“redes de calor. tecnologías, aplicaciones y casos de...
TRANSCRIPT
Titulo Presentación Empresa/Evento
“Redes de calor. Tecnologías, aplicaciones y casos de
éxito”
Miércoles, 29 de Marzo de 2017
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
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 (20-20-20).
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.
Consumo de energía final en España
1 Introducción
Red de calefacción de distrito
2 Tecnología
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)
Red de calefacción de distrito
2 Tecnología
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
Red de calefacción de distrito
2 Tecnología
Clasificación de las redes de distrito:
Red de calefacción de distrito
2 Tecnología
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
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
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.
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
I. Central de generación:
En función del tipo de combustible se puede
disponer de distintos equipos de genéración
térmica:
i. Calderas:
• Gas (calderas de condensación)
• Biomasa
ii. Captadores solares
• De baja temperatura
• De media – alta temperatura
iii. Cogeneración
iv. Máquinas Enfriadoras
• Compresión mecánica
• Térmicas - absorción
v. Otros
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
II. 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
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
II. Sistemas de acumulación térmica
Tipos:
Almacenamiento de calor sensible:
• Agua / agua glicolada
• 0 – 100 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.
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
III. 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.
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
III. 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.
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
III. Red de distribución
Cableado detector de fugas de fluido:
Sistema de detección de fugas: Cable conductor embebido
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
III. 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
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
IV. 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.
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
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
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
V. Subestaciones térmicas Esquema de principio subestación de calor de un intercambiador. Fuente: Districlima
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
V. Subestaciones térmicas Sala de subestacionn. Fuente: Districlima
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
VI. 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.
Componentes de la red de calor
2 Tecnología
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
Redes de distrito de 4ª generación
2 Tecnología
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.
Redes de distrito de 4ª generación
2 Tecnología
Evolución histórica de las redes de calor y frío
24
Directiva 2012/27
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.
3 Evaluación del potencial existente
Artículo 14
Promoción de la
eficiencia en la
calefacción y la
refrigeración
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;
25
Transposición Directiva 2012/27
3 Evaluación del potencial existente
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.
1. Caracterización de
la demanda
2. Mapa de calor
3. Potencial técnico
4. Potencial
económico
5. Potencial coste-
eficiente
Transposición Directiva 2012/27
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.
3 Evaluación del potencial existente
En Europa existen más de 6000 redes de calefacción de distrito
Europa
4 Casos de éxito
El número de instalaciones de DH en España es muy inferior a los niveles europeos.
Europa
4 Casos de éxito
30
Fuente: BPIE (Buildings’ Performance Institute Europe). Octubre, 2011. “Europe’s Buildings under the microscope”.
Europa
4 Casos de éxito
-
Redes de calor urbano en España
4 Casos de éxito
-
Redes de calor urbano en España
4 Casos de éxito
-
Redes de calor urbano en España
4 Casos de éxito
La red tiene una longitud de red de 14 Km y da servicio a 80 edificios, climatizando a una
superficie de 760.000 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.
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 5.000 m3
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 5.000 m3/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)
4 Casos de éxito
Districlima Barcelona
Central Tánger (distrito 22@):
• 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 40.000 kWh c/u, por los que
circula agua glicolada a -4ºC
4 Casos de éxito
Districlima Barcelona
Red de distribución
• 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.
4 Casos de éxito
Districlima Barcelona
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 1.200.000
m2, 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 (13.000 Tm) y
forestal (17.000 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.
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 3.000 viviendas a la red de calor cifra que se
completará hasta llegar a las 6.000 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
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.
5 Conclusiones
En general, se puede afirmar que…
www.energylab.es
Gracias por su atención