La flexibilidad de las bombas de calor para la gestión activa de la demanda en las Islas Arán

Dr. Gerhard TOTSCHNIG, Dr. Demet SUNA

AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Giefinggasse 2 1210 Vienna/Austria T: +43 664 88335436, E-Mail: gerhard.totschnig@ait.ac.at, W: www.ait.ac.at

Introducción

En el marco del Proyecto REACT del programa H2020, se analiza el potencial para adaptar, de manera flexible, el consumo eléctrico doméstico con bombas de calor de fuente de aire en las Islas de Arán. Esto significa situar dicho consumo en las horas más beneficiosas para la isla, es decir, evitar los periodos en que la oferta eléctrica es limitada y los precios son altos, consumiendo en los baratos, en los que hay exceso de oferta y una menor demanda. Los resultados de este análisis muestran que, de media, un 35% del consumo eléctrico podría ser desplazado a momentos de menor demanda, y que se podría ahorrar un 32% de los costes. Sin embargo, para poder realizar este proceso de manera efectiva, es necesario que el usuario final esté adscrito a tarifas eléctricas flexibles, que le permitan reaccionar a señales de precio.

Antecedentes y enfoque

Las Islas de Arán son un grupo de tres pequeñas islas, culturalmente muy significativas, situadas en la Bahía de Galway frente a la costa occidental de Irlanda. Son notables por su historia, que se remonta miles de años atrás. Más del 75% de su superficie está caracterizada como “Zona Especial de Conservación”, y en ella, muchas actividades están limitadas. La topografía de las islas está dominada por piedra caliza kárstica, muros áridos de piedra y acantilados en el oeste y en el sur. Destacan sus típicas casas de piedra, que están muy expuestas a los vientos dominantes del oeste/suroeste. La principal industria de las islas es el turismo, y la población media se duplica durante los meses de verano. El objetivo del presente análisis es estimar el potencial de flexibilidad de los edificios residenciales tipo con bombas de calor de fuente de aire en las Islas Arán, si se dispusiera de precios de electricidad variables por hora.

 

De la Figura 1 se extrae que casi todas las viviendas de Inis Mór son chalés o bungalós, y que no hay muchos apartamentos. El 86% de las mismas utiliza calefacción de combustibles fósiles (petróleo, carbón, turba; ver Figura 1). El 50% de las casas se construyó antes de 1970 (ver Tabla 1).

Para comenzar el análisis, se escogieron una serie de edificios y grupos clave (ver Figura 2), basándose en un sistema de puntuación que incluye varios criterios, como cuestiones técnicas, comunitarias y económicas.

La herramienta de planificación y la metodología del estudio

Se parte de la base de que las viviendas cuentan con tarifas eléctricas que reflejan un precio eléctrico horario variable, según los precios del pool fijados en el mercado diario irlandés. Dado que los precios de la electricidad diarios se fijan el día anterior, las bombas de calor eléctricas pueden optimizarse de forma que se activen en las horas de menor coste.

En la Figura 3 se ve cómo los precios eléctricos de la República de Irlanda varían significativamente por día. Si se encienden las bombas de calor según las señales del mercado, los hogares pueden ahorrar costes y contribuir a un comportamiento de la demanda eléctrica favorable al sistema.

Modelo de resolución temporal variable

Para el análisis, se simuló un conjunto de edificios típicos, equipados con bombas de calor de fuente de aire y tanques de almacenamiento térmico. Se analizó la flexibilidad media de la demanda y el ahorro de costes de los edificios con bomba de calor, mediante el desarrollo de un modelo de optimización. Para entender los requerimientos energéticos de forma realista, se desarrolló un modelo con resolución temporal variable.

En los momentos en que hay consumo de agua caliente, el modelo tiene una resolución temporal de 1 minuto, mientras que, en aquellos sin él, la resolución temporal para la calefacción y la recarga del depósito de agua caliente es de 1 hora. Como resultado, el año se optimiza con 42.000 espacios de tiempo. La base del modelo es un modelo físico de diferentes edificios residenciales y sus sistemas de calefacción, que describe sus propiedades térmicas, ganancias internas, ganancias solares y pérdidas de calefacción. En la simulación, se utilizaron los datos de radiación solar y temperatura [1] de las Islas Aran para el año 2016.

Modelo de bomba de calor

El rendimiento de las bombas de calor depende en gran medida de la temperatura de la fuente de calor y de la temperatura del suministro de calor. Como se ha mencionado, para los emplazamientos del análisis, se consideran bombas de calor alimentadas por aire. Éstas tienen unos costes de inversión bastante bajos y pueden estandarizarse. La fuente de calor, de donde se extrae el mismo, es el aire exterior. El coeficiente de rendimiento (COP) describe la potencia térmica suministrada por la bomba de calor en relación con la electricidad consumida:

Rendimiento térmico=Entrada eléctrica * COP

En los edificios de análisis, el calor extraído del aire ambiente es utilizado por la bomba de calor para elevar la temperatura del agua caliente suministrada a los radiadores de pared. El factor de rendimiento de la bomba de calor COP depende en gran medida de la temperatura del aire exterior y de la temperatura de alimentación de los radiadores.

Las temperaturas del aire ambiente oscilan entre 5 y 10ºC en invierno (ver Figura 5), lo que significa buenas condiciones para las bombas de calor de fuente de aire.

Límites de los radiadores

La potencia térmica máxima que los radiadores de calefacción pueden suministrar a la habitación depende en gran medida de la temperatura de suministro [2]. Los radiadores pierden mucha capacidad de suministrar calor a temperaturas de alimentación bajas (ver Figura 6).

Por otro lado, las bombas de calor son más eficientes (mayor COP) a temperaturas de suministro menores, logrando una mayor potencia térmica máxima de salida.

Conmutación inteligente de los modos de la bomba de calor

Dado que las altas temperaturas de suministro dan lugar a bajos valores de COP y a una escasa eficiencia eléctrica de la bomba de calor, en la simulación se puede controlar su funcionamiento, para cambiar/optimizar la temperatura de suministro de los radiadores en función de las necesidades de calefacción y los precios de la energía en pasos de 10 °C (40°C, 50°C, 60°C, 70°C), como se ilustra en la Figura 7. Además de la calefacción, la bomba de calor puede recalentar el acumulador y suministrar directamente agua caliente.

En la Figura 8 se muestra el suministro de calor a lo largo del año 2016, diferenciando las temperaturas de suministro por colores. Se puede ver que la temperatura de suministro se ajusta con frecuencia. Esto es el resultado del “escenario de coste mínimo” para la vivienda 1 (ver la definición de los escenarios más abajo). Los diferentes niveles de potencia de calefacción son los límites del radiador, a la temperatura de suministro dada.

Escenarios de simulación

Para los siete edificios de las Islas de Arán, resumidos en la Tabla 2 del siguiente apartado, se han realizado labores de optimización. La comparación entre dos escenarios se utiliza para analizar la flexibilidad de la demanda eléctrica y el ahorro de costes que puede generar el funcionamiento óptimo de los edificios residenciales equipados con bombas de calor alimentadas por aire. En cuanto a la señal que guía el funcionamiento de las bombas de calor, se ha utilizado el precio del mercado spot de Irlanda.

Así bien, los escenarios considerados son:
  • Escenario de coste mínimo: Se asume que las bombas de calor ven los precios del mercado spot de 2016 como los precios generales de electricidad. El modelo puede adaptar las temperaturas de suministro de calor entre 40 y 70 °C en cada paso de la simulación. La simulación trata de minimizar los costes de electricidad. La temperatura ambiente se limita a estar en ±0,5 °C de la consigna durante la temporada de calefacción (invierno). No hay límite para la temperatura ambiente en verano.
  • Escenario de referencia: En este caso, el modelo sólo contempla un precio de la electricidad constante de 30 EUR/MWh. La temperatura de suministro de calor es de 60°C, constante a lo largo del año. El modelo intenta reducir el consumo de electricidad. La temperatura ambiente se limita a un margen de ±0,5 °C de la consigna durante la temporada de calefacción (invierno). No hay límite para la temperatura ambiente en verano.

Resultados

De media, en la simulación de “coste mínimo”, los costes de electricidad se reducen en un 32% y la demanda de electricidad es un 16% menor en todos los edificios. Esto se debe a que, en esta simulación, la bomba de calor ajusta la temperatura de suministro al mínimo necesario y se activa preferentemente cuando los precios de la electricidad son bajos. Por su parte, en el “escenario de referencia”, la temperatura de suministro está constantemente a 60°C sin ninguna optimización sofisticada. En este escenario, en promedio, se obtiene que se puede desplazar un 35% de la demanda para aprovechar los precios más bajos de la electricidad.

Conclusiones

El proyecto REACT tiene como objetivo lograr la autonomía energética de las islas, lo que requiere una ambiciosa integración de fuentes de energía renovables. Dado que las fuentes potenciales de calor renovable, como la energía solar térmica y el biometano, son limitados en las islas de Arán, se prevé que todo el suministro de calor procedente de combustibles fósiles será sustituido por bombas de calor. Según las hipótesis asumidas para las viviendas tipo con bombas de calor de fuente de aire en las islas de Arán, se concluye que se podría desplazar una media del 35% de la demanda eléctrica para optimizar el consumo en función de los precios de la electricidad y proporcionar así una mayor flexibilidad al sistema eléctrico. De este modo, se podría ahorrar hasta un 32% de los costes de electricidad. Así bien, tanto los consumidores como el sistema eléctrico saldrían ganando. Como conclusión de todos los análisis realizados en las Islas de Arán, se puede afirmar que se podría lograr una descarbonización total de estas Islas para el año 2030 en el sector eléctrico y en el sector de calefacción, mediante el uso de bombas de calor eléctricas. Las temperaturas exteriores en invierno se sitúan prioritariamente entre los 5 y los 10°C, lo que favorece mucho a la eficiencia de las bombas de calor de fuente de aire. Sin embargo, no se debe olvidar que, para que todos los sistemas funcionen de forma económica, se necesitan tarifas flexibles para el usuario final, de modo que éste pueda reaccionar a las señales de precios.

Referencias

[1] Sitio web de REACT: REACT 2020 – Renewable Energy for Self-Sustainable Island Communities “. [En línea]. https://react2020.eu/

[2] C. Pleijel, “Energy Audit on the Aran Island, Intelligent Energy Europe”, 2015.

[3] “Energy Master Plan 2018, Árainn and Inis Meáin”. Fuinneamh Oileáin Árann – Aran Island Energy, 2018.

[4] “All Electric Aran Islands Concept. A Design for a Wind and Ocean powered system supplying electricity, Heat and Transport”. Sustainable Energy Authority of Island, 2015.

[5] SEAI, “All Electric Aran Islands Concept. A Design for a Wind and Ocean powered system supplying electricity, Heat and Transport, 2015”, SEAI – Sustainable Energy Authority of Island, 2015.

 

Autores:

DI Dr. Gerhard Totschnig, Ingeniero de Investigación, AIT Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria, gerhard.totschnig@ait.ac.at

DI Dra. Demet Suna, Científica, AIT Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria, demet.suna@ait.ac.at


[1] https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html#HR

[2] http://www.delta-q.de/export/sites/default/de/downloads/heizflaechenauslegung_recknagel.pdf

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