Soluciones inteligentes de calefacción para una vida sostenible

En respuesta a la estrategia de calefacción y refrigeración de la UE, unido a la imperante necesidad de luchar contra el cambio climático, el proyecto WEDISTRICT propone el desarrollo de sistemas de calefacción y refrigeración urbana (DHC – District Heating and Cooling) limpios, inteligentes y flexibles como una herramienta para alcanzar los objetivos climáticos.

A medida que se intensifica el cambio climático, las ciudades son particularmente vulnerables a impactos como el estrés por calor y puede jugar un papel clave en la reducción de emisiones a nivel local y global. La calefacción y la refrigeración en edificios e industria representan el mayor uso final de energía en Europa, con el 50% del consumo total anual de energía de la UE.

Representa el 13% del consumo de petróleo y el 59% del consumo total de gas de la UE (solo uso directo), lo que equivale al 68% de todas las importaciones de gas. Las energías renovables no se utilizan ampliamente en el sector, ya que el 84% de la calefacción y la refrigeración todavía se generan a partir de combustibles fósiles y solo el 16% se genera a partir de energías renovables.

La Comisión Europea publicó en febrero de 2016 y, más tarde, el 30 de noviembre de 2016, la Estrategia de calefacción y refrigeración de la UE, manifestando un amplio paquete de propuestas específicas que conducen a una notable evolución del sector de calefacción y refrigeración.

El consorcio WEDISTRICT (proyecto financiado H2020), formado por 22 empresas de nueve países europeos y con un presupuesto de 19 millones de euros, ejecutará durante 42 meses diseño, integración y demostración de tecnologías avanzadas para la producción de calor y frío en redes urbanas, demostrando que es posible su funcionamiento con fuentes de energía 100% renovable tales como colectores solares de concentración, biomasa, almacenamiento térmico, geotermia y tecnologías de frio solar. Todo ello gestionado mediante un sistema avanzado de control y monitorización.

Objetivos

El proyecto WEDISTRICT se organiza en torno a los siguientes objetivos científicos y técnicos principales:

1. Desarrollo de DHC 100% renovable basado en una combinación óptima de fuentes locales de energía renovable para proyectos de nueva construcción o rehabilitación (mediante el desarrollo de tres tecnologías termosolares diferentes, un sistema de biomasa altamente eficientes y de baja emisión, y la hibridación de energía geotérmica y solar).

2. Progreso hacia las tecnologías de generación de refrigeración renovable (desarrollando dos sistemas innovadores de frío solar: uno de generación de aire frío basado en sistema evaporativo desecante y otro de generación de agua fría mediante absorción).

3. Integración óptima almacenamiento térmico avanzado para aumentar la eficiencia del sistema (mediante el desarrollo de un tanque termoclina que utiliza sales fundidas y un almacenamiento térmico de agua optimizado).

4. Reutilización del calor residual en centro de datos mediante pila de combustible para alimentar la red de calor.

5. Integración de TIC inteligentes para gestionar de forma óptima y mediante inteligencia artificial la producción, almacenamiento, distribución y consumo de la red para aumentar la eficiencia del sistema.

6. Desarrollar una herramienta de toma de decisiones de criterios múltiples de código abierto para realizar estudios de viabilidad de la integración de RES en los sistemas de calefacción y refrigeración de distrito en diferentes regiones de Europa.

7. Demostración y validación de tecnologías WEDISTRICT a través de cuatro estudios de casos reales en cuatro regiones diferentes de Europa.

8. Demostración de la replicabilidad del proyecto en diferentes escenarios comerciales a través de estudios de demostración virtuales, incluida la implementación en horizonte 5G-DHC como la columna vertebral de las ciudades inteligentes.

9. Demostración a los inversores de la rentabilidad del proyecto y desarrollar modelos de negocio sostenibles.

10.Promover la aceptación pública y la participación de los ciudadanos.

En definitiva, un total de 10 tecnologías innovadoras (nueve soluciones energéticas y un sistema de digitalización avanzada) serán desarrolladas en el marco del proyecto, aunque se realizará la integración de 13 tecnologías diferentes para su demostración y validación.

Cuatro instalaciones reales

Esta validación se llevará a cabo mediante cuatro instalaciones instalaciones reales:

1. Nuevo Distrito de calefacción y refrigeración en el área tecnológica de Alcalá de Henares (España) en el centro de I+D de la empresa CEPSA, integrando tres tecnologías diferentes de energía solar térmica, calderas de biomasa de baja emisión y almacenamiento térmico (basado en sales fundidas y tanque de agua) junto a tecnologías de frío renovable (para generación de agua fría y aire frío mediante renovables). El resultado será uno de los principales "laboratorios de DHC solar" en Europa liderado por DH Eco Energías.

2. Rehabilitación del DH existente en el campus de la Universidad de Bucarest (Rumania), integrando un sistema híbrido geotérmica-solar para complementar la red existente.

3. Rehabilitación del DH existente (alimentado por carbón) en la ciudad de Racibórz (Polonia), utilizando calderas de baja emisión de biomasa y energía solar fotovoltaica para los servicios de ACS.

4. Integración del calor residual del centro de datos en la red existente de DH de Lulea Energy (Suecia), utilizando una tecnología pionera basada en pila de combustible.

Tecnologías WEDISTRICT

Tecnologías solares de concentración

Los colectores cilindro-parabólicos (desarrollados por Soltigua) consisten en espejos parabólicos que reflejan los rayos del sol en un tubo receptor en el que fluye un fluido caloportador como aceite térmico o sal fundida. La tubería absorbente se instala generalmente dentro de un tubo de vidrio, que aseguran bajas pérdidas de calor y la posibilidad de lograr un alto rendimiento temperatura. El cilindro parabólico utiliza una tecnología de seguimiento solar, donde una computadora calcula y regula la posición de los espejos para maximizar la radiación recogida a lo largo del día. Por otro lado, algunos o todos los espejos pueden desenfocarse cuando no hay demanda de salida del colector solar.

La característica principal del nuevo colector solar cilindro-parabólico es la fuente de alimentación inalámbrica y sistema de control que permite la eliminación de cables entre el panel de control central, el a bordo paneles y las zanjas de cable relacionadas. 

En segundo lugar, la fuente de alimentación para el seguimiento solar proviene de un módulo fotovoltaico independiente más un sistema de batería ión-litio. Además, se utilizarán nuevos materiales mejorados para algunos componentes estructurales con el fin de reducir su coste y su resistencia a la corrosión.

En los colectores lineales de Fresnel (desarrollados por Soltigua) se instalan varios espejos largos y delgados paralelos entre sí, cada uno de ellos capaz de girar a lo largo de su eje longitudinal. La posición de cada tira de espejo está controlada por un sistema de seguimiento, de modo que los rayos del sol incidente en el espejo se reflejan hacia un tubo receptor instalado unos metros por encima de los espejos.

La característica esencial del nuevo colector solar lineal Fresnel es la conexión inalámbrica del sistema de alimentación y control que ofrece las mismas ventajas explicadas para los colectores cilíndrico-parabólicos. tecnología. Los rendimientos ópticos y térmicos se mantienen sin cambios con respecto a los productos estándar, mientras que CAPEX y OPEX se reducen, lo que hace que esta nueva solución sea más atractiva.

La última tecnología solar corresponde a un novedoso concentrador de seguimiento para colector de inclinación fija (desarrollada por Seenso).Esta tecnología está formada por un concentrador con uno o dos espejos planos de seguimiento y un colector de inclinación fijo. 

Las mayores ventajas de esta tecnología son: mayor rendimiento de los colectores térmicos; protección automática y sencilla contra sobrecargas de viento y/o temperaturas demasiado altas (sobrecalentamiento); mayor aprovechamiento del suelo que con los colectores de rastreo convencionales, con o sin espejos; mejora de la seguridad operativa: reducción de los requisitos relacionados con la temperatura estructural y de estancamiento; adaptable a productos térmicos existentes (colectores de placa plana, colectores ETCs…); posibilidad de fabricación en grandes series.

Instalación de los concentradores

Caldera de biomasa de baja emisión

La biomasa es la energía renovable más utilizada para calefacción en la actualidad europea. Actualmente, solo la biomasa se utiliza como fuente de energía principal en muchos sistemas de DH europeos. Las fuentes de combustible son principalmente residuos agrícolas y forestales.

El uso sostenible de biomasa para la producción de calefacción/refrigeración puede generar una serie de beneficios energéticos, económicos, laborales y medioambientales. La biomasa se puede almacenar en momentos de baja demanda y proporcionar energía disponible cuando sea necesario.

Sin embargo, la principal preocupación con la biomasa es que, a pesar de ser una alternativa relativamente limpia a los combustibles fósiles más dañinos, aún genera toxinas dañinas que pueden liberarse a la atmósfera a medida que se quema. Uno de los principales desafíos es cómo reducir las emisiones de NOx de la quema de biomasa. 

En los últimos años, se han desarrollado nuevas tecnologías para reducir las emisiones de NOx de la biomasa y otras fuentes de energía. Sobre todo, estas tecnologías se basan en nuevos filtros de mangas con catalizador incorporado. Esta combinación puede reducir las emisiones de NOx muy cerca de cero. El gran problema es el coste de inversión para implementar esta solución en instalaciones de biomasa de tamaño pequeño y mediano.

El principal esfuerzo de WEDISTRICT es adquirir calderas de biomasa de baja contaminación que estén alineadas con las restricciones de calidad del aire de la Comisión Europea. La caldera será desarrollada por la empresa CER y su distribuidora en España Termosun. 

El objetivo es acercar nuestros resultados de emisiones de NOx a los límites de corriente de combustión de gas natural con un 30% menos de necesidades de inversión actuales. 

Para ello, se propone el diseño de nuevas geometrías de hornos para mejorar la mezcla aire-combustible y la distribución y presión del aire de combustión. Además, se propone integrar un innovador sistema DeNOx desarrollado por la empresa American Air Filter (AAF), que combina la reducción catalítica selectiva (SCR) a través de los novedosos "filtros de bolsa catalíticos" y la reducción no catalítica (SNCR) mediante inyección de amoníaco o urea. La principal innovación es que el catalizador estará integrado en el filtro, reduciendo el coste del módulo SCR en un 50% con respecto a los sistemas SCR convencionales. 

Por último, se trabajará en la retención de partículas mediante un filtro de retención de polvo, ya validado en plantas de cemento que serán adaptadas para la planta del proyecto.

Sistema RACU (tecnología de climatización)

El Grupo de InvestigaciónTEP974, Research Applied Thermal Engineering, de la Universidad de Córdoba es responsable del diseño, fabricación y suministro de un nuevo prototipo denominado RACU, Renewable Air Cooling Unit. El sistema RACU estará conectado a la red de distrito de agua caliente y empleará esa energía térmica para refrigerar el edificio mediante aire frío.

Desde el punto de vista tecnológico, el sistema RACU se fundamenta en una cuidada combinación de sistemas basados en tecnología de enfriamiento evaporativo indirecto de muy alta eficiencia junto con tecnología de rueda desecante. Desde el punto de vista medioambiental, realiza un proceso de enfriamiento de aire totalmente sostenible y respetuoso con el medio ambiente, al estar libre de refrigerantes y otro tipo de sustancias contaminantes.

El sistema solo utiliza como fluidos de trabajo aire y agua. Desde el punto de vista de uso de la energía, permite la refrigeración del edificio empleando energía térmica procedente de fuentes 100% renovables. Desde el punto de vista de tratamiento de aire, realiza un control independiente de la temperatura y humedad relativa del local y garantiza una excelente Calidad de Aire Interior, ya que el 100% del aire tratado procede del exterior. Esta última característica es especial relevante en el contexto COVID.

Máquina de absorción de tecnología avanzada

El grupo de CREVER, de la Universitat Rovira i Virgili de Tarragona, es responsable del diseño, fabricación y suministro de un nuevo prototipo de una enfriadora de agua denominado Advanced Absorption Chiller. La enfriadora estará conectada a la red de distrito de agua fría, y empleará esa energía térmica proveniente de los captadores solares y de la caldera de biomasa.

Desde el punto de vista tecnológico, la enfriadora está basada en las enfriadoras de simple efecto de bromuro de litio agua. La novedad de esta enfriadora radica en el uso de materiales para el almacenamiento térmico que permiten aprovechar el calor de condensación. Este calor almacenado es empleado para precalentar la solución de bromuro de litio agua que posteriormente será regenerada en el regenerador. De esta forma, se consigue aumentar el COP del ciclo de absorción (requiriendo menor cantidad de calor para producir agua fría) y reducir el tamaño de las torres de condensación.

Los materiales que se emplean para la acumulación térmica son de bajo coste y el fluido de trabajo es de nulo GWP. Además, las fuentes de calor requeridas son de baja temperatura y 100% renovables.

Almacenamiento en sales

Una de las tecnologías innovadoras que se van a probar en instalaciones de climatización centralizada es la utilización de un almacenamiento basado en el uso de sales fundidas como elemento calorífugo. Este desarrollo se hace en cooperación entre Fertiberia y UPM. Consiste en un tanque termoclino relleno de material sólido poroso en el que las sales actúan como elemento fundamental de trasiego y acumulación de energía. 

Esta tecnología se emplea en centrales termoeléctricas solares, pero esa adaptación a esta instalación implica del desarrollo de una sal que sea capaz de trabajar en estado líquido a temperaturas significativamente más bajas, y en modo estratificado, frente a las temperaturas de más de 400 °C y en modo de dos tanques isotermos, que es lo que se utiliza en los desarrollos termoeléctricos.

En particular, Fertiberia en el proyecto WEDISTRICT instalará su novedosa formulación de sales de almacenamiento térmico. Estas permiten gestionar la energía de las distintas fuentes renovables que se van a implementar para suplir según necesidad y demanda. Estas sales presentan la novedad de una temperatura de fusión extremadamente baja respecto al estado del arte (110 °C).

Hibridación térmica-eléctrica PV-geotermia

La UPB (Universidad Politécnica de Bucarest) desarrollará un concepto de sistema híbrido compuesto por dos subsistemas interconectados: subsistema térmico y subsistema eléctrico. La producción de energía eléctrica cubrirá el consumo del subsistema térmico y la sobreproducción de calor producido a partir de RES se podrá inyectar al District Heating actual.

Esta hibridación está formada por una serie de tecnologías que, integradas de manera óptima, permitirán reducir en 80% las emisiones de CO2 (en el demostrador de Bucarest). Las tecnologías son: pozos geotérmicos, bombas de calor, paneles hibridos térmicos-fotovoltaicos y tanque de almacenamiento por agua para el subsistema térmico, mientras que el subsistema eléctrico estará formado por paneles fotovoltaicos, inversores y baterías eléctricas.

Recuperación de calor de centros de datos

Además de la mejora de las tecnologías de generación, una de las claves para reducir el impacto medioambiental global es la recuperación de calor. Actualmente hay numerosos procesos industriales que generan calor residual, el cual es mayormente disipado al ambiente. Entre ellos destacan los centros de procesamiento de datos, instalaciones de alta densidad de energía y demanda refrigeración. Estas están en claro auge debido a la expansión de la digitalización y los servicios de internet, lo que supone un incremento del consumo eléctrico y de calor residual disponible.

Una de las tendencias para reducir el impacto medioambiental de los centros de procesamiento es el uso de pilas de combustible. Permiten la utilización de biogás o hidrogeno renovable, reduciendo la huella de carbono. Además, permiten reducir la dependencia de la red eléctrica y simplificar la distribución de potencia en los servidores. 

Pese a esto, las pilas de combustible, y especialmente óxido sólido, también generan calor a alta temperatura, el cual no es útil para el centro de procesamiento de datos. Esto se suma al calor residual debido a la refrigeración de los servidores, la recuperación del cual presenta un reto debido a su baja temperatura.

RISE e IREC son responsables de desarrollar las metodologías para la recuperación de calor a redes de distrito de los centros de datos alimentados por pilas de combustible. El objetivo es maximizar la recuperación de calor de las dos fuentes (refrigeración de servidores y gases de escape de las pilas de combustible), proponiendo esquemas térmicos y eléctricos innovadores a la vez que se propone un modelo de negocio atractivo para los gestores de centros de procesamiento de datos.

Digitalización avanzada

Actualmente, las redes de calor y frío combinan la utilización de complejos sistemas de monitorización que permiten un control en tiempo real. Sobre este pilar básico, existen soluciones comerciales que tratan de ir un paso más allá, al incorporar alternativas basadas en tecnologías de inteligencia artificial para ofrecer servicios adicionales, como el mantenimiento predictivo. No obstante, se trata principalmente de costosos productos cerrados típicamente limitados a un único fabricante.

Como socio responsable de la transformación digital en el marco del proyecto, ATOS está desarrollando una plataforma descentralizada donde se integrarán y almacenarán en la nube los datos observados por los diferentes sistemas de monitorización de los pilotos. 

Para garantizar la interoperabilidad entre plataformas, la información será guardada siguiendo estándares abiertos. Adicionalmente, se incluyen datos de fuentes externas (predicción meteorológica, radiación solar, horarios/calendario laboral, etc.). 

Toda esta información se agregará y utilizará, por un lado, para generar modelos de predicción de generación y demanda energética, así como de la recuperación de calor en centros de procesamiento de datos. 

Por otra parte, todo lo anterior realimentará a un módulo de control remoto donde se garantice el comportamiento óptimo del sistema en base a diferentes criterios (coste generación, utilización 100% energías renovables, etc.).

Artículo elaborado por María Victoria Cambronero
Coordinadora del Proyecto WEDISTRICT