Evaluación de un sistema de energía solar térmica para suministro de agua caliente en industrias cárnicas

El desarrollo sostenible, el acceso universal a la energía barata y limpia y la seguridad energética, son claves para la prosperidad y para alcanzar la igualdad en el planeta. El objetivo fijado por el Plan de Energías Renovables 2011-2020 de obtener el 20% de la energía de procedencia renovable no se está cumpliendo en España, a pesar de disponer de recursos renovables con un elevado potencial, como la energía solar. Dentro del sector agroalimentario, las industrias cárnicas presentan una alta producción y son un tejido productivo importante en este país. En este tipo de industrias, el agua caliente empleada en el proceso productivo es un aspecto clave para operaciones de limpieza, cocción, etc., implicando un gran consumo energético. La demanda de agua caliente no es muy estacional, lo que a priori le hace buena candidata para la instalación de sistemas solares térmicos (SST). No obstante, la implantación de estos sistemas es escasa en el sector, debido a que la demanda de agua caliente es muy variable en temperatura y horarios, requiriéndose por lo general temperaturas más elevadas que en el suministro de agua caliente sanitaria. Esta tesis pretende contribuir al fomento y utilización de las energías renovables en el sector agroindustrial a través del estudio de los SST con captadores de tubos de vacío para suministrar parte de la demanda de agua caliente en las industrias cárnicas. Para ello se han establecido patrones de demanda típicos de las industrias (temperatura y volúmenes demandados y horarios en los que se requieren); a través de una instalación experimental se ha caracterizado el potencial de producción de este tipo de sistemas solares a lo largo del año; se ha cuantificado la energía útil que el sistema solar es capaz de suministrar a lo largo del año, en diferentes industrias y escenarios; finalmente se ha determinado la rentabilidad del sistema solar como sistema complementario de suministro en 3600 casos distintos. Los estudios arrojan resultados optimistas para la implantación de estos sistemas. En ciudades con niveles de irradiación por encima de 1.700 kWh/año (Madrid, Barcelona, Sevilla y Murcia) la energía anual suministrada por un SST optimizado varía entre el 29% y el 73% del total de la energía necesaria; el gasto energético anual se reduce entre un 25% y 68%. En estos casos todos los indicadores de rentabilidad son positivos, con payback entre 8 y 19 años en función del tipo de instalación de suministro energético complementario y de las características concretas de la demanda de la industria. Por el contrario, en ciudades con bajos niveles de irradiación, como La Coruña y Bilbao, la energía obtenida es mucho menor, aumentando el payback en los escenarios en los que la instalación es rentable. En muchos casos, la inversión no sería recomendable, lo cual pone de manifiesto que la rentabilidad energética está en función de la cantidad demandada, del sistema de suministro complementario y de la localización. Claramente todos los índices de rentabilidad hacen mucho más rentable la sustitución de energía eléctrica que del petróleo. La causa principal es la diferencia de coste energético entre ambas. Bajo los escenarios planteados se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad, cuantificando los umbrales de rentabilidad ante la variación de los parámetros definidos; en concreto: cambios en el coste de la inversión, coste energético, vida útil de la instalación y tasa de actualización. Por ejemplo, este análisis permite cuantificar la rentabilidad si la vida útil se incrementase o se redujese, si el precio de la inversión disponible fuese diferente, etc. aportando información adicional de gran valor para la toma de decisiones del sector. Los resultados de esta tesis pueden ser de gran utilidad para incrementar la implantación de estos sistemas en las industrias cárnicas, con el fin de lograr un sector agroindustrial más sostenible y competitivo. ----------ABSTRACT---------- The sustainable development, the economic, clean and universal energy access and the safety energy, are the keys to get the planet equality and the prosperity. The objective set by the Plan of Renewable energies 2011-2020, was to obtain the 20% of the energy from renewable, and Spain is not meeting the goal, in spite of having the renewable and high energy solar potential. Focused on the food and agricultural sector, the meat industries have a high production rate, therefore are an important sector industry in this country. The heat water used in these kind of industries used in the productive process is the key in cleaning process, boiling… that uses a high energy consumption. The demand of warm water is not very seasonal, this is why it is an interesting kind of industry where install these Solar Thermal Systems. Nevertheless, the number of installations is limited, because of the hourly variability and different temperatures needed. The rate of temperatures in food industry is higher than the one used in sanitary water. This dissertation pretends to contribute to the promotion and utilization of renewable energies in the agro-industrial sector across the study of SST, using vacuum tube collectors to supply part of the demand in the meat industries. To make it, demand heat water standards have been taken in some industries (Volume and temperature water demand and the timing when is required) installing an experimental prototype, the potential energy production has been defined in these kind of solar systems, over the year. The useful energy the solar system can produce, has been calculated during the year, in different industries and stages. Finally, the profitability has been determined, having the solar system as a complementary to the current energy system. There have been calculated 3600 scenarios. The results are optimistic to install these kind of solar systems. Cities which have a high irradiation level over 1.700kWh/year (Madrid, Barcelona, Seville & Murcia) obtain energy form the SST improved between 29% and 73% from the total of the energy demand. The annual energetic spend is reduced between the 25% and 68%. These indexes of profitability are positive, including the payback from 8 to 19 years, depending on the kind of complementary energy system and the concrete characteristics of the water demanded in the industry. On the other hand, cities that have low irradiation level like La Coruña & Bilbao, the energy obtained is lower, growing the payback in the suppositions that the installation is profitable. Some cases, the investment is not recommendable, that means how important is the situation and the complementary system used in the installation. Clearly all profitability rates show that swag the electricity energy is more rentable than swag petrol energy. The main reason is the different energy price between both. Under the baseline scenarios, a sensitivity analysis has been carried out, determining the threshold of profitability with changes in defined parameters; specifically: change in investment cost, energy prices, useful life of the installation and discount rate. As an example, this analysis allows quantify the profitability in case the useful life is increased or reduced, if the available investment price was different… this study can provide high qualified additional information which allow the investors to take the decision. The results of this dissertation could be used to increase the number of solar system installation in meat industries, whose goal is get an agro-industrial sector more sustainable and competitive.