Recopilación de indicadores de viabilidad de una red de distrito

Transcripción

1 Recopilación de indicadores de viabilidad de una red de distrito AUTORES Joana Tarrés, Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC), Laura Sisó, Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC), Febrero 2017

2 Índice INTRODUCCIÓN... 3 INDICADORES... 4 ANEJO... 8 INDICADORES DE REDES DE DISTRITO EN ESPAÑA... 9 COMPILACIÓN DE INDICADORES ANALISIS DE SENSIBILIDAD DE LA DENSIDAD DE CALOR LINEAL (LHD) BIBLIOGRAFIA... 13

3 INTRODUCCIÓN Este documento presenta una recopilación de los indicadores principales para determinar la viabilidad de una red de distrito de calor (en adelante DH). La metodología utilizada ha sido la búsqueda en literatura de indicadores y sus valores en distintas regiones y por otro lado recopilar información de redes de distrito existentes en España para calcular los indicadores para poder tener un referente a nivel estatal y regional. Estos indicadores también se han calculado para los casos estudio del proyecto SmartReFlex. Cabe mencionar que la información disponible sobre redes de distrito no es muy abundante y que principalmente la información encontrada hace referencia a DH en edificios terciarios. En primer lugar se describen los indicadores y la fórmula con que se calculan. En segundo lugar se presentan los valores de estos indicadores para DH existentes en Cataluña y para los casos estudio analizados en el proyecto SmartReFlex. Por último, se comparan estos valores con los valores encontrados en la literatura para otras regiones de España, Europa y Canadá. 3

4 INDICADORES INDICADOR UNIDADES DESCRIPCIÓN RANGO DE VALORES EN CATALUNYA RANGO DE VALORES EN OTRAS REGIONES DENSIDAD DE DEMANDA DEL SECTOR kwh/m 2 HD = Q D A L Demanda energética Q D en relación a la superficie del sector A L Casos estudio SmartReFlex: Sector Estrella: 25.5 kwh/m 2 Parc de l Alba (Calefacción): 41 kwh/m 2 Paises Nórdicos [1]: Límite inferior: 10 kwh/m 2 Inversión segura: 50 kwh/m 2 Suecia, áreas de baja densidad: Media: 25 kwh/m 2 [2] DENSIDAD EDIFICATORIA BULDING DENSITY m 2 /m 2 e = A B A L Donde A B es la superficie construida y A L es la superficie del sector. A mayores densidades, menores son los costes de inversión de tubería y de bombeo[3] España, áreas dispersas [3] Límite inferior >0.15 Suecia [4] Ciudades: e>0.5 Barrios exteriores ciudades 0.3 <e<0.5 Áreas residenciales 0<e<0.3 AMPLITUD TÉRMICA EFFECTIVE WIDTH m w = A L L Indica la extensión de la red de distrito en un área [5]. A L es el área del distrito y L la longitud de la red de tuberías Cuando más grande es la amplitud térmica, menos longitud de tubería y menos coste de conexión Casos estudio SmartReFlex: Sector Estrella: m Parc de l Alba: m Suecia, áreas de baja densidad [2]: Valor medio: 35 m Rango: m Suecia, DH en distritos de casas uni i multifamiliares [5] w = e 0.15 e se refiere a densidad edificatoria, indicador definido en el apartado anterior. 4

5 INDICADOR UNIDADES DESCRIPCIÓN DENSIDAD DE CALOR LINEAL LINE HEAT DENSITY (LHD) MWh/m LHD = Q s L Energía suministrada Q s en relación a la longitud de la red de tuberías L RANGO DE VALORES EN CATALUNYA District Heating Existentes con Biomasa para Terciarios 1 : Prepirineos: 8 MWh/m Resto de Cataluña MWh/m Casos estudio SmartReFlex: Sant Joan les Fonts: 0.87 MWh/m Sector Estrella: 2.36 MWh/m Parc de l Alba : 1.43 MWh/m RANGO DE VALORES EN OTRAS REGIONES Paises Nórdicos, áreas de baja densidad Límite inferior: MWh/m en función del estudio [1], [6], [7] Límite inferior: 0.15 MWh/m [6] para DH con tuberías de dimensión reducida Valor medio: MWh/m [1], [2], [6] Canadá Límite inferior: 1.5 MWh/m [8] España, áreas de media baja densidad: Límite inferior: 1.5 MWh/m [3] Ejemplos: MWh/m [3] Un análisis de sensibilidad ha demostrado que si se incrementa el LHD en 1.5 MWh/m, el TIR aumenta entre 0.65% y 1.45% y el PayBack decrece entre 0.9 y 1.6 años [3] Payback < 13 años: Límite inferior biomasa: 0.3 MWh/m [3]. Pérdidas < 10% Límite inferior solar: 1.4 MWh/m [3] Relación pérdidas en la red y LHD [7] [9] Pérdidas 10-25% si LHD: MWh/m Pérdidas 5% si LHD > 6 MWh/m 1 Muestra de 9 DH con biomasa que suministran calor a edificios terciarios. Fuente IREC 5

6 INDICADOR UNIDADES DESCRIPCIÓN HORAS EQUIVALENTES Horas Q s H = P inst Relación entre la energía anual suministrada Q s y la capacidad de la planta P inst RANGO DE VALORES EN CATALUNYA District Heating Existentes con Biomasa para Terciarios en Cataluña 2 : h Casos estudio SmartReFlex: Sant Joan les Fonts: Biomasa: 1320 h Solar y Biomasa: 1273 h Sector Estrella: Biomasa: 1389 h Solar y Biomasa: 1588 h RANGO DE VALORES EN OTRAS REGIONES RATIO INVERSIÓN POR POTENCIA INSTALADA DE CALOR /kw calor RI Pot = I T P inst Inversión total I T dividida entre la potencia instalada P inst A mayor potencia, el ratio de inversión por potencia instalada es menor District Heating Existentes Biomasa y Terciarios en Cataluña: /kw Ratio DH España 3 : ratio = P inst R 2 = Casos estudio SmartReFlex: Sant Joan les Fonts: Biomasa: 940 /kw Solar y Biomasa: 981 /kw Sector Estrella: Biomasa: 775 /kw Solar y Biomasa: 789 /kw España [3]: Biomasa: /kw Solar y Biomasa con almacenamiento estacional: /kw 2 Muestra de 9 DH con biomasa que suministran calor a edificios terciarios. Fuente IREC 3 Regresión basada en los datos de una muestra de 18 DH en España. La gráfica se muestra en el anejo. Fuente IREC 6

7 INDICADOR UNIDADES DESCRIPCIÓN RATIO DE INVERSIÓN TOTAL EN FUNCIÓN DE LA LONGITUD /m RI Lon = I T L Inversión total en función de la longitud de tubería L RANGO DE VALORES EN CATALUNYA District Heating Existentes con Biomasa para Terciarios en Cataluña: /m Ratio DH España 4 ratio = L R 2 = Casos estudio SmartReFlex: Sant Joan les Fonts: Biomasa: 619 /m Solar y Biomasa: 668 /m Sector Estrella: Biomasa: 821 /m Solar y Biomasa: 1170 /m RANGO DE VALORES EN OTRAS REGIONES 4 Regresión basada en los datos de una muestra de 13 DH en España. La gráfica se muestran en el anejo. Fuente IREC 7

8 ANEJO 8

9 INDICADORES DE REDES DE DISTRITO EN ESPAÑA En el marco del proyecto SmartReFlex se ha recolectado información sobre redes de distrito existentes en Cataluña y España para la obtención de indicadores significativos. A continuación se muestra las gráficas obtenidas para el indicador inversión total frente a potencia instalada y de inversión total frente a longitud de red. Se puede ver las redes de distrito analizadas y dos de los casos estudio del proyecto SmartReFlex. Fig. 3: Ratio de inversión por potencia instalada de calor. Regresión basada en una muestra de 18 DH en España. Fuente: IREC Fig. 4: Ratio de inversión frente a longitud de red. Regresión basada en una muestra de 13 DH en España. Fuente: IREC 9

10 LINE HEAT DENISTY COMPILACIÓN DE INDICADORES En la siguiente tabla se presenta con más detalle los indicadores de Densidad de Calor Lineal (Line heat density), Densidad de Demanda (Heat density demand) y de Amplitud Térmica (Effective Width). La tabla se encuentra en inglés. DESCRIPTION VALUE UNIT SOURCE COMMENTS: Denmark 1 MWh(t)/m.yr [10] The lowest in Scandinavia, and probably the world. Lower LHD would normally indicate less viable DH systems Lower limit in Sweden/Denmark Lower limit in Denmark for reduced pipe dimensions LHD (for low heat demand) 0.2 MWh(t)/m.yr [10] Lower limit and very rare 0.15 MWh(t)/m.yr [1] Economically possible to connect modern detached houses with an annual heat load of 14 MWh at a mutual distance of 100 m, if the pipes are dimensioned carefully, allowing for small dimensions and accepting pressure drops up to 2 MPa/km, i.e. much higher than in classical design 0.3 MWh/m,yr [1], [2] Study from Nordic countries, do not specify for which region this is. Average LHD sweden 0.8 MWh/m,yr [1], [2] Value can be considered as typical for areas with close placing of detached houses as is common in living areas at the borders of cities Low LHD Sweden MWh/m,yr [1], [2] Break even point LHD Sweden study Point with lowest postiive NPV 0.52 MWh(t)/m.yr [1], [7] 0.32 MWh(t)/m.yr [1], [7] This number comes from a graph representing the net present value (NPV) in /house is shown as a function of the line heat density for all investigated areas. correlation function NPV = LHD This number comes from a graph representing the net present value (NPV) in /house is shown as a function of the line heat density for all investigated areas. correlation function NPV = LHD 10

11 THERMAL WIDTH HEAT DENSITY DEMAND DESCRIPTION VALUE UNIT SOURCE COMMENTS: High heat demand (safe for investment) Low heat demand density Average heat density Sweden 50 kwh/m²,yr [1] Study from Nordic countries, do not specify for which region this is. 10 kwh/m 2,y [1] Study from Nordic countries, do not specify for which region this is. 25 kwh/m 2,y [1], [2] DESCRIPTION VALUE UNIT SOURCE COMMENTS: Average thermal width (Sweden) 35 m [1], [2] Variation between 72 m and 15 m 11

12 ANALISIS DE SENSIBILIDAD DE LA DENSIDAD DE CALOR LINEAL (LHD) Lizana [3], analizó la variabilidad de la Tasa Interna de Retorno (TIR) y del PayBack en función de la Densidad de calor Lineal (LHD) para la aplicación de una red de distrito de calor en un municipio del Sur de España. Consideró dos opciones de generación de energía: Biomasa o Solar y biomasa con almacenamiento estacional. Para cada opción se consideraban tres escenarios en función del incremento de precio de la energía anual y del precio de referencia. A continuación se muestran las gráficas obtenidas, dónde se ve que un incremento en LHD supone un incremento del TIR y un descenso del PayBack. Fig. 3 Análisis de sensibilidad del caso de estudio. Variación del TIR en función de LHD de la red de distrito [3] Fig. 4 Análisis de sensibilidad del caso de estudio. Variación del Payback en función de LHD de la red de distrito [3] 12

13 BIBLIOGRAFIA [1] H. Zinko, et al., "District heating distribution in areas with low heat demand density," IEA DHC/CHP2008. [2] L. Larsson, et al., "Nuläge Vämegles Fjärrvärme. (Status of sparse district heating) In Swedish," Svensk Fjärrvärme2002. [3] J. Lizana, et al., "District heating systems based on low-carbon energy technologies in Mediterranean areas," Energy. [4] U. Persson and S. Werner, "Heat distribution and the future competitiveness of district heating," Applied Energy, vol. 88, pp , [5] U. Persson and S. Werner, "Effective width-the relative demand for district heating pipe lengths in city areas," in 12th International Symposium on District Heating and Cooling, Tallinn, Estonia, [6] H. Kristjansson, et al., Fjernvarmeforsyning af lavenergiområder.(district heating supply for low energy density areas). Energiforskningsudvalg for produktion og fordeling af el og varme: Carl Bro as and Technical University of Denmark, [7] C. Reidhav and S. Werner, "Profitability of sparse district heating," Applied Energy, vol. 85, pp , [8] A. Dalla Rosa, et al., "District heating (DH) network design and operation toward a system-wide methodology for optimizing renewable energy solutions (SMORES) in Canada: A case study," Energy, vol. 45, pp , [9] T. Nussbaumer and S. Thalmann. (2014). Status Report on District Heating Systems in IEA Countries. [10] ASHRAE, District Heating Guide. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,