Smart and flexible 100% renewable district heating and cooling systems for European cities

Transcripción

1 Smart and flexible 100% renewable district heating and cooling systems for European cities XARXA DE CALOR AMB 100 % ENERGIA RENOVABLE AL BARRI DE L ESTRELLA DE BADALONA Energy Efficiency: Systems, Buildings and Communities Research Group IREC Laura Sisó Badalona, 6 de juny de 2016

2 XARXA CALOR 100 % RENOVABLE Font: Presentació Instal lacions de biomassa. Tipus, rendibilitat i ajuts per Toni Campanyà, cap de la Unitat de Biomassa de l ICAEN

3 Opcions Inicials: xarxa calor i xarxa fred

4 Índex 1. Demanda energètica 2. Solucions tècniques 3. Anàlisi energètica 4. Anàlisi econòmica 5. Anàlisi ambiental 6. Exemples d installacions 7. Conclusions

5 1. Demanda Energètica. Estimació demanda calefacció i ACS Ratis Demanda Anual (kwh/m2) Calefacció ACS Categoria edifici Font Residencial * Oficines, comercial Edifici terciari Categoria B. Documento reconocido escala de certificación C 1 =0,2 energética IDAE 2011 Categoria B. Rati per oficines > 500 m 2 C=0,5 (PEMB 2002) Hipòtesi: mateix perfil de demanda que el d oficines/comercial * Calculat en base estadística assumint 28 l/diapersona & 2.7 persones/habitatge (Código Técnico de Edificación 2013; IDAE 2011) Demanda anual d energia Demanda pic de l any MWh/any 800 kw

6 1. Demanda Energètica. Estimació demanda calefacció i ACS Demanda anual d energia Demanda pic de l any MWh/any 800 kw

7 2. Solucions tècniques. Biomassa i Solar Tèrmica Capacitat sistemes Opció 1 BIOMASSA OPCIÓ 2 BIOMASSA i SOLAR TÈRMICA Demanda màxima 800 kw 800 kw Biomassa 2 calderes de biomassa estella: 300 kw 200 kw 1 caldera de biomassa estella: 350 kw Solar tèrmica - Camp captadors plans: 350kW-500 m 2 Acumulació tèrmica Tanc d aigua calenta Tanc d aigua calenta 25 m 3 40 m 3

8 2. Solucions tècniques. Disseny xarxa canonades i sala màquines Temperatura de Temperatura de subministrament retorn 85 ºC 60ºC Longitud total de la xarxa (anada i tornada) 945 m Pèrdues de calor a les canonades 6 % de la càrrega total del sistema Canonades d acer Diàmetre màxim Diàmetre mínim DN65 DN32 Espai necessari sala màquines Aprox 100 m 2

9 2. Solucions tècniques. Inversió de Capital Opció1 -Biomassa Opció2 Solar tèrmica & Biomassa Inversió central Inversióxarxa DH Subtotal central + DH Costos d estructura Inversió total

10 3. Anàlisi energètica Hipòtesis Biomassa Estella (30% humitat) Solar tèrmica Captadors solars plans Poder calorífic / Paràmetres de rendiment dels captadors Cost energia 3.25 kwh/kg /kwh η 0 = 0.806; a1 = 2.58 W/m²K; a2 = W/m²K² 0 /kwh Producció de calor Opció1 -Biomassa Opció2 -Solar tèrmica & Biomassa Biomassa (MWh/any) Solar tèrmica (MWh/any) Consum de combustible Biomassa (t/any) Hores d operació Biomassa (hores/any) Solar tèrmica (hores/any) Fracciósolar en base anual per Opció2 30% Fracció solar a l estiu per Opció 2 90%

11 4. Anàlisi econòmica Comparació preu calor

12 5. Anàlisi ambiental. Estalvi d emissions Barri convencional Sistema calefacció individual Gas Natural ECO Barri Xarxa de calor amb Biomassa i Solar tèrmica Estalvi combustibles fòssils Estalvi de tones de CO MWh/any 230 tones CO 2 /any

13 7. Conclusions Una xarxa de calor amb 100% energies renovables al barri de l Estrella és una solució econòmicament competitiva enfront altres tecnologies convencionals basades en combustibles fòssils. La solució proposada és tècnicament viable i ofereix un estalvi de 1170 MWh/any de combustible fòssil i 230 tones de CO 2 /any Al consumir biomassa en un entorn urbà, el projecte d enginyeria haurà de contemplar les normatives al respecte en el disseny de filtres necessaris. [Pla d actuació per a la millora de la qualitat de l aire horitzó 2015 (PAMQA) i altres] El sistema DH 100% Renovable completa el disseny d un barri sostenible, on els edificis hauran de ser dissenyats amb una demanda mínima, contribuint a aconseguir una Certificació A.

14 ECO-BARRI DE L ESTRELLA Factors Socials Factors Ambientals Planejament Factors Econòmics Factors Tècnics BENESTAR CIUTADANS MENOR IMPACTE AMBIENTAL VISIÓ HOLÍSTICA

15 1. Demanda Energètica BADALONA, Barri de l Estrella 5 edificis residencials i comercials 336 habitatges: m 2 Oficines i comercial: m 2 1 edifici residencial i d equipaments públic 44 habitatges proteccióoficial: m 2 Equipament: m 2 Urban Planning Area Urban Information Residential Public building - services Green Area Road network

16 5. Anàlisi ambiental. Impacte de l emissió de partícules Disseny acurat de filtres Mesures compensatories Vehicle Elèctric Comparativa d emissions de diferents combustibles (IDAE, 2002) Reduccions de les partícules emeses en processos de combustió amb sistemes de control (BERC biomass energy research center- USA, 2011)

17 Consumidors: Posada en marxa: Gener 2009 Potència: Acumulació: Combustible: Sitja: Consum anual: Temperatures DH: 6. Exemples installacions. Bellver de cerdanya Calefacciói ACS l escola, la guarderia, el poliesportiu, el centre cívic i escalfa l aigua de la piscina municipal a l estiu Dues calderes de 500 kw y 200 kw instal lades en paral lel Dos dipòsits d inèrcia de litres cadascun Estella de pi amb humitat màxima de 30% provinent d activitats forestals locals 112 m3 Longitud de canonada: 297 m Inversió: Estalvi: Amortització: 686 tones de biomassa Temperatura de l aigua d impulsió 90ºC Temperatura de l aigua de retorn 60ºC Substitucióde per biomassa estalvi de de /any 5 anys

18 6. Exemples installacions. Büsingen (Alemanya) Consumidors: Posada en marxa: 2012 Equip: Acumulació: Combustible: Temperatures DH: Longitud de canonada: > 5 km Calefacció i ACS per 1400 habitants Demanda energètica: MWh/any Caldera de biomassa Captadors solars 1000 m2 Dipòsit d inèrcia de 100 m3 Estella llenyosa Inversió: Temperatura de l aigua d impulsió 75-80ºC Temperatura de l aigua de retorn 50ºC

19 IMPLANTACIÓ DE LA BIOMASSA A LA PROVÍNCIA DE BARCELONA Hi ha calderes de biomassa en funcionament a molts municipis de l àrea metropolitana (Barcelona, L Hospitalet, Sant Cugat, Tiana...). Un 22% de la potència total de les instal lacions de biomassa de la província de Barcelona es troba en equipaments públics. Instal lacions de biomassa en equipaments públics de la província de Barcelona que s'alimenten amb biomassa. Font: Diba

20 IMPLANTACIÓ DE LA BIOMASSA A LA PROVÍNCIA DE BARCELONA Font: Diba AGS: dependències d'administració-gestió- Serveis LECS: dependències amb ús Lúdic-Educatiu- Cultural-Social

21 LIMITACIONS DE L ESTUDI L estimació de la demanda de calor del barri es podria refinar abans de la implementaciódel projecte. La demanda de calor es pot calcular d una manera més acurada utilitzant eines de simulació dinàmica. El consum de l edifici terciari serà diferent a l estimat en aquest estudi. Manca d informació sobre el seu ús final. L estudi és molt sensible als paràmetres econòmics: Influència de la tassa d inflació, tassa d interès del mercat. El cost d inversió total dependrà de l oferta real.

22 LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE- DIMENSIONAMENT SALA DE MÀQUINES Norma UNE En edificis de nova construcció, l alçada mínima de la sala de màquines ha de ser 2.50 m. ~100 m2 superfície sala de màquines Caldera 300 kw 7.5 m3 (4 m2 base caldera) Sala Calderes Centre Comercial La Malla Osona (810 kw 950MWh/any) ( 9,80 x 7,30 x 4,00)m (72m2 a La Malla) SITJA LA MALLA: Capacitat autonomia: 21 dies (demanda màxima)

23 LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE - EMMAGATZEMATGE Viabilitat tècnica de la ubicacióde la sitja de biomassa i de la seva càrrega. Per una instal lacióde biomassa de 500 kw Sitja soterrada de ~ 110 m3 per autonomia de 3 setmanes Segons RITE: Per potència instal lada > 70 kw, l emmagatzematge de biomassa ha d estar separat de la caldera Capacitat mínima d emmagatzematge ha de ser suficient per cobrir el consum de 2 setmanes

24 LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE - EVACUACIÓ DE FUMS El sistema de evacuación de humos consiste en una chimenea. La única diferencia con una chimenea de un sistema de combustible líquido o gaseoso es el diámetro necesario. En el caso de biomasa hay que prever un volumen de gases ligeramente superior, debido a que la humedad que contiene la biomasa se evapora en la caldera y da lugar a vapor de agua que sale mezclado con los productos de la combustión, aumentando así el volumen de los gases. SOROLL En lo que respecta a la calidad del ambiente acústico, el RITE remite al Documento Básico DB-HR Protección frente al ruido del Código Técnico de la Edificación (CTE). No obstante, las calderas de biomasa suelen incluir sistemas internos de reducción de ruidos, por lo que resultan más silenciosas que las de gasóleo y, en general, no presentan inconvenientes relacionados con el nivel de ruido.

25 LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE NORMATIVA IMMISSIONS Europa: Directiva 2008/50 relativa a la qualitat de l aire ambient i a una atmosfera més neta a Europa. PM, O3, NO2, SO2, CO, Pb, C6H6. Directiva 2004/107 relativa a l As, Cd, Hg, Ni, HAP (BaP) en l aire ambient Espanya: Reial decret 102/2011 (incorpora al dret nacional la Directiva 2008/50 I deroga el Reial decret 812/2007 que incorporava la Directiva 2004/107) Resolució Pla Nacional de Qualitat de l Aire Catalunya: Decret 226/2006 i Acord de GOV/82/2012 de la Generalitat pels quals es declara zona de protecció especial de l ambient atmosfèric diversos municipis de les comarques del Barcelonès, el Vallès Oriental, el Vallès Occidental i el Baix Llobregat per al contaminant diòxid de nitrogen i per a les partícules.

26 LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE NORMATIVA EMISSIONS Europa: Directiva 2010/75 relativa a les emissions industrials Dues propostes de regulació(una per solid fuel boilers i l altre per local space heaters ) d acord amb la Directiva 2009/125 d ecodisseny. Per les calderes de biomassa es proposa que a partir de l no puguin emetre més de 20 mg/m3 de partícules. Espanya: Reial decret 815/2013 pel qual s aprova el Reglament d emissions industrials. Desenvolupa la Llei 16/2002 de prevenciói control integrats de la contaminaciói incorpora parcialment al dret nacional la Directiva 2010/75. Norma UNE-EN 303-5:2013 Calderes de calefaccióper combustibles sòlids fins 500 kw de potència útil nominal. Terminologia, requisits, assaigs i marcatge. Aquesta norma determina els valors d emissió. Reial decret 100/2011 Pel qual s actualitza el catàleg d activitats potencialment contaminadores de l atmosfera (CAPCA 2010). Actualitza l annex IV de la Llei 34/2007, de qualitat de l aire i protecció de l atmosfera.

27 PLA D ACTUACIÓ PER A LA MILLORA DE LA QUALITAT DE L AIRE. HORITZÓ 2015 (PAMQA) Recomanacions Document Biomassa DIBA:

28 LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE SISTEMES DE NETEJA DE GASOS DE COMBUSTIÓ GUÍA DE LA NORMATIVA ESTATAL SOBRE EMISIONES A LA ATMÓSFERA (CAPCA 2010, o Catàleg d Activitats Potencialment Contaminants de l Atmosfera): Calderes per a la generació de calor per a districtes urbans s hi troben incloses Detalla els requisits que s han de complir per minimitzar i controlar les emissions Detalla obligacions generals dels titulars de les instal lacions, com ara la realització de controls de les emissions, el manteniment de registres de les mesures de contaminants desenvolupades, i la comunicació de la informació relativa a les emissions i controls a l'òrgan competent de la seva comunitat autònoma. Opcions tecnologies per a reducció d emissions: Precipitadors electrostàtics Multicicló Conversors catalítics Filtres de mànigues Condensadors de gasos de xemeneia

29 ENERGIA SOLAR TÈRMICA Captador solar pla amb coberta no vidriada Model: Gluatmugl HT Nivell Temperatures d operació: ºC

30 RATI INVERSIÓ DH AMB BIOMASSA Comparativa amb altres DH amb biomassa existents a Espanya

31 2. Solucions tècniques. Inversió de Capital Comparativa amb altres DH amb biomassa existents a Espanya

32 4. Anàlisi econòmica Anys d explotació 20 Inflació 2 % Inflació biomassa 2 % TIR objectiu 15 % Opció1 -Biomassa Opció2 -Solar tèrmica & Biomassa Costos anuals Costos de manteniment & operació 6200 /any 8840 /any Costos de combustible /any /any Ingressos anuals Ingressos per venda de calor /any /any Preu de venda de calor Preu resultant 9.15 c /kwh c /kwh

33 DISTRICT COOLING Solució proposada Preu de l energia /MWh Sistema convencional /MWh Anys d explotació 20 Inflació 2 % Inflació biomassa 2 % TIR objectiu 2.39 %

34

35 ECO-BARRI DE L ESTRELLA AIGUA ZONES VERDES TRANSPORT MOBILITAT ENERGIA SÒL I MATERIALS INFRA- ESTRUCTURES TRANSPORT Font: UGGBC. LEED Green Associate Study Guide. 2009