura seleccionable opcionalmente.
- Son superfluos el intercambiador de calor solar y el anticongelante. Esto reduce enormemente los costes. En las instalaciones solares con acumuladores nodriza huelgan también las cuestiones complicadas, cómo puede introducirse lo mejor posible el calor solar desde arriba en el acumulador, ya que ahora sucede sin esfuerzo desde el mismo.
- Ya no hay problema de calentamiento, el estado de reposo de la instalación solar no es más duradero que en estado crítico, sino uno completamente normal. Por eso es posible una ganancia de calor en el proceso hasta 170ºC, el estado en caliente a partir del estado de reposo del colector, así como la producción activa de vapor se convertirán en temas interesantes y realistas de investigación.
- Toda la compleja problemática físico-química de una mezcla anticongelante de 2 o de varias fases respecto a los procesos presentes, tales como corrosión, estabilidad del valor del pH, desgasificación, descomposición térmica, sedimentación, transmisión de calor, comportamiento a la fluidez, reversibilidad y respectivamente envejecimiento, quedan sobre la mesa.
- Ante todo, el comienzo de los años 90 de PARADIGMA fue excelente por una buena razón, a causa de la regulación del volumen de energía de las bombas solares introducida en el mercado, ni incluso contra la producción. Ya que prácticamente cada temperatura teórica es alcanzable casi en todo momento sin merma dramática del rendimiento y las temperaturas elevadas para el colector ya no son perjudiciales, con el denominado „Principio del cubo“, esto es la conexión de la bomba solar en primer lugar para una temperatura teórica tanto tiempo hasta que se enfríe el campo de colectores (cubo vaciado), puede ahorrarse durante un año aproximadamente el 50% del tiempo activo de funcionamiento de la bomba y alcanzarse una relevante estratificación en el acumulador. Por ello ya no se emplearán más salidas electrónicas caras de potencia tipo Triac, y a través de relés de conmutación son gobernables las diversas potencias de las bombas y resultan favorables en cuanto costes. A base de estos tiempos más cortos de funcionamiento de las bombas y a la menor necesidad en cuanto a trabajo mecánico, ya que el anticongelante es más viscoso que el agua, así como debido a las pérdidas de calor extremadamente bajas de los colectores tubulares, se ahorra aún claramente energía, si bien en heladas el calentamiento de los colectores desde los acumuladores es totalmente insignificante.
- Los amplios controles funcionales del regulador abarcan los campos hidráulicos y otros, y envían mensajes mediante una señal de alarma óptica y acústica. Los conocimientos subyacentes de expertos garantizan un funcionamiento óptimo así como también las características de funcionamiento de emergencia en el caso de perturbaciones emergentes, tales como por ejemplo en el caso de desconexión de las sondas térmicas. También se detectan las circulaciones dificultosas que surgen por la noche y se tratan de resolver con el fin de que se mantenga el calor en el acumulador.
A principios del año 2004, se introdujo en el mercado el „Aqua-Prinzip“ de PARADIGMA, y a partir de ese momento inició su ascensión triunfal. Mientras tanto se rellenaron con agua más del 90% de todas las nuevas instalaciones de PARADIGMA, en total hasta la fecha aproximadamente 20.000. En tres inviernos descendió la temperatura del colector en menos del 0,5% de las instalaciones por bajo de 0ºC, dando lugar a una perturbación. En la mayoría de los casos, las causas radicabn en fallos hidráulicos evitables y en fallos técnicos funcionales en instalaciones, la mayoría de las veces en instalaciones antes de la puesta en marcha, pero que en muy pocos casos originaron daños graves. Como en el Grossraum Münster, debido a una helada de 3 días cayó la corriente, y se vieron afectadas aproximadamente 60 instalaciones y sin excepción resistieron esta situación sin problemas. Desde el 2006 la configuración de los colectores tubulares de vacío CPC de PARADIGMA, con un registro de acero inoxidable resistente al reventón, aumentan adicionalmente la seguridad pasiva. Tras una cuidadosa observación de todas las instalaciones pequeñas, desde el 2005 se reestructuraron con éxito algunas grandes instalaciones ya existentes al agua, entre otras la urbanización de casas pasivas en Karlsbad.
[Fotografía: Instalación de casa pasiva en Karlsbad, desde el año 2003, Restructuración con SGA Aqua en 2005]
El Grupo de Proyecto para grandes instalaciones solares (SGA) elabora ahora los estándares, programas informáticos y dessarrollos de proyecto y planea grades instalaciones solares piloto, seguras y sin anticongelante de acuerdo con los conocimientos más actuales. Desde que se hizo cargo de su actividad ha elaborado en total unos 43.000 m2 de superficie de colectores. En breve, PARADIGMA puede ofrecer un sistema de soluciones a medida para viviendas multifamliares y grandes proyectos, como hoteles, hospitales, cuarteles, etc., pero también a la industria que tenga competencias en el sector, como para viviendas unifamilaires y de dos familias. Este Grupo de Proyecto da soporte para instalaciones solares a partir de un tamaño de 30 m2 no sólo a los socios de sistemas de PARADIGMA, sino a todos los interesades, como planificadores de grandes proyectos o también a servicios, que desearían tener soporte para su necesidad de calor en el proceso. En primer lugar el Grupo de Proyecto comprueba el proyecto de construcción en cuanto a idoneidad, hace un dimensionado previo a grosso modo, y ofrece toda la instalación solar como proyecto piloto bajo condiciones especiales, y proporciona un pronóstico de rendimiento y una estimación de la rentabilidad como soporte.
Cuando llegue a realizarse la instalación solar, el Grupo de Proyecto trabaja en estrecha colaboración con los planificadores locales del proyecto, y asume una gran parte de la responsabilidad. A la responsabilidad de la planificación pertenecen por ejemplo el conexionado completo de los colectores, todas las secciones de tuberías, la calorifugación, la selección de la bomba solar, el dispositivo de dilatación y la regulación. El acumulador nodriza es el punto clave de planificación en instalaciones para el calor del proceso o la refrigeración solar. En instalaciones para la preparación de agua caliente y control de la calefacción se adopta también la disposición del acumulador necesario de agua caliente.
Hasta la fecha ya se han puesto en servicio o se encuentran en fase de montaje 28 de un total de unas 100 planificadas SGA AQUA (5400 m2 de superficie de colectores respectivamente), 17 instalaciones se encuentran justo antes de la transforamción, y aproximadamente otras 10 instalaciones antiguas se transformaron de anticongelante a agua.
[Figura: Esquema del ejemplo para preparación de calor solar fraccionado para un proceso]
Posibilidades de subvención en Alemania, situación Abril 2007
Desde Abril 2007 se han mejorado considerablemente las directrices de subvención para las SGA. Las SGA son aptas para subvención bien por el BAFA (Oficina Federal de Economía y Control de Exportación, www.bafa.de) o por el KfW (Organismo Federal para suministro dependiente de Economía). La limitación viene impuesta por las dimensiones de la instalación. Por parte del BAFA se subvencionaron instalaciones cuyas superficie bruta de colectores alcanzaba hasta 40m2. El KfW subvencionó instalaciones con una superficie bruta de colectores por encima de 40m2. Las SGA con una superficie bruta de colectores entre 20 y 40 m2 pueden contar bien con la subvención básico, o con un bono por innovación, hasta tanto se cumplan requisitos adicionales.
La subvención básica para instalaciones de preparación de agua caliente hasta 40m2 es de 60 €/m², sin embargo mínimo 412,50 €. Para la preparación combinada de agua caliente y soporte para calefacción, para la preparación de calor de procesos y para refrigeración solar hasta 40m2, la subvención básica asciende a 105 €/m².
El bono por innovación pueden ascender hasta el doble de la subvención básica para grandes instalaciones térmico solares en edificios de viviendas con tres viviendas como mínimo, o para edificios no destinados a viviendas con 500 metros cuadrados como mínimo de superficie útil. Se puede conceder hasta un tercio por encima de la subvención básica para las SGA destinadas a la preparación de calor de procesos o refrigeración solar. A una SGA del Tipo AQUA siempre se puede aplicar el bono de innovación, ya que se aleja mucho del estado convencional de la técnica. El supuesto de subvención para el bono por inversión es que no se hubiese cerrado ningún contrato de suministro y de producción antes de la propuesta de oferta. De lo contrario puede efectuarse la subvención como máximo dentro del marco de la subvención básica. Lo mismo vale para las SGA destinadas a la preparación de calor de procesos y para la generación solar de frío.
La subvención vía KfW consiste en créditos a interés muy favorable y ayudas a las amortizaciones hasta el 30% de los costes de inversión.
Son posibles subvenciones especiales para las SGA a partir de 100 m2. Se han de solicitar en FZ Jülich
Se subvencionarán la planificación, el montaje y la prueba de las instalaciones piloto y de demostración así como la investigación requerida. Dentro del marco de la investigación requerida podrán subvencionarse en caso de necesidad y utilidad reconocibles, además de las finalidades técnicas:
- Instrumentos relativos a la contratación de energía
- Tramitación de los problemas legales
- Desarrollo de los medios de decisión para la inversión, asi como
- Intermediación de resultados con los participantes
La subvención del proyecto se lleva a cabo vía la subvención por concesión personal en forma de un subsidio no reembolsable. Está garantizada dentro del marco de los medios presupuestarios disponibles. No hay título legal al respecto. La magnitud de los medios de susbvención está limitada a las propuestas piloto y de demostración, y asciende en la práctica al 30-50º% para las instalaciones solares. En algún caso en concreto puede ser superior. La tecnología de mediciones, datos y señalización se finaciará al 100%, con lo que la cuota de subvención resultante concedida del subsidio para instalación solar y técnica de medición en la práctica no debe exceder al 50%.
NRW (www.progres.nrw.de) promete una subvención muy interesante de grandes instalaciones solares hasta con 300 €/m² para la explotación del calor en procesos con colectores tubulares de vacío y hasta con 200 €/m² para instalaciones de agua caliente y de calefacción.
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