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
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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
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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”
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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
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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
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Marco Legislativo CTE HE4 en “generalidades”
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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Las Configuraciones Principales Resumen encendidos caldera sin solar Resumen encendidos caldera con solar
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Las Configuraciones Principales Pérdidas térmicas de la caldera sin solar Pérdidas térmicas de la caldera con solar
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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
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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
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El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción I Solar - Biomasa casa unifamiliar
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El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción II Sistema Grandes Consumos de ACS y Calefacción
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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
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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
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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.
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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
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El Sistema Solar con Apoyo a la Calefacción V La centralita calefacción solar SKSCHK3 Solar - Biomasa casa unifamiliar
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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. .
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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.
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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
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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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60
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Volumen de acumulación [1.000 m3]
140
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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
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Energía Solar Térmica y Biomasa Esquema hidráulico biomasa y EST - Austria Eibiswald
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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
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CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL
TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1.
MACRO-ACUMULADOR DE AGUA
2. ACUMULACIÓN MEZCLADA
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CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL
TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1. 2.
MACRO-ACUMULADOR DE AGU ACUMULACIÓN MEZCLADA
3. ACUMULADOR GEOTÉRMICO
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CIUDAD SOLAR Y ACUMULACIÓN ESTACIONAL
TIPOLOGÍA DE ACUMULACIÓN ESTACIONAL 1.
MACRO-ACUMULADOR DE AGUA
2.
ACUMULACIÓN MEZCLADA
3.
ACUMULADOR GEOTÉRMICO
4. ACUMULADOR ACUIFERO
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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
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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