Análisis Tecno-económico y Estudio del Potencial de Mercado para Calor Solar en Procesos Industriales, un caso de estudio de Generación Directa de Vapor con Fresnel

Abstract

[ES] El sector industrial no sólo tiene una gran contribución a las emisiones mundiales, sino que también una pequeña porción de la demanda de calor está cubierta con energías renovables. Sabiendo que la mayor parte del consumo de energía en la industria es en forma de calor y que la mitad se requiere a temperatura media-baja (por debajo de 400 ºC), supone un gran mercado para la integración de tecnologías solares térmicas. Siguiendo los criterios de alta demanda de calor y baja temperatura demandada, se han analizado cinco sectores industriales prometedores y sus procesos: alimentos y bebidas, papel y pasta de papel, productos químicos, textiles y minería. La generación de vapor a nivel de suministro se ha considerado uno de los sistemas más prometedores teniendo en cuenta sus ventajas de integración y el gran potencial de las plantas de generación directa de vapor. El estudio de potencial de mercado se ha determinado geográficamente realizando un MCA; países de todo el mundo han sido evaluados considerando su consumo de calor en los sectores prometedores y otras condiciones que mejoran la viabilidad de calor solar para procesos industriales (SHIP), tales como los niveles de radiación solar, políticas energéticas favorables, experiencia previa en plantas SHIP, facilidad para hacer negocios, etc. El precio del gas natural también ha sido considerado después de seleccionar Europa como un mercado adecuado. La demanda potencial de calor que esta tecnología podría cubrir se ha estimado considerando varias limitaciones como la competitividad con otras fuentes de calor renovables, el potencial de recuperación de calor esperado para algunos sectores, la fracción solar de la región y el espacio de techo de las fábricas. Los resultados muestran que los cinco países con mayor potencial son Alemania, Francia, Países Bajos, Italia y España, mientras que los sectores con el mercado más adecuado son alimentos y bebidas, y químicos. Se ha seleccionado un caso de estudio basado en las conclusiones anteriores: una planta de generación directa de vapor Fresnel en Sevilla (España) caracterizada gracias a los datos proporcionados por la empresa Solatom. La planta se ha modelado utilizando el software TRNSYS, en especial consideración el rendimiento de los colectores Fresnel, el comportamiento dinámico del tanque de vapor y su influencia en el tiempo de puesta en marcha de la planta. Los resultados obtenidos a través del análisis tecno-económico muestran que parámetros como la radiación solar, los precios de los combustibles convencionales y los precios del mercado de emisiones de la UE tienen un impacto importante en los indicadores económicos. El análisis de sensibilidad muestra que las ubicaciones con niveles de radiación superiores a 1750 kWh/m2 tienen valores positivos para el VAN, y por encima de 2250 kWh/m2 el coste de generación de calor solar (LCOH) está por debajo de los precios europeos del gas natural. Además, contando con precios de los combustibles superiores a 50 €/MWh, que son comunes para las PYMEs, dan lugar a períodos de amortización inferiores a 10 años. Las tendencias futuras presentan escenarios favorables ya que las políticas europeas actuales están provocando un rápido crecimiento del mercado de emisiones. Por lo tanto, el calor solar en los procesos industriales puede ser una alternativa o un complemento viable para los sistemas convencionales. Su despliegue está impulsado por políticas de apoyo, altos niveles de radiación, altos precios de los combustibles y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero al igual que disminuir la independencia hacia las energías fósiles.

[EN] The industrial sector not only has a big contribution to global emissions but also a low share of renewable energy for heat demand. Knowing that most of the energy consumption in industry is heat and that half of it is at medium-low temperature (below 400 ºC), it is a great market for the integration of solar thermal technologies. Following the criteria of high heat demand and low-temperature requirements, five promising industrial sectors and their processes have been analysed: food and beverage, paper and pulp, chemical, textile and mining. Steam generation at supply level has been considered one of the most promising systems considering its integration advantages and the potential of direct steam generation plants. The market potential study has been geographically determined performing an MCA; countries all over the world have been assessed considering their heat consumption in the promising sectors and other conditions that enhance the SHIP feasibility such as solar radiation levels, favourable energy policies, previous experience in SHIP plants, ease of doing business, etc. The price of natural gas has been also considered after selecting Europe as a suitable market. The potential heat demand that this technology could cover has been estimated considering limitations as the competitiveness with other renewable heat sources, the expected heat recovery potential for some sectors, the solar fraction of the region and roof space of the factories. The results show that the five countries with bigger potential are Germany, France, Netherlands, Italy, and Spain, while the sectors with the most suitable market are food and beverage, and chemical. A case study has been selected based on the previous conclusions: a Fresnel direct steam generation plant in Sevilla (Spain) characterized thanks to the data provided by the company Solatom. The plant has been modelled using the software TRNSYS, taking special consideration in the Fresnel performance, the dynamic steam drum behaviour and its influence on the start-up time of the plant. The results achieved through the techno-economic analysis show that parameters such as solar radiation, conventional fuel prices and EU ETS prices have a major impact on the economic indicators. A sensitivity analysis shows that locations with radiation levels above 1750 kWh/m2 have positive values for NPV, and above 2250 kWh/m2 the cost of generating solar heating (LCOH) is under European natural gas prices. In addition to this, fuel prices above 50 €/MWh, which are common for SMEs, results in payback periods under 10 years. Future trends depict favourable scenarios as current European policies are causing a rapid growth of the ETS. Therefore, solar heat in industrial processes can be a feasible alternative, or work as a complement, to conventional systems. Its deployment is driven by supportive policies, high radiation levels, costly fuels prices (such as the ones for SMEs) and the necessity of reducing GHG emissions and decrease the independence on fossil energies.