Factibilidad del uso de la climatización solar de pequeña capacidad
Feasibility of the use of solar cooling of small capacity
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Dr. César A. Cisneros Ramírez
Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba.
RESUMEN
En el trabajo se presenta la evaluación económica de la implementación de la climatización con empleo de la energía solar para las condiciones de radiación y temperatura ambiente en La Habana, Cuba. La evaluación se realizó para máquinas de pequeña capacidad (7-35 kW) las cuales se encuentran en el mercado internacional. El estudio se realizó empleando el tiempo de recuperación de la inversión y el ahorro en el ciclo de vida como criterios de medida. Además se analizó la influencia que tiene la relación volumen de almacenamiento/área de captación (V/A) sobre la fracción solar, la energía auxiliar, el costo de la energía ahorrada, ahorro de la energía primaria y ahorro en la cantidad de CO2 emitido. Se empleó el método P1-P2 para los cálculos económicos así como el método Φ-fchart para la obtención de la fracción solar. El precio del petróleo se varió entre los 100 y 200 $/barril.
Palabras clave: absorción, análisis económico, refrigeración solar.
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ABSTRACT
This work presents an economical evaluation of implementing a solar air-conditioning system using solar energy in Havana, Cuba. It was studied the feasibility of systems of small and medium capacities (7-35 kW) of absorption refrigeration machines which be in the world market. The parameters that were taken for the feasibility were the payback time and life cycle savings. Also it was analyzed the influence of the ratio storage volume/solar collector area (V/A) on solar fraction, auxiliary energy, saved energy cost, saved primary energy and emitted CO2. Besides, it was used the P1-P2 method for the economical aspects and the Φ-fchart method in order to determine de solar fraction. The price of petroleum was varied from 100 to 200$/barrel.
Key words: absorption, economic analysis, solar cooling.
INTRODUCCIÓN
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Los motivos del incremento en la demanda de refrigeración y aire acondicionado a nivel mundial son diversos. Entre ellos se tienen el aumento de los hábitos de bienestar, los todavía bajos costos energéticos, tendencias arquitectónicas de aumentar las áreas acristaladas y, en una gran medida, las condiciones climáticas. La creciente demanda de refrigeración y aire acondicionado en edificios implica el aumento del consumo de combustibles fósiles. Por ello, es interesante reconsiderar los conceptos de construcción para lograr la reducción de las cargas de climatización y por otro lado el uso de tecnologías alternativas que permitan cubrir la demanda de climatización y refrigeración en edificios.
Es importante observar que en el mismo momento en el que se produce la demanda pico de frío, es que se dispone de grandes cantidades de radiación solar que podrían usarse para accionar sistemas de refrigeración y climatización. La refrigeración y climatización generadas térmicamente se ha aplicado durante las últimas décadas en nichos de mercado, preferentemente en categorías de gran capacidad, usando el calor residual o el calor procedente de la producción combinada de calor y energía (cogeneración). Sin embargo, la combinación de esta tecnología con calentamiento solar hace más complicado el proceso. Hasta la fecha, la refrigeración solar y el aire acondicionado solar se han probado en unos pocos centenares de instalaciones [1-2].
El consumo total de energía eléctrica en Cuba se muestra en la figura 1, en la cual se refleja como este consumo ha ido incrementándose paulatinamente [3].
De este consumo, una parte es debida a la demanda de aire acondicionado en los edificios administrativos, centros comerciales, hoteles, laboratorios, hospitales, etc., en los cuales el consumo de energía eléctrica por ese concepto oscila entre el 55 y 65% de la energía total que consumen esos edificios.
Tomando en consideración lo planteado y además que en Cuba se dispone de una radiación media anual aproximada de 5 kWh/m2día [4], se convierte en un sistema atractivo la aplicación del frío mediante el empleo de la energía en el país. ]]>
En este sentido la refrigeración y climatización solar pueden contribuir a:
• Reemplazar la demanda de combustible fósil, contribuyendo así a los objetivos y necesidades mundiales en el uso creciente de fuentes renovables de energía.
• Reducción de las emisiones del efecto invernadero, por un lado ahorrando en fuentes de energía no fósiles y por otro evitando el empleo de sustancias refrigerantes lesivas para el medio ambiente.
Partiendo de las premisas antes mencionadas, el objetivo de este trabajo se centra en determinar la factibilidad de la implementación de la climatización solar para pequeñas capacidades, para condiciones del clima en Cuba.
DESARROLLO
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La tecnología de absorción empleando energía solar se utiliza en el acondicionamiento de aire para pequeña y mediana capacidad. La clasificación de pequeña y mediana está en concordancia con los productos de refrigeración disponibles en el mercado; en este sentido, las aplicaciones pequeñas son sistemas con una capacidad refrigerante nominal por debajo de 35kW y los sistemas medianos de aproximadamente 100 kW [5-6]. En general, esta tecnología está diseñada para funcionar con bajas temperaturas de calentamiento y por lo tanto se pueden aplicar captadores solares térmicos estacionarios. La menor capacidad enfriadora disponible actualmente en el mercado es de 4.5 kW. Junto a la mezcla de trabajo bromuro de litio-agua (BrLi/H2O), también se aplican el cloruro de litio-agua (ClLi/H2O) y amoniaco-agua (NH3/H2O). La aplicación de la mezcla NH3/H2O con amoníaco como refrigerante es relativamente nueva para la climatización de edificios, puesto que este tipo de tecnología se usaba sobre todo en la refrigeración industrial para aplicaciones a temperaturas por debajo de 0oC.
Prácticamente era un mito muchos años atrás que la tecnología de absorción con el empleo de energía solar reemplazara a las que emplean combustibles fósiles; a medida que han pasado los años se ha abierto una brecha, aunque no llega a los estándares aún deseados. Por solo brindar algunos datos, la producción de instalaciones de climatización solar en el mundo en el año 2009 fue de alrededor de 400 veces más respecto al año 2004,con solo más de 100 instalaciones en el 2009 significando más del 50% [7-8].
En el mercado, entre las tecnologías de climatización accionadas térmicamente, dominan las tecnologías de absorción y adsorción, representando alrededor de un 85% del total de todas las tecnologías de climatización solar, y de ellas, la tecnología de absorción es la más dominante representando un 71% del total de estas tecnologías [9]. Es por esta razón que este trabajo se centra en la tecnología de absorción.
MÉTODO EMPLEADO
El comportamiento energético, definido como la fracción solar, se determinó aplicando el método Φ-fchart [10-11], para lo cual se tomó como temperatura mínima de calentamiento al sistema de absorción 75oC y como condiciones de diseño exterior se tomaron las de La Habana. ]]>
Los datos mensuales de temperatura media ambiente y radiación en La Habana se reflejan en la tabla 1. El comportamiento térmico (COP) de la máquina de refrigeración se determinó a partir de la temperatura característica ΔΔt, la cual depende de las temperaturas de calentamiento, enfriamiento y de evapotación. El COP se determinó a través de la ecuación (1), [12-13]:
La evaluación económica de la instalación solar se llevó a cabo teniendo en cuenta tanto los costos de inversión como los costos de operación [11, 14-15]. En el costo de inversión se tuvo en cuenta el costo de los equipos que conforman la instalación (colector, tanque de almacenamiento, bombas, tuberías, intercambiadores de calor, controles, y otros equipos asociados a la instalación) y el costo de instalación de los equipos.
Para pequeñas capacidades, es característico que estas instalaciones se adquieran de forma modular, la cual ya tiene en cuenta los colectores solares, equipo de refrigeración, tanque de almacenamiento de agua caliente, tanque almacenamiento de agua fría, sistema de bombas, y sistema de control. El costo específico de estas instalaciones oscila entre los 7140 y 4340 $/kW para capacidad de 7 y 35 kW respectivamente [9]. Los costos de instalación y mantenimiento, los cuales no están reflejados en los valores dados más arriba, se tomaron en función del costo de inversión a partir de la experiencia internacional [16], costo de mantenimiento, 2% para el sistema convencional y 1% para el solar; costo de instalación, 12%.
El ahorro en el ciclo de vida (ACV) se define como diferencia entre el costo del ciclo de vida de un sistema convencional y uno solar. El mismo se calcula a partir del costo de la energía CF1, la fracción solar f, la relación entre el ahorro del costo del combustible en el ciclo de vida y el ahorro en el primer año P1, la carga a cubrir L, la relación entre los costos adicionales y el costo inicial P2, y el costo de la instalación solar Csist a través de la ecuación (2), [10-11]: ]]>
La relación entre el ahorro del costo de combustible en el ciclo de vida y el ahorro en el primer año P1 está influenciado por el período que se hace el análisis Ne, la inflación if y el interés del mercado d, a través del factor de valor presente PWF(Ne,if,d) según la ecuación (3):
En la ecuación (3), el término Ct tiene en cuenta si la instalación es comercial o no. Para este trabajo se considera que la instalación no genera ingresos, por lo que Ct=0
La relación entre los costos adicionales y el costo inicial P2 está influenciada por la relación entre los costos parásitos y el costo inicial Ms, interés anual de pago m, pago inicial D, inflación i, la tasa de interés t y los años de depreciación ND y de pago de la inversión inicial NL, según la ecuación (4): ]]>
El valor de Nmín se toma el menor entre Ne y NL. La razón entre el costo de venta al final del período de análisis y la inversión inicial se tomó Rv=0 y la razón entre el valor del sistema solar en el primer año y la inversión inicial del sistema se tomó V=1.
Tiempo de retorno
El tiempo de retorno (NP) es el tiempo necesario para recuperar la inversión realizada y se determina a través de ecuación (5), [11]:
Donde iF en la ecuación (5), es la inflación del combustible. ]]> El costo de la energía ahorrada (CΔPE) se evaluó a partir del costo anual del sistema analizado Csist y del sistema de compresión patrón Ccomppatrón; además del consumo de energía primaria del sistema de compresión patrón CEPcomppatrón y del sistema analizado CEPsist a través de la ecuación (6), [17]:
El comportamiento ambiental del sistema de climatización solar se evaluó a partir del cálculo de las emisiones de CO2 al ambiente y para lo cual se empleó el índice de 73.1kgCO2 por kilogramo de petróleo.
El escenario escogido para la evaluación de la aplicación del sistema de climatización solar se muestra en la tabla 2.
RESULTADOS ]]>
La figura 2, muestra los valores del coeficiente de comportamiento (COP) de la máquina y la fracción solar para cada mes del año. La variación del COP viene dada fundamentalmente por la variación de la temperatura de enfriamiento (temperatura ambiente) porque las temperaturas de generación y de evaporación se consideraron contantes.
El comportamiento de los sistemas solares está influenciado por el nivel de energía que se acumula, la cual puede ser empleada en momentos de poca radiación solar. La figura 3, muestra la variación de la fracción solar para diferentes relaciones de volumen de almacenamiento/área de captación (V/A). Se observa que existe una relación directa entre el aumento de la relación V/A y la fracción solar. Este aumento es significativo para valores menores de V/A=0.14.
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Este comportamiento de la fracción solar tiene su influencia en los valores obtenidos de energía auxiliar (fig.4), ahorro de energía primaria (fig.5), costo de la energía ahorrada (fig.6) y disminución en la cantidad de CO2 emitida a la atmósfera (fig.7).
El ahorro de la instalación durante su ciclo de vida, para lo cual se tomaron 20 años para el análisis, se muestra en la figura 8. Este ahorro experimenta valores positivos y a su vez una variación más pronunciada respecto al precio del petróleo en el caso de la instalación de 35kW.
El tiempo de retorno de la inversión con relación al precio del petróleo se muestra en la figura 9. La instalación que experimenta menor tiempo de retorno es la de 35kW. A pesar de ello, este tiempo de 26 años para precio de 100$/barril y 14 años para precio de 200$/barril aún es alto para los análisis de factibilidad económica.
CONCLUSIONES
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Durante el trabajo se evaluó el comportamiento de sistemas de refrigeración por absorción de pequeñas capacidades empleando como fuente energética principal la energía solar. Se determinó la influencia del almacenamiento sobre la fracción solar media anual y en consecuencia sobre la energía auxiliar a emplear para el funcionamiento de la instalación, ahorro de energía primaria empleada, el costo de la energía ahorrada y disminución en la cantidad de CO2 emitido a la atmósfera. De los resultados se observó que la relación volumen de almacenamiento/área de captación ejerce su mayor influencia para valores menores a 0.14.
Por otro lado se obtuvieron tanto el ahorro durante el ciclo de vida como el tiempo de retorno de la inversión. En el caso del ahorro durante el ciclo de vida se obtuvo que solo se obtienen ahorros para la instalación de 35kW cuando el precio del petróleo es mayor a los 130 $/barril.
El tiempo de retorno de la inversión para la instalación de 35kW resultó ser de 14 años cuando el precio del combustible es de 200$/barril.
REFERENCIAS
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Recibido: febrero de 2013
Aprobado: agosto de 2013
César Arnaldo Cisneros Ramírez, Ingeniero mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor Titular, Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba. e-mail: cesar@ceter.cujae.edu.cu ]]>
