En esta revisión se discutirán la mayoría de las fuentes de calor disponibles para implementar una red de calefacción urbana, haciendo mención al calor residual procedente de las centrales eléctricas (incluyendo centrales nucleares), calor obtenido a través de energía solar, calor excedente de las industrias, bombas de calor, motores de gas, calderas, incinedadoras de residuos y calderas de biomasa. Ninguna de estas fuentes de calor son excluyentes entre sí, pudiéndose considerar las mismas como complementarias en la implementación de una red de calefacción urbana.
Se discutirá el almacenamiento de calor en grandes tanques de agua (ésta es una práctica habitual en muchos esquemas de calefacción urbana). Su uso posibilita la absorción de la energía eólica sobrante a través de bombas de calor o a través de una resistencia calefactora y su posterior transporte a los clientes a través de tuberías. Además, dicho almacenamiento posibilita también que la planta de cogeneración genere durante períodos de escasez de viento y almacene el calor residual hasta que sea necesario, maximizándose de este modo los beneficios económicos.
Es preciso indicar que los costes del almacenamiento térmico es claramente inferior a los que se incurrirían con una central hidroeléctrica reversible y que un almacenamiento masivo (con el objeto de suministrar la energía eléctrica almacenada a los consumidores) implicaría una inversión significativa en la actualización de la red eléctrica de distribución, no siendo éste el caso para la electricidad que se almacene en forma de calor en acumuladores térmicos.
Finalmente se analizará la tecnología de refrigeración urbana y cómo ésta puede formar parte de un sistema de calefacción urbana, discutiéndose por otra parte cómo se puede transmitir el frío/calor y los probables costes incurridos en el transporte y almacenamiento del mismo.
Índice de contenidos
Introducción
Fuentes de calor disponibles para la calefacción urbana
Fuentes de calor actuales para calefacción urbana en la Unión Europea
Calor residual industrial
Calefacción urbana solar
Calor procedente de la energía geotérmica
Calderas auxiliares
Calderas de biomasa
Cogeneración con pequeños motores de gas
Grandes bombas de calor para calefacción urbana
Calor residual procedente de centrales nucleares
Utilización conjunta de diferentes fuentes de calor
Almacenamiento térmico en acumuladores en sistemas de calefacción urbana
Almacenamiento eléctrico y almacenamiento térmico
Beneficios del almacenamiento térmico en la operación de las plantas de cogeneración
Diagramas de la conexión del almacenamiento térmico en redes de calefacción
Refrigeración Urbana
Introducción
Sistemas de enfriamiento gratuito
Refrigeración por compresión
Refrigeración por absorción
Comparación entre los costes de la refrigeración por compresión y la refrigeración por absorción
Trigeneración
Tecnología de transporte de calor a gran escala
Distribución de calor en sistemas de calefacción urbana modernos
Perfiles de carga y dimensionado de plantas de cogeneración
Perfil típico de carga para sistemas de calefacción urbana
Dimensionado de sistemas de cogeneración y su idoneidad en redes de calefacción urbana en la Unión Europea
Conclusiones
Referencias
Tabla de ilustraciones
Ilustración 1. Cuota energética de cada fuente energética presente en la calefacción urbana para los Estados Miembros de la Unión Europea - en tanto por ciento (CIT ENERGY MANAGEMENT AB, 2012)
Ilustración 2. Cuota energética de cada fuente energética presente en la calefacción urbana para los Estados Miembros de la Unión Europea - en PJ/año (DHC+ TECHNOLOGY PLATFORM, 2009)
Ilustración 3. Calefacción urbana en Marstal, Dinamarca (BATTISTI, R., 2012)
Ilustración 4. Coste por unidad de superficie de plantas de calefacción basadas en energía solar (GRYDEHØJ, 2005)
Ilustración 5. Coste de la calefacción urbana solar con respecto a la superficie de la planta (STEFFENSEN, 2007)
Ilustración 6. Mapa del potencial de energía geotérmica en Europa (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE, 2009)
Ilustración 7. Acumulador térmico directamente conectado a un sistema de calefacción urbana (OVERBYE, 2012)
Ilustración 8. Acumulador con separación hidráulica con respecto al sistema de calefacción urbana (OVERBYE, 2012)
Ilustración 9. Comparativa entre los diámetros de tuberías teniendo en cuenta las diferencias entre la temperatura de ida y de vuelta (SKAGESTAD, 2001).
Ilustración 10. Capacidad de refrigeración de enfriadores por absorción en relación a la temperatura del agua (ATECYR, 2008)
Ilustración 11. Comparación de los costes de refrigeración por compresión y refrigeración por absorción (excluyendo los costes de la construcción de las redes) para una potencia comprendida entre 300 kW y 500 kW y 1 000 horas de operación a plena carga (THAMLING, 2006)
Ilustración 12. Comparación del coste de inversión específicos para diferentes máquinas frigoríficas (THAMLING, 2006)
Ilustración 13. Relación entre el factor de recurso primario y las emisiones de CO2 para diferentes sistemas de refrigeración en Copenhague (THAMLING, 2006)
Ilustración 14. Sistema de transporte de calor de Aarhus (DONG ENERGY, 2007)
Ilustración 15. Tuberías para el transporte de calor a gran escala (2 x DN 1200) entre Melnik y Praga (PISKAC, 2009)
Ilustración 16. Comparación del coste de transporte de calor dependiendo del diámetro y longitud de la tubería (RIDDLE, 2013)
Ilustración 17. Tuberías modernas para la distribución de calor en redes de calefacción urbana. Disponer a las tuberías en curva significa que las juntas de expansión son innecesarias (BRUGG ROHRSYSTEM, 2010)
Ilustración 18. Demanda de energía térmica en el sistema de calefacción urbana de la ciudad de Loughborough (ABEDIN, 2013)
Ilustración 19. Curva monótona de carga de la calefacción urbana para una ciudad típica Finlandesa de 100 000 habitantes (VUORINEN, 2008)
Ilustración 20. Curva monótona de carga para la calefacción urbana de una ciudad mostrando las fuentes de calor que hacen frente a la demanda de calor (DIFS, 2010)
Introducción
Disponer de una variedad de fuentes energéticas en los esquemas de calefacción urbana sitos en la UE es de vital importancia en aras de incrementar la seguridad energética y disminuir la dependencia de un recurso energético concreto (DEPARTMENT OF ENERGY & CLIMATE CHANGE, 2014), siendo imprescindible conocer ventajas, inconvenientes, restricciones de utilización y aplicabilidad de las mismas. Entre las principales procedencias de las fuentes energéticas utilizadas en las redes de calefacción urbana sitas en la UE se pueden citar las siguientes:
- Calor residual procedente de plantas eléctricas basadas en motores pequeños de hasta 5 MWe (ENERGY AND ENVIRONMENTAL ANALYSIS INC., 2008) o en turbinas de gas de hasta 40 MWe (ENERGY AND ENVIRONMENTAL ANALYSIS, 2008).
- Calor residual procedente de plantas de incineración de residuos con potencias nominales comprendidas entre 2 y 50 MWe (OLEK, 2008).
- Calor residual procedente de grandes centrales termoeléctricas de ciclo convencional o nucleares con potencias nominales de hasta 7 GWe (INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, 2007).
- Calderas únicamente de calor con unas potencias comprendidas entre 20 y 550 MWth (PAAPPANEN, 2005).
- Calor residual procedente de industrias (por ejemplo de industrias de cemento o de acero) con una potencia nominal de hasta 300 MW (POSCO ENERGY, 2012).
- Calor procedente de la energía geotérmica (EUROPEAN GEOTHERMAL ENERGY COUNCIL, 2007).
- La electricidad sobrante de los aerogeneradores también es una fuente energética utilizada en la calefacción urbana. Para ello, es necesario que esta electricidad sea transportada a través de la red eléctrica a grandes calefactores eléctricos instalados en las redes de calefacción urbanas (BACH, 2011).
- Bombas de calor eléctricas (KÄRKKÄINEN, 2011).
- Bombas de calor impulsadas por motores diésel y de gas (NIEMI, 1 997).
- Calentamiento de agua a través de energía solar a gran escala (DYRELUND, 2011).
- Calderas de biomasa (DYRELUND, 2011).
Fuentes de calor disponibles para la calefacción urbana
Fuentes de calor actuales para calefacción urbana en la Unión Europea
En (ilustración 1) y en (ilustración 2) se indican la cuota energética para cada fuente energética presente en la calefacción urbana, donde se puede apreciar que para la Unión Europea la mayor parte del calor proviene del calor residual de centrales eléctricas.
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Ilustración 1. Cuota energética de cada fuente energética presente en la calefacción urbana para los Estados Miembros de la Unión Europea - en tanto por ciento (CIT ENERGY MANAGEMENT AB, 2012)
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Ilustración 2. Cuota energética de cada fuente energética presente en la calefacción urbana para los Estados Miembros de la Unión Europea - en PJ/año (DHC+ TECHNOLOGY PLATFORM, 2009)
Calor residual industrial
Existen muchas industrias que requieren una gran cantidad de calor a una temperatura elevada para llevar a cabo diversas tareas entre las que se pueden incluir desde fundir metales o fabricar cemento hasta aquellas que lo necesitan en menor medida como es el caso de industrias de procesado de alimentos, elaboración de cervezas, fármacos (PHILIBERT, 2006) y fabricación de ladrillos de silicato de calcio que requieran de vapor a baja presión (KAKHIA, 2012). A menudo los productos (bien sea el hierro, el cemento, los alimentos o medicinas) requerirán un proceso de enfriamiento que inevitablemente provocará un rechazo de este calor a la atmósfera (para ello es necesario el empleo de ventiloconvertores o intercambiadores de calor localizados bien sea en ríos o en torres de refrigeración donde el agua se evapora para proporcionar este frío) (SKAGESTAD, 2001).
Por ejemplo, en la fabricación de vidrio flotado solamente el 8.1% de la energía utilizada es empleada en reacciones endotérmicas de fusión, pudiéndose en principio emplear una parte del calor liberado durante su producción en redes de calefacción urbana (VAN LIMPT, 2009).
Existen diversas tecnologías que incrementan la eficiencia térmica de las plantas y disminuyen el calor emitido hacia la atmósfera o agua de río pero debido a la ley de los rendimientos decrecientes inevitablemente se llegará a un punto en el que no merezca la pena (desde una perspectiva económica) incrementar la eficiencia del sistema (PETCHERS, 2003), llegando a ser más adecuado invertir en la reutilización del calor residual en redes de calefacción urbana que el intentar incrementar la eficiencia de la planta.
Calefacción urbana solar
Aunque pueda parecer sorprendente incluso en algunos países nórdicos el coste de la calefacción urbana solar es “plausible” (STEINBEIS RESEARCH INSTITUTE FOR SOLAR AND SUSTAINABLE THERMAL ENERGY SYSTEMS, 2009).
En (Tabla 1) se muestra el coste estimado de la calefacción solar con repecto al tamaño del sistema para Dinamarca. Como se puede apreciar en la misma y dada una red para proporcionar calor a los consumidores, incluso en Dinamarca las instalaciones solares de mayor tamaño son capaces de ser más ventajosas desde un punto de vista económico que los precios ex-refinería de los combustibles derivados del petróleo (OLIVIER, D., 2012).
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Tabla 1. Coste de la calefacción solar con respecto al tamaño del sistema (OLIVIER, D., 2012)
NOTAS:
1. Asúmase que en una superficie de es posible la generación de de potencia y a una temperatura adecuada para calefacción urbana (OLIVIER, D., 2012).
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Ilustración 3. Calefacción urbana en Marstal, Dinamarca (BATTISTI, R., 2012)
La red de calefacción urbana presente en Marstal (ilustración 3) dispone de una superficie de colectores solares de más de , siendo una de las mayores instalaciones solares térmicas a nivel mundial (CLIMATE CONSORTIUM DENMARK, 2011).
Normalmente los sistemas de calefacción urbana solares se acoplan con sistemas de almacenamiento térmico para hacer frente a las fluctuaciones diarias, semanales o incluso anuales (SHD SOLAR DISTRICT HEATING, 2012). Por ejemplo, para la instalación mostrada en (ilustración 3) existen dos tipos de almacenamientos estacionales [un almacenamiento en pozo o “PIT” (el cual muestra resultados prometedores en términos de operatividad y bajas pérdidas) y otro a través de un sistema de agua/gravilla] (SOLARGE, 2006) (SOLARGE, 2007) (EINSTEIN 2013) (HELLER, 2000).
Dentro de los últimos desarrollos se puede citar el almacenamiento estacional en pozos bajo tierra (PAVLOV, 2011). Básicamente estos pozos se basan en la tecnología de los vertederos en combinación con una cubierta aislada, utilizándose bombas de calor para disminuir la temperatura en el interior del pozo y conseguir mayores eficiencias (las bombas de calor hacen llegar el agua hasta unos intercambiadores de calor, de aquí a la red de calefacción urbana para parar finalmente a una torre piezométrica) (PAVLOV, 2011) (ENERGY RESEARCH FOR APPLICATIONS, 2013).
En la calefacción urbana de Marstal (ilustración 3) se ha llevado a cabo la construcción de un almacenamiento en pozo con un volumen total de el cual en combinación con más paneles solares posibilitará que a largo término la cuota solar alcance un 50% (ZONDAG, 2010).
Debido al reciente auge en el mercado de la calefacción urbana solar a gran escala en Dinamarca, los costes de inversión de esta tecnología han igualado ya a las más rentables (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2012). Tal y como se puede apreciar en (ilustración 4) y en (ilustración 5), el coste de la energía solar decrece rápidamente con el tamaño de la instalación, siendo por lo tanto más económica la implantación de redes de calefacción urbana que la utilización de sistemas individuales.
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Ilustración 4. Coste por unidad de superficie de plantas de calefacción basadas en energía solar (GRYDEHØJ, 2005)
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Ilustración 5. Coste de la calefacción urbana solar con respecto a la superficie de la planta (STEFFENSEN, 2007)
Calor procedente de la energía geotérmica
El calor procedente de la energía geotérmica está disponible en muchas partes de Europa siendo un método a través del cual el mismo puede ser distribuido a gran escala a viviendas (ilustración 6).
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Ilustración 6. Mapa del potencial de energía geotérmica en Europa (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE, 2009)
Calderas auxiliares
Como ocurrió en la mayor parte de las redes de calefacción urbana de los países miembros de la Unión Europea que pertenecieron a la URSS así como en las fases iniciales de las redes del resto de Europa, era práctica habitual la utilización de calderas auxiliaries (que sólo generaban calor) sin que existiera en un primer momento voluntad alguna de convertirlas en plantas cogeneradoras (MARTINOT, 1997) (DANISH BOARD OF DISTRICT HEATING, 2003). Normalmente utilizaban combustibles baratos o subvencionados o bien combustibles tales como el carbón o el petróleo crudo pesado (BIOMASS COGENERATION NETWORK, 2001) que bien podían no quemarse o al menos no quemarse limpiamente (ALTERNATIVE PETROLEUM TECHNOLOGIES, 2013). Conforme iban cambiando los factores económicos, quedó patente que algunas de estas calderas auxiliares podían conectarse a otras centrales eléctricas que aprovechasen el calor residual tal y como ocurrió por ejemplo en Praga y en muchas otras ciudades (LAPČÍK, 2012).
Este cambio estuvo parcialmente propiciado por el reconocimiento de que incluso en las calderas que contaran de grandes chimeneas el quemar estos combustibles sucios tales como carbón y petróleo crudo pesado era inapropiado debido a la gran cantidad de sulfuro y otros contaminantes tóxicos que emitían (ALTERNATIVE PETROLEUM TECHNOLOGIES, 2013). En Praga lo que realmente produjo la conexión de la central Poříčí II (con emisiones debidamente desulfurizadas) a la red de calefacción existente (incluso teniendo en cuenta que las tuberías que transportaban el vapor y el agua caliente debían tener una longitud de 38 y 35 km respectivamente) fue el percatamiento de la necesidad de desulfurizar las emisiones de las plantas que quemaban combustibles sucios (LAPČÍK, 2012) (CEZ GROUP, 2014).
Calderas de biomasa
Es evidente que potencialmente las calderas de biomasa tienen una mucha menor huella de carbono si su combustible proviene de bosques sostenibles (ARC ENERGY REDUCTION SOLUTIONS, 2013). Sin embargo y a pesar de que estos bosques pueden haber ya absorbido una considerable cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera, no es menos cierto que estas calderas lo continúan emitiendo a través de la chimenea (ANZOLA, 2012). Se puede argumentar que tales emisiones en cierto modo pospondrían el agotamiento de los combustibles fósiles, que la biomasa se quemaría más eficientemente en grandes centrales eléctricas de cogeneración y que mediante su uso se maximizaría el beneficio de unos recursos limitados como lo son los combustibles fósiles (CARBON TRUST, 2011).
En general se puede afirmar que las plantas de cogeneración a pequeña escala con calderas de biomasa sólo son económicamente viables para potencias superiores a los 5 MW (KALT, 2008), empleándose por este motivo calderas auxiliaries de biomasa (es decir, producción sólo calor) para potencias inferiores (AECOM, 2012). Queda claro que en comunidades pequeñas (tales como el pueblo irlandés de Carrick-on-Shannon) (WESTERN DEVELOPMENT COMMISSION, 2012) es significativamente más responsable desde una perspectiva medioambiental la utilización de una red de calefacción urbana alimentada a partir de calderas de biomasa de una potencia en el rango del MW en vez de la utilización de varias calderas de leña de una potencia mucho menor (KALT, 2008).
Es preciso indicar que estas calderas de biomasa ubicadas en un sistema de calefacción urbana pueden conjugarse con otras fuentes de calor más baratas tales como calefacción urbana solar a gran escala (MARIPUU, 2011), calderas eléctricas (para el excedente eólico) o bombas de calor (CENTRO DI ECOLOGIA TEORICA ED APPLICATA, 2011).
Cogeneración con pequeños motores de gas
La utilización de unidades de cogeneración portátiles a base de pequeños motores de gas [de hasta unos 2 MW (NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY, 2003)] es recomendable cuando se produzcan incrementos mantenidos en la carga y sea imperativo el movimiento y la reconexión de dichas unidades con la planta de cogeneración principal (SUMMIT BLUE CONSULTING, 2008), cuando se necesite disponer de electricidad desde las primeras fases del desarrollo de un sistema de calefacción urbana a gran escala así como cuando sea necesario el disponer de una fuente auxiliar que pueda ofrecer energía de respaldo y mejorar de este modo la seguridad de suministro (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2011).
En algunos países de Europa del Este en los que se produjo el desmantelamiento de centrales de carbón obsoletas son estos pequeños motores de gas de unos pocos MW los encargados de proporcionar localmente el calor y la electricidad a los usuarios (IACOBESCU, 2011).
En sistemas eléctricos pequeños que tengan que operar de forma aislada (por ejemplo en islas remotas o en asentamientos polares) este tipo de generadores son imprescindibles para el desarrollo de las comunidades. El calor residual de estos grupos pueden utilizarse en calefacción de baja temperatura sin coste alguno (tal y como ocurre en algunos asentamientos en Groelandia donde la eficiencia conjunta del calor y la electricidad para todas las viviendas alcanzan niveles superiores al 85%, representando el calor residual más del 70% del total de la producción de calor) (STEFFENSEN, 2011).
Grandes bombas de calor para calefacción urbana
Las bombas de calor centralizadas son más eficientes, más compactas, más baratas y proporcionan temperaturas superiores a las bombas de calor individuales (TOVEY, 2003), pudiéndose obtener alrededor de 3.75 unidades de calor por unidad de electricidad (ZOGG, 2008) por las 3.0 que se obtendrían en el caso de tratarse de unidades domésticas (FAWCETT, 2011). En Dinamarca se está planeando el empleo de grandes bombas de calor con el objeto de proporcionar calor a las redes de calefacción gracias al excedente eólico (SORKNÆS, 2013). Debido a que estas bombas (de más de 100 MW cada una) deben estar localizadas en los principales sistemas de transporte de calor, las mismas no incurrirán en las altas pérdidas de las bombas de calor domésticas (BEHNKE, 2013).
Como ejemplos destacados de instalaciones que empleen grandes bombas de calor para calefacción urbana se pueden citar la planta de calefacción y refrigeración de Katri Vala de 90 MW térmicos (Helsinki) (RIIPINEN, 2012) y la planta Värtan Ropsten de 180 MW térmicos (FRIOTHERM AG, 2003).
Calor residual procedente de centrales nucleares
Debido a que en la actualidad las centrales nucleares proporcionan alrededor del 30% de la electricidad de la Unión Europea (EUROSTAT, 2012) y al hecho de que la proporción de calor residual de estas centrales sea mayor que el de una central térmica alimentada con combustibles fósiles (DAVIS, 2010) [debido a que los ciclos de vapor de las centrales nucleares son menos eficientes que los de las centrales térmicas alimentadas con combustibles fósiles ya que por razones operacionales el vapor no opera a temperaturas tan altas (HOLBERT, 2010)] hace que obviamente exista un gran potencial para la utilización de este calor en redes de calefacción urbana. Sin embargo y a pesar del mismo, su uso en Europa es claramente marginal. En el año 2009, tan solo Suiza y Eslovaquia (con un 7.5% y un 5% de su calor proviniendo de centrales nucleares respectivamente) y en menor medida Hungría y República Checa hicieron uso de este recurso energético, dejando por su parte Francia y Reino Unido (los principales productores a nivel Europeo) que el calor fuera expulsado a los ríos y al mar (TINDALE, 2012).
Utilización conjunta de diferentes fuentes de calor
La principal razón de la utilización conjunta de múltiples fuentes de calor en una red de calefacción urbana proviene del hecho de que las mismas proporcionan una mayor seguridad de suministro debido precisamente a la circunstancia de que son múltiples y diversas las fuentes de calor las que están operando en la red (MAYOR OF LONDON, 2013). Normalmente se combinan calderas de respaldo con otras tecnologías con el objeto de minimizar los costes de inversión y proporcionar la necesaria flexibilidad durante el funcionamiento (MAYOR OF LONDON, 2013) (tales como posibilitar la continuidad de suministro de calor mientras algunas secciones de las tuberías de la redes urbanas están fuera de servicio para llevar a cabo modificaciones y conexiones).
Normalmente las redes de calefacción urbana se construyen a lo largo de varias décadas (GOODE, 2013), comenzando con pequeñas redes que disponen de pequeñas unidades de cogeneración o calderas que conforme van conectándose gradualmente entre sí retienen algunas de estas pequeñas unidades como unidades de respaldo (HILL, 2010).
En general si la red de calefacción urbana es alimentada a través de una planta de cogeneración, ésta normalmente será calculada para suministrar solamente la mitad de la demanda pico de calor, siendo el resto proporcionado por las restantes calderas (O´CONNELL, 2012). Sin embargo esta relativamente pequeña cantidad de calor restante resultará en una gran proporción de las emisiones finales de atribuibles a la red de distribución urbana, pudiéndose emplear en su lugar la cogeneración en combinación con almacenamientos térmicos para extender la curva de duración de la carga conforme se reducen las emisiones de (AKKAYA, 2013).
Almacenamiento térmico en acumuladores en sistemas de calefacción urbana
Almacenamiento eléctrico y almacenamiento térmico
Existe un gran interés en el almacenamiento de la electricidad a gran escala con el objeto de hacer frente a la intermitencia de la energía eólica y solar (POMPER, 2011). En la actualidad solamente se almacena un pequeño porcentaje de la electricidad generada en Europa principalmente gracias a centrales hidroeléctricas reversibles (PAULI, 2010) por lo que cualquier incremento significativo (un aumento tal que posibilitara principalmente la utilización de la energía eólica en la calefacción de edificios) sería extremadamente costoso (DANISH ENERGY AGENCY, 2012) (TAYLOR ET AL, 2012). Por otro lado y con el objeto de suministrar esta energía almacenada a los edificios, este incremento implicaría un considerable aumento de la capacidad de las redes de transporte y de distribución (DIRECCIÓN GENERAL DE ENERGÍA, 2013).
El almacenamiento de electricidad a través de bombas de calor isentrópicas es en la actualidad la única tecnología de almacenamiento de electricidad a largo plazo que puede utilizarse en la red eléctrica de una forma viable, teniendo un coste de unos 35 €/kWh (MACNAGHTEN, 2009). Por su parte el almacenamiento térmico es considerablemente más barato ya que su coste varía en una horquilla comprendida entre 0.1 y 10 €/kWh no necesitándose repotenciación alguna de la red eléctrica con el objeto de proporcionar esta energía a los usuarios finales (IEA-ETSAP e IRENA, 2013).
Beneficios del almacenamiento térmico en la operación de las plantas de cogeneración
El acumulador de calor tiene el efecto de desacoplar la producción de calor y electricidad por lo que puede ofrecer las siguientes funciones y beneficios (SCHRÖDER, 2011) (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2008):
- Permite a la planta de cogeneración ofrecer la posibilidad de producir electricidad en cualquier instante en el que no sea necesario el calor y utilizar el calor residual durante los períodos en que se necesite.
- En caso de que existan problemas en la red eléctrica, permite a la planta de cogeneración producir al máximo nivel de electricidad hasta que el acumulador se descargue completamente, siendo el cambio en la producción de calor casi instantáneo.
- El acumulador de calor puede reducir o evitar las pérdidas financieras si la electricidad producida tiene que venderse a un precio inferior al de producción.
- Los acumuladores grandes pueden permitir una parada total de la planta de cogeneración durante los fines de semana cuando el precio de la electricidad normalmente es inferior al de los días de diario.
- El acumulador puede compensar las variaciones diarias de la carga (principalmente debidas a la disminución de consumo durante la noche), reduciendo el número de arranques/paradas así como la utilización de fuentes energéticas más caras durante los períodos del día en los que se da la demanda pico.
- En concreto se puede reducir la potencia máxima de la planta de cogeneración si el acumulador se puede utilizar para este propósito en el día de mayor frío del año.
- El acumulador de calor puede contener la presión estática en la red de calefacción urbana y funcionar como depósito de expansión.
- Una planta cogeneradora en modo extracción puede producir calor a un bajo coste durante períodos en los que el precio de la electricidad sea bajo (por ejemplo, durante la noche) y almacenarlo en un acumulador. Cuando el precio del calor sea alto (por ejemplo durante las primeras horas de la mañana), el mismo puede ser proporcionado a través del acumulador mientras que la planta cogeneradora genera electricidad en modo condensación.
- A diferencia de las plantas de cogeneración a contrapresión que tienen que generar calor incluso cuando el precio de la electricidad sea alto, para las plantas de cogeneración del tipo extracción el hecho de poseer un almacenamiento térmico ofrece una flexibilidad incrementada gracias a la posibilidad de desconectar la producción de calor.
Por lo tanto y debido a los acumuladores, la carga de calor estará más desacoplada de la planta de cogeneración por lo que la misma podrá operar más económicamente, permitiendo que la planta de cogeneración produzca la energía para la calefacción urbana cuando sea más favorable en cuanto a precios eléctricos se refiere (RIEDER, 2013).
Por otro lado y en cuanto al almacenamiento estacional se refiere, el almacenamiento de calor puede mejorar la factibilidad económico-financiera de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana al posibilitar que el calor generado por la planta de cogeneración en verano sea utilizada en las cargas térmicas de invierno (obviamente siempre que el coste del almacenamiento sea inferior al de los beneficios extra conseguidos), tal y como se ha demostrado en ciertas cuevas de granito de los países Nórdicos (GEBREMEDHIN, 2008).
Diagramas de la conexión del almacenamiento térmico en redes de calefacción
En (ilustración 7) y en (ilustración 8) se muestran respectivamente los almacenamientos de calor conectados directa e indirectamente a la red de calefacción urbana.
Ilustración 7. Acumulador térmico directamente conectado a un sistema de calefacción urbana (OVERBYE, 2012)
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Ilustración 8. Acumulador con separación hidráulica con respecto al sistema de calefacción urbana (OVERBYE, 2012)
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Refrigeración Urbana
Introducción
A diferencia de aquellos edificios en los que existan un gran número de equipos informáticos (RAW, 2007) y debido a razones climatológicas, la climatización doméstica en algunas regiones de Europa sigue considerándose un lujo (mientras que por su parte la calefacción se entiende como esencial).
La refrigeración urbana es parecida a la calefacción urbana en el sentido de que el agua fría se distribuye a través de tuberías enterradas (POEUF, 2010). Sin embargo existen importantes diferencias tales como las que se dan entre el sector residencial y el comercial ya que en este último proliferan mucho más las redes de refrigeración urbana (DHC+ TECHNOLOGY PLATFORM, 2012). Entre las razones para que se dé esta circunstancia se pueden citar los siguientes factores:
- La utilización del aire acondicionado es más común en el sector servicios que en el residencial (DHC+ TECHNOLOGY PLATFORM, 2012).
- El tamaño de la red de refrigeración urbana es un punto a tener en consideración con el objeto de que la misma sea viable desde una perspectiva económica. Los edificios residenciales podrían no requerir refrigeración más que en verano, mientras que en el sector servicios la refrigeración normalmente es obligatoria debido a la operación de equipamiento electrónico o para el confort de los empleados con el objeto de mantener la productividad (THORNTON, 2005).
- La carga de refrigeración tiene que ser normalmente bastante densa con el objeto de que sea rentable la utilización de un sistema de refrigeración urbano, teniendo los usuarios que estar localizados próximos los unos a los otros (CAPITAL COOLING, 2013).
- Otros de los factores es la inferior cantidad de energía que puede proporcionarse con la misma cantidad de líquido en sistemas de refrigeración urbana en comparación con los sistemas de calefacción urbana (SKAGESTAD, 2001). Esto se debe al hecho de la inferior diferencia de temperaturas en los sistemas de refrigeración urbana donde la temperatura de ida ronda los +5ºC y la de vuelta los +15ºC (por lo que la diferencia de temperaturas sería de unos 10ºC), mientras que en un sistema de calefacción urbana la temperatura de ida estaría alrededor de los 90ºC y la de vuelta alrededor de 40ºC, existiendo por lo tanto una diferencia en la temperatura de unos 50ºC (SKAGESTAD, 2001) (BOYSEN, 2003). Ésta es la razón por la que las tuberías empleadas en refrigeración urbana son normalmente mayores que las utilizadas en calefacción urbana y tienen un coste superior (ilustración 9).
Una interesante observación de (ENERDATA, 2011) y (ECOHEATCOOL AND EUROHEAT & POWER, 2006) es que la demanda de energía térmica por superficie para calefacción así como para refrigeración no es necesariamente directamente dependiente de las condiciones climáticas debido a que las edificaciones en climas más fríos normalmente están mejor aisladas que aquellas que están localizadas en climas más cálidos. Por ejemplo, Francia aun teniendo un clima más cálido que Suecia, Dinamarca o Finlandia tiene una demanda de calor superior debido a este hecho (ENERDATA, 2011).
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Ilustración 9. Comparativa entre los diámetros de tuberías teniendo en cuenta las diferencias entre la temperatura de ida y de vuelta (SKAGESTAD, 2001).
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- Citar trabajo
- Enrique Rosales Asensio (Autor), 2015, Revisión de las fuentes de calor utilizables en las redes de calefacción urbana de baja temperatura, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/303353
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