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Tesis:

Evaluación de un sistema de energía solar térmica con captadores de tubos de vacío para suministro de agua caliente en bodegas

  • Autor: LIZCANO PALOMARES, Juan

  • Título: Evaluación de un sistema de energía solar térmica con captadores de tubos de vacío para suministro de agua caliente en bodegas

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: INGENIERIA AGROFORESTAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74185/

  • Director/a 1º: RUIZ MAZARRÓN, Fernando

  • Resumen: La industria agroalimentaria ocupa un lugar destacado en el consumo energético a nivel mundial. El gran incremento del precio de la energía desde 2021 ha ocasionado una subida notable de la factura energética. Ante este nuevo escenario, los sistemas solares térmicos (SST) pueden contribuir a reducir la factura energética y la dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, no existen antecedentes que analicen la viabilidad de utilizar SST en bodegas. Por ello, el presente trabajo analiza el impacto del nuevo contexto energético en la viabilidad y rentabilidad de los SST con captadores de tubo de vacío (CTV) para suministrar parte de la demanda de agua caliente de proceso en bodegas. Para ello se ha caracterizado el potencial de producción de un SST-CTV experimental a temperaturas de hasta 90ºC estableciendo un modelo que permite conocer la energía útil que es capaz de aportar el SST-CTV en función de la irradiación, la temperatura del depósito y la temperatura ambiental. A partir del modelo planteado, se ha analizado la viabilidad y rentabilidad del SST en 22500 casos, combinando diferentes patrones de consumo, localizaciones, precios de la energía y precios de la inversión necesaria. En cada escenario, se ha llevado a cabo una simulación energética con base horaria, calculando numerosos indicadores energéticos, de rentabilidad y determinando el dimensionamiento óptimo del SST. Los resultados demuestran que un correcto dimensionamiento, a través de un cálculo preciso que tenga en cuenta la estacionalidad e irregularidad del patrón de consumo, es clave para alcanzar el ahorro y rentabilidad potencial del SST. El dimensionamiento en base a optimizar la ratio “Ahorro/payback” permite reducir el riesgo en un contexto de inestabilidad como el actual, alcanzando ahorros en la factura energética próximos al máximo potencial, pero con menor inversión necesaria. En bodegas con alta demanda de agua caliente, relativamente uniforme a lo largo del año, el sistema solar optimizado permite alcanzar reducciones del consumo de energía próximas a 32% para localizaciones con hora solar pico (HSP) 3.0, 44% para HSP 4.0 y 52% para HSP 5.0, en más de la mitad de los escenarios analizados. Teniendo en cuenta el coste de la inversión, el ahorro en la factura energética a lo largo de la vida útil del SST alcanza valores entre 30% y 40% en escenarios favorables. Por ello, la inversión en el SST es rentable en la mayoría de casos, con paybacks inferiores a 4 años en un gran número de escenarios favorables, incluso en localizaciones con baja radiación (HSP 3.0). Por el contrario, cuando la demanda es reducida y muy irregular, la inversión en el SST no es rentable en la mayoría de escenarios, incluso en localizaciones de alta radiación. No se puede reducir el consumo de energía sin incurrir en pérdidas económicas. En bodegas con demanda intermedia y patrón más irregular que el de bodegas de gran demanda, el máximo porcentaje de reducción del consumo de energía disminuye a valores entre 21% y 42% dependiendo de la localización. Considerando escenarios intermedios próximos al contexto actual, el payback oscila entre 6 y 12 años. Los resultados de esta tesis pueden ser de gran utilidad para la promoción y la implementación de los SST en bodegas, logrando un sector más competitivo y sostenible, menos dependiente de fuentes de energía no renovables procedentes de terceros países. ABSTRACT The agri-food industry occupies a prominent place in global energy consumption. The large increase in energy prices since 2021 has led to a significant rise in energy bills. Considering these new circunstances, solar water heating systems (SWHS) can contribute to reducing energy costs and dependence on fossil fuels. Nevertheless, there is no literature assessing the viability of using SWHS in wineries. Therefore, our research analyzes the impact of the new energy context on the viability and profitability of solar thermal systems with evacuated tube collectors (ETC) to satisfy part of the demand for process hot water in wineries. With this goal in mind, the production potential of an experimental SWHS-ETC at temperatures up to 90ºC has been characterized by establishing a model which will enable us to ascertain the useful energy that the SWHS-ETC is able to provide as a function of irradiation, tank temperature and ambient temperature. Following the suggested model, the viability and profitability of the SWHS has been analyzed in 22500 cases, combining different consumption patterns, locations, energy prices and prices of the necessary investment. In each scenario, an energy simulation was carried out on an hourly basis, calculating numerous energy and profitability indicators and determining the optimal sizing of the SWHS. Results show that a correct sizing, along with an accurate calculation wich takes into account the seasonality and irregularity of the consumption pattern, is essential in order to achieve the potential savings and profitability of the SWHS. Sizing based on optimizing the "savings/payback" ratio makes it possible to reduce the risk in a context of instability such as the current one, achieving savings in the energy bill close to the maximum potential, but with less investment required. In wineries with high hot water demand, relatively steady throughout the year, the optimized solar system enable energy consumption reductions close to 32% for locations with peak sun hour (PSH) 3.0, 44% for PSH 4.0 and 52% for PSH 5.0, in more than half of the scenarios analyzed. Taking into account the investment cost, the savings in the energy bill through out the useful life of the SWHS reach values between 30% and 40% in favourable scenarios. Therefore, the investment in SWHS is profitable in most cases, with paybacks of less than 4 years in a large number of favourable scenarios, even in locations with low radiation (PSH 3.0). On the contrary, when demand is low and very irregular, investment in SWHS is not profitable in most scenarios, even in high radiation locations. It is not possible to reduce energy consumption without incurring economic losses. In wineries with intermediate demand and a more irregular pattern than that of high-demand wineries, the maximum percentage of reduction in energy consumption decreases to values between 21% and 42% depending on the location. Considering intermediate scenarios close to the present day context, payback ranges from 6 to 12 years. The conclusions of this thesis can be very valuable for the promotion and implementation of SWHS in wineries, achieving a more competitive and sustainable sector, less dependent on non-renewable energy sources from third countries.