Conversión de calor solar o uso directo?
Conversion of solar heat or direct use? Die Umwandlung von Sonnenwärme oder direkten Gebrauch?
Una fuente de energía disponible es la proveniente del sol. Se puede estimar en unos 1000 W/ m2 en zonas de regular exposición solar, la energía potencial disponible.
El gran problema de la energía del sol es transformarla en otra forma de energía útil. Ese proceso implica costosos dispositivos para lograr obtener energía eléctrica , una de las formas más usadas de la energía.
No obstante , una verificación de los procesos industriales y los usos normales de la energía, permite determinar que es posible usar en forma directa la energía en forma de calor, lo que permite evitar esa conversión mencionada.
Esto significa que por lo menos el 57% de la demanda de calor en la industria se realiza en forma de calor directa.
Para alimentar procesos industriales como la fabricación de productos químicos, la fundición de metales o la fabricación de microchips necesitamos una fuente de energía térmica renovable. El uso directo de la energía solar puede ser la solución.
El potencial del calor solar en los procesos industriales (pdf) es aún mayor que en el mercado doméstico. Alrededor del 30% de la demanda de calor a nivel industrial en Europa requiere temperaturas inferiores a los 100ºC.
A una temperatura baja y media, el calor solar se puede usar en procesos industriales de varias maneras. Puede proporcionar agua templada para la limpieza de botellas u otros procesos químicos. En segundo lugar, puede proporcionar aire caliente para procesos de secado y horneado, como por ejemplo, en la industria papelera o alimentaria. En tercer lugar, puede generar vapor que alimente a redes de distribución de calor tan usadas en muchas industrias.
En el uso domiciliario, el calor se usa en calefones solares, o en dispositivos de refrigeración por sistema de absorción, que generan frío en base a una fuente de calor.
El 43% restante de la demanda de calor para uso industrial en Europa requiere temperaturas superiores a 400ºC. Este porcentaje incluye la mayoría de procesos industriales necesarios para la fabricación de fuentes de energía renovables (aerogeneradores, paneles solares, colectores de placa plana y concertadores solares) así como otras tecnologías verdes (como los LED, baterías y bicicletas).
Ejemplos de lo anterior son la producción de vidrio (que requiere temperaturas de hasta 1575ºC), cemento (1450ºC), el reciclaje de aluminio y acero (660ºC y 1520ºC, respectivamente),la producción de acero y aluminio de menas minadas (1800ºC y 2000ºC, respectivamente), el horneado de cerámica (1000-1400ºC) y la fabricación de microchips y celdas solares de silicio (1900ºC).
Los hornos solares pueden producir temperaturas de hasta 3500ºC (6232ºF), suficiente para fabricar microchips, celdas solares, nanotubos de carbono, hidrógeno y todos los metales (incluyendo tungsteno, que tiene un punto de fusión de 3400ºC).
Por ejemplo, el horno solarde Odeillo , Francia, puede generar energía por 1 megavatio de potencia.
Se construyen hornos concentradores pequeños que producen entre 15 y 60 kW.
Almacenamiento de energía.
El problema es que el sol está disponible en determinados horarios y días. Cómo almacenar la energía de la manera que se hace en las centrales de punta, en el sistema eléctrico? Estas centrales proveen energía cuando el pico de consumo se produce y el sistema no puede producir más energía. La energía guardada en forma de energía potencial es convertida a energía eléctrica.
Un cambio de concepto es adaptarse al sol. La producción se realiza cuando el sol está presente. En el momento que no llegue su energía la producción se detiene.
Otras maneras se investigan , como es el caso de guardar energía en forma de aire comprimido. En un caso se la aloja en bolsas sumergidas en lagos. En otro caso se realiza la compresión del aire y se aloja aire a una cierta presión para ser usado como energía mecánica directa.
Almacenamiento en aire comprimido.
El problema de almacenar calor como aire comprimido es que al elevar la presión del aire, se eleva simultáneamente la temperatura del mismo. Entonces nos encontramos con aire comprimido y caliente. El problema es mantener esa situación en el tiempo. Si el calor se pierde , la temperatura del gas disminuye. Si está confinado en un volumen V, constante, y la temperatura disminuye, la constante de los gases : PV/T nos dice que debe disminuir el producto PV, pero V es constante, entonces disminuye P, que es la presión que se aplicó al aire originalmente.
En poco tiempo, la energía potencial mecánica se diluye en...calor.
De esta manera se hacen esfuerzos para evitar esa pérdida. Se ha investigado haciendo que al comprimir el aire, el calor desprendido quede en un sistema con agua. Al requerirse el uso del aire, se lo hace pasar por el agua caliente,en un sistema intercambiador de calor, lo que reconstituye la situación inicial. Es la solución aplicada por una empresa suiza, Enairys. (Enairys, an EPFL start-up based in Lausanne, Switzerland).
Se está investigando sobre la posibilidad de almacenar aire comprimido en hoquedades , lo que implica que sea a determinada profundidad, por el mismo problema mencionado antes. El calor se iría hacia la masa terrestre provocando el cambio de los parámetros del gas.
Por otra parte , es importante notar que no es necesario cambiar de energía mecánica a eléctrica para volver a mecánica en un uso determinado, como podría ser un automóvil eléctrico. Se puede diseñar directamente el automóvil en base a aire comprimido, evitando los pasajes intermedios que implican inversión y pérdidas de energía.
Referencias
( en edición...)
A source of available energy is the coming from the sun. It can be considered in about 1000 W / m2 in areas of regulating solar exhibition, the available potential energy.
The great problem of the energy of the sun is to transform it in another form of useful energy. That process implies expensive devices to be able to obtain electric power, one in the most used ways in the energy.
Nevertheless, a verification of the industrial processes and the normal uses of the energy, it allows to determine that it is possible to use in direct form the energy in form of heat, what allows to avoid that aforementioned conversion.
This means that at least 57% of the demand of heat in the industry is carried out in direct form of heat.
To feed industrial processes as the production of chemical products, the foundry of metals or the microchips production we need a source of renewable thermal energy. The direct use of the solar energy can be the solution.
The potential of the solar heat in the industrial processes (PDF) it is even bigger that in the domestic market. Around 30% of the demand of heat at industrial level in Europe requires inferior temperatures at the 100ºC.
To a low and half temperature, the solar heat you can use in industrial processes in several ways. It can provide temperate water for the cleaning of bottles or other chemical processes. In second place, it can provide hot air for drying processes and baked, for example, in the industry wastebasket or alimentary. In third place, it can generate vapor that feeds to nets of distribution of heat so used in many industries.
In the domiciliary use, the heat is used in solar heaters, or in refrigeration devices for system of absorption that generate cold based on a source of heat.
43 remaining% of the demand of heat for industrial use in Europe requires superior temperatures at 400ºC. This percentage includes most of necessary industrial processes for the production of renewable energy sources (eolic generators, solar panels, collectors of badge plane and conciliatory lots) as well as other green technologies (as the LED, batteries and bicycles).
The above-mentioned examples are the glass production (that requires temperatures of up to 1575ºC), cement factories (1450ºC), the aluminum recycling and steel (660ºC and 1520ºC, respectively), the steel production and aluminum of fewer mined (1800ºC and 2000ºC, respectively), the one baked of ceramic (1000-1400ºC) and the microchips production and solar cells of silicon (1900ºC).
The solar ovens can produce temperatures of up to 3500ºC (6232ºF), enough to manufacture microchips, solar cells, nanotubos of carbon, hydrogen and all the metals (including tungsten that has a point of coalition of 3400ºC).
Energy storage.
The problem is that the sun is available in certain schedules and days. How to store the energy in the way that is made in the tip power stations, in the electric system? These power stations provide energy when the consumption pick takes place and the system cannot produce more energy. The energy kept in form of potential energy is converted to electric power.
A concept change is to adapt in the sun. The production is carried out when the sun is present. In the moment that their energy doesn't arrive the production stops.
Other ways are investigated, like it is the case of keeping energy in compressed air form. In a case it lodges it in bags submerged in lakes. In another case it is carried out the compression of the air and lodges air to a certain pressure to be used as direct mechanical energy.
Storage in compressed air.
The problem of storing heat like compressed air is that when elevating the pressure of the air, rises the temperature of the same one simultaneously. Then we meet with compressed air and heat. The problem is to maintain that situation in the time. If the heat gets lost, the temperature of the gas diminishes. If it is confined in a volume V, constant, and the temperature diminishes, the constant of the gases: PV/T tells us that it should diminish the product PV, but V is constant, then P diminishes that is the pressure that was applied originally to the air.
In little time, the mechanical potential energy is diluted in... heat.
This way efforts are made to avoid that loss. It has been investigated making that when compressing the air, the removed heat is in a system with water. When being required the use of the air, makes it to him to go by the hot water, in a system interchanger of heat, what reconstitutes the initial situation. It is the solution applied by a Swiss company, Enairys. (Enairys, an EPFL start-up based in Lausanne, Switzerland).
It is investigating about the possibility of storing compressed air in holes in the earth, what implies that it is to certain depth, for the same aforementioned problem before. The heat would leave toward the terrestrial mass causing the change of the parameters of the gas.
On the other hand, it is important to notice that it is not necessary to change mechanical energy to electric to return to mechanics in a certain use, like it could be an electric automobile. You can design the automobile directly based on compressed air, avoiding the intermediate passages that imply investment and energy losses.
References
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