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Introducción
La energía eléctrica consumida para climatización representa un elevado porcentaje de la demanda [1], sobre todo en el sector turístico. En los últimos años ha mostrado sus potencialidades como fuente de energía renovable el uso del agua marina profunda para la climatización. Esta fuente disponible todo el año implica un relativamente bajo costo energético para trasladarla a la superficie para su utilización. En 1975 el Departamento de Energía de Estados Unidos estuvo haciendo intentos del uso del agua de mar para climatización en Miami extrayendo agua a 1500 pie (460 m) de profundidad. En el laboratorio de energía natural de Hawaii se hicieron varios estudios batimétricos encaminados en buscar profundidades y distancias económicas en varios puntos de estas islas [2].
Estos estudios demostraron que había ciertos factores a tener en cuenta para estimar la viabilidad. En 1980 el Comando Naval Material en Port Hueneme [2], concluyó que en comparación con el sistema de compresión de vapor se consume un 80% menos de energía eléctrica, aunque los costos de capital resultan ser un 60% mayores. También consideraron la posibilidad del uso del agua más cercana a la superficie con menores beneficios y apreciable disminución de los costos. Estas cifras hay que tomarlas con cautela porque el escenario económico es bastante diferente en la actualidad. Es necesario actualizar estos cálculos en cada uno de los proyectos concretos.
En los inicios del siglo XXI se han realizado varios estudios detallados en condiciones concretas que han servido, en general, para demostrar la viabilidad de la tecnología y sus beneficios y costos en proyectos de diferente carácter. Makai [3], realizó un estudio detallado para 8 ciudades de Hawaii en 2002.
En 2015, se comenzó a usar en el "Museum of Tomorrow" de Rio de Janeiro (Brasil) el agua de la bahía de Guanabara para climatización [4]. Gaviria et al[5], estudiaron en el 2018 la aplicación del agua de mar profunda para climatización en varios lugares del Caribe, sin incluir a Cuba. Reportan disminuciones de los consumos de energía eléctrica del orden del 90 % y reducción de los costos nivelados totales. En 2018, se realizó el diseño y estudio de factibilidad de un sistema SWAC para la Universidad de Tuvalu, Pacífico Sur, trabajo en el que se fabricó una maqueta de la universidad a escala, donde se probó la efectividad de climatizar con agua de mar [6].
Hunt [7], en el 2022 realiza evaluaciones en que se considera la utilización de la SWAC con un sistema de distribución mediante amoniaco. No se dispone de referencias al uso de sistemas de análisis basados en la exergía.
Aunque se tiene conocimiento de estudios realizados en Cuba sus resultados no han sido publicados en fuentes accesibles a los lectores.
Materiales y métodos
Acondicionamiento de aire con agua de mar
El acondicionamiento de aire con agua de mar (SWAC, por su sigla en inglés) es una tecnología de energía renovable que usa el agua fría profunda del océano para climatizar ciudades y comunidades cercanas a la profundidad requerida [5]. Los complejos turísticos constituyen importantes candidatos a utilizar este procedimiento. Con SWAC se reduce enormemente el consumo de electricidad, las emisiones de gases de efecto invernadero y el costo de la climatización al sustituir los sistemas convencionales por compresión de vapor (CV). Además, se evita el uso de gases refrigerantes que dañan la capa de ozono, Gaviria et al[8]. Estos beneficios se multiplican en casos de comunidades alejadas o asiladas de los sistemas de distribución de portadores energéticos.
El perfil de temperaturas vs profundidad para el océano abierto ha sido estudiado por diversos autores e instituciones y se muestra en la figura 1, en la que se observan perfiles típicos de temperaturas entre 5 y 7 oC para profundidades de 1000 y 700 m respectivamente para todas las latitudes, excepto las altas. La porción de agua fría de este perfil cambia poco por estaciones y por lo tanto básicamente está disponible todo el año, lo que resulta favorable para el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas que usan la diferencia térmica del agua profunda y la superficial [9]. Si bien el recurso energético máximo se encuentra en los lugares de temperaturas mínimas, se destaca que para algunas aplicaciones puede ser racional utilizar temperaturas superiores, pero más cercanas a la superficie y a la costa, con inferiores costos iniciales.
El acondicionamiento de aire con agua de mar no es técnicamente complejo ni tampoco presenta altos riesgos. Esta es una tecnología establecida con componentes comercialmente disponibles, según Makai [2]. Es posible aprovechar el recurso térmico de baja temperatura utilizando un esquema relativamente simple compuesto esencialmente de un conducto de agua de mar fría, un sistema intermedio de agua dulce y una planta acondicionadora de aire de climatización, con los imprescindibles intercambiadores de calor y equipos de bombeo. En el sistema centralizado de climatización así obtenido los principales requerimientos de potencia eléctrica se concentran en las bombas, y son considerablemente inferiores a los de los compresores de los sistemas tradicionales ya que manipulan agua líquida en lugar de vapores. Adicionalmente se prescinde de los requerimientos de potencia asociados con los sistemas de enfriamiento de los condensadores y el agua fría utilizada conserva un potencial adicional que permite obtener otros servicios energéticos antes de ser devuelta al mar.
El análisis de la viabilidad de un proyecto de esta tecnología debe basarse en la determinación de la relación beneficio/costo de la sustitución de potencia eléctrica consumida y la totalidad de los costos nivelados de la cantidad de energía dejada de consumir durante la vida útil de la instalación. Resulta obvio que, aunque los costos de inversión resultan considerablemente altos, los de operación y mantenimiento son comparativamente bajos lo que permite esperar reducidos plazos de recuperación de las inversiones relativamente breves y un elevado beneficio durante el resto de la vida útil operacional del sistema. Según Makai [2], la diferencia típica de la estructura de costos entre el sistema SWAC y el sistema de referencia convencional a base de ciclos de compresión de vapor (CV) se ilustra en la figura 2, para valores concretos del volumen de la inversión y de la vida útil en el escenario considerado. Debe llamarse la atención que estas cifras deben tomarse con cautela, pues son específicas para las condiciones de cada proyecto concreto y pueden resultar completamente diferentes de uno a otro.
Un análisis preliminar de las potenciales zonas cubanas en que el agua de mar profunda pueda estar a distancias de las costas que hagan prometedor un posible proyecto del uso de la tecnología SWAC para satisfacer necesidades de climatización de comunidades costeras interesadas (ver figura 3), arroja que existen seis regiones en que el recurso térmico está disponible a 1000 m de profundidad y distancias menores de 4 km.
Fuente: Elaboración propiaFig. 3 Localidades de Cuba donde se puede alcanzar la profundidad de 1000 m a distancias menores de 4 km de la costa.
Además de la necesidad de una fuente de agua de mar profunda cerca de la costa, se requiere de usuarios suficientes para que resulte rentable un sistema SWAC. En el sector turístico se consume gran cantidad de energía eléctrica para climatizar y muchas de las zonas hoteleras cubanas se ubican en las regiones donde se puede acceder al agua de mar fría, lo que se usa como base para realizar el estudio de caso de alguna de ellas, con el fin de calcular la oportunidad de sustituir los sistemas convencionales. Un buen candidato es el complejo turístico de Cayo Largo del Sur, por contar con hoteles a lo largo de la orilla del mar a menos de 3,5 km de la fuente de agua fría profunda y por la elevada carga térmica de climatización que demandan. Además, la energía eléctrica se genera mediante un sistema aislado, cuyo combustible es transportado en patanas desde tierra firme.
Resultados
Estudio de caso
El estudio se hizo para un caso hipotético, con el objetivo de ilustrar la oportunidad que existe en Cuba de reducir los costos de la climatización con el uso de sistemas SWAC. La zona que se analizó pertenece a Cayo Largo del Sur y se ubica entre playa Linda Arena y playa Blanca, en la que se encuentran los hoteles Playa Blanca, Sol Cayo Largo, Sol Pelícano, Isla del Sur, Villa Lindamar, Villa Coral y Villa Soledad, situados a lo largo de la orilla del mar. No se contó con datos específicos, pero se trabajó con la información comercial disponible en las redes, a partir de la cual se estima un aproximado de 1300 habitaciones. Actualmente, la climatización de dichas habitaciones se realiza mediante sistemas convencionales por compresión de vapor y se calcula una carga térmica de 3000 TR al tomarse 1,5 TR por habitación y un factor de incremento del 50% para los próximos 10 años. El mapa correspondiente se muestra en la figura 4, donde se representa la ubicación de la estación de bombeo del sistema SWAC y la ruta propuesta para los sistemas de suministro de agua de mar y distribución de agua enfriada. En dicho mapa y utilizando las facilidades de batimetría que proporciona Google Earth se determinaron las profundidades de los puntos de interés y las trazas planimétricas aproximadas de las tuberías.
Fuente: Elaboración propiaFig. 4 Ubicación de la estación de bombeo del sistema SWAC y ruta propuesta para los sistemas de suministro de agua de mar y distribución de agua enfriada.
La ubicación de la estación de bombeo en el centro de la red permite minimizar el costo inicial, al garantizar la menor longitud posible para la tubería de agua de mar y el menor diámetro para la tubería de agua enfriada. Se asumen dos metros de excavación por debajo del nivel del mar para la ubicación de las bombas según [1], intercambiadores de calor de placas de titanio y tuberías de polietileno de alta densidad (HDPE) según [2].
Aunque el costo unitario de la tubería es proporcional al cuadrado del diámetro, tuberías grandes son más interesantes que una colección de tuberías más pequeñas, al ser menor la fricción y el intercambio de calor. Además, con el aumento del diámetro, la carga térmica se incrementa al cuadrado, mientras que los costos de instalación y mantenimiento no varían considerablemente [1]. A partir de lo anterior se consideran simples las tuberías de succión y descarga, y se calcula su longitud mediante la traza de la conductora y las irregularidades del fondo marino, así como teniendo en cuenta algunas otras exigencias del proyecto. La longitud aproximada de las tuberías es 3,8 km para la de entrada y 1,3 km para la de descarga, donde se asume para esta última una profundidad de 50 m, según [3], para evitar daños al ecosistema sumergido como consecuencia de la baja temperatura del agua de desecho.
La tubería del sistema de distribución de agua enfriada se estima de 3,4 km de longitud y la ruta que se propone se muestra con la línea trazada sobre la tierra. El área de los intercambiadores de calor y el diámetro de las tuberías de agua de mar se obtuvieron mediante la optimización exergoeconómica multivariable, al analizar en conjunto el sistema de suministro y la estación centralizada. Se exploraron diámetros nominales entre 28 y 34 pulg y diferencia terminal entre 4,5 y 5,2 oC, siendo la mejor combinación la correspondiente al punto mínimo de la figura 5 (a). A mayor área de intercambio de calor menor diferencia terminal, menor flujo y menor costo inicial de tuberías, pero mayor costo inicial de los intercambiadores. En el caso del sistema de suministro de agua enfriada se hizo de forma similar, pero con el diámetro nominal como única variable independiente, según se muestra en la figura 5 (b).
Fuente: Elaboración propia Fig. 5 Costo exergoeconómico de los sistemas de suministro de agua de mar y distribución de agua enfriada.
La parte del capital fijo relacionado con todo lo que no depende del diámetro ni del área de intercambio de calor no se tiene en cuenta para los cálculos exergoeconómicos de la figura 5, por no ejercer influencia apreciable sobre el comportamiento de las curvas. El costo exergoeconómico total se muestra en la figura 6 y resulta mayor que la suma de los óptimos de la figura 5 (a) y 5 (b).
El diámetro óptimo para la tubería de succión de agua de mar de la figura 5 (a), no tiene en cuenta la posibilidad de cavitación en las bombas y por lo tanto se debe calcular la NPSH del sistema, para compararla con la necesaria. Según catálogos de [10], la NPSHnecesaria para bombas centrifugas puede encontrarse cercana a los 6 m, en la zona de mayor eficiencia, y la NPSHsistema para DN 30 pulg que se obtiene es de 7,5 m, lo que indica que bajo las condiciones evaluadas no existe el riesgo de la cavitación.
La temperatura del agua de mar profunda se incrementa al ser transportada desde el fondo hasta la superficie, debido a la ganancia térmica durante el recorrido. Dicho incremento se estima en 0,5 oC, al aplicarse la ecuación general de la transferencia de calor y el método de los polígonos, lo que sumado con los 5,5oC que se alcanzan a 1000 m de profundidad da como resultado 6oC a la entrada de los intercambiadores de calor. El área que se calcula para estos últimos es de 2940 m2 y se obtiene al asumirse un coeficiente global de 3,6 kW/m2-oC según [3].
Rendimiento térmico SWAC vs CV
Como es bien sabido los sistemas centralizados de climatización por compresión de vapor son los más eficientes y de menor costo exergoeconómico dentro de su grupo, razón por la que se toman en este trabajo como base de comparaciones para evaluar la oportunidad de un sistema SWAC en Cayo Largo del Sur. El rendimiento térmico (COP) de CV puede tomar valores cercanos a 4 según [3], pero el de SWAC puede ser más de siete veces superior según se muestra en la tabla 1, lo que equivale a un 86% de ahorro de energía eléctrica.
Tabla 1 Rendimiento térmico y ahorro de energía eléctrica SWAC vs CV
| SWAC | CV | |
|---|---|---|
| Potencia eléctrica (kW) | 370 | 2700 |
| Potencia especifica (kW/TR) | 0,12 | 0,90 |
| COP | 28 | 4 |
| Ahorro de energía eléctrica | 86% | |
El ahorro puede reducir el consumo total de electricidad de todo el complejo hotelero en aproximadamente un 45%, lo que resulta considerable desde el punto de vista energético, pero se hace necesario el análisis de costos para determinar si resulta oportuno invertir en este tipo de tecnología.
Costo inicial y recuperación de la inversión
El capital inicial que se estima para el sistema SWAC se muestra en la tabla 2, el cual se desglosa entre los principales subsistemas que lo componen. Este incluye el precio de compra en el mercado internacional y los gastos adicionales de transportación y montaje, y además se le añade un 20% para posibles contingencias que puedan surgir durante la ejecución de un proyecto. El sistema de suministro de agua de mar comprende las tuberías de succión y descarga junto con la estación de bombeo. La estación centralizada incluye los intercambiadores de calor con la infraestructura correspondiente. El sistema de distribución de agua enfriada se compone por las tuberías y las bombas.
Tabla 2 Costo inicial SWAC por subsistemas
| Costo inicial | Millones USD |
|---|---|
| Sistema de suministro de agua de mar | 10,0 |
| Estación centralizada | 1,1 |
| Sistema de distribución de agua enfriada | 5,1 |
| Contingencias | 3,3 |
| Total | 19,5 |
El período de recuperación de la inversión SWAC se calcula de 7 años, pero se puede reducir a 6 años si se asume una tasa de inflación anual (i) del 3%. Las plantas SWAC se hacen más rentables después de la puesta en marcha a medida que el costo de operación aumenta, debido a que se incrementa el ahorro en comparación con CV. En los últimos 20 años, según el comportamiento promedio del Chemical Engineering Plant Cost Index (CEPCI) [11], los precios se han ido incrementando a razón de un 3% anual, por lo que se puede suponer el mismo comportamiento para los próximos 10 años.
Al tomarse para SWAC un valor de i del 3%, 25 años de vida útil y rentabilidad del 10%, la tasa interna de retorno (TIR) resulta ser un 18% y el valor actual neto (VAN), 14 millones de dólares, lo cual representa un corto período de recuperación de la inversión y ganancias por encima de las que ofrece invertir el capital, por ejemplo, en una cuenta con interés anual del 10%. El principal inconveniente es el elevado costo inicial en comparación con CV, pero si este se analiza junto con el de operación, se puede determinar cuál es más ventajoso desde el punto de vista exergoeconómico.
Costo exergo económico
El capital inicial para un sistema SWAC supera los 3,5 millones de dólares que se requieren para CV, pero su costo de operación (0,43 millones de USD/año) es 86% menor. Estos costos se expresan con unidades de medida diferentes, pero se pueden comparar mediante un análisis exergoeconómico, al calcularse las anualidades necesarias para mantener ambas plantas en funcionamiento. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 6, mediante barras de colores, para los cuales se asumió un costo de la electricidad de 0,22 USD/kWhe, en ausencia de valoraciones económicas externas, que se obtiene a partir de un precio del petróleo de 100 USD/barril y generación con grupos electrógenos con consumo específico de combustible de 250 g/kWhe. El factor de utilización anual se asume de un 60% y el costo unitario para CV, de 1160 USD/TR [3], actualizado mediante el índice CEPCI. No se tiene en cuenta la mano de obra ni el mantenimiento, por ser similares para ambos sistemas.
Las anualidades necesarias para mantener una planta SWAC en funcionamiento representan solo el 60% de las correspondientes a CV, lo que demuestra que con este tipo de tecnología es posible reducir en gran medida el costo de la climatización.
Además, si el agua fría de desecho se usa como recurso para otro proceso, como por ejemplo desalinización de agua de mar, el costo exergoeconómico con respecto a CV se puede reducir probablemente a un 45%. Con el uso de SWAC es posible incrementar la eficiencia energética, reducir el impacto negativo de la quema de combustibles fósiles sobre el medio ambiente y también permite fomentar el turismo ecológico.
Impacto ambiental
Los sistemas SWAC tienen beneficios ambientales significativos en comparación con los convencionales por compresión de vapor, entre los que se encuentran la reducción de emisiones de gases productos de la combustión y la sustitución de enfriadores que requieren refrigerantes agresivos con el medio ambiente. En la tabla 3, se muestra la oportunidad de reducción de emisiones en comparación con CV, al usarse una composición típica de la quema del diésel [6].
Tabla 3 Reducción de emisiones
| Componente de la mezcla | Reducción de emisiones (t/mes) |
|---|---|
| Dióxido de carbono (CO2) | 735 |
| Monóxido de carbono (CO) | 0,4 |
| Metano (CH4) | 1,7 |
| Óxidos de nitrógeno (NOX) | 1,3 |
| Óxido nitroso (N2O) | 0,02 |
| Óxidos de azufre (SOX) | 3,9 |
| Material particulado | 89 |
La principal desventaja es el efecto negativo que puede provocar el agua de mar de desecho sobre el ecosistema sumergido [1], por lo que debe descargarse a una profundidad de 50 m como mínimo o a una distancia mar adentro de aproximadamente la mitad de la longitud de la tubería de entrada, lo que adicionalmente permite reducir el choque térmico y el impacto de su mayor salinidad sobre el ambiente marino. Además, se recomienda una distancia de salida mínima al mar de alrededor de 200 m [1], para evitar la proliferación de algas. Debe sin embargo realizarse una valoración más exacta de cada proyecto para identificar los posibles riesgos ambientales locales del uso de este tipo de tecnología.
Discusión
En el estudio de caso expuesto se demuestra que, para el escenario elegido de 3000 TR, el costo exergoeconómico de la TR-año del esquema SWAC resulta un 64 % del correspondiente al esquema de referencia (CV), equivalente a un ahorro del 86 % de la energía eléctrica consumida; con un valor actual neto de 13 millones de USD, una tasa interna de retorno de 18%, con una reducción de 775 t/mes de CO2 dejado de emitir y cantidades apreciables de otras sustancias contaminantes. Con un beneficio neto anual de 2,7 millones USD se obtiene un plazo de recuperación simple de unos 7 años y un plazo de recuperación descontado de 5 a 6 años. Se considera, por lo tanto, cumplido totalmente el objetivo declarado del estudio de caso.
Conclusiones
En la región elegida los resultados multiplicaron su impacto por estar el complejo turístico totalmente desvinculado de tierra firme por lo que todas las necesidades energéticas fueron satisfechas actualmente con combustible transportado por vía marítima, que en este caso representan 3100 t/año de combustible convencional dejadas de consumir y transportar y unas 9300 t/año de CO2 dejadas de emitir. Todo lo anterior apunta a la conveniencia de acometer un proyecto según los principios discutidos y la alta probabilidad de lograr un sistema completo de abastecimiento de un recurso energético inagotable que permite satisfacer las demandas de energía para climatización, mayoritarias entre todos los demás recursos requeridos para mantener en explotación el complejo turístico. Los indicadores económicos, energéticos y ambientales arrojaron una alta probabilidad de construir un sistema logístico energético basado en este recurso primario, que permitió predecir una prolongada vida útil con un relativamente reducido período de recuperación de la inversión.
