Sistemas de Energía Solar Térmica y Biomasa

Transcripción

1 Sistemas de Energía Solar Térmica y Biomasa Configuraciones optimizadas para casas unifamiliares y sistemas centralizados para barrios y urbanizaciones 2.Congreso Energía solar - León 2010

2 Energía Solar Térmica y Biomasa INDICE I. Potencial de la energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco Legislativo III. Las Configuraciones Principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energymanagement avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

3 Energía Solar y Biomasa INDICE I. Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco legislativo III. Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energymanagement avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

4 Potencial de Energía Solar y Biomasa El Parlamento Europeo pide aumentar hasta el 20% el uso de las energías renovables en calefacción y la refrigeración en 2020

5 Potencial de Energía Solar y Biomasa Hipótesis principal de la ponencia: El potencial de la energía solar térmica de baja temperatura está completamente subestimada en España Entre los recursos de la radiación solar y de la biomasa a largo plazo España se puede independizarse de la importación de combustibles fósiles como gas y gasoil Su uso quedaría reservado para procesos donde difícilmente ni la solar ni la biomasa presentarían una aplicación razonable

6 Energía Solar y Biomasa INDICE I. Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco Legislativo III. Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energymanagement avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

7 Marco Legislativo CTE HE4 en generalidades

8 Marco Legislativo La combinación entre las dos energías renovables, energía solar térmica y biomasa da más libertad respecto a los criterios de diseño del sistema.

9 Energía solar y Biomasa INDICE I. Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco Legislativo III.Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energymanagement avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

10 Las Configuraciones Principales Un sistema solar térmico para A.C.S. y calefacción con acumulación diaria aporta normalmente un 35 % - 45 % de la demanda térmica de una vivienda.

11 Las Configuraciones Principales Demanda de calor en la vivienda. Premisas Partida I En el Norte y en el interior de España la demanda en calefacción dura en el promedio 6 meses. Cuando hace falta el calor la potencia de la radiación solar es relativamente reducida

12 Las Configuraciones Principales Demanda de calor en la vivienda. Premisas Partida II La necesidad de un sistema convencional para la calefacción es obvio. Combinar el sistema solar con otras energias renovables es la solución ideal en un país que ni tiene gas ni petróleo.

13 Las Configuraciones Principales Demanda de calor en la vivienda. Premisas Partida III Ventajas de la combinación entre energía solar y biomasa No precisa grandes redes. La energía se produce en la zona o en el lugar del consumo. La energía solar no precisa medios de transporte. Recursos ilimitados Estimulación de la economía regional Una instalación solar-biomasa genera 4 veces mas puestos de trabajo que la instalación de una caldera de gas.

14 Las Configuraciones Principales RESULTADOS ANALIZADOS POR LABORATORIOS ENSAYOS El instituto prestigioso SPF en Suiza llevó cabo un estudio para determinar el potencial de optimización y ahorro energético de dichas instalaciones. Esquema Prosolar - empresa grupo Sonnenkraft

15 Las Configuraciones Principales Objetivos de la investigación biomasa-solar SPF Comparación consumos energéticos caldera de pellets con y sin solar Potencial de optimización de las combinaciones entre caldera de pellets y solar Método de la investigación: Ensayo y simulación con TRNSYS

16 Las Configuraciones Principales NOTA: Simulación realizada para condiciones climáticas de Suiza

17 Las Configuraciones Principales Resumen consumo pellets sin solar Resumen consumo pellets con solar

18 Las Configuraciones Principales Resumen encendidos caldera sin solar Resumen encendidos caldera con solar

19 Las Configuraciones Principales Pérdidas térmicas de la caldera sin solar Pérdidas térmicas de la caldera con solar

20 Las Configuraciones Principales Conclusiones: La reducción del consumo de pellets con sistema solar es obvia Con sistema solar se evita los intervalos de arranque de la calderas desde primavera hasta otoño En la fase de arranque las emisiones de polvos finos y los consumos eléctricos elevados de las calderas de pellets se pueden reducir con 1. El sistema solar con apoyo a la calefacción 2. Dimensionado correcto del acumulador de inercia 3. Dimensionado correcto de la potencia de la caldera Una regulación inteligente puede optimizar las sinergias entre solar y biomasa

21 Energía Solar y Biomasa INDICE I. Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco Legislativo III. Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energymanagement avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

22 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción I Solar - Biomasa casa unifamiliar

23 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción II Sistema Grandes Consumos de ACS y Calefacción

24 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción III Conclusiones: La reducción del consumo de pellets con sistema solar es obvia Con sistema solar se evita los intervalos de arranque de la calderas desde primavera hasta otoño En la fase de arranque las emisiones de polvos finos y los consumos eléctricos elevados de las calderas de pellets se pueden reducir con 1. El sistema solar con apoyo a la calefacción 2. Dimensionado correcto del acumulador de inercia 3. Dimensionado correcto de la potencia de la caldera Una regulación inteligente puede optimizar las sinergias entre solar y biomasa

25 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción IV Acumulador de inercia PSC: Lanzas de estratificación internas Barrera de estratificación reducir turbulencias y separar zona de apoyo de la zona solar Tubería en el interior del acumulador Montaje modular muy rápida y reducción de perdidas por tubería exterior

26 Las Configuraciones Principales Conclusiones: La reducción del consumo de pellets con sistema solar es obvio. Con sistema solar se evita los intervalos de arranque de la calderas desde primavera hasta otoño. En la fase de arranque las emisiones de polvos finos y los consumos eléctricos elevados de las calderas de pellets se pueden reducir con 1. El sistema solar con apoyo a la calefacción 2. Dimensionado correcto del acumulador de inercia 3. Dimensionado correcto de la potencia de la caldera Una regulación inteligente puede optimizar las sinergias entre solar y biomasa.

27 Energía Solar y Biomasa INDICE I. Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco legislativo III. Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energy-management avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

28 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción V La centralita calefacción solar SKSCHK3 Solar - Biomasa casa unifamiliar

29 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción VI La centralita calefacción solar SKSCHK3 Salida calefacción retorno calefacción La centralita SKSCHK3 para calefacción solar Sonnenkraft reduce efectivamente las pérdidas de calor del acumulador de inercia: Una sonda (S1) en la zona alta del acumulador regula la temperatura de apoyo para el servicio de ACS instantáneo Otra sonda (S2) regula la temperatura de carga caldera para el servicio a la calefacción. Como referencia toma la temperatura calculada para la impulsión de calefacción en función de la temperatura exterior..

30 El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción VII Pérdidas por acumulación de calor Las pérdidas anuales de un acumulador sobredimensionado en el ensayo del SPF corresponden a la producción anual de un captador de 2,5 m 2. PERO: Las pérdidas se producen durante las temporadas sin calefacción (solo ACS) cuando el sistema solar sube la temperatura del acumulador a un nivel alto.

31 Energía Solar y Biomasa INDICE I. Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco legislativo III. Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un energymanagement avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

32 Acumulación en el Sistema Solar I El diagrama demuestra las pérdidas anuales de calor en [%] en acumuladores grandes de agua con aislamiento de 50 cm. de grosor, temperatura ambiente de 15ºC y temperatura medía de acumulación del agua a 70ºC. Relación volumen y pérdidas de calor en acumuladores de Agua Pérdidas de calor [%] Volumen de acumulación [1.000 m3]

33 Acumulación en el Sistema Solar II Con el aumento del volumen del acumulador se reducen las pérdidas anuales de calor en una manera significante. Hay algunos proyectos solares especiales para barrios con acumuladores estaciónales, que se han construido en Europa con acumuladores de muy grandes volúmenes. Pérdidas de calor [%] Relación volumen y pérdidas de calor en acumuladores de Agua Volumen de acumulación [1.000 m3]

34 Energía Solar Térmica y Biomasa District Heating con biomasa y EST - Austria Eibiswald m 2 superficie solar 105 m 3 acumulación de inercia Caldera de biomasa de potencia mín. 180 kw - máx kw

35 Energía Solar Térmica y Biomasa Esquema hidráulico biomasa y EST - Austria Eibiswald

36 Energía Solar Térmica y Biomasa Datos principales biomasa y EST - Austria Eibiswald Consumo energético de la red total Consumo energético de los consumidores finales Producción energética caldera Biomasa Producción energética caldera gasoil Producción energética sistema solar Rendimiento captador solar específico Pérdidas de distribución de la red anual Fracción solar Julio- Agosto Fracción solar anual MWh MWh MWh 105 MWh 516 MWh 450 kwh/m 2 a 20% 90 % 8 %

37 Energía Solar Térmica y Biomasa Criterios del dimensionado del sistema: Reducir arranques frecuentes de la caldera de biomasa Enfocar apoyo (con caldera convencional) para cubrir picos de la demanda sin arrancar la caldera de biomasa Cubrir la demanda de ACS fuera de la temporada de calefacción con EST Conseguir una temperatura del retorno del sistema a 35ºC Sistema de calefacción hidráulicamente muy bien equilibrado Combinación con calefacción de baja temperatura ideal Conseguir rendimiento específico del captador solar más alto que 600 kwh/m 2 anuales Optimizar el diseño de la red de distribución, trayectos cortos (potencia de distribución > 1kW/m de tubería)

38 Ventajas y desventajas principales de los Sistemas District Heating Eficiencia energética del proceso de combustión Muy útil en zonas con edificación densa Control optimizado de la emisiones de gases nocivos Buena relación entre producción de calor y la simultaneidad de consumos Gastos en energéticos reducidos por tarifas de gran consumos de combustible Costes de mantenimiento reducidos Apto para concepto ESCO Atractivo en combinación con energías renovables Pérdidas de calor altas por redes de distribución No atractivo por ejemplo en urbanizaciones de casas unifamiliares, edificación no densa Inversión inicial muy elevada No atractivo para promotoras/ inmobiliarios con intereses económicos a corto plazo

39 CONCEPTO CIUDAD SOLAR I 1. EL CONCEPTO DE LA ACUMULACIÓN ESTACIONAL

40 CONCEPTO CIUDAD SOLAR II District heating Crailsheim - Bavaria

41 CONCEPTO CIUDAD SOLAR III Desde principio de los años 90: sistemas centralizados de energía solar térmica en el centro y del norte de Europa La instalación más grande situada en Dinamarca: m 2 de superficie de captadores solares.

42 CONCEPTO CIUDAD SOLAR IV m 2 de colectores solares Arcon en Marstal - Dinamarca

43 CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1. MACRO-ACUMULADOR DE AGUA

44 CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1. MACRO-ACUMULADOR DE AGUA 2. ACUMULACIÓN MEZCLADA

45 CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1. MACRO-ACUMULADOR DE AGU 2. ACUMULACIÓN MEZCLADA 3. ACUMULADOR GEOTÉRMICO

46 CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1. MACRO-ACUMULADOR DE AGUA 2. ACUMULACIÓN MEZCLADA 3. ACUMULADOR GEOTÉRMICO 4. ACUMULADOR ACUIFERO

47 MACRO - ACUMULADOR DE AGUA CARACTERÍSTICAS: 1. Construcción en hormigón 2. Impermeabilización con acero inox. o otros materiales resistentes a temperaturas > 100ºC 3. Geometría óptima respecto a costes y pérdidas térmicas 4. Aislamiento adecuado 5. Estratificación optimizada 6. La capacidad calorífica entre kwh/m m 3 ACUMULACIÓN FRIEDRICHSHAFEN

48 MACRO - ACUMULADOR DE AGUA Fases de desarrollo y optimización del diseño de un acumulador estacional para agua ACUMULADOR FRIEDRICHSHAFEN ACABADO

49 CONCEPTO CIUDAD SOLAR V Tecnología de captación solar disponible

50 LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT GAMA DE CAPTADORES SOLARES GRANDES GK5 Y GK10 ABSORBEDOR DE MEANDRO

51 LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT Gama de captadores solares grandes GK5 y GK10 absorbedor configuración meandro

52 LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT CAPTADOR SOLAR ARCON

53 LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT Proyecto Friedrichshafen con captador Arcon

54 RESUMEN DE ALGUNOS PROYECTOS TIPO DISTRICT HEATING SOLAR EN ALEMANIA HAMBURGO FRIEDRICHS- HAFEN NECKARSULM CHEMNITZ INICIO SUPERFICIE A CALENTAR [m 2 ] (39.000) SUPERFICIE DE ABSORCIÓN SOLAR [m 2 ] (5.600) VOLUMEN DE ACUMULACIÓN [m 3 ] AGUA AGUA GEOTÉRMICO AGUA, GRAVILLA DEMANDA ENERGÉTICA CALCULADA [MWh/a] (4.106) APORTACIÓN SOLAR [MWh/a] (1.915) FRACCIÓN SOLAR [%] (47) INVERSIÓN TOTAL [MILLÓN ] 2,15 3,15 1,45 2,8 COSTE ENERGÍA SOLAR SIN SUBVENCIÓN [ /kwh] 0,25 0,15 0,17 0,24

55 CONSIDERACIONES - CONCLUSIONES RETOS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PARA SISTEMAS SOLARES GRANDES: Desarrollo de sistemas integrales (aspectos energéticos y arquitectónicos) Optimización de Designer-tools (Trnsys tools) Integración de sistemas grandes de biomasa como apoyo Optimización de los procesos termodinámicos (control de temperaturas de retorno, estratificación..) Sistemas de financiación inteligentes reducción de los costes del sistema

56 INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

57 INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

58 INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

59 INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

60 Muchas gracias por su atención.