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Articulo de referencia

Calefacción urbana fría

Esquema de funcionamiento de una red de calefacción urbana de baja temperatura. La calefacción urbana fría es una variante técnica de la red de calefacción urbana que opera a ba...

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Esquema de funcionamiento de una red de calefacción urbana de baja temperatura.

La calefacción urbana fría es una variante técnica de la red de calefacción urbana que opera a bajas temperaturas de transmisión, muy inferiores a las de los sistemas convencionales, y puede proporcionar tanto calefacción como refrigeración . Las temperaturas de transmisión suelen oscilar entre 10 y 25 °C (50-77 °F) , lo que permite a diferentes consumidores calentar y enfriar simultáneamente y de forma independiente. El agua caliente se produce y el edificio se calienta mediante bombas de calor de agua , que obtienen su energía térmica de la red de calefacción, mientras que la refrigeración se puede proporcionar directamente a través de la red de calefacción urbana fría o, si es necesario, indirectamente mediante enfriadoras . La calefacción urbana fría también se conoce a veces como red de anergia . El término colectivo para estos sistemas en terminología científica es calefacción y refrigeración urbana de quinta generación (5GDHC) . Debido a la posibilidad de funcionar completamente con energías renovables y, al mismo tiempo, contribuir a equilibrar la producción fluctuante de las turbinas eólicas y los sistemas fotovoltaicos , las redes de calefacción urbana fría se consideran una opción prometedora para un suministro de calor sostenible, potencialmente libre de gases de efecto invernadero y emisiones.   

Términos

A fecha de 2019, las redes de calefacción de quinta generación descritas aquí aún no contaban con una denominación uniforme, y existían diversas definiciones para el concepto técnico general. En la literatura técnica en inglés se utilizan los términos Calefacción y refrigeración urbana de baja temperatura (LTDHC), Redes de baja temperatura (LTN), Calefacción urbana fría (CHD) y Redes de anergia o Red de anergia . Además, algunas publicaciones presentan discrepancias en la definición de las redes de calefacción urbana "cálida", ya que ciertos autores consideran tanto la Calefacción y refrigeración urbana de baja temperatura como la Calefacción urbana de temperatura ultrabaja como subformas de la calefacción urbana de cuarta generación. Asimismo, la definición de las denominadas redes de baja expiración permite clasificarlas como de cuarta y quinta generación. [ 1 ]

Historia

Una de las primeras redes de calefacción local en frío utiliza el agua de filtración del túnel de base de Furka como fuente de calor.

La primera red de calefacción urbana de agua fría fue la de Arzberg , en la Alta Franconia, Alemania. En la central eléctrica de Arzberg, ya clausurada, se extraía agua de refrigeración sin enfriar procedente del espacio entre el condensador de la turbina y la torre de refrigeración y se canalizaba a diversos edificios, donde se utilizaba como fuente de calor para bombas de calor. Esta agua se empleaba para calentar la escuela y la piscina, además de varios edificios residenciales y establecimientos comerciales. [ 2 ]

Otra planta muy temprana se puso en funcionamiento en Wulfen en 1979. Allí, 71 edificios recibieron energía térmica, que se obtenía del agua subterránea. Finalmente, en 1994, se inauguró la primera red de calefacción fría, que utilizaba el calor residual de una empresa industrial, una empresa textil. También en 1994 (según Pellegrini y Bianchini ya en 1991 [ 3 ] ) se construyó una red local de calefacción fría en el pueblo suizo de Oberwald, que funciona con agua de filtración del túnel de base de Furka . [ 1 ]

En enero de 2018, había un total de 40 proyectos en funcionamiento en Europa, 15 en Alemania y 15 en Suiza. La mayoría eran plantas piloto con una potencia térmica de varios cientos de kWth hasta un rango de MW de un solo dígito; la planta más grande tenía una potencia de aproximadamente 10 MWth. En la década de 2010 se añadieron unas tres plantas por año. [ 1 ]

Concepto

Las redes de calor frío son redes de calor que operan a temperaturas muy bajas (generalmente entre 10 y 25  °C). Se alimentan de diversas fuentes de calor, frecuentemente regenerativas, y permiten la producción simultánea de calor y frío. Dado que las temperaturas de operación no son suficientes para la producción de agua caliente y calefacción, la temperatura en el punto de consumo se eleva al nivel requerido mediante bombas de calor . De la misma manera, se puede producir frío y el calor residual se puede reincorporar a la red de calefacción. Así, los consumidores conectados no solo son clientes, sino que también pueden actuar como prosumidores , consumiendo o produciendo calor según las circunstancias. [ 1 ]

El concepto de redes de calefacción local fría se deriva de las bombas de calor geotérmicas y de las bombas de calor de circuito abierto. Si bien las primeras se utilizan principalmente para abastecer viviendas unifamiliares, las segundas se encuentran a menudo en edificios comerciales que tienen necesidades tanto de calefacción como de refrigeración y deben satisfacerlas simultáneamente. La calefacción local fría extiende este concepto a zonas o distritos residenciales individuales. Al igual que las bombas de calor geotérmicas convencionales, las redes de calefacción local fría tienen la ventaja, frente a las bombas de calor aerotérmicas, de funcionar de forma más eficiente debido a la menor diferencia de temperatura entre la fuente de calor y la temperatura de calefacción. Sin embargo, en comparación con las bombas de calor geotérmicas, las redes de calefacción local fría tienen la ventaja adicional de que, incluso en zonas urbanas, donde los problemas de espacio suelen impedir el uso de bombas de calor geotérmicas, el calor se puede almacenar estacionalmente mediante un sistema central de almacenamiento de calor. Además, los diferentes perfiles de carga de los distintos edificios pueden permitir un equilibrio entre las necesidades de calefacción y refrigeración. [ 1 ]

La calefacción urbana fría es especialmente adecuada en zonas con distintos tipos de edificios (residenciales, comerciales, supermercados, etc.) donde existe demanda tanto de calefacción como de refrigeración, lo que permite equilibrar el consumo energético a corto o largo plazo. Como alternativa, los sistemas de almacenamiento de calor estacionales permiten equilibrar la oferta y la demanda energética. Mediante el uso de diferentes fuentes de calor (residual) y la combinación de fuentes y sumideros de calor, se pueden crear sinergias y desarrollar aún más el suministro de calor en pro de una economía circular . Además, la baja temperatura de funcionamiento de las redes de calefacción fría permite incorporar de forma sencilla a la red el calor residual de baja temperatura , que de otro modo sería difícil de aprovechar. Al mismo tiempo, la baja temperatura de funcionamiento reduce significativamente las pérdidas de calor de la red, lo que limita las pérdidas de energía, especialmente en verano, cuando la demanda de calor es baja. El factor de rendimiento anual de las bombas de calor también es relativamente alto, sobre todo en comparación con las bombas de calor aerotérmicas. Un estudio de 40 sistemas puestos en marcha hasta 2018 mostró que las bombas de calor lograron un COP estacional de al menos 4 para la mayoría de los sistemas estudiados; los valores más altos de COP estacional fueron de alrededor de 6. [ 1 ]

Tecnológicamente, las redes de calefacción fría forman parte del concepto de redes de calefacción inteligentes. [ 1 ]

Componentes

Fuentes de calor

Las redes de calefacción en frío son ideales para el aprovechamiento del calor residual de edificios industriales y comerciales.

Se pueden utilizar diversas fuentes de calor como proveedores de energía para la red de calefacción fría, en particular fuentes renovables como el suelo, el agua, el calor residual comercial e industrial, la energía solar térmica y el aire ambiente, que pueden utilizarse individualmente o en combinación. [ 1 ] Debido al diseño generalmente modular de las redes de calefacción local fría, se pueden desarrollar gradualmente nuevas fuentes de calor a medida que la red se expande, de modo que las redes de calefacción más grandes pueden alimentarse de una variedad de fuentes diferentes. [ 4 ]

En la práctica, las fuentes casi inagotables son, por ejemplo, el agua de mar , los ríos , los lagos o las aguas subterráneas . De las 40 redes de calefacción fría en funcionamiento en Europa a enero de 2018, 17 utilizaban masas de agua o aguas subterráneas como fuente de calor. La segunda fuente de calor más importante era la energía geotérmica . Esta se suele obtener mediante pozos geotérmicos que utilizan intercambiadores de calor verticales. Sin embargo, también es posible utilizar colectores de superficie, como los colectores agrotérmicos. En este caso, los colectores horizontales se aran en terrenos agrícolas a una profundidad de 1,5 a 2 m, es decir, por debajo de la profundidad de trabajo de la maquinaria agrícola, que puede extraer calor del suelo según sea necesario. Este concepto, que permite un mayor uso agrícola, se ha implementado, por ejemplo, en una red de calefacción fría en la ciudad alemana de Wüstenrot . [ 1 ]

Además, existen redes de calefacción que extraen energía geotérmica de túneles y minas de carbón abandonadas . También se puede aprovechar el calor residual de empresas industriales y comerciales. Por ejemplo, dos redes de calefacción en Aurich y Herford utilizan el calor residual de explotaciones lecheras, otra planta en Suiza lo utiliza de una central eléctrica de biomasa y otra red de calefacción utiliza el calor residual de una empresa textil. Otras posibles fuentes de calor incluyen la energía solar térmica (especialmente para regenerar fuentes geotérmicas y cargar depósitos de almacenamiento), grandes bombas de calor que utilizan el calor ambiental, el sistema de alcantarillado , plantas de cogeneración y calderas de carga máxima alimentadas con biomasa o combustibles fósiles para complementar otras fuentes de calor. Las bajas temperaturas de funcionamiento de las redes de calefacción son especialmente favorables para los sistemas solares térmicos, las unidades de cogeneración y la recuperación de calor residual, ya que pueden operar con la máxima eficiencia en estas condiciones. Al mismo tiempo, las redes de calefacción en frío permiten a las empresas industriales y comerciales con potencial de calor residual, como supermercados y centros de datos , inyectar energía térmica a la red sin ningún riesgo importante de inversión financiera, ya que al nivel de temperatura de las redes de calefacción en frío, es posible la inyección directa de calor sin una bomba de calor. [ 1 ]

Otra fuente de calor puede ser la línea de retorno de las redes de calefacción urbana convencionales. [ 1 ] Si la temperatura de funcionamiento de la red de calefacción fría es inferior a la temperatura del suelo, la propia red puede absorber calor del suelo circundante. En este caso, la red actúa como una especie de colector geotérmico . [ 5 ]

Almacenamiento de calor estacional

Función de un colector de calor geotérmico. Estos colectores también pueden utilizarse para el almacenamiento estacional.

El almacenamiento de calor en forma de almacenamiento estacional es un elemento clave de los sistemas locales de calefacción fría. [ 4 ] Para equilibrar las fluctuaciones estacionales en la producción y el consumo de calor, muchos sistemas de calefacción fría se construyen con almacenamiento estacional de calor. Esto es particularmente adecuado cuando la estructura de los consumidores/prosumidores no conduce a una demanda de calor y refrigeración en gran medida equilibrada o cuando no hay una fuente de calor suficiente disponible durante todo el año. Los depósitos acuíferos y el almacenamiento mediante campos de pozos son muy adecuados. [ 1 ] Estos permiten almacenar el exceso de calor de la mitad estival del año, por ejemplo, de la refrigeración, pero también de otras fuentes de calor y, por lo tanto, calentar el suelo. Durante el período de calefacción, el proceso se invierte y el agua caliente se bombea y se introduce en la red de calefacción fría. [ 3 ] Sin embargo, también son posibles otros tipos de almacenamiento de calor. Por ejemplo, una red de calefacción fría en Fischerbach utiliza un almacenamiento de hielo. [ 1 ]

Red de calefacción

Los sistemas de calefacción local en frío permiten diversas configuraciones de red. Se puede distinguir, a grandes rasgos, entre sistemas abiertos, en los que el agua se introduce, circula por la red hasta llegar a los consumidores y finalmente se vierte al medio ambiente, y sistemas cerrados, en los que un fluido portador, generalmente salmuera , circula por un circuito. Los sistemas también se diferencian según el número de tuberías utilizadas. Dependiendo de las condiciones específicas, son posibles configuraciones con entre una y cuatro tuberías.

  • Los sistemas de tubería única se utilizan generalmente en sistemas abiertos que emplean agua superficial o subterránea como fuente de calor y la devuelven al medio ambiente después de circular por la red de calefacción.
  • En los sistemas de dos tuberías, ambas funcionan a temperaturas diferentes. En modo calefacción, la tubería más caliente sirve como fuente de calor para las bombas de calor de los consumidores, mientras que la más fría absorbe el fluido de transferencia enfriado por la bomba de calor. En modo refrigeración, la tubería más fría actúa como fuente de calor, y el calor producido por la bomba de calor se transfiere a la tubería más caliente.
  • Los sistemas de tres tuberías funcionan de forma similar a los de dos tuberías, pero cuentan con una tercera tubería que transporta agua a mayor temperatura, lo que permite (al menos en el caso de sistemas de calefacción con baja temperatura de impulsión, como la calefacción por suelo radiante) calentar sin necesidad de utilizar la bomba de calor. El calor se transfiere normalmente mediante intercambiadores de calor . Dependiendo de la temperatura, el calor se devuelve a la tubería más caliente o más fría tras su uso. Alternativamente, la tercera tubería también puede utilizarse como tubería de refrigeración para la refrigeración directa mediante un intercambiador de calor.
  • Los sistemas de cuatro tuberías funcionan como los de tres, con la diferencia de que cada uno dispone de una tubería para calefacción directa y otra para refrigeración. De esta forma, se pueden generar cascadas de energía .

En general, las tuberías de las redes de calefacción fría se pueden diseñar de forma más sencilla y económica que las de los sistemas de calefacción urbana. Debido a las bajas temperaturas de funcionamiento, no se producen esfuerzos termomecánicos, lo que permite el uso de tuberías de polietileno convencionales sin aislamiento, como las que se utilizan para el suministro de agua potable. Esto facilita una instalación rápida y rentable, así como una rápida adaptación a diferentes geometrías de red. Además, elimina la necesidad de costosas radiografías o ecografías de las tuberías, la soldadura de tuberías individuales y el laborioso aislamiento in situ de las piezas de conexión. Sin embargo, en comparación con las tuberías convencionales de calefacción urbana, se requieren tuberías de mayor diámetro para transportar la misma cantidad de calor. El consumo energético de las bombas también es mayor debido a los mayores volúmenes. Por otro lado, los sistemas de calefacción local fría pueden instalarse en lugares donde la demanda de calor de los edificios conectados es demasiado baja para operar una red de calefacción convencional. En 2018, por ejemplo, 9 de los 16 sistemas para los que se disponía de datos suficientes estaban por debajo del umbral de 1,2  kW de potencia calorífica/m de longitud de red, que se considera el límite inferior para el funcionamiento económico de los sistemas de calefacción local "caliente" convencionales. [ 1 ]

Subestación

Bomba de calor con fuente de agua

En comparación con las redes de calefacción urbana convencionales, la subestación de los sistemas de calefacción local fría es más compleja, ocupa más espacio y, por lo tanto, es más costosa. Se debe instalar una bomba de calor y un depósito de almacenamiento de agua caliente directa en cada consumidor o prosumidor conectado. La bomba de calor suele diseñarse como una bomba de calor agua-agua de accionamiento eléctrico y, a menudo, está físicamente separada de la red de calefacción fría mediante un intercambiador de calor. La bomba de calor eleva la temperatura al nivel necesario para calentar la vivienda y produce agua caliente, [ 1 ] pero también puede utilizarse para refrigerar la casa y suministrar el calor producido a la red de calefacción, a menos que la refrigeración se realice directamente sin utilizar una bomba de calor. También se puede instalar un sistema de apoyo, como una resistencia eléctrica . Asimismo, se puede instalar un depósito de almacenamiento de calor para el sistema de calefacción, lo que permite un funcionamiento más flexible de la bomba de calor. [ 3 ] Estos depósitos de almacenamiento de calor también contribuyen a que la bomba de calor sea compacta, lo que a su vez reduce los costes de instalación. [ 4 ]

Papel en los sistemas energéticos del futuro

Las redes de calefacción de baja temperatura, que incluyen sistemas locales de calefacción fría, se consideran un elemento central para la descarbonización del suministro de calor en el contexto de la transformación del sistema energético y la mitigación del cambio climático . [ 6 ] Los sistemas de calefacción local y de distrito tienen varias ventajas en comparación con los sistemas de calefacción individuales: estas incluyen, por ejemplo, la mayor eficiencia de los sistemas, la posibilidad de utilizar la generación combinada de calor y electricidad y el aprovechamiento del calor residual previamente no utilizado. [ 5 ] Además, se consideran un enfoque importante para aumentar el uso de fuentes de energía renovables [ 3 ] y reducir los requerimientos de energía primaria y las emisiones locales en la generación de calor. Al prescindir de las tecnologías de combustión para alimentar la red de calefacción fría, se pueden evitar por completo las emisiones de dióxido de carbono y las emisiones de contaminantes locales . [ 1 ] Las redes de calefacción fría también se consideran una oportunidad para construir redes de calor en el futuro que se alimenten al 100 % con fuentes de energía renovables . [ 4 ]

La electrificación generalizada del sector térmico es un componente central del acoplamiento sectorial.

Otro enfoque prometedor es el uso de sistemas de calefacción local en frío y otros sistemas de calefacción con bomba de calor para el acoplamiento sectorial . De este modo, las tecnologías de conversión de energía eléctrica en calor , por un lado, utilizan energía eléctrica para la calefacción y, por otro, el sector de la calefacción puede contribuir a proporcionar los servicios del sistema para compensar la fluctuación de la producción de electricidad verde en el sector eléctrico. Las redes de calefacción local en frío pueden, por lo tanto, contribuir al control de la carga mediante bombas de calor y, junto con otros sistemas de almacenamiento, ayudar a garantizar la seguridad del suministro. [ 5 ] [ 1 ]

Si los tejados de los edificios abastecidos están equipados con sistemas fotovoltaicos , también es posible obtener parte de la electricidad necesaria para las bombas de calor del tejado del consumidor. Por ejemplo, en Wüstenrot se han construido 20 viviendas PlusEnergy, todas equipadas con sistemas fotovoltaicos, una batería solar y un depósito de almacenamiento de calor para lograr el mayor grado posible de autosuficiencia mediante el funcionamiento flexible de la bomba de calor. [ 7 ]

Véase también

Notas

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Simone Buffa; et  al. (2019), "Sistemas de calefacción y refrigeración urbana de quinta generación: una revisión de los casos existentes en Europa", Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol.  104, pp. 504–522 , doi : 10.1016/j.rser.2018.12.059 
  2. ↑ Leonhard Müller: Handbuch der Elektrizitätswirtschaft: Technische, wirtschaftliche und rechtliche Grundlagen . Berlín/Heidelberg 1998, pág. 266 y siguientes.
  3. 1 2 3 4 Marco Pellegrini; Augusto Bianchini (2018), "El concepto innovador de redes de calefacción urbana fría: una revisión de la literatura", Energies , vol. 11, pág. 236, doi : 10.3390/en11010236 , hdl : 11585/624860  
  4. 1 2 3 4 Stef Boesten; et al. (2019), "Sistemas de calefacción y refrigeración urbana de quinta generación como solución para el suministro de energía térmica urbana renovable", Advances in Geoscience , vol. 49, pp. 129–136, Bibcode : 2019AdG....49..129B , doi : 10.5194/adgeo-49-129-2019   
  5. 1 2 3 Marcus Brennenstuhl; et al. (2019), "Informe sobre un distrito de energía positiva con red DHC de baja temperatura, fuente de calor agrotérmica novedosa y respuesta a la demanda aplicada", Applied Sciences , vol. 9, n.º 23, pág. 5059, doi : 10.3390/app9235059    
  6. ↑ Dietmar Schüwer (2017), "Konversion der Wärmeversorgungsstrukturen" (PDF) , Energiewirtschaftliche Tagesfragen (en alemán), vol. 67, núm. 11, págs. 21 a 25   
  7. ↑ Laura Romero Rodríguez; et al. (2018), "Contribuciones de las bombas de calor a la respuesta a la demanda: Un estudio de caso de una vivienda de energía positiva" , Applied Energy , vol. 214, pp. 191–204 , doi : 10.1016/j.apenergy.2018.01.086 , hdl : 11441/76023   

Lecturas adicionales

  • Simone Buffa; et  al. (2019), "Sistemas de calefacción y refrigeración urbana de quinta generación: una revisión de los casos existentes en Europa", Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol.  104, pp. 504–522 , doi : 10.1016/j.rser.2018.12.059 
  • Marco Pellegrini; Augusto Bianchini (2018), "El concepto innovador de redes de calefacción urbana fría: una revisión de la literatura", Energies , vol.  11, pág.  236, doi : 10.3390/en11010236 , hdl : 11585/624860
  • Listado de literatura científica en mwirtz.com/5gdhc_literature.html . Consultado el 13 de septiembre de 2020.
  • Mijnwater Heerlen
  • Schleswig Kalte Nahwärme Archivado el 17/01/2021 en Wayback Machine
  • Lista de redes de calefacción urbana de baja temperatura
  • »Kaltes« Nahwärmenetz part 40.000 kg CO2 im Jahr . Energieagentur NRW. Consultado el 13 de marzo de 2017.
  • Kalte Nahwärme en Dorsten: Pionierprojekt mit Wärmepumpen läuft seit vier Jahrzehnten und bleibt weiter im Rennen . En: EE-News , 14 de noviembre de 2019. Consultado el 28 de junio de 2020.