El autoconsumo solar fotovoltaico se ha consolidado como una de las medidas clave de sostenibilidad de la industria; sin embargo, un 20% de la capacidad de producción fotovoltaica se pierde por la imposibilidad de acumular la energía o de verterla en la red. Por su parte las instalaciones de refrigeración son grandes consumidoras de energía eléctrica y su hibridación con energía solar fotovoltaica presenta interesantes posibilidades de acumulación de energía en forma de frío.
Uno de los retos de la transición energética a fuentes de energía renovables es la acumulación de la energía eléctrica obtenida del sol y del viento. El modelo energético español está tendiendo a depender en su mayor parte de estas fuentes de energía. En efecto, en la primera mitad de 2024 las energías renovables eólica y solar supusieron más del 40% de la generación eléctrica nacional, y se espera que su contribución en el mix energético español siga creciendo en los próximos años.
El proyecto del nuevo plan integrado de energía y clima (PNIEC) prevé el crecimiento de parque fotovoltaico español hasta los 76GW de potencia en 2030. Pone además gran énfasis en el despliegue de las instalaciones de autoconsumo solar fotovoltaico hasta los 19GW, lo que llevaría a triplicar la capacidad actualmente instalada.
Desgraciadamente, hasta un 20% de la generación solar fotovoltaica se pierde debido a la ausencia de sistemas de acumulación de los excedentes de producción y a las barreras administrativas para su vertido a red. Es por esta razón que es deseable combinar las instalaciones de autoconsumo fotovoltaico con la acumulación a pequeña escala de la energía producida durante el día.
La refrigeración, por su parte, supone cerca del 20% del consumo eléctrico mundial (IIR 2019), formando parte del proceso productivo de numerosas industrias, y llegando a alcanzar hasta el 80% del consumo de electricidad en almacenes frigoríficos y centros de distribución refrigerados.
La combinación de la instalación de energía solar fotovoltaica con una instalación frigorífica con acumulación de energía térmica en forma de frío es a lo que nos referimos aquí como “frío solar fotovoltaico”.
Habitualmente se ha utilizado el término “frío solar” para referirse a los ciclos frigoríficos de absorción accionados mediante energía solar térmica. Estos últimos sistemas no han alcanzado el grado de madurez tecnológica que permita su aplicación práctica; mientras que por el contrario tanto la tecnología fotovoltaica, como la tecnología frigorífica con accionamiento eléctrico, y los bancos de hielo para acumulación de frío, tienen hoy en día una alta madurez en su desarrollo tecnológico e industrial, con una eficiencia inigualable a un coste muy razonable.
Pérdidas de producción fotovoltaica
Las instalaciones fotovoltaicas típicas, con sus módulos fotovoltaicos orientados al sur, se caracterizan por una curva de producción muy predecible que adopta la característica curva de campana invertida.
Las instalaciones frigoríficas por su parte, tienen gran parte de su consumo concentrado en horas diurnas, durante todos los días del año.
Ambas curvas, de producción fotovoltaica y de consumo energético, no coinciden de forma natural, por lo que una buena parte de la energía fotovoltaica se pierde en aquellas instalaciones de producción sin posibilidad de verter los excedentes a red, que es últimamente el caso más habitual.
La siguiente curva muestra dos días soleados de noviembre, donde se deduce la pérdida de producción de energía como la diferencia entre la generación real para atender la demanda instantánea y la campana de producción máxima disponible.
En efecto, el sistema antivertido de la instalación fotovoltaica limita la producción de energía para prevenir la generación de excedentes. Esta pérdida de producción puede representar más de un 20% del potencial anual de producción de energía fotovoltaica.
La acumulación de frío en cámaras frigoríficas
Los almacenes frigoríficos, especialmente los de congelados, son en sí mismos grandes pilas energéticas. España tiene unos 7 millones de m3 de capacidad de almacenamiento en explotaciones frigoríficas, según ALDEFE.
Solamente en estas cámaras de congelados, reduciendo la temperatura sólo 2 o 3 grados, podríamos acumular alrededor de 2 GWh de energía térmica. Esto es un 3 por mil de la generación eléctrica diaria en España. Parece poco, pero no tanto si lo comparamos con la capacidad total de almacenamiento eléctrico en España (unos 20 GWh sumando la hidráulica reversible, la acumulación solar térmica y las baterías).
La acumulación de frío en cámaras frigoríficas
Los almacenes frigoríficos, especialmente los de congelados, son en sí mismos grandes pilas energéticas. España tiene unos 7 millones de m3 de capacidad de almacenamiento en explotaciones frigoríficas, según ALDEFE.
Solamente en estas cámaras de congelados, reduciendo la temperatura sólo 2 o 3 grados, podríamos acumular alrededor de 2 GWh de energía térmica. Esto es un 3 por mil de la generación eléctrica diaria en España. Parece poco, pero no tanto si lo comparamos con la capacidad total de almacenamiento eléctrico en España (unos 20 GWh sumando la hidráulica reversible, la acumulación solar térmica y las baterías).
Utilizando esta capacidad de almacenamiento de frío de las cámaras de congelados, puede diseñarse y programarse la instalación frigorífica de tal manera que se desplace gran parte de la curva de demanda de energía eléctrica a las horas de sol. Es decir, la planta frigorífica funcionaría a pleno rendimiento durante las horas de sol para acumular frío en las cámaras frigoríficas. Acumular frío en una cámara de congelados es tan simple como hacer descender su temperatura unos grados más por debajo de la temperatura de consigna. El frío se acumula en el producto y este frío acumulado durante el día permitiría compensar las pérdidas térmicas durante la noche sin necesidad de que los compresores de la planta frigorífica entren en funcionamiento. De esta manera puede hibridarse mejor la instalación frigorífica con energía solar fotovoltaica de autoconsumo, y alcanzar factores de autoconsumo próximos al 100%.
Para este objetivo, hay que tener en cuenta, no sólo un sistema de control que permita la sincronización de ambas instalaciones, sino también un dimensionamiento adecuado de la instalación frigorífica y la instalación fotovoltaica. En gran parte de los casos puede adaptarse la instalación frigorífica existente, sin necesidad de ampliar la potencia, y únicamente hay que prever el sistema de control y el dimensionamiento de la planta fotovoltaica adaptado a la nueva curva de demanda. En otros casos, al reducir el horario de funcionamiento de la planta a las horas de sol, la potencia frigorífica instalada puede ser insuficiente, y sería necesario ampliarla.
Bancos de hielo de fusión interna de 2.5 MWh de capacidad. Fuente: Fafco
Acumulación de frío en bancos de hielo
La acumulación de frío en cámaras frigoríficas es muy práctica en el caso de cámaras de congelados, pero no tanto en cámaras de productos frescos, donde apenas hay margen de reducción de la temperatura dentro del rango que admite la conservación óptima del producto. En estos casos es preferible la acumulación de frío en bancos de hielo durante el día, y su desacumulación durante la noche.
Instalación fotovoltaica en cubierta. Fuente: Greening Energía.
El diseño del sistema frigorífico viene pues condicionado por la integración de un banco de hielo para el almacenamiento de frío. Un banco de hielo de circuito cerrado permite acumular frío de un circuito de glicol a una temperatura típica de -3/-8ºC y desacumular el frío por la noche produciendo glicol a una temperatura de hasta 2ºC.
Esto nos conduce a la conveniencia de contar con un circuito de glicol a 7/2ºC para el enfriamiento de los servicios de alta temperatura (salas de manipulación y muelles de carga) y otro circuito de glicol a -3/-8ºC para el enfriamiento de las cámaras frigoríficas.
El estado del arte en el enfriamiento del glicol son las plantas con refrigerantes naturales R290 (propano) o R717 (amoniaco) de muy baja carga. El alto rendimiento frigorífico de estos refrigerantes compensa la utilización de un sistema indirecto de refrigeración, que implica un doble salto térmico para el enfriamiento de las cámaras frigoríficas.
El sistema se completa además con una central de CO2 subcrítico condensada en el circuito de glicol de AT. La central tendría un circuito de aspiración a una temperatura de evaporación de -28ºC para las cámaras BT, y un evaporador para enfriar glicol a -8ºC para dar servicio a las cámaras MT durante la noche.
Planta enfriadora de glicol Ammolite de 750kW de potencia frigorífica con tecnología de baja carga de amoniaco. Fuente INTARCON.
Para ilustrar este sistema, se ha tomado como ejemplo un centro logístico de productos refrigerados y congelados, simplificado con las necesidades frigoríficas siguientes.
La instalación tendría un consumo eléctrico diario nominal de 14.5 MWh, de los cuales 12 MWh se consumirían durante las horas de sol. Es decir, el autoconsumo solar fotovoltaico, gracias al almacenamiento de frío, permite cubrir más del 80% de las necesidades de energía eléctrica de la instalación respecto de una instalación sin acumulación de frío, donde el autoconsumo solar FV sólo cubriría el 50% de las necesidades.
En el estudio se han considerado las pérdidas asociadas al bombeo de glicol y las pérdidas de frío del banco de hielo. Además, debido a los saltos de temperatura para acumular frío en el banco de hielo y al trasladar la producción frigorífica a las horas de sol, con una mayor temperatura ambiente, se produce una ligera merma del rendimiento frigorífico. Esto resulta en un consumo eléctrico un 25% superior en el sistema con acumulación, pero que se ve ampliamente compensado por el autoconsumo.
En definitiva, el sistema con acumulación supondría reducir el consumo de electricidad de la red en cerca de un 80% respecto del sistema sin acumulación. Combinando además la acumulación de frío en cámaras de congelados junto con la acumulación de frío en bancos de hielo, podría reducirse aún más el consumo de electricidad de la red.
La inversión inicial en la instalación frigorífica con acumulación de frío en bancos de hielo junto con la instalación solar de autoconsumo es entre 2 y 3 veces la inversión que tendríamos en la instalación sin acumulación. No obstante, gracias al ahorro en la factura de electricidad, es de esperar un plazo de retorno de la sobreinversión de unos 5 años.
Acumulación de frío en un sistema de CO2 transcrítico
Los sistemas indirectos de refrigeración son una solución muy práctica en instalaciones industriales, pero no siempre en grandes instalaciones de refrigeración comercial en supermercados, donde una buena parte del sector ha apostado por los sistemas de CO2 transcrítico.
El ciclo frigorífico de CO2 transcrítico permite la acumulación de frío en un banco de hielo mediante la evaporación de CO2 a media temperatura, aprovechando los excesos de potencia en las horas centrales del día, que coinciden con una menor demanda frigorífica. La temperatura intermedia del recipiente de CO2 puede ajustarse a valores próximos a 10ºC para permitir la condensación del flash gas con el frío recuperado del banco de hielo.
En este sistema no se busca tanto la eficiencia energética, sino la adaptación de la demanda de energía eléctrica a la producción de energía solar fotovoltaica. En la medida en que la energía eléctrica tiene un origen renovable, pierde relevancia la eficiencia energética en favor de poder aprovechar todo el potencial de producción eléctrica renovable.
El coste del sistema de acumulación se ve parcialmente compensado por la simplicidad de la central frigorífica, que podría incluso prescindir de los variadores de frecuencia en los compresores. Una ventaja adicional de este sistema es que el banco de hielo sirve como sistema de emergencia para mantener la presión del CO2 ante un corte de suministro eléctrico o una avería.
En definitiva, la hibridación de las instalaciones frigoríficas con energía solar fotovoltaica y acumulación de frío, es una tecnología con grandes posibilidades aún por explorar. Al estar basada en soluciones comerciales ampliamente probadas es fácil de implementar a la vez que promete resultados a corto plazo.
