Sistemas de Energía Solar Térmica y Biomasa

Sistemas de Energía Solar Térmica y Biomasa Configuraciones optimizadas para casas unifamiliares y sistemas centralizados para barrios y urbanizacione
Author:  Pablo Godoy Montes

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Sistemas de Energía Solar Térmica y Biomasa Configuraciones optimizadas para casas unifamiliares y sistemas centralizados para barrios y urbanizaciones

2.Congreso Energía solar - León 2010

Energía Solar Térmica y Biomasa INDICE I. II. III. IV. V. VI.

Potencial de la energía solar y biomasa para calor en la edificación en España Marco Legislativo Las Configuraciones Principales Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación Regulación del sistema - clave para un “energymanagement” avanzado Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar y Biomasa INDICE I. II. III. IV. V. VI.

Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España Marco legislativo Las configuraciones principales Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación Regulación del sistema - clave para un “energymanagement” avanzado Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

Potencial de Energía Solar y Biomasa “ El Parlamento Europeo pide aumentar hasta el 20% el uso de las energías renovables en calefacción y la refrigeración en 2020”

2. Congreso Energía solar León 2010

Potencial de Energía Solar y Biomasa Hipótesis principal de la ponencia: El potencial de la energía solar térmica de baja temperatura está completamente subestimada en España Entre los recursos de la radiación solar y de la biomasa a largo plazo España se puede independizarse de la importación de combustibles fósiles como gas y gasoil Su uso quedaría reservado para procesos donde difícilmente ni la solar ni la biomasa presentarían una aplicación razonable

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar y Biomasa INDICE I. II. III. IV. V. VI.

Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España Marco Legislativo Las configuraciones principales Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación Regulación del sistema - clave para un “energymanagement” avanzado Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

Marco Legislativo CTE HE4 en “generalidades”

2. Congreso Energía solar León 2010

Marco Legislativo

La combinación entre las dos energías renovables, energía solar térmica y biomasa da más libertad respecto a los criterios de diseño del sistema.

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía solar y Biomasa INDICE I.

Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España II. Marco Legislativo III.Las configuraciones principales IV. Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación V. Regulación del sistema - clave para un “energymanagement” avanzado VI. Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Un sistema solar térmico para A.C.S. y calefacción con acumulación diaria aporta normalmente un 35 % - 45 % de la demanda térmica de una vivienda.

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Demanda de calor en la vivienda. Premisas Partida I En el Norte y en el interior de España la demanda en calefacción dura en el promedio 6 meses. Cuando hace falta el calor la potencia de la radiación solar es relativamente reducida

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Demanda de calor en la vivienda. Premisas Partida II La necesidad de un sistema convencional para la calefacción es obvio. Combinar el sistema solar con otras energias renovables es la solución ideal en un país que ni tiene gas ni petróleo.

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Demanda de calor en la vivienda. Premisas Partida III Ventajas de la combinación entre energía solar y biomasa No precisa grandes redes. La energía se produce en la zona o en el lugar del consumo. La energía solar no precisa medios de transporte. Recursos ilimitados Estimulación de la economía regional Una instalación solar-biomasa genera 4 veces mas puestos de trabajo que la instalación de una caldera de gas.

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales RESULTADOS ANALIZADOS POR LABORATORIOS ENSAYOS

El instituto prestigioso SPF en Suiza llevó cabo un estudio para determinar el potencial de optimización y ahorro energético de dichas instalaciones.

Esquema Prosolar - empresa grupo Sonnenkraft

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Objetivos de la investigación biomasa-solar SPF Comparación consumos energéticos caldera de pellets con y sin solar Potencial de optimización de las combinaciones entre caldera de pellets y solar

Método de la investigación: Ensayo y simulación con TRNSYS

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales

NOTA: Simulación realizada para condiciones climáticas de Suiza 2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Resumen consumo pellets sin solar Resumen consumo pellets con solar

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Resumen encendidos caldera sin solar Resumen encendidos caldera con solar

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Pérdidas térmicas de la caldera sin solar Pérdidas térmicas de la caldera con solar

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Conclusiones: La reducción del consumo de pellets con sistema solar es obvia Con sistema solar se evita los intervalos de arranque de la calderas desde primavera hasta otoño En la fase de arranque las emisiones de polvos finos y los consumos eléctricos elevados de las calderas de pellets se pueden reducir con 1. El sistema solar con apoyo a la calefacción 2. Dimensionado correcto del acumulador de inercia 3. Dimensionado correcto de la potencia de la caldera

Una regulación “inteligente” puede optimizar las sinergias entre solar y biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar y Biomasa INDICE I. II. III. IV. V. VI.

Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España Marco Legislativo Las configuraciones principales Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación Regulación del sistema - clave para un “energymanagement” avanzado Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción I Solar - Biomasa casa unifamiliar

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción II Sistema Grandes Consumos de ACS y Calefacción

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción III Conclusiones: La reducción del consumo de pellets con sistema solar es obvia Con sistema solar se evita los intervalos de arranque de la calderas desde primavera hasta otoño En la fase de arranque las emisiones de polvos finos y los consumos eléctricos elevados de las calderas de pellets se pueden reducir con 1. El sistema solar con apoyo a la calefacción 2. Dimensionado correcto del acumulador de inercia 3. Dimensionado correcto de la potencia de la caldera

Una regulación “inteligente” puede optimizar las sinergias entre solar y biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción IV

Acumulador de inercia PSC: •

Lanzas de estratificación internas



Barrera de estratificación

Î reducir turbulencias y separar zona de apoyo de la zona solar •

Tubería en el interior del acumulador

Î Montaje modular muy rápida y reducción de perdidas por tubería exterior

2. Congreso Energía solar León 2010

Las Configuraciones Principales Conclusiones: La reducción del consumo de pellets con sistema solar es obvio. Con sistema solar se evita los intervalos de arranque de la calderas desde primavera hasta otoño. En la fase de arranque las emisiones de polvos finos y los consumos eléctricos elevados de las calderas de pellets se pueden reducir con 1. El sistema solar con apoyo a la calefacción 2. Dimensionado correcto del acumulador de inercia 3. Dimensionado correcto de la potencia de la caldera

Una regulación “inteligente” puede optimizar las sinergias entre solar y biomasa.

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar y Biomasa INDICE I. II. III. IV. V. VI.

Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España Marco legislativo Las configuraciones principales Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación Regulación del sistema - clave para un “energy-management” avanzado Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción V La centralita calefacción solar SKSCHK3 Solar - Biomasa casa unifamiliar

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción VI La centralita calefacción solar SKSCHK3

La centralita SKSCHK3 para calefacción solar Sonnenkraft reduce efectivamente las pérdidas de calor del acumulador de inercia: Salida calefacción

retorno calefacción

Una sonda (S1) en la zona alta del acumulador regula la temperatura de apoyo para el servicio de ACS instantáneo Otra sonda (S2) regula la temperatura de carga caldera para el servicio a la calefacción. Como referencia toma la temperatura calculada para la impulsión de calefacción en función de la temperatura exterior. .

2. Congreso Energía solar León 2010

El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción VII

Pérdidas por acumulación de calor Las pérdidas anuales de un acumulador sobredimensionado en el ensayo del SPF corresponden a la producción anual de un captador de 2,5 m2. PERO: Las pérdidas se producen durante las temporadas sin calefacción (solo ACS) cuando el sistema solar sube la temperatura del acumulador a un nivel alto.

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar y Biomasa INDICE I. II. III. IV. V. VI.

Potencial de energía solar y biomasa para calor en la edificación en España Marco legislativo Las configuraciones principales Dimensionado de los componentes de captación solar y acumulación Regulación del sistema - clave para un “energymanagement” avanzado Acumulación (semi-) estacional para sistemas grandes de energía solar térmica con apoyo de biomasa

2. Congreso Energía solar León 2010

Acumulación en el Sistema Solar I El diagrama demuestra las pérdidas anuales de calor en [%] en acumuladores grandes de agua con aislamiento de 50 cm. de grosor, temperatura ambiente de 15ºC y temperatura medía de acumulación del agua a 70ºC.

Pérdidas de calor [%]

Relación volumen y pérdidas de calor en acumuladores de Agua 60 50 40 30 20 10 0 1

5

10

20

40

60

80

100

120

Volumen de acumulación [1.000 m3] 2. Congreso Energía solar León 2010

140

200

Acumulación en el Sistema Solar II

Hay algunos proyectos solares especiales para barrios con acumuladores estaciónales, que se han construido en Europa con acumuladores de muy grandes volúmenes.

Relación volumen y pérdidas de calor en acumuladores de Agua Pé rdida s de c a lor [% ]

Con el aumento del volumen del acumulador se reducen las pérdidas anuales de calor en una manera significante.

60 50 40 30 20 10 0 1

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2. Congreso Energía solar León 2010

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Volumen de acumulación [1.000 m3]

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Energía Solar Térmica y Biomasa District Heating con biomasa y EST - Austria Eibiswald 1998 1150 m2 superficie solar 105 m3 acumulación de inercia Caldera de biomasa de potencia mín. 180 kW - máx. 2.000 kW

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar Térmica y Biomasa Esquema hidráulico biomasa y EST - Austria Eibiswald

2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar Térmica y Biomasa Datos principales biomasa y EST - Austria Eibiswald Consumo energético de la red total

4.500 MWh

Consumo energético de los consumidores finales

3.650 MWh

Producción energética caldera Biomasa

4.040 MWh

Producción energética caldera gasoil

105 MWh

Producción energética sistema solar

516 MWh

Rendimiento captador solar específico

450 kWh/m2a

Pérdidas de distribución de la red anual

20%

Fracción solar Julio- Agosto

90 %

Fracción solar anual

8% 2. Congreso Energía solar León 2010

Energía Solar Térmica y Biomasa Criterios del dimensionado del sistema: Reducir arranques frecuentes de la caldera de biomasa Enfocar apoyo (con caldera convencional) para cubrir picos de la demanda sin arrancar la caldera de biomasa Cubrir la demanda de ACS fuera de la temporada de calefacción con EST Conseguir una temperatura del retorno del sistema a 35ºC Sistema de calefacción hidráulicamente muy bien equilibrado Combinación con calefacción de baja temperatura ideal Conseguir rendimiento específico del captador solar más alto que 600 kWh/m2 anuales Optimizar el diseño de la red de distribución, trayectos cortos (potencia de distribución > 1kW/m de tubería) 2. Congreso Energía solar León 2010

Ventajas y desventajas principales de los Sistemas District Heating Eficiencia energética del proceso de combustión Muy útil en zonas con edificación densa Control optimizado de la emisiones de gases nocivos Buena relación entre producción de calor y la simultaneidad de consumos Gastos en energéticos reducidos por tarifas de gran consumos de combustible Costes de mantenimiento reducidos Apto para concepto ESCO Atractivo en combinación con energías renovables

Pérdidas de calor altas por redes de distribución No atractivo por ejemplo en urbanizaciones de casas unifamiliares, edificación no densa Inversión inicial muy elevada No atractivo para promotoras/ inmobiliarios con intereses económicos a corto plazo

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CONCEPTO CIUDAD SOLAR I

1. EL CONCEPTO DE LA ACUMULACIÓN ESTACIONAL

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CONCEPTO CIUDAD SOLAR II

District heating Crailsheim - Bavaria

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CONCEPTO CIUDAD SOLAR III Desde principio de los años 90: sistemas centralizados de energía solar térmica en el centro y del norte de Europa La instalación más grande situada en Dinamarca: 18.000 m2 de superficie de captadores solares.

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CONCEPTO CIUDAD SOLAR IV

18.300 m2 de colectores solares Arcon en Marstal - Dinamarca

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CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL

TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL

1. MACRO-ACUMULADOR DE AGUA

2. Congreso Energía solar León 2010

CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL

TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1.

MACRO-ACUMULADOR DE AGUA

2. ACUMULACIÓN MEZCLADA

2. Congreso Energía solar León 2010

CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL

TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1. 2.

MACRO-ACUMULADOR DE AGU ACUMULACIÓN MEZCLADA

3. ACUMULADOR GEOTÉRMICO

2. Congreso Energía solar León 2010

CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL

TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1.

MACRO-ACUMULADOR DE AGUA

2.

ACUMULACIÓN MEZCLADA

3.

ACUMULADOR GEOTÉRMICO

4. ACUMULADOR ACUIFERO

2. Congreso Energía solar León 2010

MACRO - ACUMULADOR DE AGUA

CARACTERÍSTICAS: 1. Construcción en hormigón 2. Impermeabilización con acero inox. o otros materiales resistentes a temperaturas > 100ºC 3. Geometría óptima respecto a costes y pérdidas térmicas 4. Aislamiento adecuado 5. Estratificación optimizada 6. La capacidad calorífica entre 60 – 80 kWh/m3. 12.000 m3 ACUMULACIÓN FRIEDRICHSHAFEN 2. Congreso Energía solar León 2010

MACRO - ACUMULADOR DE AGUA

Fases de desarrollo y optimización del diseño de un acumulador estacional para agua

ACUMULADOR FRIEDRICHSHAFEN ACABADO 2. Congreso Energía solar León 2010

CONCEPTO CIUDAD SOLAR V

Tecnología de captación solar disponible

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LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT

GAMA DE CAPTADORES SOLARES GRANDES

GK5 Y GK10 ABSORBEDOR DE MEANDRO

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LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT

Gama de captadores solares grandes GK5 y GK10 absorbedor configuración meandro

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LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT CAPTADOR SOLAR ARCON

2. Congreso Energía solar León 2010

LOS CAPTADORES SOLARES SONNENKRAFT Proyecto Friedrichshafen con captador Arcon

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RESUMEN DE ALGUNOS PROYECTOS TIPO DISTRICT HEATING SOLAR EN ALEMANIA HAMBURGO

FRIEDRICHSHAFEN

NECKARSULM

CHEMNITZ

1996

1996

1998

2000

SUPERFICIE A CALENTAR [m2]

14.800

21.380 (39.000)

20.000

4.680

SUPERFICIE DE ABSORCIÓN SOLAR [m2]

3.000

2.700 (5.600)

2.700

540

VOLUMEN DE ACUMULACIÓN [m3]

4.500

12.000

20.000

8.000

AGUA

AGUA

GEOTÉRMICO

DEMANDA ENERGÉTICA CALCULADA [MWh/a]

1.610

2.250

1.663

573

INICIO

AGUA, GRAVILLA

(4.106)

APORTACIÓN SOLAR [MWh/a]

789

644 (1.915)

832

169

FRACCIÓN SOLAR [%]

49

32 (47)

50

30

INVERSIÓN TOTAL [MILLÓN €]

2,15

3,15

1,45

2,8

COSTE ENERGÍA SOLAR SIN SUBVENCIÓN [€/kWh]

0,25

0,15

0,17

0,24

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CONSIDERACIONES - CONCLUSIONES

RETOS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PARA SISTEMAS SOLARES GRANDES: Desarrollo de sistemas integrales (aspectos energéticos y arquitectónicos) Optimización de Designer-tools (Trnsys tools) Integración de sistemas grandes de biomasa como apoyo Optimización de los procesos termodinámicos (control de temperaturas de retorno, estratificación …..) Sistemas de financiación inteligentes – reducción de los costes del sistema

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INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

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INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

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INSTALACIONES EN EDIFICIOS TIPO MULTIVIVIENDA

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Muchas gracias por su atención.

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