Autor
Salvador Osorio Pérez, Market Manager Sanidad e Industria, CIAT
Resumen
La actual coyuntura económica obliga a optimizar los costes de explotación de los edificios, en los cuales tiene una elevada incidencia la factura energética. Los sistemas de almacenamiento de energía permiten por un lado desacoplar la producción de frío de la demanda, aprovechando tramos horarios donde las tarifas eléctricas son más reducidas, y por otro lado un menor tamaño de los equipos de generación reduciendo a su vez de forma considerable la potencia eléctrica contratada. La reducción de los costes de mantenimiento y de la carga de refrigerante existente en la instalación también incidirán en la optimización de los costes de explotación, sin olvidar la reducción del impacto medioambiental. El sistema puede complementarse con soluciones que permitan la mejora de la eficiencia energética como la optimización de la temperatura de producción de agua fría, enfriamiento gratuito y recuperación del calor de condensación. Todo ello, junto con un sistema de control avanzado que garantice un óptimo funcionamiento, supondrá una solución de elevado interés para la producción de frío en los edificios.
Antecedentes
Actualmente la coyuntura económica obliga a muchos usuarios a una optimización de los costes de explotación de sus instalaciones. Además del mantenimiento de las mismas (clave para mantener un funcionamiento correcto de los sistemas a lo largo de toda su vida útil), con frecuencia la factura energética tiene un peso importante en el global del coste de explotación y más concretamente la parte destinada a la refrigeración, tanto para climatización de los edificios en general, como para la realización de procesos concretos dentro de la industria.
En este sentido, cabe destacar los nuevos ratios de facturación eléctrica que están evolucionando hacia un mayor peso del término fijo de potencia frente al término de consumo, y que sin lugar a dudas potencia el uso de sistemas que permitan ofrecer la misma capacidad energética con una menor potencia contratada.
Por otro lado, nuestro modelo energético basado en el uso de combustibles fósiles, implica una elevada dependencia de recursos energéticos externos y un impacto medio ambiental muy importante debido a las emisiones de CO2 a la atmósfera. Por eso las normativas de los diferentes países adoptan cada día más exigencias para la reducción del consumo de energía primaria y de las emisiones de CO2.
Además, el modelo de generación, distribución y suministro de energía eléctrica está evolucionando rápidamente hacia sistemas muy versátiles (Smart Grids) que permiten en todo momento un máximo aprovechamiento de la producción eléctrica, haciendo partícipes a los usuarios finales de modo que puedan adaptar su consumo energético a las necesidades de la red que les da servicio.
Por tanto, a lo hora de diseñar sistemas de producción de frío, ya sea para nuevas instalaciones o para reformas, es necesario implementar soluciones que permitan hacer frente con garantías a todos estos requerimientos.
Demanda de refrigeración en los edificios
En un edificio tipo, la demanda de refrigeración presenta con frecuencia un perfil similar al recogido en los gráficos de la Figura 1.
La máxima demanda solo tiene lugar en periodos de tiempo reducidos, de forma que un equipo de producción dimensionado de acuerdo a esas necesidades máximas sólo funcionará un 1,4 % del tiempo a plena carga, lo cual significa que durante más del 98% dicho sistema de producción estará inútilmente sobredimensionado.
Además, es habitual que ese momento de demanda máxima coincida con las horas centrales del día, cuando la energía eléctrica es más cara y su generación implica mayores emisiones de CO2 a la atmósfera.
El objetivo por tanto debe ser alcanzar una solución que optimice la producción de frío, mediante un sistema que adapte la misma de forma coherente, ajustada y eficiente a la demanda del edificio en cada momento. Un análisis exhaustivo mediante simulación energética permitirá conocer con detalle como y cuando se va a consumir la energía, pudiéndose de este modo incorporar estrategias de producción encaminadas a una mejora considerable de la eficiencia energética de las instalaciones, así como a una reducción de los costes de explotación de las mismas.
Sistemas de almacenamiento de energía
Una manera eficaz de resolver la problemática planteada en el apartado anterior es desacoplar la producción y el consumo de energía, de forma que se puedan aprovechar los periodos diarios de no uso de la instalación para producir y almacenar la energía necesaria para satisfacer los picos de demanda. Con frecuencia, dichos periodos de inactividad de la instalación corresponden con tramos de tarifas eléctricas más favorables y con una generación de energía más baja en emisiones de CO2 a la atmósfera.
De este modo, los equipos de producción se seleccionan solo para cubrir una parte de la demanda total de la instalación, y a su vez, esos mismos equipos se utilizarán para generar energía durante la noche, que será almacenada para su uso posterior en periodos de máxima demanda. En esas condiciones se puede conseguir una reducción entre un 30% y un 70% en el tamaño de los equipos y sus periféricos.
La Figura 2 recoge un ejemplo de ello. En este caso, los equipos de producción se dimensionan prácticamente para cubrir la mitad de la potencia frigorífica demandada (en azul). Esos mismos equipos se utilizan para acumular energía desde las 10 de la noche hasta las 7 de la mañana (en rojo), la cual será utilizada para satisfacer el resto de la demanda diaria no cubierta por las enfriadoras (en celeste).
Ventajas económicas. Impacto sobre la factura eléctrica
Como consecuencia de este planteamiento se consigue un ahorro directo en la factura energética:
- Reducción de la potencia eléctrica contratada (término fijo). En efecto, al haber reducido el tamaño de las unidades de producción se consigue de la misma forma reducir la cantidad de potencia eléctrica a contratar con la compañía suministradora. Como quedó comentado anteriormente, el término fijo ha aumentado su peso en la factura de forma considerable, aumentando exponencialmente el interés de sistemas que permitan reducir su magnitud. A esto habría que añadir también un menor coste inicial para la acometida eléctrica y otros periféricos (transformador, cuadros eléctricos, etc.).
- Reducción del término de consumo. Una parte importante de la energía térmica diaria necesaria pasa a producirse por la noche, donde las tarifas eléctricas son más económicas, con el consiguiente ahorro en la factura eléctrica.
- Reducción de penalizaciones por exceso de consumo. Adicionalmente y debido a un consumo mucho más controlado por el funcionamiento constante y a plena carga de los equipos de producción, se reduce el riesgo de sobrepasar los límites de consumo establecidos por la compañía suministradora, evitándose penalizaciones por este concepto.
Ventajas medioambientales
Desde un punto de vista medioambiental y como se apuntó anteriormente, el desplazamiento de una parte importante de la producción a tramos de tarifa eléctrica reducida (por las noches), implica menores emisiones de CO2 a la atmósfera, ya que hay una mayor procedencia renovable de la energía eléctrica consumida.
Otro aspecto medioambiental a tener en cuenta es la importante reducción de la cantidad de fluido refrigerante en la instalación, al ser los equipos de producción más pequeños. No solo permite un menor impacto medioambiental (reducción del TEWI entre un 15% y un 40%), sino también unos menores costes de operación ya que en la actualidad existen diversas directivas y reglamentos que penalizan el exceso de refrigerante de las instalaciones e incrementan los costes de mantenimiento (como el Reglamento sobre Gases Fluorados de Efecto Invernadero o la Normativa F-Gas).
Ventajas operacionales
Los sistemas de almacenamiento también implican aspectos positivos desde un punto de vista de operatividad de la instalación:
- Alarga la vida útil de los equipos de producción ya que funcionan de una forma más constante, con menor número de arranque y paradas.
- Reduce el coste y el tiempo necesario para mantenimiento, ya que una parte importante del sistema se sustituye por un elemento (sistema de almacenamiento) que no requiere operaciones de mantenimiento.
- Ajuste exacto a las necesidades de almacenamiento, evitando tener un sistema sobredimensionado.
- Permite funcionamiento a carga parcial, por lo que se adapta al funcionamiento en distintas circunstancias de demanda y épocas del año.
- Implica una energía almacenada que puede ser utilizada en casos de emergencia, averías, etc.
- Da lugar a un sistema de menor nivel sonoro, al reducirse el tamaño de los equipos de producción, y por tanto es de gran interés para edificios singulares (hospitales, teatros, etc.), o en zonas con altas restricciones de emisión de ruido.
Adaptación a redes inteligentes Smart-Grids
Como se comentó al inicio, los sistemas de generación, distribución y suministro de energía eléctrica, están evolucionando hacia sistemas inteligentes que permiten una elevada optimización de la producción eléctrica y donde tienen una participación directa los propios usuarios.
En efecto, los sistemas de almacenamiento de energía ponen al servicio de este tipo de redes la posibilidad de que los usuarios puedan ocasionalmente “desconectarse” del sistema, quedando el servicio de refrigeración asegurado mediante la energía previamente almacenada y reduciendo a su vez la energía eléctrica consumida.
Tecnología para almacenamiento de energía
Existen diferentes formas para almacenamiento de frío. Puede hacerse simplemente por acumulación de agua enfriada (almacenamiento sensible) o utilizando el cambio de fase del agua (almacenamiento latente); siendo los segundos mucho más efectivos por la cantidad de energía puesta en juego: entre 10 y 15 veces más. Esto implica unos volúmenes mucho más reducidos de almacenamiento (de 6 a 10 veces menor), menores pérdidas y un suministro de energía a temperatura constante.
Un ejemplo de sistemas de almacenamiento latente son aquellos basados en materiales de cambio de fase, los cuales están contenidos en unos nódulos esféricos los cuales a su vez se alojan en depósitos al efecto (Figuras 3 y 4).
El sistema de almacenamiento de energía queda integrado en el resto del sistema de producción de acuerdo al esquema de principio de la Figura 5. La conexión entre el equipo de producción y el depósito de almacenamiento puede ser en paralelo (saltos térmicos pequeños, aplicaciones de confort, etc.) o en serie (grandes saltos térmicos, procesos industriales, redes de energía, etc.). Un intercambiador de placas evita tener que glicolar todo el circuito de distribución de energía, únicamente la parte de producción.
Complementos para mejora de la Eficiencia Energética
Como se ha comentado hasta ahora, los sistemas de almacenamiento de energía permiten fundamentalmente optimizar el importe de la factura energética por reducción de la potencia contratada y por producción en tramos horarios de tarifa reducida.
Estos sistemas de producción de frío se pueden complementar con distintas soluciones de diseño y equipamiento que permiten además una mejora considerable de la eficiencia energética de la instalación (entre un 15% y un 30%):
- Optimización de la temperatura de agua fría: cuanto mayor sea el valor de la temperatura de agua fría mejor será el rendimiento de los equipos de producción (aproximadamente un 3% de mejora por cada grado).
- Enfriamiento gratuito por aire exterior: si las condiciones ambientales lo permiten y existe demanda de refrigeración en invierno, es posible implementar sistemas de producción gratuita de frío por medio de aire exterior, con la consiguiente reducción de consumo eléctrico.
- Recuperación de calor de condensación: si existe una necesidad simultánea de calor, por ejemplo para ACS, es posible recuperar el calor de condensación disipado por los equipos de producción de frío, teniendo carácter gratuito y mejorando la eficiencia energética global del sistema.
Sistema de Control
El correcto funcionamiento de este tipo de sistemas debe estar gestionado por el correspondiente sistema de control, que asegure poder sacar el máximo partido y optimizar todo lo posible los costes de explotación de la instalación y la eficiencia energética de la misma. Y además hacerlo en todo momento del año y bajo cualquier condición climática o de demanda, asegurando que todos los sistemas implementados (almacenamiento, enfriamiento gratuito, recuperación de calor, etc.) funcionan de manera correcta (Figura 6).
Además debe ser un sistema flexible, que se adapte a los cambios de los perfiles de uso del edificio, modificación de tarifas eléctricas, etc.
Y por supuesto versátil, que permita conectividad con otros sistemas e instalaciones del edificio, que facilite históricos de funcionamiento, información sobre mantenimiento, gestión de situaciones de avería, programaciones horarias, etc.
Conclusiones
Los sistemas de almacenamiento de energía, complementados con sistemas de mejora de eficiencia energética, son una solución de elevado interés para optimizar los costes de explotación de los edificios, reduciendo además su impacto medioambiental; adaptando en todo momento de manera precisa y coherente la producción de frío a la demanda existente en cada momento.
Como ha quedado expuesto, permiten una reducción considerable del importe de la factura energética (tanto por término de potencia como por término de consumo), así como de los costes de mantenimiento.
Todo ello contribuye de manera eficaz a mejorar la rentabilidad de las instalaciones térmicas de los edificios, reduciendo el periodo de retorno de la inversión.