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El sector vitivinícola puede jugar un papel muy relevante en el liderazgo en la lucha del sector productivo contra el cambio climático

Integración de las energías renovables en la industria del vino

Joan Carles Bruno Argilaguet, Dept. Ingeniería Mecánica, Universitat Rovira i Virgili. juancarlos.bruno@urv.cat10/07/2018
En el sector vitivinícola, al igual que en muchos otros sectores, la aplicación de las energías renovables juega un papel fundamental para combatir el cambio climático y mejorar la competitividad de las empresas. En este artículo se citan algunos ejemplos de aplicación en Cataluña, y posteriormente se ofrece una breve descripción de las principales tecnologías para el aprovechamiento de las energías renovables de especial interés para la industria del vino.

El cambio climático supone nuevos retos por lo que respecta al aprovisionamiento de energía y la reducción del nivel de emisiones a los que no es ajeno el sector vitivinícola. Por lo tanto, este sector tiene que hacer también un esfuerzo importante en el uso eficiente de la energía y la adopción de tecnologías basadas en las energías renovables. La trascendencia de esta labor viene marcada además por la relevancia del sector en consumo energético dentro del sector primario. Según la estimación hecha en el ‘Pla de l'Energia de Catalunya 2006-2015’, el sector de la viña representa el 10.9% del consumo energético directo total de los principales cultivos en Cataluña, ocupando el tercer lugar solo por debajo de los cereales y la fruta dulce, y por delante de otros sectores muy relevantes también en la región como son el olivar y los frutos secos.

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La biomasa puede utilizarse para varios fines.

El consumo energético está presente en toda la cadena de producción, desde las viñas durante el proceso de recolección y transporte, pasando por las bodegas, en el proceso de elaboración y la parte final de envasado y distribución a consumidores. No existe mucha información publicada sobre el consumo energético en bodegas y, por ello, el rango de consumos energéticos puede ser muy amplio y probablemente, muy específico para cada caso. A modo de ejemplo, en una auditoria energética realizada en 20 bodegas de Castilla-La Mancha, Castilla y León, Aragón y Navarra en el período 2007-11 [1], el consumo eléctrico en bodegas oscila entre 16.31 kWh/Tm de producción total para pequeñas instalaciones de menos de 25000 hectolitros de vino hasta 3.76 kWh/Tm para grandes instalaciones con una producción de más de 50000 hectolitros de vino al año.

En este artículo se citan brevemente algunos ejemplos de aplicación de energías renovables en bodegas en Cataluña, y posteriormente se ofrece una descripción de las principales tecnologías para el aprovechamiento de las energías renovables de especial interés para la industria del vino. Lamentablemente, por razones de espacio no se describirán de forma detallada los principios de funcionamiento de cada tecnología, pero el lector puede acceder fácilmente a las numerosas fuentes bibliográficas existentes. Si se incidirá con más detalle en los equipos de bomba de calor que quizás son más desconocidos y con un potencial de crecimiento muy importante en el sector de la elaboración del vino.

Ejemplos de instalaciones en Cataluña

En todo el mundo se están utilizando diferentes tipos de energías renovables en bodegas, principalmente energía solar y biomasa. A continuación, se van a mencionar algunos ejemplos del sector en Cataluña.

  • Bodegues Torres (Biomassa de la vinya y forestal, y energía solar): El objetivo es disminuir el consumo energético y sustituir progresivamente la energía más convencional por energía renovable tanto en sus instalaciones en España como en Chile y California. En la bodega de Pacs del Penedès se dispone de 12.000 m2 de paneles fotovoltaicos, paneles para producir agua caliente y una caldera de biomasa que se alimenta con residuos de poda, y de aprovechamiento de otro material propio y forestal. Además el vehículo para visitas dispone también de placas solares y motor eléctrico.
  • Bodega Gramona (Bomba de calor geotérmica y Solar fotovoltaica): Dispone de un sistema fotovoltaico de 49 kW distribuidos en 196 paneles de 250 Wp, y destinado al autoconsumo eléctrico que permite obtener ahorros energéticos de hasta un 15%. También cuenta con dos unidades de bomba de calor que utilizan como sumidero/fuente de calor energía geotérmica. Durante el invierno se produce calor a unos 40 °C (2x60 kW) para la climatización de oficinas y de la sala de embotellado. Además se produce frío a unos -3 °C durante todo el año para la línea de producción (2x40 kW).
  • Cavas Vilarnau (Biomasa): Dispone de una caldera de biomasa de 130 kW capaz de cubrir el 80% de la demanda térmica (esterilización de materiales y líneas de embotellado, limpieza de filtros, barricas y en el proceso de vinificación, además de los circuitos de calefacción de las instalaciones de la bodega. Se utilizan los restos de poda de las viñas para producir agua caliente a 80 °C. Dentro del mismo proyecto que ha impulsado esta instalación (VinyesXcalor, LIFE+), se ha construido una red de calor del Penedès (Barrio de la Girada) que por el momento cubre cuatro edificios municipales y utiliza como fuente de energía restos de poda en una caldera de 500 kW situada de forma anexa al edificio del Archivo Comarcal de Vilafranca del Penedés.
  • Cades Penedès (biogas para cogeneración y biomasa): Esta empresa nació en el año 1972, de la unión de cuatro pequeñas alcoholeras y dos importantes productores de vino. Genera 500 kW de potencia eléctrica con biogás procedente de un equipo de digestión anaerobia utilizando materia orgánica residual del proceso productivo.

Por razones obvias, las tecnologías solar y biomasa son las más utilizadas, pero existen otras tecnologías que también pueden llegar a ser relevantes. A continuación se describen brevemente empezando por las dos más extendidas en el sector. Algunas, en una fase de desarrollo muy inicial, como por ejemplo las relacionadas con las tecnologías del hidrógeno, no se han incluido.

Energía solar, fotovoltaica y térmica

Las instalaciones con energía solar se dividen principalmente en solar fotovoltaica para la producción directa de energía eléctrica y solar térmica para la producción de calor que puede darse a diferentes temperaturas según el tipo de colector. También se han empezado a comercializar sistemas con colectores híbridos Fotovoltaicos/Térmicos (PV/T) que permiten la producción simultánea de electricidad y agua caliente. Que si bien no suele alcanzar temperaturas idóneas para calefacción sí que pueden servir para precalentamiento tanto en calefacción como en agua caliente sanitaria. La principal ventaja de estos sistemas es la reducción del espacio requerido al unir los dos tipos de captadores en uno solo y también en una mejora potencial de la eficiencia del captador fotovoltaico al reducir su temperatura de funcionamiento.

La gran mayoría de instalaciones solares en el sector, ya conocidas en muchos casos como ‘Solar Wineries’ se encuentran en Estados Unidos (168) y en Europa (101) [2]. En Europa, los porcentajes más altos de instalaciones se encuentran en Alemania (45%), Italia (25%), Francia (11%) y España (8%). De estas instalaciones europeas, el 89% corresponden a instalaciones en techo seguidas a mucha distancia por las integradas en el edificio (4%).

La utilización de energía solar térmica no está tan extendida como la fotovoltaica [3] pero sí que se han realizado algunas instalaciones utilizando colectores planos o de vacío para el suministro de calor entre 70 y 90 °C. Se utilizan para generar agua caliente para esterilización, para el proceso productivo y en algún caso, para producción de frío utilizando equipos de refrigeración con activación térmica tal como se verá más adelante.

Biomasa para calor, pirolisis y gasificación

La biomasa no solo es susceptible de ser utilizada para combustión en caldera, sino también en procesos de pirólisis y gasificación para la obtención de combustibles adecuados para cogeneración o poligeneración de energía, y en algunos casos también sólidos para la mejora del suelo. La gasificación ya cuenta con algunas instalaciones en operación. Por ejemplo, en la empresa Energía Natural de Mora (Tarragona) en la que se realiza la gasificación de cascara de almendra para producir 750 kW de energía eléctrica, o en la planta de Movialsa (Campo de Criptana, Ciudad Real), donde se gasifican distintos residuos agrícolas para producir 5.900 kW de potencia eléctrica. También cabe mencionar el Proyecto Ecorkwaste que estudia la gasificación de los restos de la industria del corcho, que está muy relacionado con el sector.

Biogás

El biogás es el producto resultante de la digestión anaerobia de la materia orgánica en plantas de tratamiento de aguas residuales o de diversos residuos agrícolas. El biogás puede utilizarse, después de su tratamiento adecuado, como combustible en motores para la generación de electricidad y calor, y también la conversión de este último en frío. Otra alternativa menos convencional es la posibilidad de separar el CO2 existente en el biogás para producir el llamado gas natural sintético (SNG), con mayor contenido energético y más valor, y que potencialmente se podría inyectar a la red de gas natural, lo cual facilitaría la viabilidad de la producción del biogás y su tratamiento.

Refrigeración activada con energía térmica

Como se ha mencionado anteriormente también es posible la producción de frío a diferentes niveles de temperatura mediante equipos de refrigeración con activación térmica. En estos equipos se utiliza una fuente de calor, como podría ser agua caliente a 80-90 °C, para generar agua fría a 7 °C, o mediante niveles de temperatura más elevada, de más de 100 °C, se pueden conseguir temperaturas por debajo de 0 °C. A diferencia de las enfriadoras de agua convencionales, el consumo eléctrico es muy bajo. Simplemente requerido para accionar una bomba de recirculación de solución en lugar de un compresor de vapor como en el caso de las enfriadoras eléctricas. Son equipos especialmente adecuados cuando se dispone de calor residual excedente por ejemplo de sistemas de cogeneración o plantas solares térmicas.

Bombas de calor

Las bombas de calor son dispositivos que como su nombre indica, en modo calefacción, permiten extraer calor de un determinado medio o fuente de calor como puede ser el ambiente, para cederlo a más alta temperatura a un recinto o sistema a calentar para calefacción de espacios o producción de agua caliente (Figura 1). O, en modo refrigeración, permiten bombear calor desde recintos o sistemas que se desea mantener a baja temperatura como puede ser la climatización de espacios o la producción de agua fría, y cederlo a sumideros de calor a más alta temperatura, como puede ser el ambiente exterior. Nos referimos a bombas de calor reversibles si permiten operar en ambos modos, y a enfriadoras, si operan solo en modo de enfriamiento o, simplemente hablamos de bombas de calor si operan únicamente en modo calefacción.

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Figura 1. Ejemplo de esquema de funcionamiento de una bomba de calor.

En muchos casos se trata de sistemas altamente eficientes, con un bajo consumo eléctrico. En el ejemplo mostrado en la figura, con un 1 kW eléctrico pueden conseguirse 3 kW de calor. Por otra parte, según la directiva europea de energías renovables (Directive 2009/28/EC) las bombas de calor por encima de una eficiencia mínima están reconocidas como una tecnología de energía renovable, tanto si la energía eléctrica empleada proviene de fuentes de energía renovables o no. En la decisión de la Comisión Europea de 1 de marzo de 2013 por la que se establecen las directrices para los Estados miembros sobre el cálculo de la energía renovable procedente de bombas de calor de diferentes tecnologías de conformidad con el artículo 5 de la Directiva 2009/28/CE, la eficiencia estacional mínima para considerar una bomba de calor eléctrica como una tecnología renovable es actualmente de 2.5, y de 1.15 para las bombas de calor de accionamiento térmico. Se está adoptando actualmente el término de energía aerotérmica (aerothermal energy) o simplemente aerotermia si la fuente de calor para la bomba de calor es el aire, energía geotérmica (geothermal energy) si es el suelo o calor hidrotérmico (hydrothermal heat) cuando se emplea agua como foco frío.

El uso de bombas de calor de diferentes tipos está demostrando ser una alternativa eficiente a las calderas de combustión, sobre todo en las instalaciones actuales tendentes a desplazar cada vez más el uso de combustibles y la energía térmica por sistemas cada vez más eléctricos. Probablemente la aplicación más importante de las bombas de calor en un futuro será el suministro simultáneo de frío y calor. Esta nueva capacidad se puede lograr de muy diversas formas. Una de ellas es combinando sistemas de bomba de calor y enfriadoras, o recuperando calor de las enfriadoras como se muestra en la Figura 2.

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Figura 2. Posibles esquemas de producción de calor y frío simultaneo con bombas de calor, mediante: a) Una enfriadora y una bomba de calor conectadas en serie, b) con recuperación de calor de una enfriadora para la producción de calor. Fuente: Mayekawa Plus+Heat.

También puede generarse simultáneamente calor y frío con bombas de calor basadas en el CO2 como fluido de trabajo. En este caso con un solo equipo es posible reemplazar una caldera y una enfriadora, con los consiguientes ahorros en combustible, reducción de la energía térmica disipada en una torre de refrigeración o al ambiente, costes de mantenimiento, etc. Actualmente en las instalaciones de Somerston Wine Co. de Napa Valley en California ya se está utilizando un equipo de estas características [4]. Este equipo opera con un refrigerante natural, CO2, en ciclo supercrítico o transcrítico y es capaz de suministrar calor entre 65 y 90 °C, no requiere torres de refrigeración o pozos geotérmicos, y proporciona agua glicolada a baja temperatura (en un rango entre -9 y 32 °C). La potencia en calefacción varía entre 100 kW y 50 kW, y el rango para la producción de frío va de 82 a 356 kW. La eficiencia del equipo considerando la producción combinada de frío y calor se aproxima a 8. Esto significa que por cada kW de energía eléctrica se obtienen 8 kW de energía térmica en forma de calor y de frío. Otra forma de generar frío y calor simultáneamente consiste en el empleo de bombas de calor híbridas o bombas de calor de resorción/compresión. Estas bombas permiten generar calor a temperaturas aún más elevadas, habitualmente entre 90 y unos 140 °C, y frío a un nivel de temperatura variable según las condiciones de operación.

ORC – Producción de electricidad con calor residual

También se están desarrollando sistemas de recuperación de calor residual utilizando fluidos orgánicos en ciclos Rankine de pequeña potencia. Anteriormente esta tecnología se encontraba disponible solamente para alta potencia, en torno a más de 300 kW hasta unos pocos MW. Pero con los nuevos sistemas de pequeña capacidad es posible por ejemplo la recuperación de calor de los gases de escape en calderas de biomasa para la producción adicional de energía eléctrica. El rango de potencia eléctrica que se puede generar con estas pequeñas instalaciones puede ir desde 5 a 120 kW permitiendo reconvertir instalaciones de producción de calor con biomasa en centrales de cogeneración de electricidad y calor.

Transporte de calor por redes de distrito

El transporte de calor mediante redes de distrito juega un papel importante en aquellos casos en los que el centro de producción del calor a partir de la materia orgánica disponible pueda encontrarse alejado de los usuarios potenciales de calor como puedan ser viviendas, centros públicos u otras industrias. Y, por otro lado, permite centralizar la recogida de biomasa y de producción de energía, ya sea en forma de calor o de energía eléctrica mediante el empleo de tecnologías más eficientes como la gasificación de la biomasa en lugar de su uso directo mediante combustión que resulta menos eficiente. Y, por otra parte, alejar los posibles focos de emisiones de los puntos de consumo.

Conclusiones

El sector vitivinícola, debido a su importancia, puede jugar un papel muy relevante en el liderazgo en la lucha del sector productivo contra el cambio climático mediante la aplicación de medidas de ahorro energético y también de tecnologías de aprovechamiento de las energías renovables.

Las nuevas tecnologías más adaptadas al sector no solo se reducen a los avances en sistemas de energía solar y de biomasa para calefacción, que son las más usadas en el sector, sino también a otras muchas. Entre estas cabe mencionar las tecnologías bioenergéticas para la producción de biogás, bio-oil a partir de pirolisis y gas de síntesis mediante gasificación para la producción de biocombustibles de alto valor añadido que pueden usarse no solo como combustibles para la generación de energía eléctrica y térmica, sino también para aplicaciones de movilidad sostenible en vehículos. También jugarán un papel muy relevante las bombas de calor, sobre todo de producción de frío y calor para desplazar en muchos casos y al mismo tiempo, a los sistemas con caldera y a las enfriadoras por compresión convencionales. Cabe no olvidar también otras tecnologías ya maduras, como los sistemas ORC y las redes de distrito para el transporte de calor a distancia.

Referencias

  • [1] Manual de Ahorro y Eficiencia Energética del Sector. Bodegas. Available online: http://www.agroalimentarias.coop/ficheros/doc/03200.pdf
  • [2] Smyth M., Solar photovoltaic installations in American and European winemaking facilities. J Clean Prod 2012; 31:22–9.
  • [3] Smyth M, Russell J, Milanowski T., Solar energy in the winemaking industry. Springer Science & Business Media; 2011.
  • [4] http://www.r744.com/articles/1390/mayekawa_co_sub_2_sub_heat_pump_makes_us_debut_at_california_winery

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