2025-11-28, David Hernández, Marco Antonio, Cazorla Marín, Antonio, Gonzálvez Maciá, José María, Departamento de Termodinámica Aplicada, Instituto Universitario de Investigación de Ingeniería Energética, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial

[ES] El sector industrial es responsable de una cantidad significativa de emisiones anuales de carbono, en gran parte debido a su elevado consumo de energía y a su dependencia de los combustibles fósiles para la producción de calor. Por tanto, es evidente que la utilización de fuentes de calor alternativas y renovables, como los colectores solares de concentración, representa una oportunidad prometedora para la descarbonización de este sector. Sin embargo, los sistemas de colectores solares dependen del recurso solar, que es una fuente de energía intermitente. Por ello, es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de energía térmica (AET) que facilite el almacenamiento de la energía sobrante y su posterior utilización cuando sea necesario, garantizando así un suministro de calor más constante. Con el fin de demostrar la viabilidad de los sistemas solares térmicos para aplicaciones industriales, la empresa Solatom CSP instaló un campo solar experimental dentro del proyecto SOLPINVAP. Está compuesto por una serie de colectores modulares lineales Fresnel (CLF) y un kettle reboiler, que es un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esta tesis analiza el rendimiento del sistema en modo de generación indirecta de vapor. En este modo, el calor se absorbe en el interior de los tubos absorbedores mediante un fluido caloportador y se transfiere a la carcasa del kettle reboiler, donde se produce vapor. Además, esta tesis examina los circuitos hidráulicos y sus componentes del campo solar experimental, así como el sistema de control y el sistema de monitorización asociados al mismo. Además, se presenta el desarrollo de un modelo de sistema CLF de calor solar para procesos industriales (CSPI). El modelo se desarrolló en el entorno MATLAB orientado a objetos. Se desarrolló un modelo 3D del campo solar CLF dentro del entorno Tonatiuh (un software de trazado de rayos), lo que permitió estimar la eficiencia óptica máxima y los correspondientes modificadores del ángulo de incidencia de los colectores Fresnel. Los resultados demuestran que el calor absorbido en los colectores presenta una incertidumbre del 12%, mientras que el calor generado presenta una incertidumbre del 3%. Para reducir la incertidumbre inherente al cálculo del calor absorbido y generado, se realizó un estudio para seleccionar sensores y equipos de monitorización más precisos. Además, se realizó un trabajo de campo para instalar los equipos seleccionados, más precisos, en el campo solar SOLPINVAP. Los resultados de la monitorización demuestran que la incertidumbre en el calor absorbido se redujo en un 79% como consecuencia de la mejora en la instrumentación de medida. Como parte de este proyecto de tesis, se realizó una estancia de investigación en el Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en Santiago. El equipo de investigación anfitrión ha estado investigando la posible aplicación de AET de lecho compacto sólido con escoria de cobre, un subproducto del proceso pirometalúrgico del mineral de cobre, como medio de almacenamiento. Además, el equipo de investigación ha desarrollado un modelo matemático que simula el proceso termodinámico y de transferencia de calor asociado al flujo de aire y a las partículas sólidas. En consecuencia, el modelo del sistema de AET de lecho compacto sólido se ha integrado en el modelo del sistema CSPI para examinar su efecto en el rendimiento del sistema. Además, esta tesis examina la dinámica entre las temperaturas de los distintos componentes del sistema. En consecuencia, esta tesis presenta un diseño para un sistema integrado CSPI con AET de lecho compacto sólido. Los resultados demuestran que el sistema con el AET de lecho compacto sólido es capaz de generar un 18% más de energía que el sistema sin el AET de lecho compacto sólido.