Evaluación de un sistema de energía solar térmica basado en colectores de tubos de vacío para suministro de agua a alta temperatura

Esta tesis pretende contribuir al fomento y utilización de la energía solar como alternativa para la producción de agua caliente en el sector agroindustrial. La demanda de agua caliente es un aspecto clave en un gran número de agroindustrias y explotaciones agrarias. Esta demanda presenta una gran variabilidad, tanto en los horarios en que se solicita como en la temperatura del agua del depósito requerida (TADr), difiriendo del perfil de demanda habitual para uso doméstico. Existe una necesidad de profundizar en la influencia que tiene la variación de la TADr en la eficiencia y viabilidad de estos sistemas. El objetivo principal de esta tesis es caracterizar el funcionamiento de un sistema solar térmico (SST) con captador de tubos de vacío (CTV) para producir agua a temperaturas superiores a las habituales en estos sistemas. Se pretende determinar la influencia que la TADr tiene sobre la eficiencia energética del sistema, cuantificar el volumen de agua caliente que es capaz de suministrar en función de la TADr y determinar la rentabilidad del SST como sistema complementario de suministro. Para ello, se ha diseñado, instalado y puesto a punto un sistema experimental de calentamiento de agua, monitorizando su funcionamiento a diferentes TADr bajo condiciones ambientales reales. Los resultados cuantifican cómo el aumento de la TADr provoca una disminución de la energía suministrada al depósito, pudiendo superar diferencias de 1000 Wh m-2 d-1 entre 40 ºC y 80 ºC, para valores de irradiación solar próximos a 8000 Wh m-2 d-1 (la eficiencia del sistema oscila entre 73% y 56%). Esta reducción es consecuencia de la disminución de la eficiencia del captador y del aumento de las pérdidas de calor en las tuberías del circuito. En cuanto al agua suministrada, cuanto mayor es la TADr, mayor es la irradiación solar requerida para que tenga lugar la primera descarga de agua, aumentando el tiempo entre descargas y disminuyendo el número de éstas a lo largo del día. A medida que se incrementa la TADr, se produce una reducción del volumen de agua suministrado a la TADr, por factores como la pérdida de eficiencia del captador, las pérdidas en las tuberías, la energía acumulada en el agua que no alcanza la TADr y la mayor energía extraída del sistema en el agua producida. Para una TADr de 80 ºC, una parte importante de la energía permanece acumulada en el depósito sin alcanzar la TADr al final del día. Para aprovechar esta energía sería necesario disponer de un sistema complementario de suministro, ya que las pérdidas de calor nocturnas en el depósito pueden reducir considerablemente la energía útil disponible al día siguiente. La utilización del sistema solar como sistema único de suministro es inviable en la mayoría de los casos, especialmente a TADr elevadas, al no ajustarse la demanda de agua caliente a la estacionalidad de la producción del sistema solar, y al existir muchos días sin producción de agua caliente por la ausencia de irradiación mínima. Por el contrario, la inversión del sistema solar como sistema complementario para suministrar parte de la demanda térmica de una instalación es altamente recomendable. La energía útil anual del sistema solar estimada oscila entre 1322 kWh m-2 y 1084 kWh m-2. La mayor rentabilidad se obtendría suponiendo la existencia de una caldera eléctrica, donde la inversión se recuperaría en pocos años -entre 5.7 años a 40 ºC y 7.2 años a 80 ºC -. La rentabilidad también es elevada suponiendo la existencia de una caldera de gasóleo, con periodos de recuperación inferiores a 10 años. En una industria ficticia con demanda de 100 kWh d-1 y caldera de gasóleo existente, la inversión en una instalación solar optimizada sería rentable a cualquier TADr, con valores de VAN cercanos a la inversión realizada -12000 € a 80 ºC y 15000€ a 40 ºC- y un plazo de recuperación de la inversión entre 8 y 10 años. Los resultados de este estudio pueden ser de gran utilidad a la hora de determinar la viabilidad de utilización de sistemas similares para suministrar la demanda de agua caliente de agroindustrias y explotaciones agropecuarias, o para otras aplicaciones en las que se demande agua a temperaturas distintas de la habitual en uso doméstico (60 ºC). En cada caso, los rendimientos y la rentabilidad vendrán determinados por la irradiación de la zona, la temperatura del agua requerida y la curva de demanda de los procesos específicos. ABSTRACT The aim of this thesis is to contribute to the development and use of solar energy as an alternative for producing hot water in the agribusiness sector. Hot water supply is a key issue for a great many agribusinesses and agricultural holdings. Both hot water demand times and required tank water temperature (rTWT) are highly variable, where the demand profile tends to differ from domestic use. Further research is needed on how differences in rTWT influence the performance and feasibility of these systems. The main objective of this thesis is to characterize the performance and test the feasibility of an evacuated tube collector (ETC) solar water heating (SWH) system providing water at a higher temperature than is usual for such systems. The aim is to determine what influence the rTWT has on the system’s energy efficiency, quantify the volume of hot water that the system is capable of supplying at the respective rTWT and establish whether SWH is feasible as a booster supply system for the different analysed rTWTs. To do this, a prototype water heating system has been designed, installed and commissioned and its performance monitored at different rTWTs under real operating conditions. The quantitative results show that a higher rTWT results in a lower energy supply to the tank, where the differences may be greater than 1000 Wh m-2 d-1 from 40 ºC to 80 ºC for insolation values of around 8000 Wh m-2 d-1 (system efficiency ranges from 73% to 56%). The drop in supply is due to lower collector efficiency and greater heat losses from the pipe system. As regards water supplied at the rTWT, the insolation required for the first withdrawal of water to take place is greater at higher rTWTs, where the time between withdrawals increases and the number of withdrawals decreases throughout the day. As rTWT increases, the volume of water supplied at the rTWT decreases due to factors such as lower collector efficiency, pipe system heat losses, energy stored in the water at below the rTWT and more energy being extracted from the system by water heating. For a rTWT of 80 ºC, much of the energy is stored in the tank at below the rTWT at the end of the day. A booster supply system would be required to take advantage of this energy, as overnight tank heat losses may significantly reduce the usable energy available on the following day. It is often not feasible to use the solar system as a single supply system, especially at high rTWTs, as, unlike the supply from the solar heating system which does not produce hot water on many days of the year because insolation is below the required minimum, hot water demand is not seasonal. On the other hand, investment in a solar system as a booster system to meet part of a plant’s heat energy demand is highly recommended. The solar system’s estimated annual usable energy ranges from 1322 kWh m-2 to 1084 kWh m-2. Cost efficiency would be greatest if there were an existing electric boiler, where the payback period would be just a few years —from 5.7 years at 40 ºC to 7.2 years at 80 ºC—. Cost efficiency is also high if there is an existing diesel boiler with payback periods of under 10 years. In a fictitious industry with a demand of 100 kWh day-1 and an existing diesel boiler, the investment in the solar plant would be highly recommended at any rTWT, with a net present value similar to investment costs —12000 € at 80 ºC and 15000 € at 40 ºC— and a payback period of 10 years. The results of this study are potentially very useful for determining the feasibility of using similar systems for meeting the hot water demand of agribusinesses and arable and livestock farms or for other applications demanding water at temperatures not typical of domestic demand (60ºC). Performance and cost efficiency will be determined by the regional insolation, the required water temperature and the demand curve of the specific processes in each case.

Tratamientos avanzados de agua potable para eliminación de materia orgánica disuelta : aplicación del BAC

Los procesos de biofiltración por carbón activo biológico se han utilizado desde hace décadas, primeramente en Europa y después en Norte América, sin embargo no hay parámetros de diseño y operación específicos que se puedan utilizar de guía para la biofiltración. Además, el factor coste a la hora de elegir el carbón activo como medio de filtración impacta en el presupuesto, debido al elevado coste de inversión y de regeneración. A la hora de diseñar y operar filtros de carbón activo los requisitos que comúnmente se buscan son eliminar materia orgánica, olor, y sabor de agua. Dentro de la eliminación de materia orgánica se precisa la eliminación necesaria para evitar subproductos en la desinfección no deseados, y reducir los niveles de carbono orgánico disuelto biodegradable y asimilable a valores que consigan la bioestabilidad del agua producto, a fin de evitar recrecimiento de biofilm en las redes de distribución. El ozono se ha utilizado durante años como un oxidante previo a la biofiltración para reducir el olor, sabor, y color del agua, oxidando la materia orgánica convirtiendo los compuestos no biodegradables y lentamente biodegradables en biodegradables, consiguiendo que puedan ser posteriormente eliminados biológicamente en los filtros de carbón activo. Sin embargo la inestabilidad del ozono en el agua hace que se produzcan ácidos carboxilos, alcoholes y aldehídos, conocidos como subproductos de la desinfección. Con esta tesis se pretende dar respuesta principalmente a los siguientes objetivos: análisis de parámetros requeridos para el diseño de los filtros de carbón activo biológicos, necesidades de ozonización previa a la filtración, y comportamiento de la biofiltración en un sistema compuesto de coagulación sobre un filtro de carbón activo biológico. Los resultados obtenidos muestran que la biofiltración es un proceso que encaja perfectamente con los parámetros de diseño de plantas con filtración convencional. Aunque la capacidad de eliminación de materia orgánica se reduce a medida que el filtro se satura y entra en la fase biológica, la biodegradación en esta fase se mantienen estable y perdura a lo lago de los meses sin preocupaciones por la regeneración del carbón. Los valores de carbono orgánico disuelto biodegradable se mantienen por debajo de los marcados en la literatura existente para agua bioestable, lo que hace innecesaria la dosificación de ozono previa a la biofiltración. La adición de la coagulación con la corrección de pH sobre el carbón activo consigue una mejora en la reducción de la materia orgánica, sin afectar a la biodegradación del carbón activo, cumpliendo también con los requerimientos de turbidez a la salida de filtración. Lo que plantea importantes ventajas para el proceso. Granular activated carbon filters have been used for many years to treat and produce drinking water using the adsorption capacity of carbon, replacing it once the carbon lost its adsorption capacity and became saturated. On the other hand, biological activated carbon filters have been studied for decades, firstly in Europe and subsequently in North America, nevertheless are no generally accepted design and operational parameters documented to be used as design guidance for biofiltration. Perhaps this is because of the cost factor; to choose activated carbon as a filtration media requires a significant investment due to the high capital and regeneration costs. When activated carbon filters are typically required it is for the reduction of an organic load, removal of colour, taste and / or odour. In terms of organic matter reduction, the primary aim is to achieve as much removal as possible to reduce or avoid the introduction of disinfection by products, the required removal in biodegradable dissolved organic carbon and assimilable organic carbon to produce a biologically stable potable water which prohibits the regrowth of biofilm in the distribution systems. The ozone has historically been used as an oxidant to reduce colour, taste and odour by oxidizing the organic matter and increasing the biodegradability of the organic matter, enhancing the effectiveness of organic removal in downstream biological activated carbon filters. Unfortunately, ozone is unstable in water and reacts with organic matter producing carboxylic acids, alcohols, and aldehydes, known as disinfection by products. This thesis has the following objectives: determination of the required parameters for the design of the biological activated filters, the requirement of ozonization as a pre-treatment for the biological activated filters, and a performance assessment of biofiltration when coagulation is applied as a pretreatment for biological activated carbon filters. The results show that the process design parameters of biofiltration are compatible with those of conventional filtration. The organic matter removal reduces its effectiveness as soon as the filter is saturated and the biological stage starts, but the biodegradation continues steadily and lasts for a long period of time without the need of carbon regeneration. The removal of the biodegradable dissolved organic carbon is enough to produce a biostable water according to the values shown on the existing literature; therefore ozone is not required prior to the filtration. Furthermore, the addition of coagulant and pH control before the biological activated carbon filter achieves a additional removal of organic matter, without affecting the biodegradation that occurs in the activated carbon whilst also complying with the required turbidity removal.

Determinación de los parámetros de diseño a aplicar al proyecto de grandes yates a motor, en base a nuevos requerimientos de eficiencia energética y protección del medioambiente marino

Durante los últimos años, la construcción de grandes yates ha evolucionado hacia conceptos y diseños más complejos dónde se ha priorizado en muchas ocasiones la estética arquitectónica y exigencias de confort de los armadores y operadores dejando en segundo plano aspectos clave de seguridad. Diferentes Organismos Internacionales y las Sociedades de Clasificación han venido adaptando sus requisitos a la problemática específica de este tipo de buques, tratando de compatibilizar tendencias de diseño con exigencias de resistencia, integridad estructural, estanqueidad y seguridad entre otras. En la actualidad, la construcción de grandes yates con esloras incluso por encima de los 100 metros, el aumento del número de pasajeros por encima del límite tradicional de 12, las nuevas tendencias de ahorro energético y protección medioambiental que se están implantando en la industria en general y marítima en particular, plantean una serie de desafíos tanto a los diseñadores como a las Sociedades de Clasificación que deben avanzar en sus reglamentaciones para cubrir estos y otros aspectos. Son precisamente estos aspectos medioambientales, tradicionalmente relegados en la industria de grandes yates los que están ocupando en la actualidad un primer plano en los desarrollos de normativa de diferentes Organismos Internacionales y Nacionales. El impacto que estas nuevas normativas van a tener sobre el diseño de grandes yates a motor centra el desarrollo de esta Tesis. Hasta donde ha podido conocer el doctorando, esta es la primera vez que en una Tesis Doctoral se abordan los principales mecanismos que regulan el diseño y la construcción de grandes yates a motor, se estudian y analizan las regulaciones internacionales en materia de protección medioambiental y de eficiencia energética aplicables a los yates, se seleccionan y describen un conjunto de tecnologías maduras de carácter medioambiental, susceptibles de ser empleadas en yates y se determina los parámetros y aspectos del diseño a aplicar al proyecto de grandes yates a motor como resultado de la aplicación de estas tecnologías, analizados bajo la perspectiva de la Sociedad de Clasificación y de los Organismos Internacionales. La Tesis comienza con un análisis de la industria de construcción de grandes yates, la flota existente de grandes yates, la cartera actual de pedidos y la evolución esperada del mercado. Aquí se pone de manifiesto que a pesar de la crisis económica global de los últimos años, este mercado goza relativamente de buena salud y las previsiones son favorables, particularmente para el sector en Europa. A continuación se aborda el estado del arte del diseño de yate grande, sus peculiaridades, particularmente estructurales y de armamento, que le diferencian de otros tipos de buques y las tendencias en su diseño. Se pone de manifiesto cómo el proyecto de estos yates ha evolucionado hacia yates de gran tamaño y complejidad técnica, debido a la demanda y necesidades actuales y cómo ha influido en aspectos como la disposición estructural. Seguidamente se describen los principales mecanismos que regulan el diseño y construcción de grandes yates, particularmente el Código de Grandes Yates Comerciales de la Maritime & Coastguard Agency del Reino Unido, y las Reglas y Reglamentos de la Sociedad de Clasificación Lloyd’s Register para la Clasificación de yates; por ser ambas organizaciones las que lideran el Registro y la Clasificación respectivamente de este tipo de buques, objeto del estudio. El doctorando ejerce su actividad profesional como inspector de Lloyd’s Register en una oficina técnica de apoyo y evaluación de diseño, siendo especialista en grandes yates, lo que ha permitido exponer de primera mano el punto de vista de la Sociedad de Clasificación. En el siguiente Capítulo se describen las principales reglamentaciones internacionales de carácter medioambiental que afectan al diseño, construcción y operación de los yates, algunas de las cuales, como es el caso del Convenio Internacional para el Control y la Gestión del Agua de Lastre y Sedimentos de los buques (BWM 2004) aún no ha entrado en vigor a la fecha de terminación de esta Tesis. Seguidamente se realiza una selección de tecnologías desde el punto de vista de protección medioambiental y ahorro energético y su aplicación al diseño y construcción de grandes yates. Algunas de estas tecnologías son maduras y ya habían sido utilizadas con éxito en otros tipos de buques, pero su aplicación a los yates entraña ciertos desafíos que se describen en este Capítulo. A continuación se determinan y analizan los principales parámetros de diseño de los yates grandes a motor como consecuencia de las tecnologías estudiadas y se indican una serie de aspectos de diseño bajo la perspectiva de la Sociedad de Clasificación y de los Organismos Marítimos Internacionales. Finalmente se llega a una serie de conclusiones y se identifican futuras líneas de investigación en relación a las tecnologías descritas en este trabajo. ABSTRACT In recent years, the building of large yachts has evolved into more complex concepts and designs where often prioritized architectural aesthetics and comfort requirements of owners and operators leaving in the background key security aspects. Several international organizations and classification societies have been adapting their requirements to the specific problems of this type of vessel, trying to reconcile demands design trends with resistance, structural integrity, watertightness and safety among others. At present, the building of large yachts with lengths even above 100 meters, the increase in passenger numbers over the traditional limit of 12, new trends of energy saving and environmental protection are being implemented in the marine industry in particular, they pose a number of challenges to both designers and classification societies that should update and improve their regulations to cover these and other aspects. It is precisely these environmental issues, traditionally relegated to the large yacht industry, which are currently occupying center stage in the development of rules of different international and national bodies. The impact that these new standards will have on the design of large motor yachts focuses the development of this thesis. As far as it is known, this is the first time in a doctoral thesis the main mechanisms regulating the design and construction of large motor yachts are addressed, the international regulations on environmental protection and energy efficiency requirements for yachts are studied and analyzed, a set of mature environmental technologies, capable of being applied to yachts are selected and described, the parameters and design aspects to be applied to large yacht projects as a result of the application of these technologies are determined and analyzed from the perspective of the Classification Society and international organizations. The thesis begins with an analysis of the shipbuilding industry of large yachts, the existing fleet of large yachts, the current backlog and the expected market developments. Here it becomes clear that despite the global economic crisis of recent years, this market enjoys relatively good health and prospects are favorable, particularly for the sector in Europe. Then the state of the art of large yacht design, its peculiarities, particularly structural and outfitting, that differentiate it from other types of ships and trends in design is discussed. It shows how the project of these yachts has evolved to large yachts and technical complexity, due to the demand and needs and how it has influenced the structural arrangement aspects. Then the main mechanisms regulating the design and construction of large yachts, particularly the Large Commercial Yacht Code developed by the Maritime & Coastguard Agency (UK) and the Lloyd’s Register Rules & Regulations for the Classification of Special Service Craft including yachts are described; the two organizations to be leading the registration and classification respectively of such vessels under study. The doctoral student practices his profession as a senior specialist to Lloyd’s Register in a technical support office, dealing with the design assessment of large yachts, which allowed exposing firsthand view of the Classification Society. In the next chapter describes the main international environmental regulations, affecting the design, construction and operation of yachts, some of which, such as the International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments (BWM 2004) has not yet entered into force at the date of completion of this thesis. Following is a selection of technologies from the point of view of environmental protection and energy saving and its application to design and construction of large yachts. Some of these technologies are mature and have already been used successfully in other ship types, but their application to yachts entails certain challenges that are described in this chapter. Then identifies and analyzes the main design parameters of large motor yachts as a result of the technologies studied and a number of design aspects are given from the perspective of Classification Society and international maritime organizations. Finally, a number of conclusions are exposed, and future research is identified in relation to the technologies described in this Thesis.