Aplicación de energías renovables a proceso industrial de producción de cerveza - Application of renewable energy technologies to an industrial brewing process

Fuente: GEA Brewery Systems GmbH
El objeto del proyecto, defendido en el Máster ERMA-UPM del Curso 2009-2010 [1], fue diseñar y estudiar la viabilidad de una  instalación energética a partir de energías renovables para suministrar la energía térmica a una planta piloto de producción de cerveza con una capacidad de producción de 1 millón de hl anuales, situada en la localidad de Alovera, provincia de Guadalajara (España).
(The aim of the project, defended with succes in the academic year 2009-10 for the Master´s degree in renewable energies and environment from the Technical University of Madrid [1], was to design and study the feasibility of a new thermal power plant based in renewable energies, to the energy supply of a pilot brewing plant, with a production capacity of 1 million hl a year, located in Alovera, Guadalajara province (Spain))

INTRODUCCIÓN  INTRODUCTION

La presencia entre los principales productores de cerveza de países como EEUU, México, Brasil, China o España, que tienen un elevado recurso solar en gran parte de su territorio, con una Irradiacion Solar Directa Media diária por encima de 4 kWh/m2, unido a la elevada estacionalidad del consumo de cerveza, mayor durante los meses de verano y en zonas con elevadas temperaturas y un aumento de la población estival, y teniendo en cuenta el rango de temperaturas de proceso (inferiores a 180 ºC), hace muy recomendable la aplicación de energía solar térmica en las plantas productoras de cerveza situadas en estos países.
(The presence among the largest beer producers in the world, of countries like: USA, Mexico, Brasil, China and Spain, with a high solar resource in his territory, above 4 kWh/m2 of monthly average of daily Direct Irradiation on Normal surface. Sum to the high seasonality of beer consumption, higher in summer months on regions with high temperatures and good weather, and taking into account the process temperatures range below 180ºC, make highly recommended to apply solar energy in brewing plants located in this countries.)

Fuente: NASA/SSE

En el proceso de elaboración de la cerveza se utilizan como materias primas:  Agua, Cebada malteada, Cereales sin maltear (Arroz, trigo, cebada,  avena y maíz), Siropes de azúcar, Lúpulo y Levaduras. Además de estos, se necesita una gran cantidad de ENERGÍA, mas de 35 kWh por cada hl de cerveza. De esta energía, la energía térmica supone aprox. el 80% del total, siendo el 20% restante energía eléctrica.
(In the process of brewing are used as raw materials: water, malted barley, cereal grains (rice, wheat, barley, oats and corn), sugar siropes, hops and yeast to produce beer. Furthermore, it requires a significant amount of ENERGY, more than 35 kWh per hl of beer. About 80% of the total final energy demand is thermal energy and the rest 20% is electrical energy.)


Fuente: GEA Brewery Systems GmbH

Dentro del proceso de elaboración de la cerveza las mayores demandas energéticas se producen en la fase de ebullición del mosto cervecero (25–50%), en la fase de enfriado y en la fase de embotellado para las lavadoras de botellas (25–40%) y la pasteurización de la cerveza después de su embotellado.
(The higher energy demand in the brewing process is the wort boiling stage (25-50%), follow by the cooling in fermentation stage and by the cleanig and pasteurization process after bottling stage (25-40%).)

El proyecto comienza con un estudio del estado del arte de la técnicas de producción de cerveza, debido al elevado coste de inversión de las tecnologías de aprovechamiento de energías renovables, buscando y seleccionando las tecnologías mas eficientes energéticamente entre las mejores técnicas disponibles en el mercado, y aplicándolas en el diseño la nueva planta. Con estas tecnologías, basadas en la recuperación de calor en diferentes fases del proceso de elaboración y la cocción a baja presión para provocar la ebullición del mosto a una temperaturas inferior, recuperando el calor de los vapores, se puede llegar a reducir el consumo hasta un 29%, desde la media del sector de 35kWh/hl, hasta los 23,3 kWh/hl. [2]
(The project begins with a state-of-the-art review of brewing techniques, due to the high investment costs of renewable energy technologies, searching and selecting the more energy efficient technologies among the best available techniques available in the market and applying them in designing the new plant. With these technologies, based on heat recovery at diferent stages of processing and cooking at low pressure to cause boiling of the wort to a lower temperature recovering heat from the fumes, can reduce consumption by up to 29%, from the industry average of 35 kWh/hl to 23.3 kWh/hl [2].)

EVALUACIÓN DEL RECURSO ENERGÉTICO
RENEWABLE RESOURCE EVALUATION

La provincia de Guadalajara, situada en la zona central de la península Ibérica, tiene un clima templado de tipo Mediterráneo de Interior, caracterizándose por unos veranos relativamente calurosos y secos, y unos inviernos fríos, con una media de temperaturas máximas de 25 ºC y una media de temperaturas mínimas de 6 ºC. La media anual de la Irradiación global horizontal diaria es de 4,46 kWh/m2/día y la media anual de la Irradiación Normal Directa diaria de 4,165 kWh/m2/día.
(The Guadalajara province, located in the center region of iberian peninsula, has a temperate Continental Mediterranean climate characterized by hot and dry summers, and cold winters. The yearly average maximum temperature is 25ºC and average minimum temperature is 6ºC. The annual average of daily global solar radiation is 4.46 kWh/m2/day and the monthly average of daily direct normal irradiation is 4.165 kWh/m2.)




En el proyecto se han considerado tres fuentes de energía renovable para cubrir la demanda energética del proceso: energía solar, energía de biomasa y energía geotérmica.
(In the project we consider three renewable energy sources to cover the energy demand of the process: solar energy, biomass energy and geothermal energy.)

La energía geotérmica en la región de Guadalajara, según el Instituto Geológico y Minero de España [IGME], se encuentra a elevadas profundidades de hasta 2500m siendo de baja temperatura (50-80ºC) y presentando el suelo un reducido flujo energético. Al comienzo del proyecto se consideró el uso de bombas de calor geotérmicas en circuito abierto, usando aguas subterráneas a una temperatura media de 16-18ºC, para la fase de enfriamiento del proceso cervecero, pero esta fuente energética fue rechazada, usándose una enfriadora de ciclo de absorción de amoniaco para el enfriamiento. 
(Geothermal energy in the Guadalajara area, acording with the Spanish Geology and Mining Institute [IGME], exhibit low temperatures (50-80ºC) at high dephts [2500m], and low thermal flows in the soil. At the begining of the study we consider the use of geothermal heat pumps in open circuits using groundwater (16-18ºC) for the cooling phase in the brewery process, but we reject this energy source using an ammonia-cycle absortion chiller for cooling.)

Para evaluar el recurso solar del emplazamiento es necesario obtener datos reales de la Irradiación solar directa (DNI) mediante un pirheliométro calibrado situado en la localización de la instalación durante al menos 2 años y completar los valores con los datos históricos, reduciendo así los efectos en la Irradiación de los aerosoles, el vapor de H2O y la rugosidad del terreno. A efectos de este proyecto básico se tomaron los datos de un año tipo sintético, obtenido a partir de la serie histórica de datos climatológicos de la Agencia Estatal de Meteorología de España [AEMET], en la estación mas cercana al emplazamiento, GUADALAJARA, con los valores medios mensuales de la temperatura ambiente y Irradiación Solar Directa para cada hora del día.
(To evaluate the solar resource in the location of the plant, we need DNI real data obtained with a calibrated pyrheliometer located in place during a long period of time (min. 2 years) and completed with historical satellital data, to reduce the uncertain generated by aerosols, water vapor and topography. In the preliminar design of the solar plant we use data from a syntetic year [TMY], obtained with the historical data in the near station from the network of the national meteorological agency of Spain [AEMET], GUADALAJARA, with hourly average temperature and direct normal irradiation data.)

Fuente: Elaboración propia a partir de datos de AEMET

A la vista de las horas anuales de Irradiación por encima de los 600 wh/m2, el emplazamiento se encontraría al límite para considerarlo adecuado para la aplicación de energías solar por concentración. Pero, teniendo en cuenta los demás factores que influyen en la localización de una planta de producción de cerveza, como la disponibilidad de agua, la distancia a los mercados o la distancia de abastecimiento de las materias primas, puede resultar interesante la aplicación energía solar de concentración.
(Considering the sum of annual hours with direct normal irradiation below 600 wh/m2, the location is in the limit of profitability to the concentrating solar energy use. But, taking into account the other factors to consider in a brewery plant location (water availability, distance to market, distance of feedstocks supply, etc), would result interesting to apply concentrating solar power.)

En el proceso de elaboración de la cerveza, después de la fase de aclarado, el residuo que se produce, aprox. 15kg por hl de cerveza, denominado Bagazo cervecero o BSG, tiene un elevado contenido de energía y se puede utilizar como fuente alternativa de energía después de su secado. Esta biomasa residual se puede transformar en energía a partir del biogas obtenido por digestión anaeróbica o simplemente quemándolo después de su secado.
(In the brewery process, after the lautering stage, the solid waste generated, approx. 15kg per hl of beer, called Brewery Spent Grains [BSG], has a high energy content and could become a alternative energy source after drying. This residual biomass can be trasform in energy from biogas in a anaerobic digestor or burning after drying.) 

A partir del análisis elemental del bagazo cervecero, y aplicando la ecuación modificada de Dulong y Petit, se ha estimado el Poder Calorífico Inferior (PCI)  de los residuos con una humedad del 40%, en 10.893kJ/kg. Para que el análisis fuera mas preciso se debería completar la caracterización del recurso energético tomando una muestra real representativa y sometiéndola en un laboratorio certificado al ensayo de determinación del  poder calorífico Superior PCS mediante una bomba calorimétrica.
(From the basic chemical analysis of the brewery spent grains and using the Dulong-Petit modified formula we estimate the Low Heating Value LHV, with a 40% moisture content, in 10893 kJ/kg. The Higher Heating Value HHV can be more acurate determined burning a real BSG sample in a bomb calorimeter on a certified laboratory.)

Otra de las fuentes de energía alternativa consideradas son los Pellets de Paja de cebada, que según los ensayos del prof. Marcos [3], en la E.T.S.I. Montes de la UPM, por métodos experimentales obtuvo un PCS de 19.863 kJ/kg.
(We also consider an alternative renewable energy source from barley straw pellets, according with prof. Marcos [3], from the ETS Montes of UPM, who determine his HHV using experimental metods in 19863 kJ/kg.)

DIMENSIONADO DE LA PLANTA  POWER PLANT DESIGN AND LAYOUT

La planta de producción se diseñó alrededor de una sala de cocción de 1.000 hl de capacidad. El tiempo medio del proceso de elaboración de la cerveza, desde el braceado hasta el mosto final es de unas 4h, luego la producción diaria máxima de la planta (en dos turnos de 8h) será de 4.000 hl/día. (4 cocciones de 1.000hl).
(The process plant design is based in a brewing house with a capacity of 1000 hl. The average brewing process time is 4h, from the smashing stage to wort extraction, with a production capacity of 4000 hl/dia (in two eight-hour workday).)

Con las medidas de ahorro energético adoptadas, de entre las mejores tecnicas disponibles, en el diseño de la planta industrial, la demanda térmica del proceso será de 23,3 kWh/hl, luego se necesitarán, para cada día de operación al 100% de capacidad 93.200 kWh de energía térmica. Que serán suministrados con energía solar o mediante la combustión de la biomasa residual del proceso.
(With the energy efficiency technologies selected between the best available techniques in the design of the process plant, the energy demand will be 23.3 kWh/hl, at full capacity, and the daily thermal energy demand is 93.200 kWh per day.)

Teniendo en cuenta que la demanda energética del proceso será máxima los meses de verano, se escogerá como punto de diseño el 22 de Junio, al medio día solar (12h) siendo en ese momento la temperatura ambiente de 28,3 ºC y la Irradiación Solar Directa de 936 W/m2. A partir de estos datos se dimensionará el campo de colectores solares y las instalaciones auxiliares.
(According with the maximum energy demand or peak demand that take place in summer moths, the design point was set at noon (12h) on June 22, with a ambient temperature of 28.3ºC and a direct normal solar irradiation DNI of 936 kWh/m2.)

El proyecto contempla tres soluciones con energías renovables capaces de abastecer las demandas de energía térmica de la planta de producción durante todo el año:
(The project develop three different alternatives based in renewables energies, capable to cover the energy demand of the brewing process during a year:)

Fuente: ABENGOA SOLAR IST
La primera solución es una instalación energética compuesta por un campo de colectores de energía solar formada por 1.280 colectores ABENGOA SOLAR IST PT-1, dispuestos en 80 filas de 16 colectores en serie, en total 16.896 m2 de concentradores cilindro-parabólicos con una disposición que les permite seguir el movimiento del sol según un eje de rotación Este-Oeste (E-W), y unos depósitos de almacenamiento energético en termoclina con aceite térmico Therminol 55, para acoplar la demanda energética del proceso con la energía suministrada por el campo de colectores. (The first alternative consist on a power plant with a solar field of 1.280 ABENGOA SOLAR IST PT-1 parabolic trough solar collectors, in an array of 80 rows with 16 collector in line per row. A mirror´s surface of 16.866m2 with a single-axis-tracking mechanism that follows the movement of the sun in E-W direction, and a thermocline storage system with heat thermal oil, Therminol 55, to conect the alternating supply of solar energy with the demand in the process.) 

Fuente: PFM ERMA-UPM 2010 [1]

La máxima potencia entregada por el campo de colectores es de 10.380 kW. El espacio necesario para el campo de colectores será, tomando 3 Diámetros de distancia entre las filas de 52.314 m2.
(The peak power supply by the solar field is 10.380 kW.  The surface needed to the solar field, considering a distance between rows of 3 collector´s diameters, are 52.314 m2.)

Complementando a la anterior instalación se ha planteado una caldera de aceite térmico para biomasa residual de lecho fluidizado burbujeante (BFB, Bubble Fluid Bed) con postcombustión, de 8 MW de potencia nominal, apropiada al tamaño de los residuos y su nivel de humedad. Los humos de combustión se utilizarán para desecar el residuo en un túnel de secado rotativo hasta los niveles óptimos para su aprovechamiento energético y serán tratados posteriormente para eliminar partículas y compuestos contaminantes.
(Complementing the solar field, we consider a fluidized bed furnance for residual biomass with post combustion stage and thermal oil boiler of 8MW Nominal power. Combustion gases will be used for drying the brewery spent grains in a drying rotary trommel, from the 70% of moisture content to the 40% needed, afterward must be cleaned to remove particles and nocive compounds before exit to the atmosphere.)

Ambas instalaciones energéticas suministrarán vapor de proceso a 180ºC-10bar a la planta de preparación y al ciclo de absorción de amoniaco para enfriamiento.
(The two thermal power plants supply process steam at 180ºC-10bar to the brewing process and the ammonia-cycle absortion chiller for cooling.)

La segunda solución es una instalación compuesta únicamente por la caldera de biomasa y la instalación de secado, complementando el déficit de energía del residuo con biomasa procedente de cultivos energéticos de la zona, o de los residuos del cultivo de la cebada (pellets de Paja de cebada).
(The second alternative consist only in the fluidized bed furnance for residual biomass, with post combustion stage and thermal oil boiler and the dryinig rotary trommel, and complement the SGS waste with other biomass (barley straw pellets) to cover the energy demand.)

Se ha contemplado una tercera solución, de abastecimiento parcial con energías renovables, compuesta por un campo de colectores de energía solar formado por 2.160 concentradores cilindro-parabólicos ABENGOA SOLAR IST PT-1, 28.512m2 de espejos con almacenamiento térmico, complementado con Gas Natural como combustible de apoyo.
(The third alternative consist only in a solar field of 2.160 ABENGOA SOLAR IST PT-1 parabolic trough solar collectors, with mirror´s surface of 28.512m2, and the thermocline storage system, complement with Natural Gas to cover the energy demand after the sun sets or in days with low solar resource.)

Se han modelizado los tres sistemas energéticos para simular su funcionamiento horario un año típico en la ubicación, verificando que en todo momento queda cubierta la demanda térmica de la instalación, quedando la demanda eléctrica a cargo de a compañía suministradora de la zona.
(We developed three simulation models to simulate hourly operation for a typical year in the selected location (Alovera), verifying in all moment the cover of the thermal energy demand in the brewing process, and taken the electrical energy demand from the distribution grid.)

Fuente: PFM ERMA-UPM 2010 [1]

Fuente: PFM ERMA-UPM 2010 [1]

CONCLUSIONES  CONCLUSIONS

A la vista de los resultados obtenidos en la simulación horaria de la planta ubicada en Alovera (Guadalajara), técnicamente se puede obtener la energía necesaria para el proceso de producción y envasado de cerveza de fuentes renovables como el sol o la biomasa. 
(The results of the simulations models show the technical feasibility of a thermal energy plant based in renewable energies (Biomass-energy or hybrid solar-biomass) to cover the energy demand in a brewing process located in Alovera, Guadalajara Province.)

De acuerdo con el estudio de viabilidad económica, las tres alternativas estudiadas son viables, pues obtienen un VAN positivo. Pero únicamente  la alternativa 2, utilizando la biomasa residual del proceso y complementándola con biomasa de cultivos energéticos, es rentable económicamente, pues su TIR es superior a la tasa de descuento considerada en el proyecto, si bien esta TIR es muy baja y solo justificaría la inversión si los precios de los derechos de emisión sumado a los precios del gas natural se situarán tres veces por encima de los precios actuales.
(According with the financial viability study the three alternatives are economically viable because the Net Present Value (NPV) was positive, but only the second alternative (biomass-energy system) is economically profitable because his Internal Rate of Return (IRR) is higher than the discount rate assumed in the project (equal to the project's cost of capital). But this rate of return is very low and only justify the investment if the sum of the price of natural gas and the price of CO2 emission allowances were three times higher than actual price.)

Las emisiones de gases de efecto invernadero, CO2 equivalente, evitadas por la aplicación de energías renovables en lugar de energías fósiles, se han determinado aplicando el factor de emisión y de oxidación recomendados por el Panel Internacional para el Cambio Climático (IPCC) para la combustión de Gas Natural, resultando 5.874 teq CO2/año al año.
(Emissions of greenhouse gases avoided by the application of renewable energy instead of fossil fuels, in tonnes of CO2 equivalent, have been determined by applying the emission factor and oxidation recommended by the International Panel on Climate Change (IPCC) for combustion of Natural Gas, resulting in 5,874 tons CO2eq per year.)

REFERENCIAS
[1] Alonso López, José Luis (2010), Aplicación de Energía Solar de Concentración y biomasa a proceso de producción y envasado de cerveza. Proyecto Fin de Máster, E.U.I.T. Industrial (UPM).
[2] Ministerio de Medio Ambiente de España (2007). Guía de Mejores técnicas disponibles en España del sector cervecero.
[3] Marcos Martín, Francisco y Relova Delgado, Ivan (2004), Estudio de Pelets de Paja de cereales para generar calor en usos domésticos. ESTI Montes (UPM).

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