Contribución de la energía solar térmica a la generación distribuida: aplicaciones actuales y futuras en España Daniel González i Castellví Madrid, 24 de mayo de 2011 aiguasol.coop
Presentación Cooperativa fundada en 1.999 por dos doctores investigadores de la UPC. Actualmente formada por 20 personas altamente cualificadas (2 Doctores, 9 ingenieros, 2 físicos, 1 arquitecta y 6 en administración y ventas) dedicados exclusivamente a tareas de ingeniería energética, con oficinas en Barcelona y Madrid. EDIFICACIÓN: tareas de investigación, desarrollo, estudios y proyectos relacionados con los aspectos energéticos, pasivos y activos en edificios o barrios. INDUSTRIA: optimización y integración de procesos, mejora de eficiencia de maquinaria, introducción de renovables. GENERACIÓN: desarrollo y diseño relacionado con sistemas solares termoeléctricos, aspectos avanzados de sistemas fotovoltaicos y diseño y optimización de sistemas energéticos o medidas de eficiencia para empresas de servicios energéticos (ESCO) SOFTWARE: desarrollo y comercialización de software específico para sistemas energéticos, especialmente sistemas solares, como TRNSYS, TRANSOL, TRNFLOW...
Índice Planteamiento Integración de solar con bombas de calor Sistemas de alta fracción solar Integración de solar en redes de distrito Trigeneración hibrida Conclusiones 3
España (2009) Distribución del consumo energético
Evolució normativa prevista Revisión de la Normativa de la Edificación en España reciente y prevista La trasposición de la Directiva Europea EPBD 2010 afectará al conjunto de la normativa de la edificación CTE 2006 RITE 2007 Certificación de Edificios 2007 Objetivos previstos para la revisión del CTE 2006 (Cumplimiento CTE 2006 Ξ Calificación D) CTE 2011/2012 todos los edificios Calificación C CTE 2015 todos los edificios Calificación B CTE 2020 todos los edificios Calificación A
Evolució normativa prevista «edificio de consumo de energía casi nulo»: edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto, que se determinará de conformidad con el anexo I. La cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno;
Estrategias tecnológicas En nueva construcción: Adición de medidas Reducción extrema de las demandas de refrigeración y calefacción de los edificios Introducción de sistemas de climatización renovables o conexión a redes (cercanas) renovables En edificios existentes: Medidas de ahorro asociadas a aspectos constructivos y de sistemas Introducción de renovables o connexión a redes de energía renovable
Estrategias tecnológicas Aprovechamiento de fuentes renovables cercanas Ambiente Sol Suelo Agua En cada vivienda Viabilidad económica comprometida En cada edificio, Menor infraestructura Facilidad de planeamiento Sin sobrecostes urbanísticos O por agrupaciones a través de redes Sinergia entre demandes Menores costes unitarios de inversión y operación Más tecnologías viables y de mayor eficiencia Disponibilidad de espacios
Acercamiento de focos térmicos Sistemas de emisión de baja entalpia En cada edificio Aprovechamiento de fuentes cercanas Valorización entálpica Aprovechamiento excedentes estacionales
Limitaciones Coste (alto coste por unidad de potencia) Potencia disponible (baja simultaneidad) Bajo rendimiento acumulación estacional (ratio superficie/volumen) Edificación en altura (ratio superficies cubierta/útil) En cada edificio Oportunidad Para demandas muy bajas (EPBD2020) puede ser más rentable que la centralización, en función de la densidad de demanda
En redes Pero también: Sistemas de acumulación estacional Sistemas de trigeneració renovable
Limitación En redes Para demandas muy bajas (EPBD2020) quizás no sea rentable la inversión en red, en función de la densidad de la demanda Oportunidad Coste (bajo coste por unidad de potencia) Mínima potencia instalada (alta simultaneidad) Alto rendimiento acumulación estacional (ratio superficie/volumen) Con valorización entálpica Integración de demandas Positives decaladas Negativas complementarias!
Índice Planteamiento Integración de solar con bombas de calor Sistemas de alta fracción solar Integración de solar en redes de distrito Trigeneración hibrida Conclusiones 13
Sistema tipo 1. Uno al lado del otro Configuración típicamente ofertada por los fabricantes de bombas de calor y/o colectores como Viessmann, Vaillant, Nibe, Bosc, Los componentes no interaccionan directamente. Los sistemas de control trabajan por separado. La energía solar es únicamente para la producción de ACS. Disminución de la temperatura promedio de trabajo de la bomba de calor. Aumento del rendimiento estacional de la bomba de calor. Sin regeneración activa del terreno. Disminución de la extracción de calor destinado para ACS
Sistema tipo 2. Regeneración ativa Sistema utilizado por IDM Energie Systeme, Immosolar, Schüco y Roth Werke Uso activo del sistema solar para la regeneración del terreno. El uso de regeneración activa puede secar el terreno colindante al captador geotérmico. Posibles pérdidas de energía causada por la existencia de aguas freáticas. Aumento del rendimiento de los colectores solares Previene el estancamiento del primario durante el verano.
Sistema tipo 3. Gran acumulador intermedio Sistema utilizado por Chemowerk- CEMO, Soltex y Thermosolar El acumulador intermedio de gran volumen actúa de foco caliente para la bomba de calor. En caso de falta de energía en el interior del acumulador, la bomba de calor utiliza el captador geotérmico. Sistema de mayor coste, que requiere de un mayor espacio y de un sistema de control más sofisticado. Sin regeneración activa del terreno El sistema permite aumentar la temperatura del evaporador de la bomba de calor y aumentar la ganancia solar.
Sistema tipo 4. Máxima integración Sistema utilizado por SolvisMax Solvis El corazón del sistema es su acumulador multinivel. El condensador de la bomba de calor se encuentra directamente en el interior del acumulador. El sistema solar toma el liderazgo del sistema, mientras que la bomba de calor es relegada a sistema auxiliar. Sin regeneración activa del terreno ni apoyo solar al foco caliente de la bomba de calor. Esta configuración es similar a la del sistema 1 pero integrando con un acumulador intermedio principal (conceptualmente similar a un sistema solar combi).
Sistema tipo 5. Captadores sin cubierta Gran variedad de sistemas con diferentes configuraciones que utilizan este concepto. Captadores sin cubierta para aumentar la temperatura de entrada en el evaporador de la bomba de calor y para la regeneración activa del terreno (no utilizados para ACS) La utilización de captadores sin cubierta reduce los costes del sistema Fácil integración de los colectores en la piel del edificio De mismo modo que en los otros sistemas con regeneración activa del terreno, es posible la reducción de la superficie de captación geotérmica.
Sistema tipo 6. Bomba de calor Aire-Agua Sistema utilizado por SOLution o Ratiotherm Componentes principales del sistema: colectores solares, bomba de calor aire-agua y acumulador La bomba de calor utiliza el calor proveniente de los colectores solares o del aire ambiente y produce ACS y calefacción. No es necesario intercambiador geotérmico.
Tecnologías NO combinadas Comparativa de sistemas Los sistemas Solares Térmicos permiten mayores ahorros de energía primaria que los sistemas con bombas de calor a un coste muy competitivo. Los sistemas energéticos en base a Bomba de Calor no permiten alcanzar, por si solos, calificaciones energéticas elevadas.
Tecnologías NO combinadas Comparativa de sistemas Los sistemas Solares Térmicos permiten mayores ahorros de energía primaria que los sistemas con bombas de calor a un coste muy competitivo. Los sistemas energéticos en base a Bomba de Calor no permiten alcanzar, por si solos, calificaciones energéticas elevadas. En un marco social de elevada conciencia ambiental (y de calidad) o bajo un marco normativo más estricto estos productos podrían quedar relevados.
Tecnologías COMBINADAS Comparativa de sistemas + La combinación de tecnologías ayuda a los sistemas convencionales en base a Bombas de Calor a cumplir exigencias más elevadas sin problemas, por lo tanto: 1. Amplía el campo presente (localización) y futuro (normativo) de aplicación de estos sistemas. 2. A un coste muy competitivo frente a los sistemas de referencia 60.000 50.000 CALIFICACION A 59.868 Coste Inversión [ ] 40.000 30.000 20.000 40.724 31.002 39.786 38.093 39.786 41.587 10.000 0 12.516 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 SISTEMAS
Tecnologías COMBINADAS Comparativa de sistemas + 3. Para diferentes dimensionado, sean más o menos exigentes. Un sistema combinado para una calificación B tiene un coste de inversión un 20% superior al de un SST, pero un 15% inferior a una HP Geo. Coste Inversión [ ] 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 CALIFICACION B 39.171 31.002 27.169 27.169 26.958 22.170 16.657 12.516 0 Un sistema combinado para una calificación A tiene un coste de inversión inferior a cualquier otro que cumpla la calificación. Coste Inversión [ ] 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 SISTEMAS CALIFICACION A 59.868 40.724 39.786 38.093 39.786 41.587 31.002 10.000 12.516 0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 SISTEMAS
Tecnologías COMBINADAS Comparativa de sistemas Los costes de inversión + explotación de los sistemas combinados son menores que los costes de los sistemas de referencia: Algunos sistemas combinados para una calificación B tienen un LEC un 20% inferior a los sistemas de referencia. Casi todos los sistemas comb. para una calificación A tienen 12,00 10,00 un LEC casi un 10% inferior al 8,00 sistema de referencia. 8,05 Levelised Energy Cost [c /kwh] Levelised Energy Cost [c /kwh] 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 6,00 4,00 2,00 6,50 6,73 6,73 4,63 4,63 CALIFICACION B 6,52 5,22 CALIFICACION A 7,41 7,29 6,24 6,33 7,59 7,79 8,73 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 SISTEMAS 10,45 + 0,00 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 SISTEMAS
Estrategias de integración Comparativa de sistemas Regeneración activa del terreno Regeneración satisfactoria del terreno Es posible reducir el área del intercambiador geotérmico Solución contra el estancamiento del campo de captadores Aportación directa del sistema solar a la bomba de calor Aumento de la potencia de la bomba de calor Aumento del rendimiento del campo del sistema solar Es necesario un sistema de control mas eficiente Acumulación estacional Aumento del tiempo de operación de las bombas de calor Es necesario mejorar su rentabilidad
Índice Planteamiento Integración de solar con bombas de calor Sistemas de alta fracción solar Integración de solar en redes de distrito Trigeneración hibrida Conclusiones 26
Sistemas de alta fracción solar BUI 2 LOADS VS SCH 1 SCH 2
Sistemas de alta fracción solar
Sistemas de alta fracción solar BUI 2 SCH 1 SCH 2 Dif. Electricity kwh/m 2 5,4 3,7-32 % Gas kwh/m 2 2,0 6,4 218 % Primary Energy kwh/m 2 15,7 15,9 2 % Solar fraction % 73,1 72,5-1% Inversion Cost /m 2 210 162-23 % Energy price c /kwh 0,67 0,51-24 % Economic values Solar fraction Energy consumption LIFE + CYCLE ANALYSIS
Sistemas de alta fracción solar
Índice Planteamiento Integración de solar con bombas de calor Sistemas de alta fracción solar Integración de solar en redes de distrito Trigeneración hibrida Conclusiones 31
Integración de solar en redes de distrito Por qué integrar? Porque son complementarias Porque la suma de ellas es sinérgica: 1 + 1 > 2 repasemos las Limitaciones de las Tecnologías
Integración de solar en redes de distrito Ventajas de la Integración de Sistemas: Mayor Estabilidad de la Demanda Posibilidad en función de las características de la red- de reducir la Estacionalidad (Integración de Frío) Posibilidad de mayores Aportaciones Solares
Integración de solar en redes de distrito Ventajas de la Integración de Sistemas: Acumulación preexistente Facilidad de integrar Acumulación Estacional Posibilidad de sobreinversión en Gestión Mejores Rendimientos a menor Coste de Inversión
Integración de solar en redes de distrito Ventajas de la Integración de Sistemas: Centralización de Sistemas Optimización de la explotación de Sistemas mediante la Reducción del Consumo Energético, Costes de Operación; redundado por el uso de Energía Limpia y Competitiva
Integración de solar en redes de distrito Aspectos / Opciones de Integración a Analizar: Punto(/s) de Conexión Centro(/s) de Gravedad Demanda Grado de Dispersión: Sistema Solar Centralizado / Distribuido en Red de Distrito Razones de Espacio o Dimensionado / Operación de la Red de Distrito
Integración de solar en redes de distrito Aspectos / Opciones de Integración a Analizar: Integración en Serie o Paralelo En Serie: Integración en la Impulsión o Retorno En Paralelo.
Integración de solar en redes de distrito Aspectos / Opciones de Integración a Analizar: U otras: Mixto Serie/Paralelo
Integración de solar en redes de distrito Aspectos / Opciones de Integración a Analizar: Temperaturas de Operación de la Red y del Sistema Constante / Variable Optimización del Sistema Solar Térmico: Caudal Fijo o Variable (tipo de conexionado) Acumulación (si es necesaria) Diseño Campo, conexionado Inclinación
Integración de solar en redes de distrito Acumulación Estacional Acumulación Acumulación Estacional
Integración de solar en redes de distrito Acumulación Estacional. Tipos:
Integración de solar en redes de distrito Acumulación Estacional. Factor Escala Costes
Integración de solar en redes de distrito Integración de Solar Cooling: Opt. Estacionalidad Integración de otras tecnologías renovables / eficientes: Bombas de calor
Integración de solar en redes de distrito Optimización de las Plantas Existentes mediante integración: Solar Térmica Acumulación Estacional Integración HP
Integración de solar en redes de distrito 2007 Braedstrup, Dinamarca. SST+CHP 8000 m2 2000 m3 FS 8% 1.64 M 205 /m2
Integración de solar en redes de distrito 2008 Strandby, Dinamarca. SST+ABS 8019 m2 2x1500 m3 FS 18% 2.08 M 260 /m2
Integración de solar en redes de distrito 1996 Marstal, Dinamarca. SST+BOil 18 300 m2
EJEMPLOS DE INTEGRACIÓN DE SOLAR TÉRMICA CON REDES DE CALOR Y FRIO 1997-2008 SST + BTES 5670 m2 63 000 m3 +2x100 m3 FS 46% 3.5 M 617 /m2 25.6c /kwh Neckarsulm. Alemania.
Integración de solar en redes de distrito 1996 Graz. Austria. SST+BOil 3 855 m2
Integración de solar en redes de distrito 2005-2010 SST + BTES 7300 m2 37 500 m3 +100 m3 FS 50% 7-3.4 M 493 /m2 19c /kwh Crailsheim, Dinamarca.
Índice Planteamiento Integración de solar con bombas de calor Sistemas de alta fracción solar Integración de solar en redes de distrito Trigeneración hibrida Conclusiones 51
Trigeneración hibrida
Índice Planteamiento Integración de solar con bombas de calor Sistemas de alta fracción solar Integración de solar en redes de distrito Trigeneración hibrida Conclusiones 53
Conclusiones La solar térmica, integrada con otras tecnologías, está en disposición técnica y económica, de aportar a la climatización de los edificios mucho más que parte del ACS, siendo uno de los vectores principales para la consecución de los ZEBs y los barrios de energía positiva. La cogeneración o trigerenación solar hibridada apunta también como una solución para barrios, con aportación eléctrica a la red.
Contacto @ dani.gonzalez@aiguasol.coop C/ Roger de Llúria 29, 3º 2ª E-08009 BARCELONA (Tel) + 34 93 342 47 55 (Fax) + 34 93 342 47 56 http:// aiguasol.coop