Redes de calor. Tecnologías, aplicaciones y casos de. Titulo Presentación. éxito. Empresa/Evento. Miércoles, 29 de Marzo de 2017

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1 Redes de calor. Tecnologías, aplicaciones y casos de Titulo Presentación éxito Empresa/Evento Miércoles, 29 de Marzo de 2017

2 Índice 1 Introducción 2 Tecnología de las redes de calor 3 Evaluación del potencial existente 4 Casos de éxito 5 Financiación de redes de calor

3 1 Introducción Consumo de energía final en España Los edificios representan el 40% del consumo de energía final de la UE. El sector edificatorio supone del orden del 29,87% del consumo de energía final, según los últimos datos definitivos disponibles de 2011 (los datos de 2012 y 2013 son provisionales): 18,07% en el sector residencial. 11,80% en el sector comercio, servicios y AAPP. Sector crucial para alcanzar el objetivo de la UE de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero ( ). El objetivo es ahorrar energía y disminuir la emisión de CO2, mediante la disminución de la demanda energética del edificio, el aumento del rendimiento de las instalaciones y la incorporación de energías renovables.

4 2 Tecnología Red de calefacción de distrito Se denomina climatización urbana a los sistemas centralizados de calor y/o frío basados en redes de distrito Están compuestas de un conjunto de tuberías aisladas, que conectan varios puntos generadores con varios puntos de consumo a los que dan servicios de: Calefacción y ACS (redes de distrito de calor o District Heating) Refrigeración (redes de distrito de frío o District Cooling). Calefacción, ACS y Refrigeración (District Heating Cooling)

5 2 Tecnología Red de calefacción de distrito Los principales componentes son: Central de generación térmica Red de tuberías de distribución Subestaciones de conexión con los usuarios finales vivienda unifamiliar central térmica red de distribución subestación térmica

6 2 Tecnología Red de calefacción de distrito Clasificación de las redes de distrito:

7 2 Tecnología Red de calefacción de distrito Fuentes de energía: La principal justificación para la implantación de redes urbanas de calor y frio es la optimización en el uso de recursos de energía local para satisfacer las necesidades de energía térmica. Las redes de climatización urbana son un sistema flexible respecto a la fuente energética a utilizar y permiten una sustitucióno integración de nuevas energías renovable: Plantas de cogeneración Incineración de residuos: residuos sólidos urbanos, residuos de lodos de depuración, etc. Recuperación de energía residual de procesos industriales Fuentes de calor geotérmicas Utilización de recursos forestales disponibles a nivel municipal en instalaciones de biomasa Utilización de la energía solar térmica Refrigeración natural: agua fría procedente directamente de mar, río o lago

8 2 Tecnología Componentes de la red de calor I. Central de generación: La central de generación es el núcleo principal de una red de distrito y donde se genera la energía térmica que se distribuirá a los usuarios mediante la red de distribución. Sistema de generación base + sistema de generación para puntas de demanda: Centrales de base Centrales de pico La central de generación se sitúa en el interior de un edificio construido a tal efecto, exclusivo para la producción y bombeo de agua caliente y fría. En su interior se ubican los elementos generadores de energía, así como los principales grupos de bombeo, que impulsan al fluido portador de calor a los diferentes puntos de consumo.

9 2 Tecnología Componentes de la red de calor I. Central de generación: En función del tipo de combustible se puede disponer de distintos equipos de genéración térmica: i. Calderas: ii. iii. iv. Gas (calderas de condensación) Biomasa Captadores solares De baja temperatura De media alta temperatura Cogeneración Máquinas Enfriadoras v. Otros Compresión mecánica Térmicas - absorción

10 2 Tecnología II. Componentes de la red de calor Sistemas de acumulación térmica El objetivo principal de los sistemas de acumulación es compensar la diferencia entre la producción de calor en la central de generación y la demanda en los puntos de consumo asumiendo las variaciones instantáneas de consumo. Ventajas: Optimiza la producción facilitando el ajuste con la demanda, consiguiendo una curva de producción más plana y disminuyendo el número de ciclos marcha/paro Reduce la potencia a instalar en la central de generación Permite desplazar la producción a horas valle con el consiguiente ahorro económico Compensa las diferencias de caudal entre producción y demanda Facilita el aprovechamiento de energía procedente de energías renovables o de fuentes térmicas residuales

11 2 Tecnología II. Componentes de la red de calor Sistemas de acumulación térmica Tipos: Almacenamiento de calor sensible: Agua / agua glicolada ºC Estratificación (2:1) Almacenamiento en calor latente: Materiales PCM Acumulación en hielo Normalmente se utilizan depósitos metálicos en las instalaciones de menor tamaño y depósitos de obra civil para grandes instalaciones.

12 2 Tecnología III. Componentes de la red de calor Red de distribución La red de distribución es una red de tuberías aisladas que distribuye la energía térmica entre la central de generación y los usuarios. Redes de calor: Impulsión a 100 C a 110 C ( e inferiores). Salto térmico de 20 a 60 ºC, dependiendo del diseño de las unidades terminales situadas en los edificios. Redes de frío: Impulsión de 4 10ºC. Salto térmico 5 10ºC. Saltos térmicos lo más altos posibles caudales más reducidos Bombeos más reducidos Menor consumo energético.

13 2 Tecnología III. Componentes de la red de calor Red de distribución Parámetros de diseño: Material utilizado: la elección dependerá de si la construcción es superficial o enterrada. Las tuberías de mayor tamaño suelen ser de acero al carbono y las de diámetro menores pueden utilizar materiales plásticos, como el polietileno reticulado. Aislamiento: Conductividad térmica - lambda (λ) inferior a 0,029 W/(m K). Tipo de construcción: distribución enterrada o en superficie Estos tres factores deben ser seleccionados en función de las condiciones de trabajo de la red (temperatura, caudal, etc.) y del ambiente exterior. La tendencia actual instalaciones enterradas. Se suelen utilizar tuberías de acero negro preaisladas en fábrica con espuma de poliuretano. Armazón de polietileno que protege el aislamiento del ambiente exterior. Las tuberías suelen ir equipadas con un cableado detector de fugas de fluido.

14 2 Tecnología Componentes de la red de calor III. Red de distribución Cableado detector de fugas de fluido: Sistema de detección de fugas: Cable conductor embebido

15 2 Tecnología III. Componentes de la red de calor Red de distribución La red de distribución es donde se producen las mayores pérdidas: Agrupar las redes Utilizar el menor caudal posible, reduciendo la sección de las redes Instalar unidades terminales de baja temperatura Reducir la temperatura de la malla de retorno Reducir el número derivaciones a la central generadora Usar tuberías preaisladas Aprovechar trazados preexistentes

16 2 Tecnología IV. Componentes de la red de calor Sistemas de bombeo Bombeo primario/secundario Bombas en el secundario de los circuitos de distribución; esta técnica implica una regulación compleja y costosa energéticamente. Bombeo distribuido Utilizan bombas en cada subestación, de esta forma cada edificio conectado a la red funciona de forma independiente. Es el sistema más óptimo consumo energético aproximadamente de un 20% menos que los sistemas de bombeo centralizados. Bombeo centralizado Consistente en un único conjunto de bombas para todo el sistema. El diseño es el más sencillo y con un coste de instalación más bajo. Este sistema requiere una regulación de caudal constante con válvulas de tres vías para controlar la temperatura.

17 2 Tecnología Componentes de la red de calor V. Subestaciones térmicas En las subestaciones se adecuan la presión y temperatura de red a las condiciones de consumo. El tipo de subestaciones más habitual es con intercambiador térmico a través del cual se realiza la separación entre circuitos. Además del intercambiador de calor elementos de regulación y control y equipos de medición para la facturación de la energía térmica suministrada desde la red a cada usuario final. Componentes míniimos: Válvulas de corte Contadores de energía homologados Válvulas de regulación de presión Válvulas de regulación de potencia Sistema de tratamiento de agua Cuadro eléctrico

18 2 Tecnología Componentes de la red de calor V. Subestaciones térmicas Esquema de principio subestación de calor de un intercambiador. Fuente: Districlima

19 2 Tecnología Componentes de la red de calor V. Subestaciones térmicas Sala de subestacionn. Fuente: Districlima

20 2 Tecnología VI. Componentes de la red de calor Regulación y control El objetivo principal de la regulación de las redes de calor urbanas consiste en ajustar la energía de generación con la demanda real en cada instante. Otra variable importante a regular es el control de las temperaturas de operación de impulsión y retorno, que suele realizarse en función de la temperatura exterior. Tipos de regulación: Regulación del caudal: la temperatura del agua se mantiene constante y se modifica el caudal en función de la demanda térmica. Es el tipo de regulación más utilizada debido a la rápida respuesta a variaciones en la demanda, gracias al uso de bombas de velocidad variable. Regulación de la temperatura: se mantiene constante el caudal en la red y se varía la temperatura a la que circula el fluido. Este sistema se usa poco por dos motivos: La lenta respuesta El riesgo de roturas y fugas Regulación variable: control de la temperatura de suministro y del caudal. Lo más habitual es una regulación de la temperatura de suministro estacional y una regulación de caudal instantánea.

21 2 Tecnología Componentes de la red de calor VII. Sistema de gestión Permiten una supervisión del funcionamiento de la red y aumenta la seguridad de operación de la misma. La supervisión regular de la presión y temperatura en las subestaciones es necesaria para un funcionamiento eficiente de las redes de distrito. Redes de tamaño medio o grande sala de control con SCADA: Gráficos de proceso y diagramas de planta Gráficos de históricos y en tiempo real de diferentes variables y señales Gestión de alarmas Gestión del mantenimiento de equipos

22 2 Tecnología Redes de distrito de 4ª generación Hacia las redes de calor de 4ª generación. Retos: 1. Capacidad de suministrar calefacción y ACS a baja temperatura, tanto a edificios existentes, como a edificios rehabilitados y a edificios de consumo de energía casi nulo. 2. Distribuir calor en redes de distribución de bajas pérdidas energéticas 3. Recuperación de calor desde fuentes de baja temperatura e integración de energías renovables como geotermia de baja temperatura. 4. Integrarse en las redes smart grid (redes inteligentes de electricidad, gas, agua y redes de calor y frío) 5. Adecuada planificación, gestión de los costes y planeamiento de infrastructuras así como inversiones estratégicas para la transformación en los sistemas sostenibles futuros Criterio de coste eficiencia.

23 2 Tecnología Redes de distrito de 4ª generación Evolución histórica de las redes de calor y frío

24 3 Evaluación del potencial existente Directiva 2012/27 Artículo 2 Definiciones Sistema urbano eficiente de calefacción y refrigeración : Todo sistema urbano de calefacción o de refrigeración que utilice al menos un 50 % de energía renovable, un 50 % de calor residual, un 75 % de calor cogenerado o un 50 % de una combinación de estos tipos de energía y calor; Artículo 14 Promoción de la eficiencia en la calefacción y la refrigeración A más tardar el 31 de diciembre de 2015, los Estados miembros llevarán a cabo y notificarán a la Comisión una evaluación completa del potencial de uso de la cogeneración de alta eficiencia y de los sistemas urbanos de calefacción y refrigeración eficientes. [...] Adoptarán políticas que fomenten a escala local y regional el potencial de uso de sistemas de calefacción y refrigeración eficientes. 24

25 3 Evaluación del potencial existente Transposición Directiva 2012/27 Metodología: 1. Establecer la demanda de calor y de refrigeración del país 2. Prever cómo evolucionará la demanda 3. Desarrollar un mapa del territorio nacional en el que se señalen: a) los puntos de demanda de calefacción y refrigeración en los municipios con una relación entre superficie construida y superficie del terreno de, como mínimo, 0,3, y en las zonas industriales con un consumo anual total de calefacción y refrigeración de más de 20 GWh. b) La infraestructura de calefacción y refrigeración urbana ya existente y planificada c) Las instalaciones de generación de electricidad con una producción anual superior a 20GWh, las instalaciones de RSU, las instalaciones de cogeneración planificadas y existentes así como las instalaciones de calefacción urbana 4. Establecer el potencial técnico identificar la parte de la demanda de calor que técnicamente podría ser satisfecha por los sistemas propuestos. 5. Establecer el potencial económico. 6. Establecer aquel que es coste eficiente en relación a los recursos disponibles. 25

26 3 Evaluación del potencial existente Transposición Directiva 2012/27 1. Caracterización de la demanda 2. Mapa de calor 3. Potencial técnico 4. Potencial económico 5. Potencial costeeficiente

27 3 Evaluación del potencial existente Transposición Directiva 2012/27 Fuente: Evaluación completa del potencial de uso de la cogeneración de alta eficiencia y de los sistemas urbanos de calefacción y refrigeración eficientes. IDAE.

28 4 Casos de éxito Europa En Europa existen más de 6000 redes de calefacción de distrito

29 4 Casos de éxito Europa El número de instalaciones de DH en España es muy inferior a los niveles europeos.

30 4 Casos de éxito Europa Fuente: BPIE (Buildings Performance Institute Europe). Octubre, Europe s Buildings under the microscope. 30

31 4 Casos de éxito - Redes de calor urbano en España

34 4 Casos de éxito Districlima Barcelona La red tiene una longitud de red de 14 Km y da servicio a 80 edificios, climatizando a una superficie de m². La potencia de calor conectada es de 51MW, y la de frío de 73 MW. Potencia de frío instalada MWh es de 35.9 teniendo una potencia acumulada de agua fría de 40 MWh y otra en los tanques de acumulación de hielo de 80 MWh.

35 4 Casos de éxito Districlima Barcelona Central Fórum: Aprovecha vapor procedente de la incineración de residuos urbanos y condensa sus equipos mediante agua de mar Producción de frío: 2 equipos de absorción Broad de 4,5 MW c/u refrigerados indirectamente por agua de mar. 2 enfriadoras eléctricas Mc Quay de 4 MW c/u refrigeradas indirectamente por agua de mar. 2 enfriadoras eléctricas Johnson Controls de 7 MW c/u refrigeradas directamente por agua de mar. 1 depósito de acumulación de agua fría de m 3 Sistema de refrigeración: 3 intercambiadores de agua de mar / agua refrigeración máquinas de 12,5 MW c/u 1 estación de captación de agua de mar de m 3 /h Producción de calor: 4 intercambiadores vapor / agua de 5 MWh c/u 1 caldera de gas de 20 MW (backup, sólo en servicio si no hay disponibilidad de vapor)

36 4 Casos de éxito Districlima Barcelona Central Tánger (distrito Esta segunda central concebida inicialmente como central de puntas o pick up - tiene como finalidad garantizar el suministro en los periodos de mayor demanda, así como entrar en servicio en caso de necesidad ante cualquier eventualidad Producción de frío: 2 equipos de compresión de 6,7MW para producción de agua glicolada a -7 ºC. 1 equipo de compresión de 6,7 MW para producción de agua fría a +4 ºC Producción de calor: 3 calderas de gas natural de 13,4 MW c/u para producción de agua caliente a más de 90 ºC. Acumulación de energía 3 depósitos de hielo de kwh c/u, por los que circula agua glicolada a -4ºC

37 4 Casos de éxito Red de distribución Districlima Barcelona Cuatro tuberías paralelas, dos para el agua caliente (impulsión a 90 ºC y retorno a 60ºC) y dos para el agua fría (impulsión a 5,5ºC y retorno a 14ºC) que transportan la energía desde las Centrales de producción hasta las subestaciones o puntos de intercambio de energía. La red funciona bajo el principio de caudal variable y volumen constante. Canalizaciones Preaisladas térmicamente y se suministran ya calorifugadas de fábrica, donde este aislamiento se ejecuta mediante un proceso automático de inyección en continuo. Diámetros de las canalizaciones entre DN 150 a DN 900 para el frío y, del mismo modo, los DN 80 a DN 450 para el calor.

38 4 Casos de éxito Ecoenergies Barcelona La central dispone de trigeneración, equipos de generación de frío y calor, piscina de hielo con agua glicolada (a -10 ºC), bombas de calor de condensación y placas solares fotovoltáicas. Actualmente está preparada para dar servicio a m 2, tiene una potencia de 2,9 MW, aunque el proyecto contempla llegar a 6 MWe con trigeneración y 1,3 MWe con el empleo de biomasa. Producción de agua caliente (90ºC 24/ 365), agua fría (5ºC 24/ 365), frío industrial (-10ºC 24/ 365) y electricidad. Acumulación de frío de 320 MWh (en forma de hielo) Biomasa procedente de parques y jardines ( Tm) y forestal ( Tm), procediendo de cultivo energético (colonias) Compromiso de conectar el 85% de los edificios previstos en el plan urbanístico del barrio de la Marina a una distancia de la red de 100 metros o más en función de la potencia contratada.

39 4 Casos de éxito Móstoles district heating Red de Calor para la distribución de calefacción y agua caliente sanitaria generada por biomasa (astillas y de restos de podas) en el municipio madrileño de Móstoles. Para su primera fase, ya se ha formalizado la adhesión de viviendas a la red de calor cifra que se completará hasta llegar a las en las fases sucesivas. Zona de alto índice demográfico Viviendas construidas en los años 70 con sistemas de calefacción existente de gasóleo Emplazamiento de la central térmica de biomasa en suelo industrial Potencia instalada de 12 MW. Red de calor a dos tubos Producción de agua caliente sobrecalentada a 110ºC Bombeo primario-secundario con depósito de inercia

40 5 Conclusiones En general, se puede afirmar que Desde la Unión Europea hay una clara estrategia de fomentar las redes de calor de alta eficiencia como instrumento para reducir las emisiones de carbono. Las futuras redes de distrito de 4G basadas en energías renovables y en recuperación de calor serán más competitivas, utilizando temperaturas de distribución más reducidas, en comparación con las tecnologías convencionales que fueron diseñadas para trabajar con combustibles fósiles. Será un reto el dar servicio en una misma red a edificios anteriores al NBE79, a edificios del CTE y a edificios de consumo de energía casi nulo. En el diseño de redes de calor no hay una única solución, sino que la solución final dependerá del tamaño de la red, del tipo de demandas, de los recursos renovables existentes (biomasa de podas, RSU, biogás). Las redes de distrito necesitan el apoyo financiero de las administraciones para superar las barreras de entrada en España respecto de las tecnologías ya instaladas.

41 Gracias por su atención