La calefacción urbana en frío es una variante técnica de una red de calefacción urbana que funciona a bajas temperaturas de transmisión muy inferiores a las de los sistemas de calefacción urbana convencionales y puede proporcionar tanto calefacción como refrigeración de espacios . Las temperaturas de transmisión en el rango de aproximadamente 10 a 25 °C son comunes, lo que permite que diferentes consumidores calienten y enfríen simultáneamente e independientemente unos de otros. El agua caliente se produce y el edificio se calienta mediante bombas de calor de agua , que obtienen su energía térmica de la red de calefacción, mientras que la refrigeración puede proporcionarse directamente a través de la red de calor frío o, si es necesario, indirectamente a través de enfriadores . La calefacción local fría a veces también se denomina red de anergia . El término colectivo para tales sistemas en la terminología científica es calefacción y refrigeración urbana de quinta generación . Debido a la posibilidad de funcionar completamente con energías renovables y al mismo tiempo contribuir a equilibrar la producción fluctuante de turbinas eólicas y sistemas fotovoltaicos , las redes de calefacción local fría se consideran una opción prometedora para un suministro de calor sostenible, potencialmente libre de gases de efecto invernadero y emisiones.
A fecha de 2019, las redes de calefacción de quinta generación descritas aquí aún no han recibido un nombre uniforme y existen también diversas definiciones para el concepto técnico general. En la literatura técnica en lengua inglesa se utilizan los términos Low temperature District Heating and Cooling (LTDHC), Low temperature networks (LTN), Cold District Heating (CHD) y Anergy networks o Anergy grid . Además, algunas publicaciones presentan conflictos de definición en la delimitación a redes de calefacción urbana "calientes", porque ciertos autores consideran la calefacción urbana de baja temperatura y refrigeración, así como la calefacción urbana de temperatura ultrabaja, como subformas de la calefacción urbana de cuarta generación. Además, la definición de las denominadas redes low-ex permite clasificarlas tanto como de cuarta como de quinta generación. [1]
La primera red de calefacción urbana fría es la de Arzberg , en la Alta Franconia (Alemania). En la central eléctrica de Arzberg, que ya no funciona, se extraía agua de refrigeración no refrigerada del condensador de la turbina y de la torre de refrigeración y se conducía a varios edificios, donde se utilizaba como fuente de calor para las bombas de calor. Con ella se calentaba, además de varios edificios de viviendas y comercios, la escuela y la piscina. [2]
En 1979 se puso en funcionamiento otra instalación muy temprana en Wulfen , donde se abastecían 71 edificios con energía térmica extraída de las aguas subterráneas. Finalmente, en 1994 se inauguró la primera red de calefacción de frío, que utilizaba el calor residual de una empresa industrial, una empresa textil. También en 1994 (según Pellegrini y Bianchini ya en 1991 [3] ) se construyó una red de calefacción local de frío en el pueblo suizo de Oberwald, que funciona con agua de filtración del túnel de base de Furka . [1]
En enero de 2018, en Europa se estaban desarrollando un total de 40 proyectos, 15 en Alemania y 15 en Suiza. La mayoría de los proyectos eran plantas piloto con una potencia térmica de varios cientos de kWth hasta el rango de los MW de un solo dígito; la planta más grande tenía una potencia de aproximadamente 10 MWth. En la década de 2010 se añadieron unas tres plantas al año. [1]
Las redes de calor frío son redes de calor que funcionan a temperaturas muy bajas (normalmente entre 10 y 25 °C). Pueden alimentarse de diversas fuentes de calor, que a menudo se regeneran, y permiten la producción simultánea de calor y frío. Dado que las temperaturas de funcionamiento no son suficientes para la producción de agua caliente y calor de calefacción, la temperatura en el consumidor se eleva al nivel requerido por medio de bombas de calor . De la misma manera, se puede producir frío y el calor residual se puede devolver a la red de calefacción. De esta manera, los consumidores conectados no solo son clientes, sino que también pueden actuar como prosumidores , que pueden consumir o producir calor según las circunstancias. [1]
El concepto de redes de calefacción local frías se deriva de las bombas de calor de agua subterránea, así como de las bombas de calor de circuito abierto. Mientras que las primeras se utilizan principalmente para abastecer a viviendas individuales, las segundas se encuentran a menudo en edificios comerciales que tienen necesidades tanto de calefacción como de refrigeración y deben satisfacerlas en paralelo. La calefacción local fría extiende este concepto a áreas residenciales individuales o distritos. Al igual que las bombas de calor geotérmicas comunes, las redes de calefacción local frías tienen la ventaja sobre las bombas de calor de aire de funcionar de manera más eficiente debido a la menor diferencia de temperatura entre la fuente de calor y la temperatura de calentamiento. Sin embargo, en comparación con las bombas de calor geotérmicas, las redes de calefacción local frías tienen la ventaja adicional de que incluso en áreas urbanas, donde los problemas de espacio a menudo impiden el uso de bombas de calor geotérmicas, el calor se puede almacenar estacionalmente a través del almacenamiento de calor central y, además, los diferentes perfiles de carga de los diferentes edificios pueden permitir un equilibrio entre las necesidades de calefacción y refrigeración. [1]
La calefacción urbana en frío es especialmente adecuada cuando hay diferentes tipos de edificios (residenciales, comerciales, supermercados, etc.) y, por lo tanto, existe una demanda tanto de calefacción como de refrigeración, lo que permite equilibrar la energía en períodos cortos o largos de tiempo. Alternativamente, los sistemas de almacenamiento de calor estacional permiten un equilibrio entre la oferta y la demanda de energía. Al utilizar diferentes fuentes de calor (residual) y combinar fuentes de calor y disipadores de calor, también se pueden crear sinergias y se puede desarrollar aún más el suministro de calor en la dirección de una economía circular . Además, la baja temperatura de funcionamiento de las redes de calefacción y frío permite alimentar a la red de forma sencilla el calor residual de baja temperatura que de otro modo sería difícil de aprovechar. Al mismo tiempo, la baja temperatura de funcionamiento reduce significativamente las pérdidas de calor de la red de calefacción, lo que limita las pérdidas de energía, especialmente en verano, cuando hay poca demanda de calor. El factor de rendimiento anual de las bombas de calor también es relativamente alto, especialmente en comparación con las bombas de calor de fuente de aire. Un estudio de 40 sistemas puestos en funcionamiento hasta 2018 mostró que las bombas de calor alcanzaron un COP estacional de al menos 4 para la mayoría de los sistemas estudiados; los valores de COP estacionales más altos fueron de alrededor de 6. [1]
Tecnológicamente, las redes de frío y calor forman parte del concepto de redes de calor inteligentes. [1]
Como fuentes de energía para la red de calefacción local fría se pueden utilizar diversas fuentes de calor, en particular fuentes renovables como el suelo, el agua, el calor residual industrial y comercial, la energía solar térmica y el aire ambiente, que se pueden utilizar individualmente o en combinación. [1] Debido al diseño generalmente modular de las redes de calefacción local fría, se pueden desarrollar gradualmente nuevas fuentes de calor a medida que se amplía la red, de modo que se puedan alimentar redes de calefacción más grandes desde una variedad de fuentes diferentes. [4]
En la práctica, las fuentes de calor prácticamente inagotables son, por ejemplo, el agua del mar , los ríos , los lagos o las aguas subterráneas . De las 40 redes de calefacción por frío que funcionaban en Europa en enero de 2018, 17 utilizaban cuerpos de agua o aguas subterráneas como fuente de calor. La segunda fuente de calor más importante era la energía geotérmica . Por lo general, se accede a ella a través de pozos geotérmicos que utilizan intercambiadores de calor de pozos verticales. Sin embargo, también es posible utilizar colectores de superficie como colectores agrotérmicos. En este caso, los colectores horizontales se introducen en el terreno agrícola a una profundidad de 1,5 a 2 m, es decir, por debajo de la profundidad de trabajo de las máquinas agrícolas, que pueden extraer calor del suelo según sea necesario. Este concepto, que permite un mayor uso agrícola, se ha implementado, por ejemplo, en una red de calor por frío en la ciudad alemana de Wüstenrot . [1]
Además, existen redes de calefacción y refrigeración que extraen energía geotérmica de túneles y minas de carbón abandonadas . También se puede aprovechar el calor residual de las empresas industriales y comerciales. Por ejemplo, dos redes de calefacción y refrigeración en Aurich y Herford utilizan el calor residual de las lecherías, otra planta en Suiza utiliza el calor residual de una central eléctrica de biomasa y otra red de calefacción y refrigeración utiliza el calor residual de una empresa textil. Otras posibles fuentes de calor son la energía solar térmica (especialmente para regenerar fuentes geotérmicas y cargar tanques de almacenamiento), las grandes bombas de calor que utilizan el calor ambiental, el sistema de alcantarillado , las centrales de cogeneración y las calderas de carga máxima alimentadas con biomasa o combustibles fósiles para apoyar otras fuentes de calor. Las bajas temperaturas de funcionamiento de las redes de calefacción y refrigeración son especialmente favorables para los sistemas solares térmicos, las unidades de cogeneración y la recuperación de calor residual, ya que pueden funcionar con la máxima eficiencia en estas condiciones. Al mismo tiempo, las redes de calefacción en frío permiten a las empresas industriales y comerciales con potencial de calor residual, como supermercados y centros de datos , suministrar energía térmica a la red sin ningún riesgo de inversión financiera importante, ya que al nivel de temperatura de las redes de calefacción en frío, es posible la alimentación directa de calor sin una bomba de calor. [1]
Otra fuente de calor puede ser también la línea de retorno de las redes de calefacción urbana convencionales. [1] Si la temperatura de funcionamiento de la red de calefacción fría es inferior a la temperatura del suelo, la propia red también puede absorber calor del suelo circundante. En este caso, la red actúa entonces como una especie de colector geotérmico. [5]
El almacenamiento de calor en forma de almacenamiento estacional es un elemento clave de los sistemas de calefacción local fríos. [4] Para compensar las fluctuaciones estacionales en la producción y el consumo de calor, muchos sistemas de calefacción fríos se construyen con almacenamiento de calor estacional. Esto es especialmente adecuado cuando la estructura de los consumidores/prosumidores no conduce a una demanda de calor y refrigeración en gran medida equilibrada o cuando no hay suficiente fuente de calor disponible durante todo el año. Los depósitos de acuíferos y el almacenamiento mediante campos de perforación son muy adecuados. [1] Estos permiten almacenar el exceso de calor de la mitad del año de verano, por ejemplo, de refrigeración, pero también de otras fuentes de calor y, de este modo, calentar el suelo. Durante el período de calefacción, el proceso se invierte y se bombea agua caliente y se alimenta a la red de calefacción fría. [3] Sin embargo, también son posibles otros tipos de almacenamiento de calor. Por ejemplo, una red de calefacción fría en Fischerbach utiliza un depósito de hielo. [1]
Los sistemas de calefacción local fríos permiten una gran variedad de configuraciones de red. Se puede distinguir a grandes rasgos entre sistemas abiertos, en los que se introduce agua, se hace circular por la red donde se suministra a los respectivos consumidores y finalmente se libera al medio ambiente, y sistemas cerrados, en los que un fluido portador, normalmente salmuera , circula por un circuito. Los sistemas también se pueden diferenciar según el número de tuberías utilizadas. Según las respectivas condiciones, son posibles configuraciones con una a cuatro tuberías:
En general, las tuberías de las redes de calefacción fría se pueden diseñar de una manera más sencilla y económica que en los sistemas de calefacción urbana caliente/caliente. Debido a las bajas temperaturas de funcionamiento, no hay tensión termomecánica, lo que permite el uso de tuberías de polietileno convencionales sin aislamiento, como las que se utilizan para el suministro de agua potable. Esto permite tanto una instalación rápida y rentable como una rápida adaptación a diferentes geometrías de red. También elimina la necesidad de costosos exámenes de rayos X o ultrasonidos de las tuberías, la soldadura de tuberías individuales y el aislamiento in situ que requiere mucho tiempo de las piezas de conexión. Sin embargo, en comparación con las tuberías de calefacción urbana convencionales, se deben utilizar tuberías de mayor diámetro para transportar la misma cantidad de calor. El requerimiento energético de las bombas también es mayor debido a los mayores volúmenes. Por otro lado, los sistemas de calefacción local fríos se pueden instalar potencialmente donde la demanda de calor de los edificios conectados es demasiado baja para operar una red de calefacción convencional. En 2018, por ejemplo, 9 de los 16 sistemas para los que se disponía de datos suficientes estaban por debajo del umbral de 1,2 kW de potencia térmica/m de longitud de red, que se considera el límite inferior para el funcionamiento económico de los sistemas de calefacción local "cálidos" convencionales. [1]
En comparación con las redes de calefacción urbana "calientes" convencionales, la subestación de los sistemas de calefacción local fríos es más complicada, ocupa más espacio y, por lo tanto, es más cara. En cada consumidor o prosumidor conectado se debe instalar una bomba de calor y un acumulador de agua caliente directa. La bomba de calor suele estar diseñada como una bomba de calor agua-agua accionada eléctricamente y, a menudo, también está separada físicamente de la red de calor frío por un intercambiador de calor. La bomba de calor eleva la temperatura hasta el nivel necesario para calentar la vivienda y produce agua caliente [1] , pero también se puede utilizar para enfriar la casa y alimentar la red de calefacción con el calor producido allí, a menos que la refrigeración se realice directamente sin el uso de una bomba de calor. También se puede instalar un sistema de respaldo, como un elemento calefactor . También se puede instalar un acumulador de calor para el sistema de calefacción, lo que permite un funcionamiento más flexible de la bomba de calor [3] . Estos acumuladores de calor también ayudan a mantener la bomba de calor pequeña, lo que a su vez reduce los costos de instalación [4] .
Las redes de calefacción de baja temperatura, que incluyen sistemas de calefacción local fríos, se consideran un elemento central para la descarbonización del suministro de calor en el contexto de la transformación del sistema energético y la mitigación del cambio climático . [6] Los sistemas de calefacción local y de distrito tienen varias ventajas en comparación con los sistemas de calefacción individuales: estas incluyen, por ejemplo, la mayor eficiencia de los sistemas, la posibilidad de utilizar la generación combinada de calor y electricidad y aprovechar los potenciales de calor residual no utilizados anteriormente. [5] Además, se consideran un enfoque importante para aumentar el uso de fuentes de energía renovables [3] y reducir los requisitos de energía primaria y las emisiones locales en la generación de calor. Al prescindir de las tecnologías de combustión para alimentar la red de calor frío, se pueden evitar por completo las emisiones de dióxido de carbono y las emisiones contaminantes locales . [1] Las redes de calor frío también se consideran una oportunidad para construir redes de calor en el futuro que se alimenten al 100% con fuentes de energía renovables . [4]
Otro enfoque prometedor es el uso de sistemas de calefacción local fríos y otros sistemas de calefacción con bomba de calor para el acoplamiento sectorial . De este modo, las tecnologías de conversión de energía en calor , por un lado, utilizan energía eléctrica para la calefacción y, por otro, el sector de la calefacción puede ayudar a proporcionar los servicios del sistema para compensar la fluctuación de la producción de electricidad verde en el sector eléctrico. Las redes de calefacción local frías pueden contribuir así al control de la carga a través de bombas de calor y, junto con otros sistemas de almacenamiento, ayudar a garantizar la seguridad del suministro. [5] [1]
Si los tejados de los edificios abastecidos están equipados con sistemas fotovoltaicos , es posible obtener también parte de la electricidad necesaria para las bombas de calor desde el tejado del consumidor. Por ejemplo, en Wüstenrot se han construido 20 casas PlusEnergy, todas ellas equipadas con sistemas fotovoltaicos, una batería solar y un acumulador de calor para el máximo grado posible de autoabastecimiento mediante el funcionamiento flexible de la bomba de calor. [7]
