Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química Lección 10. Procesos en ingeniería química con energía solar térmica.

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1 Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química Lección 10. Procesos en ingeniería química con energía solar térmica Mariano Alarcón García 2007

2 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica2 1. Calor solar para procesos industriales 2. Desalación del agua de mar 3. Desinfección del agua 4. Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua 5. Ensayos de materiales: horno solar

3 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica3 Bibliografía H. Schweiger et al.,The potential of solar heat in industrial processes (POSHIP). A state of the art review for Spain and Portugal. EuroSun 2000, Copenhagen (Denmark), June 2000. J. Blanco, Desarrollo tecnológico y aplicaciones de la energía solar para el tratamiento de agua. Murcia, Energías Renovables. Presente y Futuro, 2002.

4 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica4 10.1 Calor solar para procesos industriales Introducción Se dan condiciones favorables para la aplicación del calor solar en la industria  Demanda continua de calor o frío  Durante las horas de insolación  A lo largo de gran parte del año La industria química requiere importantes necesidades de energía térmica (calor) a diferentes temperaturas.  Procesos a temperaturas bajas y medias  Bajas (< 60º C)  colector plano convencional  Medias (60º - 150º C)  colector de vacío/concentración  Media-Alta (150º-250ºC)  colector de concentración Según IDAE el sector químico es uno de los principales sectores a los que es potencialmente aplicable el calor solar.

5 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica5 10.1 Calor solar para procesos industriales (2) Ejemplos de aplicación Algunos ejemplos con potencial favorable para la aplicación del calor solar  Conservas alimentarias  Esterilización (110-125º C)  Pasteurización ( <80º C)  Cocción ( 70-98º C)  Escaldado ( <100º C)  Decolorado (<90ºC)  Calentamiento agua proceso (vapor saturado a 165-180ºC)  Pasta y papel  Calentamiento pasta (170-180º C)  Agua alimentación calderas ( <90º C)  Blanqueado ( 130-150º C)  Secado ( 130-160º C)  Cerveza y malta  Cocción del mosto (100º C)  Refrigeración ( 90º C)  Lavado envases ( 60º C)  Secado ( 60º C)  Industria láctea  Pasteurización (62-85º C)  Esterilización (130-150º C)  Secado ( 60º C)

6 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica6 10.1 Calor solar para procesos industriales (3) Acoplamiento de sistema solar y sistema convencional de suministro de calor El sistema solar puede trabajar en serie o paralelo con el sistema convencional Generador convencional

7 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica7 10.1 Calor solar para procesos industriales (4) Tecnología de colectores: 1.) Colectores estacionarios Colectores planos superficies altamente selectivas (TiNOX, Sunselect etc.) Colectores de tubo de vacío C. de tubo de vacío fabricados en vidrio Tubo de vacío con CPC Colectores planos evacuados Colectores CPC Colectores con barreras anti-convectivas Folios de Teflón Aislamiento Transparente

8 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica8 10.1 Calor solar para procesos industriales (5) Tecnología de colectores: 2.) Colectores cilindro-parabólicos Colectores cilindro-parabólicos comerciales: IST (EE.UU.) LS-3 (SOLEL, Israel) Desarrollos recientes Colector concentrador pequeño con cubierta de vidrio (SOLEL) Proyecto Eurotrough (Synthesis Solar, Alemania) Fix-focus (Concentrador segmentado, DLR, Alemania) Generación directa de vapor (Project DISS, PSA + DLR)

9 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica9 10.1 Calor solar para procesos industriales (6) Tecnología de colectores: 3.) Rendimiento y coste 10.1 Calor solar para procesos industriales (6) Tecnología de colectores: 3.) Rendimiento y coste Rendimiento respecto superficie bruta del colector

10 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica10 10.1 Calor solar para procesos industriales Captación 300 – 850 kWh/m 2 /a  (sistemas de baja temperatura hasta 1100 kWh/m 2 /a) Aporte solar anual (calor útil)

11 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica11 10.1 Calor solar para procesos industriales (7) Aplicación a maltería Combinación de tecnologías en maltería: energía solar y recuperación de calor

12 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica12 10.1 Calor solar para procesos industriales (8) Análisis económico: costes energéticos Costes de instalación: 200 – 300 €/m 2 Precios de energía solar (calor útil en el proceso): Comparación gas natural / fuel oil: Aprox. 3 c€/kWh calor útil Importante potencial de aplicación, del orden del 3,5% de la demanda total de calor en la industria. 2 - 52 - 3 Con subvención: 50 % del coste de instalación 4 - 93 - 5Sin subvención Media temperatura 60 – 150 ºC Baja temperatura < 60 ºC

13 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica13 10.1 Calor solar para procesos industriales (8) Resultados proyecto POSHIP 1) Potencial de aplicación enorme: mayor que la capacidad de producción de la industria solar y que el presupuesto disponible de programas de ayudas. 2) Costes de energía solar: 3 a 10 c€/kWh para sistemas viables. - Hasta 50 % menor que sistemas solares de ACS domesticas 3)Los proyectos “mejores” tienen un pay-back (sin subvención) de 10 años, proyectos normales “buenos” están cercanos a 15 años. 4)Futuro cercano: Posible reducción de costes por producción a gran escala.

14 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica14 10.2 Desalación de agua del mar Procesos básicos de desalación Utilización de energía mecánica (técnicas de membrana): ósmosis inversa (RO) y compresión mecánica de vapor (MVC) Utilización de energía térmica (técnicas de evaporación): destilación multi-efecto (MED) multi- etapas flash (MSF) y solar stills Utilización de electricidad: electrodiálisis (ED) Costes de producción actual de desalación de agua de mar:  Osmosis inversa: 0,85 – 0.95 €/m3  MSF: 0.95 – 1.15 €/m3  MED: 0.95 – 1.15 €/m3  MED acoplada con energía solar: 2.25 – 2.35 €/m3

15 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica15 10.2 Desalación de agua del mar Desalación multiefecto: esquema básico Desalación multiefecto o M.E.D. (Multi Effect Distillation) Realiza la desalación mediante sucesivas evaporaciones y condensaciones realizadas en cascada, lo que permite aumentar el rendimiento térmico total Muy adecuadas para elevados volúmenes de producción. Una instalación solar MED se compone fundamentalmente de:  Campo de colectores solares  Sistema de almacenamiento  Planta desalinizadora

16 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica16 10.2 Desalación de agua del mar Desalación multiefecto: planta multietapa La desalinización se logra en etapas sucesivas. Los condensados precalientan el agua de mar. Se crea un vacío parcial para mejorar la evaporación. Los colectores deben ser capaces de calentar el fluido al menos a 80-90ºC. En zonas donde la insolación directa anual es de 2 MWh/m 2, los colectores cilindro parabólicos constituyen la solución más efectiva.

17 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica17 10.2 Desalación de agua del mar Desalación multiefecto: planta en PSA En la PSA se ha optimizado una planta MED multietapa. Una bomba de calor de absorción H 2 O-BrLi de doble efecto trabaja acoplada a la primera etapa y al condensador final de la planta y aprovecha la energía térmica del condensador a través del agua de refrigeración, reduciendo el consumo energético en más de un 50%. Vacío por eyectores de vapor El coste del destilado es de unos 1,8 €/m 3

18 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica18 10.3 Desinfección de agua con luz solar La contaminación microbiana del agua potable es un problema muy importante en muchas zonas del mundo  vehículo de transmisión de enfermedades como el tifus y el cólera La utilización de energía solar como alternativa a la cloración puede ser viable en zonas con un alto grado de radiación solar  viabilidad técnica probada  la tecnología para alimentar estos procesos aún no está desarrollada  investigación y desarrollo para realizar sistemas que puedan ser aplicados de forma práctica

19 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica19 10.3 Desinfección de agua con luz solar La inactivación fotocatalitica solar de bacterias (Eschericia coli, Bacillus pumilus), esporas de Clostridium perfringerns, y virus han sido investigados con éxito utilizando catalizadores semi- conductores en polvo, como el TiO2. Esta sustancia, suspendida en agua o en matriz adecuada, radiada con UV cercana (λ<385 nm) genera radicales de hidroxilo libres (OH), altamente toxicos para los microorganismos

20 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica20 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua Procesos de Oxidación Avanzada (AOP) Se trata de corregir la contaminación de agua con sustancias peligrosas no biodegradables  Sustancias Peligrosas Prioritarias, PHS (Decisión Nº 2455/2001/EC) como  plaguicidas  metales pesados  hidrocarburos  hidrocarburos clorados, etc. disueltos en agua cuyo origen es generalmente aguas residuales industriales con PHS en baja-media concentración (<500 mg/L). Los productos más problemáticos son los bio-recalcitrantes (no biodegradables). Los costes de operación de los AOPs para la oxidación total de compuestos orgánicos peligrosos son relativamente altos

21 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica21 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua Procesos de Oxidación Avanzada (AOP) Todos los AOPs están caracterizados por la producción de radicales de OH (OH). Estos radicales son especies muy reactivas (potencial de oxidación 2.8 V) Están caracterizados por una pequeña selectividad de ataque, que es un atributo útil para un oxidante utilizado en problemas de polución.

22 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica22 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua Procesos Fotocatalíticos basados en el uso de la luz solar La mineralización de contaminantes disueltos, tanto en agua como en gas (aire), mediante el proceso denominado Detoxificación Solar se basa en el uso de la interacción entre la radiación solar ultravioleta y las partículas de un semiconductor (normalmente el dióxido de titanio -TiO2-, producto no tóxico, abundante y barato), mediante una reacción de fotocatálisis. Elevado potencial de aplicación en la destrucción industrial de compuestos orgánicos tóxicos presentes en agua

23 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica23 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua Procesos Fotocatalíticos basados en el uso de la luz solar (2) El proceso consiste en la utilización la radiación del ultravioleta cercano ( < 400 nm -- la más energética del espectro solar) para producir una reacción de oxidación muy enérgica que tiene lugar cuando dicha radiación UV activa un semiconductor en presencia de oxígeno. Los radicales hidroxilo (OH - ) generados atacan cualquier sustancia orgánica que se encuentre en el medio, dando lugar a una progresiva ruptura de enlaces hasta concluir en compuestos como el dióxido de carbono, agua y simples ácidos inorgánicos diluidos (ver proceso de desinfección solar). El proceso es capaz de eliminar los contaminantes presentes en un determinado medio y no de transferirlos a otro, como hacen procedimientos como el el “air-stripping” o absorción en carbón activo.

24 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica24 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua 10.4 Eliminación de contaminantes industriales peligrosos en el agua Procesos Fotocatalíticos basados en el uso de la luz solar (3) Prometedores resultados obtenidos en investigación unidos a una serie de ventajas :  Destruye sustancias tóxicas hasta compuestos inocuos.  Destruye prácticamente cualquier tipo de sustancias orgánicas, incluidas mezclas complejas, como dioxinas, PCBs, disolventes, pesticidas, etc.  La reacción también funciona en el caso de metales pesados, reduciendo sustancialmente su toxicidad.  Las sustancias contaminantes son eliminadas en un único proceso sin necesidad de ser extraídas del medio en el que se encuentran disueltas. El proceso tiene lugar a temperatura ambiente, usando además una energía procedente de una fuente limpia, abundante, ecológica, barata e inagotable como es el sol. Puede realizarse en combinación o de forma complementaria con cualquier otra técnica de tratamiento (p.e. biológico)

25 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica25 10.6 Ensayo en investigación en materiales: horno solar Los hornos solares son concentradores de muy alta temperatura. Están formados conjuntos de reflectores planos, parabólicos o lentes construidos con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y poder alcanzar niveles altos de temperatura. El límite de temperatura que puede obtenerse con un horno solares del orden de 6000 ºC. Las propiedades ópticas del sistema limitan la temperatura máxima disponible; en estudios experimentales se ha alcanzado temperaturas superiores a 4000 ºC. Idóneos para investigaciones que requieren altas temperaturas en entornos libres de contaminantes, en atmósferas controladas o en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo. Su campo de aplicación comprende principalmente los  ensayos de materiales, tanto en condiciones ambientales como en atmósferas controladas o vacío, y  experimentos de química solar mediante receptores asociados a reactores químicos.

26 Procesos en ingeniería química con energía solar térmica26 10.6 Ensayos de materiales: horno solar Horno solar en la Plataforma Solar de Almería El disco concentrador concentra la luz incidente proveniente del helióstato, multiplicando la energía radiante en la zona focal. Está compuesto por 98,5 m2 de facetas esféricas con un 92% de reflectividad. La superficie parabólica se consigue con el uso de las facetas de curvatura esférica, distribuidas según cinco radios de curvatura distintos según su distancia al foco. El atenuador consiste en un conjunto de lamas horizontales queregulan la entrada de luz solar incidente en el concentrador. Características del foco para el 100% de apertura y una radiación solar de 1000 W/m 2 :  Pico de flujo: 3000 kW/m 2  potencia total: 58 kW  diámetro del foco: 23 cm