Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Dra. Raquel Simón Allué, Ingeniera en I+D, EndeF Engineering
- Raúl Villén Domingo, Ingeniero encargado de fabricación, EndeF Engineering
- Gonzalo Brun Gresa, Director de operaciones, EndeF Engineering
- Dra. Isabel Guedea Medrano, Project Manager, CEO, EndeF Engineering
Resumen
En este trabajo se presenta el diseño y construcción de una de las 4 plantas pilotos desarrollada bajo el marco del proyecto europeo LowUP (http://lowup-h2020.eu/). La planta piloto se ubica en las oficinas de Acciona Infraestructuras, Sevilla, a las que se va a dar suministro de calefacción, electricidad y agua caliente sanitaria. En ella se integran 4 sistemas nuevos para la reducción de emisiones: paneles solares fotovoltaicos con kit de recuperación de calor con material de cambio de fase (MCF), un tanque de acumulación estratificado optimizado para trabajar con distintas fuentes, suelo radiante de baja temperatura, recuperador de calor de aguas grises.Esta comunicación hace hincapié en el desarrollo de paneles FV con kit adaptable de recuperación de calor, desde la fase de prototipado a su instalación, así como en su integración con el resto de sistemas. Los resultados preliminares muestran la capacidad de aprovechar el calor a baja temperatura absorbido por los paneles FV a la vez que se protege el laminado FV de altas temperaturas, mejorando su eficiencia y alargando su vida útil gracias MCF.
Palabras clave
Energías Renovables, Eficiencia Energética, Energía Solar, Instalación Piloto, Proyecto Europeo, Panel Solar Híbrido, Material de Cambio de Fase
Introducción – Proyecto LOWUP
El trabajo aquí presentado forma parte del proyecto LowUP, cuyo nombre completo es ‘Low valued energy sources UPgrading for buildings and industry uses’ (LowUP project, 2018). Se trata de un proyecto europeo financiado mediante la convocatoria H2020-EE-2016-2017 relativa a la mejora de eficiencia energética, enmarcada dentro del octavo programa marco impulsado por la Unión Europea que se reparte entre los años 2014-2020. Esta convocatoria en particular hace referencia a los retos de la sociedad relativos al uso de una energía segura, limpia y eficiente, y tiene fin colaborar en la consecución de los objetivos H2020 establecidos en materia de energía: reducción significativa de gases de efecto invernadero y la disminución del consumo de energía primaria (European Commission 2010). El proyecto está liderado por la compañía ACCIONA, y en él colaboran 12 entidades de 7 países distintos: 2 empresas grandes, 3 centros de investigación y tecnología y 7 PYMEs. Actualmente se encuentra en el ecuador de su desarrollo, con una duración total de 42 meses. El objetivo principal del proyecto es el de desarrollar y demostrar el funcionamiento real de nuevas tecnologías que permitan reducir el uso de energía primaria en edificios de uso terciario y disminuir significativamente con ello las emisiones de CO2 emitidas a la atmósfera. Estas tecnologías se engloban en 3 sistemas (ver resumen en Tabla I):
- Heat-LowUP: para abastecimiento de calor a baja temperatura (30-35ºC) a partir de fuentes de energía renovable y aprovechamiento de aguas residuales.
- Cool-LowUP: para abastecimiento de sistemas de refrigeración ambiental y de agua (17-19ºC).
- HP-LowUP: para la recuperación de calor en procesos industriales.
El resultado real de estos sistemas se va a evaluar en un total de 4 instalaciones físicas, donde se estudiará el funcionamiento individual o en combinación de cada sistema en un entorno real.
- Demo #1: edificio de oficinas en Sevilla, España. Sistemas: Heat-LowUP & Cool-LowUP.
- Demo #2: residencia de estudiantes en Badajoz, España. Sistemas: Simulador de Heat-LowUP
- Demo #3: planta de tratamiento de agua en Madrid, España. Sistemas: HP-LowUP.
- Demo #4: fábrica de procesado de papel en Setúbal, Portugal. Sistemas: HP-LowUP.
A continuación, se exponen los detalles del sistema Heat-LowUP y su posterior instalación en la Demo #1, ubicada en las oficinas de Acciona Infraestructuras de Sevilla. En ella se recogen 4 tecnologías orientadas al abastecimiento de calor a baja temperatura, concretamente en el rango de 30-35ªC, utilizando para ello fuentes de la propia edificación o de energías renovables, en este caso energía solar (ver esquema en Figura 1). Los 4 sistemas plantean alguna innovación frente a lo encontrado en el mercado y aunque son aplicables por separado, es la combinación de ellos lo que hace posible el abastecimiento de la planta piloto.
Depósito de acumulación estratificado para trabajar con multi-fuente de energía
Tradicionalmente, los depósitos de acumulación tienen una sola fuente de calor y se crea una estratificación natural en el interior debido a la diferencia de temperatura. En este proyecto, sin embargo, se tienen diferentes fuentes de energía a baja temperatura al mismo tiempo (térmica solar y recuperación de calor residual), lo que requiere una gestión específica de los flujos, de acuerdo con las necesidades de almacenamiento y la simultaneidad de la carga.
Por ello, se ha desarrollado un nuevo diseño de depósito, más funcional y eficiente, que reduce pérdidas de calor y protege las capas de estratificación mediante el uso de placas deflectoras de orificios. Además del tratamiento interno, se ha implementado una nueva tecnología basada en válvulas para gestionar la contribución de energía de múltiples fuentes con diferentes niveles de temperatura en un solo almacenamiento térmico. Esta tecnología también permite el consumo de energía estratificada sin la necesidad de controladores, electricidad, etc. trabajando en un nuevo principio de accionamiento termomecánico. El prototipo de este nuevo depósito ha sido fabricado por la empresa Entropy Care Systems y supervisado por la aragonesa EndeF Engineering.
Suelo radiante de baja temperatura
Con el objeto de cubrir las necesidades de calefacción de las oficinas, se ha integrado una nueva configuración de suelo radiante capaz de trabajar a una temperatura de servicio hasta diez grados menor que los sistemas tradicionales (45ºC). Diseñado por la compañía italiana RDZ, este sistema de suelo radiante reemplaza el hormigón del suelo por una pieza todo-en-uno que incorpora una placa de silicato de calcio y las tuberías del suelo radiante. La colocación de la placa final supone perder 35mm de altura del espacio, pero permite la posibilidad de incluir calefacción por suelo radiante en espacios donde de otra manera sería imposible. Las principales consecuencias de no incluir hormigón, es la disminución en peso e inercia térmica de la solución final y la reducción en la temperatura de servicio del fluido necesaria para mantener el confort del espacio, con lo que se reduce las necesidades térmicas energéticas del sistema.
Recuperador de calor de aguas grises
La tercera tecnología aquí desarrollada es un depósito recuperador de calor especialmente diseñado para recuperar y mantener calor de fuentes a muy baja temperatura, como son las aguas residuales, gases de escape o fluidos salientes de otros sistemas de energía. El objetivo del depósito es doble: capturar calor en torno a 25-30ºC y mantenerlo. Para ello se compone de la configuración de tubería única, que permite aunar el paso de distintos tipos de aguas residuales por el mismo elemento rodeando la pared interior, reduciendo equipos y costes. El depósito, desarrollado por la empresa finlandesa Wasenco Oy, lleva integrado un complejo sistema de monitorización remoto que no requiere de visitas de inspección o servicio y que regula la capacidad de almacenamiento tanto interna como externa.
Kit de recuperación de calor con MCF
La tecnología en la que se quiere incidir en este trabajo es el kit para recuperación de calor en paneles fotovoltaicos mediante el uso de material de cambio de fase (en adelante MCF), cuyo desarrollo y fabricación se ha realizado en la empresa EndeF. La tecnología fotovoltaica está sufriendo una revolución debido al desarrollo de la tecnología, que ha permitido abaratar mucho los costes de fabricación e instalación haciéndola más accesible al usuario final. Sin embargo, las eficiencias que se obtienen son todavía bajas, comparadas con otros sistemas energéticos (Islam et al. 2016) y se ven penalizadas por la elevada temperatura de trabajo de los módulos expuestos al sol. Con el fin de mejorar esa eficiencia se ha diseñado aquí tres un kit de recuperación de calor que incorpora tres novedades.
Innovaciones incorporadas
- Incorporación de un recuperador de calor por donde circula un fluido caloportante.
- Inclusión de una capa de material de cambio de fase que redistribuye el calor y protege frente a sobrecalenta-mientos.
- Desarrollo de un perfil perimetral que permite su adecuación a los modelos de panel fotovoltaico tradicionales.
La distribución final del panel desarrollado para el proyecto puede observarse en la Figura 2.
El recuperador de calor se compone de dos láminas de aluminio unidas mediante la técnica de roll-bond, de manera que se dibujan ciertos canales entre ellas por donde circula el fluido. La continua circulación de este fluido, en este caso agua con un porcentaje de glicol para prevenir posibles congelaciones, hace que parte de calor generado en el laminado fotovoltaico se traspase al agua produciendo energía térmica. La temperatura del fluido a la salida del panel va a depender de las condiciones climatológicas, localización o caudal circulante de la instalación entre otros factores.
El MCF, por otra parte, se caracteriza por absorber energía al aumentar de temperatura y cambiar de fase. Esa energía se queda almacenada en el MCF hasta que la temperatura vuelve a bajar y éste recobra su estado original. Esa cualidad se aprovecha aquí para establecer un límite máximo a partir del cual entra en acción el PCM, absorbiendo la energía sobrante y limitando la temperatura a la que es capaz de llegar la instalación. Con ello se mejora no solo la eficiencia fotovoltaica, si no que se protege el laminado y otros componentes clave frente a posibles sobrecalentamientos. Otro beneficio adicional reside en la redistribución de energía térmica generada por el panel, ya que se almacena energía durante las horas solares pico que es liberada cuando la radiación baja al final del día.
Durante este proyecto se ha llevado a cabo el diseño y fabricación de un nuevo tipo de panel que combina los dos componentes, absorbedor y MCF, de manera que sean fácilmente ajustables a un panel fotovoltaico, manteniendo el espesor original del mismo. Para ello, se ha diseñado también un perfil perimetral que permite y facilita la adecuación de estos componentes a distintos modelos de panel fotovoltaico convencional disponibles en mercado. El resultado es un kit de recuperación de calor que puede aplicarse tanto a paneles nuevos como ya en uso, y que mejora la producción fotovoltaica a la vez que proporciona energía térmica y protección frente a sobrecalentamientos.
Ventajas del sistema
- Permite obtener calor y electricidad de un mismo panel.
- Redistribuye el calor generado de las horas solares pico a horas con menor radiación.
- Reduce la temperatura de trabajo del laminado FV, mejorando eficiencia eléctrica y protegiendo la instalación.
- Es adaptable a paneles FV estándar, tanto nuevos como existentes, sin modificar su espesor.
Instalación en localización real
El diseño final del panel ha sido puesto a prueba en las instalaciones de EndeF, donde se ha sometido a pruebas de presión, electricidad y riesgo de fugas, además de estudiar su comportamiento experimental tanto desde el punto de vista térmico como eléctrico. El funcionamiento a largo plazo del kit de recuperación de calor para laminados FV se va a estudiar en las oficinas de Sevilla, cuya instalación está ya planteada y se va a ejecutar durante el próximo mes de Octubre.
Se van a instalar un total de 40 paneles híbridos, es decir laminados fotovoltaicos con absorbedor de calor, de los cuales solo 20 van a tener implementado el MCF. El objetivo es poder establecer una comparativa de su funcionamiento con y sin MCF en un entorno real, abasteciendo las demandas de agua caliente sanitaria y calefacción por suelo radiante de las instalaciones de ACCIONA. Los paneles se colocarán en paralelo, tal y como se indica en el esquema hidráulico planteado en la Figura 4.
De carácter previo a la instalación, y con el fin de ayudar al dimensionamiento de la misma, se han realizado simulaciones térmicas y eléctricas que permiten predecir la producción energética de la instalación final. Los resultados de dichas simulaciones se muestran en la Figura 5 gráficamente y en la Tabla II analíticamente, donde se observa una mejora tanto e la parte fotovoltaica como de la parte térmica de la instalación al considerar los paneles con MCF en su interior. Según lo analizado, con estas producciones se cubre el 100% de los requerimientos de ACS y calefacción presentes en las oficinas.
El funcionamiento real de los circuitos deberá ser estudiado tras su puesta en marcha en las inmediaciones de las oficinas de Sevilla, ya que el complejo funcionamiento del material de cambio de fase y la combinación de tecnologías hasta ahora no estudiadas dificulta la obtención de resultados numéricos fiables. Por ello, la instalación que se ejecutará en el próximo mes de Octubre incorporará sensores de temperatura, presión y caudal en los puntos estratégicos que permitan la evaluación posterior de la producción energética de los paneles con y sin material de cambio de fase. El periodo de monitorización se espera dé comienzo a principios del mes de Diciembre, cuando todos los componentes del sistema Heat-LowUP estén correctamente instalados y la puesta en marcha efectuada. Aunque los datos empezarán a postprocesarse desde el primer mes de funcionamiento normal, se plantea un periodo de un año mínimo de análisis, para evaluar el funcionamiento de la instalación en distintas condiciones de trabajo y épocas climáticas.
Conclusiones
El proyecto LowUP agrupa una serie de tecnologías energéticas orientadas a la recuperación y aprovechamiento de calor a baja temperatura, con el fin de optimizar y reducir consumos energéticos dados en edificios residenciales y de sector terciario. Concretamente, el proyecto plantea 3 sistemas cerrados orientados a la producción de calor (Heat-LowUP), frío (Cool-LowUP) y entornos industriales (HP-LowUP), que se instalarán individualmente o en combinación en 4 plantas piloto.
Este trabajo se centra en la descripción del Heat-LowUP, diseñado para abastecimiento de calor a baja temperatura a partir de fuentes de energía renovable y aprovechamiento de aguas residuales, y concretamente en el diseño e innovación llevados a cabo por la empresa EndeF en relación al kit de recuperación de calor con material de cambio de fase para paneles FV. Este nuevo diseño permite obtener energía térmica en el mismo módulo que proporciona electricidad, a la vez que redistribuye el calor generado de las horas solares pico a horas con menor radiación gracias a la actuación del material de cambio de fase. Este kit, adaptable a paneles FV estándar nuevos y ya existentes, presenta la ventaja adicional de reducir temperaturas máximas de trabajo, protegiendo la instalación y alargando su vida útil. Los resultados teóricos preliminares apuntan a una mejora de la producción energética, tanto en el aspecto térmico como eléctrico, aunque el complejo comportamiento del MCF dificulta la simulación numérica del conjunto.
Su funcionamiento en un entorno real se empezará a estudiar el próximo mes de Diciembre en las oficinas de ACCIONA en Sevilla, donde está proyectada una instalación de 40 paneles (con y sin MCF), con la que se podrán validar los resultados teóricos y evaluar directamente el efecto del MCF.
Referencias
- European Commission. 2010. Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions Energy 2020. A Strategy for Competitive, Sustainable and Secure Energy. Belgium.
- Islam, MM, Pandey, AK, Hasanuzzaman, M, and Rahim, NA. 2016. “Recent progresses and achievements in photovoltaic-phase change material technology: a review with special treatment on photovoltaic thermal-phase change material systems.” Energy Convers. Manag. 126: 177–204.
- “LowUP project – making heating and cooling more efficient and more suitainable in europe.” 2018. Eur. Commision.