ICAI_Eficiencia Energética en la Edificación.pdf

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN SEMINARIO PERMANENTE EN TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS

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AUTORES:

Javier Serra María-Tomé Javier María-Tomé – Antonio Paniego Paniego Gómez José Ignacio Ignacio Ajona Maeztu – Juan Antonio Alonso González González David Arzoz del Val – Adolfo Sanz Izquierdo Miguel Zamora García – Domingo Guinea Díaz

EFICIENCIA ENERGÉTICA ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN SEMINARIO SEMINARI O PERMANENTE EN TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS COORDINADORES:

JOSÉ IGNACIO IGNACIO LINARES HURT HURTADO BEATRIZ BEA TRIZ YOLAND OLANDA A MORA MORATILLA TILLA SORIA

2008

© 2008 UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD PONTIFICIA PONTIFICIA COMILLAS C/.Univ C/. Universida ersidad d Comil Comillas,3 las,3 28049 Madrid © 2008 INSTITUTO INSTITUTO DE INGIENERÍA DE ESPAÑA ESPAÑA

ISB N: 978 -84- 846 8- 241 -7

Depósito Depós ito Legal:BU-408. – 2008 Diseño de cubierta:BELÉN R ECIO ECIO GODOY Fotocomposición:Rico Fotocomposición: Rico Adrados, Adrados,S.L. S.L. Abad Maluenda,13-15 Maluenda, 13-15 bajo • 09005 Burgos Burgos Impreso por Amábar,, S.L. Amábar Impreso en España - Printed in Spain

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Agradecimientos

La Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas en nombre de la Universidad Pontifica Comillas agradece el patrocinio brindado desde la Fundación SAMCA y MARTINSA-FADESA que sirve de apoyo al desarrollo de sus actividades.

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ÍNDICE

GRADECIMIENTOS ... A GRADECIMIENTOS ...... .......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....

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PRESENTACIÓN .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........

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PRÓLOGO .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......

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ESUMEN EJEC EJECUTIVO UTIVO .... R ESUMEN ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......

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CAPÍTU CAP ÍTULO LO I.

Aspectos Aspect os ener energét gético icoss del del nuevo nuevo Cód Código igo Téc Técnic nico o de la EdiEdificación fica ción .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ...

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Javier Serra María-T María-Tomé

CAPÍTULO CAPÍT ULO II. El nuevo nuevo Regl Reglame amento nto de Inst Instalac alacion iones es Térmic Térmicas as en en los los EdiEdificios: cambios esperables en la manera de diseñar las instalaciones talac iones .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....

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Antonio Paniego Paniego Gómez

CAPÍTULO CAPÍTU LO III. Experiencia Experiencia desde la indust industria ria de panele paneless solare solaress térmicos térmicos de la en entr trad adaa en en vig vigor or de dell Cód Códig igo o Téc Técni nico co de la Ed Edif ific icac ació ión n ... ...

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José Ignacio Ajona Maeztu

CAPÍTULO CAPÍ TULO IV IV.. Polític Políticas as de promoció promoción n de la cogeneraci cogeneración ón de pequeña pequeña escala esca la .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........

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Juan Antonio Alonso González

CAPÍTU CAP ÍTULO LO V. MicroMicro-pol polige igener neraci ación ón en el sector sector residenc residencial ial emplea empleando ndo motor mo tores es de gas ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... David Arzoz del Val Val

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EFICIENCIA EFICIENCI A ENERGÉTICA EN LA EDIFICAC EDIFICACIÓN IÓN

CAPÍ CA PÍTU TULO LO VI. Generac Generación ión distri distribui buida da con pilas pilas de combu combusti stible ble y sistema sistemass de tri trigen genera eració ción n con con mic microt roturb urbina inass ..... ........ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .......

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Adolfo Sanz Izquierdo

CAPÍ CA PÍTU TULO LO VI VII. I. Bo Bomba mbass de cal calor or geo geotérm térmica icass ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .......

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Miguel Zamora García

CAPÍ CA PÍTU TULO LO VI VIII. II. Ges Gestió tión n efic eficien iente te de la ene energí rgíaa en en la la edif edifica icació ción n ... ...... ...... ...... ...... ....... Domingo Guinea Díaz

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PRESENTACIÓN

El Comité de Energía y Recursos Naturales del Instituto de la l a Ingeniería de España y la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Pontificia Comillas decidieron en 2006 aunar sus esfuerzos y establecer el “Seminario Permanente en Nuevas Tecnologías Energéticas”. Se trata de un foro de reflexión y debate sobre soluciones energéticas aplicables, de actualidad, que se desarrolla mediante varias conferencias y mesas redondas a lo largo de un curso académico. El Seminario cubre un tema de interés y actualidad en el ámbito de las Tecnologías Energéticas y para ello invita a profesionales y académicos de reconocido prestigio a que impartan conferencias sobre las diferentes aproximaciones al tema central escogido, pasando seguidamente a establecer un debate con los asistentes. Entre los objetivos que los organizadores nos hemos marcado en este Seminario se encuentra que el enfoque de los temas abordados sea eminentemente práctico, práctico, es decir, decir, se centre en las tecnologías tecnologías técnica y económicaeconómicamente viables, comparando desde estos puntos de vista las diferentes alternativas y seleccionando las más interesantes para su aplicación tanto en el contexto internacional como en España. Este planteamiento no es incompatible con el rigor científico, sino que trata de combinarlo con el enfoque aplicado que busca el sector empresarial, con el objetivo de lograr un máximo calado y dar sugerencias a los responsables de gestionar la energía en España. Se han abierto dos vías para alcanzar la repercusión deseada en estas sesiones de reflexión. Por una parte se ha dispuesto una página web pública accesible tanto desde el Comité como desde la l a Cátedra en la que se recogen las presentaciones de los diferentes ponentes. De este e ste modo en un plazo casi inmediato es posible analizar la información dada en cada sesión. Por otra parte se elabora una publicación que recoge toda la actividad del curso y que se realiza a partir de una transcripción de las conferencias, que una vez montada

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PRESENTACIÓN

con las figuras más relevantes de las presentaciones es revisada por los ponentes. Esta publicación se elabora tanto en versión papel como digital 1. Este volumen es la segunda s egunda publicación del Seminario Permanente y recoge las actividades que tomando como centro la eficiencia energética en la edificación se llevaron a cabo en el curso 2007-08. Se realizaron cuatro sesiones en las que ocho ponentes analizaron la oportunidad oport unidad actual de esta tecnología dado el apoyo que está teniendo desde el Código Técnico de la Edificación (CTE), el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y el nuevo marco regulatorio del Régimen Especial (RD 661/2007). También se presentaron soluciones tecnológicas disponibles en el mercado actual para la poligeneración y la climatización eficiente, así como un ejemplo de integración de todas estas tecnologías. Tanto desde el Comité de Energía y Recursos Naturales como desde de sde la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas esperamos que esta información resulte útil a la sociedad y contribuya a dar elementos y criterios de juicio a los responsables del ámbito energético, tanto de la Administración como del sector empresarial. JESÚS C ASADO DE A MEZÚA MEZÚA Presidente del Comité de Energía y Recursos Naturales Instituto de la Ingeniería de España

JOSÉ IGNACIO LINARES HURTADO Director de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Tecnologías Energéticas Universidad Pontificia Comillas

. Las diferentes diferentes presenta presentaciones ciones llevad llevadas as a cabo en el Seminario Seminario Permanen Permanente, te, así como las las Publicaciones están disponibles en http://www.upcomillas.es/catedras/crm/seminario.html. http://www.upcomillas.es/catedras/crm/seminario.html. 1

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PRÓLOGO

La limitación de emisiones de CO2 a la atmósfera atmósfera supone una restric restricción ción a la libre contaminación acordada internacionalmente en el marco de la respuesta a una de las primeras crisis ambientales globales a las que la Humanidad va a tener que enfrentarse. Nuestro modelo productivo industrial –ahora extendido a todas las sociedades humanas a través de la globalización– es un modelo que, debido a su base de recursos mineral, genera un flujo constante de residuos que se vierten al medio contaminándolo y transformándolo. El reconocimiento de la responsabilidad humana en el cambio climático –una de esas transformaciones del medio– y la evaluación de los costes coste s económicos y sociales que ello implica, ha conducido al acuerdo internacional de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, de forma que el uso de combustibles fósiles –nuestra principal fuente energética: más del 80% de la energía primaria usada por la Humanidad– está ya restringido desde principios del 2008 en virtud de los acuerdos de Kyoto, de los cuales España es firmante como parte de la Unión Europea. Por otro lado, y como ya avanzase hace décadas el geólogo M.K. Hubbert, la extracción de petróleo siguiendo una demanda en aumento exponencial, genera la incapacidad de la oferta de responder al aumento de esa demanda a partir del momento en que aproximadam aproximadamente ente la mitad de las reservas han sido ya extraídas. Ello implica un aumento de precio del recurso para ajustar la demanda a la oferta, lo que ocasiona el fin de un primer periodo de precios muy competitivos en el mercado y que históricamente ha generado la evolución de la demanda del recurso. Ésta puede ser en breve –si no es ya hoy– la situación a la que debemos enfrentarnos, lo que se ha llamado el fin del ‘cheap oil’, del petróleo barato: lejos aún de agotarse las reservas, la capacidad extractiva de petróleo no podrá responder a una demanda en continuado aumento sin una escalada es calada de precios de la que, quizá, estemos viviendo estos años sus primeros balbuceos. Una subida de precios que, aunque activará la

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oferta de otras fuentes de energía, presionará nuestros sistemas energéticos, más aún considerando la dependencia del petróleo como fuente energética principal –por su disponibilidad– de muchos sectores de consumo. Ambas situaciones situaciones –independientes una de la otra pero coincidentes en el tiempo– presionarán con fuerza nuestro sistema energético produciendo transformaciones que irán mucho más allá de un ajuste en la oferta energética para constituir una auténtica revolución en el uso de la energía que puede significar, a largo plazo, una nueva reconsideración de todo nuestro sistema productivo. En un primer estadio –y como cualquier usuario de la energía– la edificación se enfrentará a esta doble crisis, que se manifesta manifestará rá en un aumento de precios de la energía, mediante un intento de reducción de consumo de energía comercial. Una reducción de consumo que –para no disminuir sus prestaciones– forzará a obtener más utilidad de cada unidad de energía comercial usada y que, por tanto, debe leerse también como una exigencia de aumento de la eficiencia energética. Una eficiencia energética que va a ser posible realizar en función de la capacidad de actuar sobre los factores que determinan el consumo: la demanda energética de los edificios, la oferta de energía utilizable para satisfacerla, y el uso y la gestión de los edificios. El primer factor –la demanda energética– es el más determinante por cuanto establece el perfil de las necesidades: qué tipo de energía, qué cantidad, en qué momento y en qué lugar debe librarse la energía para satisfacer tanto las condiciones de habitabilidad como las demandas energéticas de las actividades que el edificio acoge. A partir de ahí, los demás factores trabajan para satisfacer ese perfil con la máxima eficiencia. En edificación, el clima, las condiciones de habitabilidad y las otras demandas energéticas de las actividades que debe acoger el edificio establecen el planteamiento de un problema al cual cada edificio da respuesta en forma de un determinado perfil de demanda energética. Una respuesta que, hasta la aparición del Código Técnico de la Edificación (CTE), no era una respuesta consciente por parte de los promotores y los diseñadores de edificios. A partir de esa norma, la demanda energética que establece un proyecto de edificación debe ser evaluada en muchos casos y, y, en consecuencia, pasa a ser un factor de diseño del edificio. La oferta de la energía utilizable para satisfacer el perfil de demanda energética es el segundo factor ligado al consumo energético en edificación. Reducir la dependencia de las fuentes energéticas emisoras de carbono y reducir las pérdidas en la confección de la oferta energética –captación, transformación y transporte y distribución– suponen las estrategias básicas en ese factor factor.. Y ello ha generado generado una discusi discusión ón sobre la escala escala en que debe debe articularse la oferta energética que resulta muy interesante por la capacid capacidad ad de transformación que puede tener tanto en el sector energético como en la edificación.

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PRÓLOGO

Así, el aprovechamiento de las fuentes locales locales de energía energía –como la geotérmica, la eólica o la solar– se mueve entre la opción de las grandes centrales captadorass –como los ‘huertos’ fotovoltaicos o los parques eólicos– que sicaptadora guen la tradicional tendencia de concentración de potencia pot encia en la transformación, y la exigencia normativa –en el CTE y en numerosas ordenanzas municipales– que promueven el aprovechamiento de la energía solar a escala de edificación para usos térmicos o para transformación fotovoltaica, fotovoltaica, lo que tiende a distribuir la captación y la transformación de la energía para obtener el máximo aprovechamiento de las condiciones locales. Asimismo, evitar las pérdidas en la distribución de la energía también también ocasiona vaivenes de escala en la transformación energética, y mientras la producción de calor para usos domésticos se centraliza para mejorar el rendimiento de las calderas, la generación eléctrica de origen térmico se distribuye para evitar pérdidas de transmisión, emergiendo la co-generación como una estrategia de aprovechamiento que no sólo extrae el máximo aprovechamienaprovechamiento del combustible usado, sino que reúne ambas tendencias ofreciendo además, por su escala de gestión, la posibilidad de integrar las fuentes locales en una oferta eficiente y más limpia, aunque más compleja de gestionar para obtener su máximo aprovechamiento. Todo ello va configurando un nuevo panorama en el que los edificios van a tener que disponer de una estrategia estrategia de eficiencia energética energética como una parparte fundamental de su diseño, una exigencia exigencia para la que la calificación energética de edificios es una primera respuesta. Unas estrategias en las que la escala de la demanda y su articulación con la oferta disponible va a resultar fundamental a medida que los costes energéticos vayan resultando determinantes: ¿es la vivienda individual, el edificio ed ificio plurifamiliar, plurifamiliar, el bloque, la manzana o el barrio la escala óptima para conformar una demanda más eficiente? Una discusión que no puede resolverse sin considerar el tercer factor que determina el consumo energético: el uso y la gestión de los edificios. Más allá de la presión de los costes de la energía sobre el usuario individual para empujarle a hacer un uso eficiente de ella, la gestión eficiente requiere de unos instrumentos que generan también una escala óptima, que introduce un nue vo elemento a considerar cons iderar en la ecuación para encontrar la l a máxima eficiencia energética en edificación. Y aún más. No N o podemos pensar que el problema probl ema se plantea pl antea en el campo de la nueva edificación. La batalla de la reducción de emisiones y del consumo energético se libra esencialmente en la edificación existente, y es ahí el único lugar donde realmente puede ganarse. Articular nuevas configuraciones eficientes de demanda-oferta-uso y gestión de la energía sobre el patrimonio edificado existente es una necesidad imperiosa en una perspectiva de limitaciones energéticas. energéticas. La rehabilitaci rehabilitación ón energética del patrimonio construido, a través de estrategias que consideren los tres factores articulados a una

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escala de gestión que asegure la máxima eficiencia energética, debe ser uno de los motores del sector de la edificación frente a la doble crisis que se nos presenta. Y es un primer primer paso. A medida que las restricciones en el uso de la energía aumenten, el proyecto de edificación, considerado como la generación de una demanda de un recurso costoso, se transformará hasta convertir la eficiencia en uno de los fines de la actividad edificatoria: ¿cómo procurar la má xima habitabilidad con el mínimo uso de recursos energéticos? La verdad es que el futuro va a ser un lugar interesante. DR . A LBERT LBERT CUCHÍ I BURGOS Profesor Titular Titular de la Universidad Politécnica Politécnica de Cataluña Departamento de Construcciones Arquitectónicas Arquitectónicas I de la UPC

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RESUMEN EJECUTIVO

El consumo energético de las familias españolas supone un 30% del consumo de energía final del país, repartiéndose casi a partes iguales entre la vi vienda y el vehículo privado. Cada hogar es responsable de la emisión de hasta 5 toneladas anuales de CO2. Además de estos elevados consumos consumos España es una isla energética, siendo su nivel de dependencia del exterior del 82%, superior al de la media de la UE, que se sitúa en el 50%. El consumo energético de una vivienda media española es de 1 tonelada equivalente de petróleo anual (11,6 MWh), estando destinado el 41% a calefacción y el 26% a producción de agua caliente sanitaria, mientras que los consumos eléctricos suponen el 22 %. A nivel nacional el consumo eléctrico para aire acondicionado acondicionado sólo supone el 1% del consumo del sector residencial, si bien es previsible que esta cifra aumente con el paso del tiempo. Estos datos demuestran que el sector residencial merece la pena ser tenido en cuenta en la planificación energética, debiéndose considerar medidas específicas para él y adaptando tecnologías a su escala con objeto de favorecer la eficiencia energética, energética, la reducción de emisiones de CO2 y el ahorro en energía primaria. Tanto las tecnologías propias como las medidas de apoyo son abordadas en estas páginas. El Capítulo I analiza lo que ha supuesto el Código Técnico de la Edificación en el apoyo a la eficiencia energética y ahorro de energía en la construcción. El propio Código es innovador en cuanto supone un cambio en la estructura de la reglamentación, situándose entre los más avanzados del mundo. Contempla una estructura jerárqui jerárquica ca de objetivos y metas a lograr lograr, y actúa de dos maneras: maneras: sobre la envolvente edificatoria, lo que permitirá reducir la demanda energética, energética, y sobre la integración de energías renovables renovab les en el edificio para cubrir parte de la l a demanda térmica destinada a la producció producción n del agua caliente sanitaria. Estas energías renovables son principalmente solar térmica, pero también pueden ser otras como biomasa, cogeneración, etc. También se contempla para ciertos edificios la obligatoriedad de integrar energía solar fotovoltaica fotovoltaica..

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El Capítulo II es un complemento natural al anterior, en la medida en que está dedicado al Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios, al cual se remite desde el Código Técnico. El Reglamento se ha modificado en términos similares al Código, preocupándose porque la eficiencia de las instalaciones que han de satisfacer las demandas energéticas del edificio sea má xima, reduciendo por por tanto el consumo al mínimo. mínimo. Esto va a suponer un cambio de mentalidad en el diseño de las instalaciones, complementando el cálculo que se establecía hasta ahora para las máximas condiciones con una evaluación de la demanda energética horaria ho raria que sea traducida de manera real al consumo, lo que permitirá dimensionar de manera más eficiente las instalaciones, dotándoles de sistemas de almacenamiento adecuado y de fraccionamientos de potencia lógicos que eviten el funcionamiento prolongado en situaciones de carga parcial. En definitiva, se pasará de diseñar por potencia a hacerlo por energía, energía, sentando las bases del “buen hacer” para el diseño. En el Capítulo III se presenta la percepción del sector s ector de la industria solar térmica respecto al apoyo que supone para ellos la entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación. Se analizan las posibilidades reales de alcanzar las cifras esperadas usando diferentes fuentes, concluyéndose que es viable que la aplicación del Código suponga la instalación de 2.700.000 m 2 de superficie de captación hasta 2010. Se realizan también unas consideraciones sobre la conveniencia de establecer desde la Administra Administración ción unas herramientas claras y comunes para los instaladores con objeto de poder comparar de forma for ma transparente diferentes diseños, así como la necesidad de establecer controles y verificaciones anuales en las instalaciones que comprueben los ahorros esperados, de modo que la percepción social de esta tecnología no resulte negativa. El capítulo IV continúa abordando las políticas de apoyo, en esta ocasión las dedicadas al fomento de la cogeneración aplicable a edificios, esto es, la microcogeneración (menos de 50 kWe) y la cogeneración de pequeña pequeñ a escala (menos de 1 MWe). Los estudios de potencial demuestran que la potencia instalable en el sector residencial y terciario es de 6.400 MWe, MWe, de los que sólo se han instalado 175. Para fomentar la penetración de esta tecnología en estos sectores se ha reformado reformado el marco regulatorio regulatorio del Régimen Régimen Especial que a través del RD 661/2007. Éste establece un decidido apoyo para la cogeneración, introduciendo medidas específicas para la promoción de esta tecnología en el sector de la edificación, como por ejemplo la no expulsión del Régimen Especial de las instalaciones de edificios cuando operen por debajo del rendimiento eléctrico equivalente mínimo. Otras medidas generales, como la revisión automática de tarifas según el precio del combustible y del IPC darán a la cogeneración la viabilidad económica necesaria para que la sociedad se pueda aprovechar de los ahorros de energía primaria que produce. De igual modo, el complemento por eficiencia fomenta el diseño de máximo ahorro. 18

RESUMEN EJECUTIVO

Los capítulos V y VI están dedicados a tecnologías de cogeneración a pequeña escala que se encuentran disponibles hoy día a nivel comercial. Con carácter general, ambos capítulos se centran en las ventajas de la generación distribuida, entendida como la integración de los pequeños productores en al red común. De forma específica el capítulo V analiza el empleo de motores de gas natural, presentando tamaños entre ent re 5 y 90 kWe. kWe. Lo más significativo de estas unidades unid ades es su integración en las instalaciones instalaciones convencionales convencionales de la vivienda, dimensionándimensionándolos para trabajar en carga base. El capítulo VI se centra en las pilas de combustible y en las microtur microturbinas binas de gas, exponiendo sus prestaciones tanto de forma genérica como en casos reales de instalaciones. Los ejemplos presentados son del mercado estadounidense, donde están dedicados más bien a la generación en isla o al autoconsumo eléctrico. Se trata de unidades de tamaño medio (entre 200 y 400 kWe para las pilas y entre 180 y 360 kWe kWe para las microturbinas) con muy bajas emisiones y con importantes capacidades multicombustibles, que abarcan desde el gas natural hasta el biogas. El capítulo VII se centra en la climatización mediante bombas de calor geotérmicas. Esta tecnología es ampliamente empleada en países del Norte de Europa, pero apenas está implantada en España. Se detallan las dos partes integrantes de la instalación: el sistema de captación geotérmica a través de diferentes tipos de intercambiadores, explicando sus diferencias y esbozando las técnicas de cálculo y la bom bomba ba de ca calor lor en sí mis misma ma,, que es de tec tecnol nologí ogíaa agu agua/a a/agua gua.. Se des descri criben ben experiencias operativas en Valencia Valencia que demuestran la viabilidad técnica de esta tecnología y se justifica su consideración como energía renovable en la medida en que esto permita el acceso a ayudas para reducir el período de retorno. El último capítulo muestra una integración inteligente de las demandas y ofertas energéticas a que está sometida una vivienda. Se ilustran técnicas de captación y almacenamiento térmico selectivo, de modo que es posible gestionar adecuadamente la energía solar incidente para contrarrestar con ella la demanda térmica. Incluso es posible también satisfacer la demanda eléctrica a partir de energía solar fotovoltaica, recurriendo al almacenamiento en hidrógeno para adaptar demanda y oferta. En resumen, se plantea la gestión energética integral de la vivienda como si de un sistema de información se tratase, integrando correctamente todas las energías y tecnologías, buscando el uso selectivo de las mismas, demostrando demostrando con ello que una vivienda de consumo cero es posible. BEATRIZ Y OLANDA OLANDA MORATILLA SORIA Secretaria del Comité de Energía y Recursos Naturales Instituto de la Ingeniería de España

JOSÉ IGNACIO LINARES HURTADO Director de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Tecnologías Energéticas Universidad Pontificia Comillas

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CAPÍTULO I

ASPECTOS ENERGÉTICOS ENERGÉTICOS DEL NUEVO NUEVO CÓDIGO TÉCNICO DE LA L A EDIFICACIÓN EDIFICACIÓN Javier Serra María-T María-Tomé Subdirector General de Innovación Innovación y Calidad de la Edificación Edificación Ministerio de Vivienda Vivienda

INTRODUCCIÓN Uno de los aspectos más importantes del Código Técnico de la Edificación (CTE) [I-1] es su propuesta energética, siendo éste un aspecto que cada vez interesa más a la sociedad, tanto a nivel nacional como internacional. Por ello el Ministerio de la Vivienda entiende que con este reglamento se está preparando el camino para un nuevo tipo de edificios del futuro, tanto los construidos de nueva planta como los existentes que acometan grandes reformas. La edificación en España tiene unos patrones de consumo que se reflejan en la Tabla Tabla I-1 que permiten identificar los puntos en los que la normativa nor mativa ha de incidir especialmente buscando la eficacia de los resultados. Así, en el sector residencial el Agua Caliente Sanitaria (ACS) representa una cuarta parte y la iluminación un escaso 3%, siendo el consumo en calefacción/refrigeración del 59%. Por tanto, tanto, es en la climatización climatización donde el CTE ha de incidir incidir,, fundamen fundamentalmentalmente a partir de medidas de tipo pasivo que incidan en el diseño del edificio, su asilamiento, configuración, protecciones solares, etc. El agua caliente presenta unas pautas y patrones de consumo que son difíciles de reducir, reducir, aunque no imposible. Así, el Canal de Isabel II de Madrid ha reducido el consumo de agua en poco tiempo del orden del 10% mediante campañas de sensibilización y mejoras de su propia red. El CTE no actúa sobre el patrón de consumo de ACS, ACS , sino que exige que la energía en ergía necesaria para su preparación sea de origen solar, o en general renovable. En cuanto al resto de consumos en iluminación y equipos presentan otros tratamientos, como el etiquetado energético.

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Tabla I-1. Patrones de consumo de energía en edificios (Fuente: Elaboración propia) Residencial Usos Calefacción y refrigeración ACS Equipos Iluminación

Oficinas % 59 26 12 3

Usos

%

Calefacción Refrigeración ACS Equipos Iluminación

23 31 – 11 35

Por lo que se refiere al sector terciario, por ejemplo los edificios de oficinas, se aprecia que las estrategias han de ser distintas, y de hecho el CTE así lo contempla. Así por ejemplo, se hace mayor énfasis en la energía eléctrica destinada a iluminación, ya que qu e supone el 35% de la energía consumida. TamTambién existen diferentes acciones encaminadas a reducir la demanda en refrigeración y calefacción. Si se sigue en el mismo camino llevado hasta ahora, en ausencia de las medidas previstas en el CTE se produciría un alejamiento cada vez mayor del objetivo marcado por Kioto, materializado en el Plan Nacional Asignación Asignación de Derechos de Emisión para 2008-2012 [I-3], mientras que si se aplican las medidas previstas en el CTE sería posible no sólo s ólo frenar la tendencia sino iniciar un proceso de convergencia hacia el objetivo del Plan Nacional de Asignación. Por otra parte, y debido al aumento del parque inmobiliario el incremento en la demanda de electricidad del sector doméstico y de servicios crece de forma acusada, doblándose la demanda del sector servicios en 2006 respecto a la de 1990 y aumentando un 30% la del sector doméstico en ese mismo período. Esto viene acompañado del incremento de la superficie construida (2,5 veces en ese período), que aunque alguna de ella sea de segunda residencia en general hace prever un importante repunte de la demanda energética. Por todo ello, el sector se enfrenta a una situación de incremento del parque inmobiliario y ante ello es preciso tomar una serie de medidas para moderar el incremento asociado en demanda energética. Con estas medidas se persigue controlar la demanda de los edificios construidos y tratar de reducirla en términos relativos en los nuevos, tratando incluso de lograr edificios que se comporten como fuentes de energía. Existen muchas medidas y políticas que no son objeto de este capítulo, como la Estrategia E4 [I-4] con su nuevo plan de acción acción que abarcará del 2008 al

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ASPECTOS ENERGÉTICOS DEL NUEVO CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

2012, el nuevo Decreto del Plan Nacional de Asignac Asignaciones iones en aplicación del Protocolo de Kioto y también la Estrategia Española de Desarrollo Sostenible [I-5] en la que la parte energética es un elemento fundamental. Como medidas concretas en el sector de la edificación surgen el CTE y el Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE) [I-6], conducente a la Calificación Energética de Edificios. ESTR STRUCT UCTURA URA DEL CÓDIGO TÉCN CNIICO DE LA EDIFICACIÓN El CTE presenta una estructura peculiar que se adapta al enfoque de los reglamentos más modernos del mundo, siendo de carácter prestacional donde ha de quedar clara una jerarquía piramidal de objetivos, exigencias, métodos de verificación y soluciones aceptadas como la mostrada en la Figura I-1.

l a i c n e g i x E

Objetivos

Exigencias

l a t n e m u r t s n I

Métodos de verificación

Soluciones aceptadas

Figura I-1. Esquema del CTE.

Los objetivos del código estaban establecidos como requisitos básicos en la Ley Orgánica de la Edificación del año 1999 [I-7], siendo expresión de los intereses esenciales del usuario en cuanto al edificio y condiciones que hacen del mismo que sea adecuado al uso previsto. Las exigencias básicas

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están constituidas por las condiciones específicas que deben verificar el diseño del edificio, sus sistemas constructivos y los productos que lo componen para cumplir los objetivos de los Reglamentos Básicos. Su contenido es de carácter técnico y se expresa generalmente de forma cualitativa, aunque también en algunos casos de forma cuantitativa. cuantitativa. En cuanto a los métodos de verificación, éstos son herramientas para comprobar y demostrar que una solución cumple exigencias que le afecten en proyecto y ejecución. Finalmente, las soluciones aceptadas son aquellas que se considera cumplen las exigencias. L A ENERG RGÍÍA EN EL CTE En el CTE la energía es la mayor protagonista. Hay otros requisitos que son también importantes pero que ya estaban regulados con bastante detalle, como los requerimientos estructurales o los acústicos, aprobados recientemente. Siendo el requerimiento acústico sensible a la percepción social, no incide en demasía sobre el medio ambiente; por el contrario, la energía afecta a la sociedad desde un punto de vista económico y también al entorno desde un punto de vista medioambiental. Es por ello que en el CTE se ha llevado a cabo una revisión de la Norma Básica de la Edificación de 1979 [I-8] con el criterio de aplicar aplicar una reducción reducción del consumo energético energético entre un 25 y 35%, según el tipo de edificio y las zonas climáticas. El documento básico del CTE denominado DB HE establece las exigencias básicas a nivel energético del Código, dando concreción y métodos de verificación con los objetivos de: • • • •

Limita Limi tarr la dema demand ndaa energ energét étic ica. a. Mejora Mej orarr el rendi rendimie miento nto de los los sistem sistemas as térmic térmicos. os. Lograrr una ilumi Logra iluminació nación n energét energéticame icamente nte más efici eficiente. ente. Impulsar Impu lsar las las energías energías renovabl renovables, es, en concre concreto to la solar solar térmica térmica para proproducción de ACS y la fotovoltaica para producción eléctrica 2.

El objetivo de la exigencia básica básica del CTE en cuanto al ahorro de energía consiste en conseguir un uso racional de la necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo, consiguiendo así mismo que una parte de este es te consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, constr ucción, uso y mantenimiento. En concreto, para conseguir este objetivo los edificios dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en fun2

Existen otras alternativas, como la cogeneración o la biomasa (consultar Capítulo IV).

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ción del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno, así como por sus características de asilamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que pueden perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrométricos en los mismo. Como estrategia para limitar el consumo, es decir, el cociente entre demanda del edificio y rendimiento de los equipos, se puede actuar de tres formas: • Reduci Reduciendo endo la la demanda. demanda. Esto Esto está está regula regulado do en el CTE a travé travéss del documento DB HE1. • Aum Aumentan entando do el rendimi rendimiento ento de los los sistemas. sistemas. Esto Esto queda queda regulado regulado a tra vés del RITE y del documento DB HE3 del CTE. • Ac Actu tuan ando do en en ambo amboss caso casos. s. Como medida complementaria se puede obligar al empleo de energías renovables, contemplado en los documentos DB HE 4 y 5 del RITE. Seguidamente se comentarán estas estrategias. Limitación de la demanda

La demanda depende del diseño, de la calidad de la envolvente, de la orientación y de la zona de severidad climática. Del proyecto dependen la calidad de la envolvente y las orientaciones, pudiendo estar condicionadas éstas por el urbanismo. En el CTE se plantean dos opciones para limitar la demanda, según el diagrama de flujo de la Figura I-2. La opción prescriptiva se corresponde con el camino de la izquierda de la Figura I-2, denominada “opción simplificada”. En ella se tratan de establecer unas limitaciones a los diferentes componentes de la envolvente, de manera que el cumplimiento de todas esas restricciones garantiza el cumplimiento del Código. Se trata de un procedimiento fácil de aplicar que conduce a resultados más conservadores. Constituye la opción reglamentaria reglamentaria simplificada y presenta ciertas analogías con la NBE-CT-79 [I-8]. Se basa en un número limitado de parámetros de comportamiento relativos a la calidad de los componentes de la envolvente edificatoria. edificatoria. Así, los cerramientos opacos los caracteriza por la transmitancia y los huecos mediante la transmitancia y el factor solar modificado en la estación de refrigeración. A partir de estos est os parámetros por componentes se obtienen valores promedio (proporcionales a las áreas) de los mismos a cuatro niveles:

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Requerimientos mínimos Opción simplificada

Opción general

Valores límites de Valores componentes de la envolvente térmica

r a o c i f i ñ e s d i o d M

Demanda edificio

¿Cumple todos?

Demanda edificio referencia

¿De
Figura I-2. Opciones para limitar la demanda energética contempladas en el CTE.

• • • •

mur uros os de fa fach chad adaa huec hu ecos os de fa fach chaada cubiertas suelos sue los y cerra cerramie mientos ntos en conta contacto cto con el el terreno terreno

Para la implantación de lo anterior se han confeccionado para cada una de las 12 zonas climáticas unas tablas que determinan los valores máximos admisibles de los parámetr parámetros os que caracterizan la calidad de los componentes de los cerramientos. La opción prestacional, que se corresponde con el camino de la derecha de la Figura I-2, resulta un camino “general”, de aplicación más complicada pero que da mayor libertad al proyectista, permitiéndole obtener mayor precisión y economía. Esta opción se aplica a través de una herramienta informática que proporciona el Código, denominada LIDER (LImitación de d e la Demanda enERgética), enERgética), que ha sido desarrollada por la Universidad de Sevilla y que constituye el método oficial del cálculo. No obstante, el Código acepta la utilización de programas alternativos, siempre que cumplan con requisitos de alcance y exactitud que los hagan homologables con el oficial. La herramienta LIDER presenta una estructura como la que se muestra en la Figura I-3, estando dotada de una base de datos de materiales de construc-

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ción, de una interface gráfica y de un motor de cálculo, presentando los resultados en pantalla para poder comprobar el cumplimiento del Código y emitiendo finalmente un impreso para la verificación administrativa. En esencia lo que establece la herramienta en su motor de cálculo es una comparación comparación de la demanda energética anual del edificio proyectado con la de uno que ella misma construye y que se considera de referencia, de modo que la demanda del edificio proyectado no ha de superar la del de referencia.

Bases de Datos

Interfaz Gráfica

Verificación Administrativa

Resultados en pantalla

Ayuda en Pantalla Pantalla Motor de Cálculo

Figura I-3. Estructura de la herramienta informática LIDER, incluida en el CTE.

Rendimiento de las Instalaciones

El rendimiento de las instalaciones térmicas queda regulado regulado en el CTE a través de la exigencia HE 2, la que remite al RITE [I-6], aprobado en julio de 2007. Pretende mejorar los niveles de rendimiento global estacional estacional de los sistemas de forma que el consumo anual disminuya. De este modo el CTE aplica la filosofía de que menor demanda y mayor rendimiento conducen a un menor consumo. En cuanto a las instalaciones de iluminación, éstas quedan recogidas en la exigencia HE 3, que resulta de aplicación a edificios de nueva construcción, a aquellos que teniendo más de 1.000 m2 se reforme más del 25% de su superficie y a locales comerciales y edificios de uso administrativo que se reformen y se renueve la instalación de iluminación.

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Energías renovables

La aportación mínima de energías renovales queda regulada en las exigencias HE 4 y HE 5 del Código, que se refieren a la energía solar térmica y foto voltaica, respectivamente. respectivamente. Esta exigencia persigue persigue contribuir al cumplimiento de objetivos políticos en términos energéticos y ambientales, como el Plan de Fomento de las Energías Renovables (PER) [I-9], los compromisos alcanzados en el Protocolo de Kioto, la estrategia E4, … Respecto a la energía solar térmica el Código establece que una parte de la demanda energética para la producción del agua caliente sanitaria y para la climatización de piscinas cubiertas será cubierta mediante la incorporación de sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía en ergía solar de baja temperatura, adecuada a la radiación solar global del emplazami emplazamiento ento del edificio. Los valores establecidos por esta exigencia tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de los que establezcan las Administraciones locales o autonómicas. En cuanto a la energía solar fotovoltaica el esquema es similar. similar. Esto es, los edificios a los que les sea de aplicación incorporarán sistemas de captación y transformación de energía solar en energía eléctrica para uso propio o suministro a la red. Los valores derivados de esta exigencia tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser impuestos por las administraciones competentes. El CTE indica la aplicación de captadores fotovoltaicos en edificios con gran demanda de energía eléctrica que superen unos ciertos límites, tal como recoge la Tabla I-2. Tabla I-2. Límites mínimos para la instalación de paneles fotovoltaicos. (Fuente: CTE) Tipo de edificio

Límite mínimo

Hipermercado Centro comercial y de ocio Nave de almacenamiento Administrativo Pabellón de recinto ferial Hoteles Hospitales

5.000 m2 3.000 m2 10.000 m2 4.000 m2 10.000 m2 100 plazas 100 camas

Los objetivos del CTE en el fomento de la energía solar en la edificación son: • Inst Instal alar ar 4, 4,55 mill millon ones es de de m2 de paneles solares térmicos para el 2010. • Increm Incrementar entar la la energía energía solar solar fotovoltaic fotovoltaicaa desde 143 hasta hasta 400 MW para 2010, en concordancia con lo establecido en el PER.

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Las consecuencias de estas acciones se dejarán sentir en la competitividad de las empresas, ya que aquellas que producen, comercializan comercializan e instalan instalan sistemas de energía solar verán multiplicada su facturación, facturación, creando más empleos. CONCLUSIONES El sector de la edificación en España se enfrenta a un incremento del parque de viviendas que traerá como consecuencia un alejamiento mayor que el actual de los objetivos de reducción de emisiones de CO2 debido al incremento en la demanda energética que llevará asociado. Una de las herramientas para paliar este incremento en el consumo energético lo constituye el Código Técnico de la Edificación, aplicable a vivienda nueva y grandes rehabilitaciones. Las líneas de actuación del CTE son la limitación de la demanda energética a través de unas exigencias en la epidermis del edificio, el incremento de la eficiencia de las instalaciones, regulado por el RITE, y la integración de energías renovables en la edificación tanto para la producción del agua caliente sanitaria como para la producción de energía eléctrica. Las medidas previstas en el CTE constituyen un primer paso para sentar las bases de una construcción sostenible en España, estableciendo unos criterios criterios comparables a los más avanzados del mundo, que qu e permitirán hacer un uso más racional de la energía en la edificación, tanto residencial como terciaria. R EFERENCIAS EFERENCIAS [I-1] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo. [I-2] Protocolo de Kyoto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático. (Kyoto, 11 de diciembre de 1997). Recogido en España por el Boletín Oficial de las Cortes Generales, núm. 259, 15 de febrero de 2002. [I-3] Plan Nacional de Asignación de derechos de emisión de gases de efecto invernadero para el período 2008-2012. RD 1370/2006. [I-4] Estrategia de Ahorro y Eficienc Eficiencia ia Energética en España E4 (2004-2012). 28 de noviembre de 2003. Ministerio de Economía. (BOE, 3 de febrero de 2004). [I-5] Estrategia Española de Desarrollo sostenible. Aprobado en Consejo de Ministros el 23 de noviembre 2007. Ministerio de la Presidencia. NIPO: 000-07-041-5. (www (www.la-moncloa.es) .la-moncloa.es) [I-6] Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). RD 1027/2007, de 20 de julio.

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[I-7] Ley de Ordenación de la Edificación (LOE). Ley 38/1999, 38/1 999, de 5 de noviembre. [I-8] Norma básica de la edificación de 1979 (NBE CT-79). RD 2429/1979, de 6 de julio. [I-9] Plan de Energías Renovables 2005-2010. Ministerio de Industria, Turismos y Comercio. Aprobado por Acuerdo del Consejo de Ministros el 26 de agosto de 2005.

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CAPÍTULO II

EL NUEVO REGLAMENTO REGL AMENTO DE INSTAL INSTALACIONE ACIONESS TÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS: CAMBIOS ESPERABLES EN LA MANERA DE DISEÑAR LAS INSTALACIONES Antonio Paniego Gómez ATECYR. Ingeniero Consultor, Consultor, miembro del Comité Comité Técnico de Atecyr

INTRODUCCIÓN El objetivo buscado en el nuevo Reglamento de las Instalaciones Ins talaciones Térmicas de los Edificios Edificios (RITE) [II-1], [II-1], queda perfectamente perfectamente expuesto en el artículo 1 del mismo en el que textualmente se dice: “Objeto.- El reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, RITE, establece las exigencias de eficiencia energética y seguridad que deben cum plir las instalaciones térmicas en los edificios para atender la demanda del bienestar bienestar e higiene higiene de las personas personas tanto en las fases de diseño, diseño, dimen sionado y montaje, montaje, como durante durante su uso y mantenimiento.” mantenimiento.”

La publicación del RITE cumplimenta el Código Técnico de la Edificación (CTE) [II-2] en el Documento Básico HE-2, relativo al rendimiento de la instalaciones laci ones térmicas térmicas,, par paraa lo cual establec establecee un artic articulad ulado o y desarrolla desarrolla unas insinstrucciones técnicas agrupadas en cuatro capítulos fundamentales de los cuales el primero de ellos, Diseño y dimensionami prese esenta nta dimensionamiento ento , es el que pr mayor importancia de cara a la limitación del consumo energético de los edificios. En las ediciones anteriores del RITE se insistía principalmente en los medios y condiciones de diseño con la finalidad de conseguir un mayor ahorro energético, pero en esta nueva edición se plasma el objetivo fundamental que p ersonas ”, considees “ atender la demanda del bienestar e higiene de las personas

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rando que para lograr este objetivo se han de cumplir las condiciones de eficiencia energética recalcadas una y otra vez en ediciones anteriores. Por medio de estas Instrucciones Técnicas se aborda uno de los temas de capital importancia que es el del confort, sin que esto vaya en detrimento, sino al contrario, de la intrínseca finalidad de la Instrucción que es el ahorro energético. BIENESTAR AR E HIGIENE E XIGENCIAS DE BIENEST

Comienza en su instrucción IT 1.1.4.1.2 fijando las condiciones de diseño de la temperatur temperaturaa operativa y la humedad relativa, teniendo en cuenta para ello la actividad metabólica de las personas, su grado de vestimenta y el porcentaje de personas insatisfechas. Es esto importante desde el punto de vista del bienestar, ya que no se limita como en reglamentos anteriores a fijar una temperatura seca de diseño, sino que fija los puntos pun tos que se deben considerar como exigencia de bienestar e higiene y que resume en los siguientes: Calidad térmica del ambiente Calidad del aire interior Higiene ambiental Calidad del ambiente acústico Dotación suficiente y adecuada de ACS Eficiencia energética Una deficiencia del nuevo RITE, en mi opinión, es que no trata la eficacia de los sistemas, pues si bien un sistema puede ser eficiente energéticamente, puede no ser eficaz para conseguir la finalidad propuesta con el mínimo coste energético. Calidad Térmica del ambiente

Para satisfacer la exigencia de calidad térmica del ambiente es preciso analizar cuáles son las condiciones que influyen en el bienestar y cuáles son los elementos que generan el malestar térmico, enumeradas seguidamente: Bienestar térmico • Tem empe pera ratur turaa seca seca del del air airee • Hu Hume meda dad d rel relat ativ ivaa • Temp empera eratur turaa radian radiante te de los los cerrami cerramiento entoss • Vel eloc ocid idad ad de dell air airee • Ac Acti tivi vida dad d met metab aból ólic icaa • Gr Graado de de vest vestiime ment ntaa

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EL NUEVO REGLAMENTO DE INSTALACIONES TÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS…

Malestar térmico • Co Corr rrie ient ntes es de ai airre • Gr Grad adie ient ntee vertic vertical al de temp temper erat atur uraa • Tem empe pera ratur turaa del del sue suelo lo • Asi Asimet metría ría de la la temp tempera eratura tura rad radian iante te Estos factores que conforman el bienestar térmico tér mico deben considerarse a la hora de fijar las condiciones interiores de diseño, que por su interacción definirán la temperatura operativa, a la que hace referencia la IT 1.1.4.1.2. Es importante el matiz de que no habla de temperatura seca, y por tanto toma en consideración para su consecución factores antes mencionados como son la temperatura radiante y la velocidad del aire, estableciendo una temperatura determinada en función del grado de actividad metabólico y del grado de vestimenta, todo ello considerando el porcentaje de personas insatisfechas y el sistema diseñado para la difusión del aire. Es importante que en las condiciones interiores de diseño se consideren todos estos factores enumerados bajo el epígrafe de bienestar y malestar térmico, pues ello incide directamente en el número de personas insatisfechas. Un porcentaje de un 15% de insatisfechos puede considerarse como un logro importante al menos en los sistemas por mezcla. En el RITE tampoco se habla de la temperatura efectiva, aquélla que combina los efectos de la temperatura seca del aire y la temperatura radiante media, representada en la temperatura operativa con la presión parcial del vapor de agua, quizás por considerar los amplios márgenes que en el diagrama de confort se determinan para la humedad relativa, ya que el RITE considera válidos valores comprendidos entre 40 y 60% Calidad del aire

Otro de los puntos que toma en consideración es el de la calidad del aire, tanto interior como exterior, exterior, así como su humedad, sobre todo en el ambiente interior. interior. Para ello clasifica las aplicaciones aplicaciones en función de la calidad ambiental y establece el grado de filtración necesario en función de las calidades exigibles, de acuerdo con su aplicación y la calidad del aire exterior. Sobre la calidad del aire exterior exterior,, en algunas zonas zonas de las las ciudades, ciudades, con una calidad inferior inferior a la del aire interior, interior, se está estudiando la edición de unos mapas en los que se indicará por zonas la calificación de esta calidad. Para asegurar la calidad del aire interior establece diferentes métodos de evaluación del caudal de aire exterior a introducir en función de los siguientes criterios:

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• Por nivel de CO CO2, indic indicativo ativo de los biofluent biofluentes es humanos. humanos. • Por calidad calidad del del aire perci percibido, bido, basad basado o en la percepci percepción ón de sustancia sustanciass olorosas. Presenta el inconveniente que a los pocos segundos de percibirlas el olfato deja de discernir estos olores. • Por tasa de aire exterio exteriorr por persona. persona. Se trata trata de un método método indirec indirecto, to, válido para aquellos espacios en que la emisión de elementos polutantes sea de baja intensidad y no esté permitido fumar, principalmente oficinas y lugares donde sea previsible concentraciones de personas más o menos normales. • Po Porr niveles niveles de concentr concentració ación n de contami contaminantes nantes especí específicos, ficos, basado en la dilución en el aire de los elementos polutantes para disminuir la concentración de los mismos. Este método es válido cuando se conocen las emisiones de los elementos contaminantes, contaminantes, como por ejemplo en un garaje. Higiene

Con la finalidad de satisfacer la exigencia de higiene, el RITE establece las consideraciones a tener en cuenta para: • • • • • •

Prepar Prep arac ació ión n de dell ACS Hume Hu mect ctac ació ión n del del ai aire re Enfr En fria iami mien ento to ad adia iabá báti tico co Inspec Ins pecció ción n y lim limpie pieza za de con conduc ductos tos Tom omas as y desc descar arga ga de air airee Refrigerant ntees

En estos primeros puntos, insiste continuamente en el riesgo que la utilización de agua pulverizada entraña respecto a la posible contaminación del aire o del agua por legionella , para lo cual cual no deja de de recomendar recomendar los tratamientos adecuados para evitarlo. En lo que respecta a la inspección y limpieza de las canalizaciones remite a las Normas UNE pertinentes, recalcando recalcando lo importante que es desde el punto de vista higiénico la limpieza de los conductos. Este RITE habla por primera vez de la situación de las tomas y evacuaciones del aire para evitar su contaminación bien por elementos polutantes como por recirculaciones y acciones no deseables del viento circundante. También aborda las unidades de tratamiento de aire en lo que respecta a su estanqueidad y limpieza así como a la eficacia y mantenimiento de los elementos filtrantes. Por último, clasifica los refrigerantes en función de su s u toxicidad e inflamabilidad.

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Calidad del ambiente acústico

También tiene en cuenta otro de los puntos conflictivo de las instalaciones desde el punto de vista del confort, que es el ruido producido por los equipos, las conducciones y elementos accesorios, para lo cual establece una serie de recomendaciones que desarrolla según los puntos siguientes: • • • •

Ruidos Ruid os y vibr vibrac acio ione ness en los los equip equipos os Ruido Rui do en en las las condu conducci cciones ones de agua agua y aire aire Ruid Ru ido o en las las uni unida dades des te termi rmina nale less Ruid Ru ido o en en las las sa salilida dass de de air airee

Para todos estos puntos recoge recomendaciones e índices que deben de respetarse para alcanzar los resultados apetecidos. EFICIE FICIENCIA NCIA ENER ENERGÉTI GÉTICA CA Esquema de trabajo

La finalidad primordial del RITE como elemento integrado en el CTE es la eficiencia energética y para ello dice textualmente en su artículo 12 que “ Las instalaciones térmicas deben tener un consumo reducido de energía convencional y, como consecuencia, una producción limitada de emisiones de gases de efecto efecto invernadero y de contaminantes atmosféricos ”. En este sen-

tido hila todavía más fino que en reglamentos anteriores anteriores sobre la eficienci eficienciaa que deben de reunir los equipos, indicando incluso limitaciones para equipos tradicionales tradiciona les como pueda ser la bomba de calor. calor. Recomien Recomienda da los sistemas centralizados de producción térmica, por edificios o grupo de edificios, e incluso la conexión a redes procedentes de centrales urbanas. Para ello establece la eficiencia energética según un esquema que podría resumirse en los puntos siguientes: • Cons Consum umo o de ene energ rgía ía y emi emisi sion ones es de de CO2 • Comp Comparac aración ión del sistema sistema elegi elegido do para para la producc producción ión térmica térmica con con otros sistemas alternativos Para determinar las emisiones de las diferentes fuentes de energía la Admini Adm inistr straci ación ón de deber beráá ind indica icarr los coe coefic ficien iente tess de con conve versi rsión ón a emp emple lear ar para pasar de consumo energético en kWh a emisiones de CO 2, revisables cada año en función de la aportación de energías limpias en su producción. En la actualidad se ha fijado un coeficiente de paso publicado por el IDAE.

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Para evaluar el consumo energético y justificar que un proyecto cumple con las exigencias del RITE se puede optar por una de las opciones siguientes: • Méto Método do pr pres escr crip ipti tivo vo • Mé Méto todo do pr pres esta taci cion onal al En el primer método será suficiente con dar satisfacción a todas y cada una de las exigencias de eficiencia energética prescritas en el RITE y en el segundo método no habrá que seguir fielmente las indicaciones del RITE, siempre que las emisiones de CO2 sean equivalentes o inferiores a las que se obtendrían con la aplicación del método anterior, con lo que se da una cierta libertad para proyectar sistemas más en consonancia con las nuevas tendencias en las que predomina el ahorro energético y el confort. Para cualquiera de los dos métodos expuestos el procedimiento a seguir en la elaboración del proyecto sería: • • • •

Cálculo de las Cálculo las carga carga térm térmica icass del edif edifici icio o Cálculo Cál culo de de la demand demandaa térmica térmica mensu mensual al y anual anual del edif edifici icio o Selecc Sel ección ión del sis sistem temaa de cli climat matiza izació ción n Simulac Sim ulación ión de las prestac prestacione ioness energética energéticass del sistema sistema para averig averiguar uar el consumo de energía para cada una de las fuentes • Cá Cálc lculo ulo de las las em emis isio ione ness de CO2 En los edificios con superficie total superior a los 1.000 m 2 establece que el proyecto incluya una comparación del sistema elegido para la producción con otros sistemas alternativos como puedan ser: • Fuentes Fuentes de de energía energía renovable renovable,, como como paneles paneles solares solares térmicos térmicos y biomabiomasa, empleadas directamente o a través de unidades de absorción o motores Stirling • Prod Producc ucción ión de energía energía térmic térmicaa mediant mediantee cogener cogeneraci ación ón • En Ener ergí gíaa ge geot otér érmi mica ca Es especialmente importante el capítulo de inspección en el que se recoge la obligación de las revisiones periódicas, estableciendo los tiempos en los que deben volver a inspeccionarse los equipos, distinguiendo entre los de frío y de calor, ya que es sabido que el rendimiento de los generadores disminuye considerablemente sin un mantenimiento adecuado, y también la revisión la instalación completa, opción esta muy importante pues la instalación debe conservar sus características de diseño para así cumplimentar la eficiencia energética para la que fue proyectada sin “inventos” o modificaciones ulteriores que en la mayoría de los casos lo único ún ico que consiguen es disminuir la eficiencia de la instalación así como su eficacia.

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Influencia en el diseño de las instalaciones

La manera en que todo lo expuesto puede influir en la forma de diseñar las instalaciones implica dos puntos de vista totalmente diferenciados. En uno de ellos, el que se podría llamar prescriptivo recogerían los documen documentos tos prescriptivo, se recogerían justificativos que deberá incorporar el Proyecto tal como indica el propio RITE desde el punto de vista de ahorro energético, que serían los siguientes: • • • • • • • • • • •

Justifica Justif icació ción n de la eficie eficienci nciaa de los gener generado adores res Justificac Justif icación ión de la eficienci eficienciaa de las las redes redes de tubería tuberíass y conducto conductoss Justif Jus tifica icació ción n de la la eficie eficienci nciaa del con contro troll Justif Jus tifica icació ción n de la conta contabili bilizac zación ión de consu consumos mos Justif Jus tifica icació ción n de la recu recuper peraci ación ón energ energéti ética ca Justif Jus tifica icació ción n del uso de de energí energías as renov renovable abless Justificac Justif icación ión de de limitaci limitación ón de uso de de la energ energía ía convenc convencional ional Estimación Estim ación del consumo consumo en energía energía prima primaria ria y emisiones emisiones de CO2 Justificac Justif icación ión del sistema elegid elegido o en función función de la eficienc eficiencia ia energétic energéticaa Comparació Compa ración n del sistema de producc producción ión con con otros otros alternativo alternativoss Cálculo Cál culo del del impacto impacto total total de calen calentam tamien iento to equival equivalente ente

prestacional l , estarí En el otro, que sería el prestaciona estaríaa esa labor de de diseño más más escrupulosa que recogería todos los condicionantes expuestos desde el punto de vista del confort confort que deberían ser debidamente tenidos tenidos en cuenta en los los cálculos de la instalación y en el propio diseño del sistema a emplear. Todo ello supondrá en las medianas y grandes instalaciones el descartar aquello “de que todo vale” vale ” para llegar finalmente a ofrecer unas instalaciones que den el confort que el cliente intuye con las calidades y el ahorro energético que para nuestra vergüenza están dando desde hace tiempo otros países.

Calificación energética

Todo lo anterior va encaminado a que el diseñador ha de seleccionar unas instalaciones instalacion es que sean capaces de satisfacer satisfacer las demandas demandas de confort de los usuarios y a la vez lo hagan con un consumo energético y unas emisiones de CO2 dentro de unos límites coherentes con las exigencias de desarrollo desar rollo sostenible que se ha impuesto la sociedad actual. Para llevar lo anterior a la práctica el RITE aplica finalmente un procedimiento de “calificación energética” a los nuevos edificios que evalúa los consumos energéticos del mismo atendiendo a su tipología y funcionalidad y emitiendo un código (A, B, C, …) que califica la eficiencia de sus instalaciones desde el punto de vista de su eficiencia energética, como desde hace tiempo ocurre con los electrodomésticos.

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La calificación energética de los nuevos edificios que exige el nuevo CTE a través del RITE constituye el espaldarazo definitivo para el buen hacer en el campo de la climatización. CONCLUSIONES El nuevo RITE presta especial atención al confort y a la eficiencia energética, obligando a limitar las emisiones de CO 2 y el consumo de las instalaciones al mínimo pero de forma compatible con el confort de los usuarios del edificio. Desde el punto de vista energético el nuevo Reglamento supone un cambio drástico en la manera de dimensionar las instalaciones en la medida en que ahora se exige dimensionar por energía y no por potencia. Es decir, se deben llevar a cabo unas simulaciones que determinen el consumo mensual y anual de las instalaciones, instal aciones, debiendo de biendo compararse co mpararse diferentes difere ntes alternativ alt ernativas as en edificios grandes. Esto supone un cálculo muy meticuloso que q ue evitará futuros sistemas sobredimensionados que pierden eficiencia al trabajar mucho tiempo a carga parcial. Todos los cálculos del nuevo RITE se resumen en un nuevo documento, la “calificación energética del edificio”, que sienta las bases para el correcto dimensionado de los nuevos sistemas de climatización. EFERENCIAS R EFERENCIAS

[II-1] Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). RD 1027/2007, de 20 de julio. [II-2] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.

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CAPÍTULO III

EXPERIENCIA DESDE LA INDUSTRIA DE PANELES SOLARES TÉRMICOS DE LA ENTRADA EN VIGOR DEL CÓDIGO TÉCNICO DE LA L A EDIFICACIÓN EDIFICACIÓN José Ignacio Ajona Maeztu Director Wagner Wagner Solar

INTRODUCCIÓN El mercado de la energía solar térmica en España se está desarrollando con paso firme apoyándose recientemente en una normativa (el Código Técnico de la Edificación, CTE) [III-1] que es novedosa y que incluso está sirviendo de modelo a otros países. De hecho ahora se están publicando una serie de Directivas Europeas encaminadas a promover el mercado solar térmico. El impulso a este mercado lo da el CTE a través del Documento Básico HE4 en el que se exige la instalación instalación de paneles solares solares térmicos para producir producir un ahorro energético significativo en la satisfacción de la demanda del agua caliente sanitaria (ACS). Es importante remarcar que este ahorro se centra en la demanda energética energética del ACS y no sobre el consumo de la misma (demanda final del usuario). Así, la demanda energética incluye no sólo la energía necesaria para producir producir el ACS que se consume sino para su preparación preparación en las condiciones adecuadas, satisfacer las pérdidas térmicas en los conductos y tanques, etc. Esa es una de las características claves del CTE, que no habla de superficie de colectores por vivienda sino de porcentaje de cobertura solar de la demanda. Esa cobertura solar de la demanda varía por zonas, siendo por ejemplo del 30% en Asturias y del de l 70% en Madrid, en función del recurso solar sol ar.. Estos requisitos de demanda están en función de buscar la calidad en el tiempo. Esto se refiere a que hay unas exigencias técnicas ligadas al propio CTE en las que se persigue una explicación de cómo hacer las cosas, pero

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también es preciso que una vez construida la l a instalación se verifique que año a año se está cubriendo el porcentaje porcentaje solar de demanda establecido establecido en el pro yecto, para lo que se requieren unos instrumentos instr umentos y mecanismos de control adecuados. IMP MPAC ACTO TO DEL CTE EN LA EV EVOL OLUC UCIÓ IÓN N DE DELL ME MERC RCAD ADO O SO SOLAR LAR TÉ TÉRM RMIC ICO O España lleva un retraso respecto a Europa de aproximadamente unos 10 años en el sector solar térmico. En este sentido el sector está esperanzado con el objetivo del PER [III-2] que qu e prevé pasar de 900.000 m2 de superficie de captación captació n en 2006 a 4.900.000 m2 en 2010, pero eso aún seguirá siendo una proporción por habitante pequeña. Por poner un ejemplo, hay ya algunas zonas de Austria que están a un nivel de 0,7 m2 /habitante, siendo el conjunto del país de 0,35 m2 /habitante /habitante;; Alemania, con unos niveles de radiación mucho menores que en España se sitúa en 0,10 m2 /habitant /habitante. e. Con los l os objetivos objet ivos del PER se alcanzaría en 2010 una proporción por habitante en España similar al que actualmente tiene Alemania, cuando nuestro recurso solar es mucho más abundante. Las aplicaciones fundamentales que el CTE impone son la producción de ACS y climatización de piscinas. pisci nas. Esas aplicaciones represent representan an el 25 % de la demanda energética, energética, por lo que aún queda mucho por hacer. hacer. Existen borradores de legislaciones que estarían preparando una segunda fase de exigencias, contemplando la aplicación a calefacción y refrigeración. Para valorar si ese objetivo del PER, posibilitado por el CTE, es alcanzable es preciso evaluar evaluar cuántas viviendas viviendas se van a construir a lo largo del tiempo. tiempo. En la actualidad se están construyendo una media de 400.000 viviendas por año, superando esta tasa la de otros países europeos. De éstas, entre el 15 y 20% se corresponden con vivienda unifamiliar, siendo el resto edificación en altura. El promedio de viviendas rehabilitadas es de unas 25.000 por año. Se está pensando en la actualidad en fomentar la instalación de energía solar térmica en el sector de la rehabilitación mediante la inserción de ayudas públicas. Desde la Asociación de la Industria Solar Térmica, Té rmica, ASIT, ASIT, se estima que el impacto del nuevo CTE supondrá la instalación de 2.700.000 m2 de superficie de captación, lo que supone el 69% del objetivo del PER. Para alcanzar esos objetivos es preciso tener en cuenta la producción del mercado. Hace Hace unos diez años ésta se situaba entre los 10.000 a 30.000 m2. Para alcanzar los ritmos previstos en el PER es preciso alcanzar producciones de 500.000 a 1.000.000 de m2 anuales. Uno de los objetivos de ASIT es establecer es tablecer colaboraciones con la Administración para facilitar que estos ritmos de producción puedan ser alcanzados. En este sentido es preciso que el mercado solar se abra a nuevas situaciones, como la rehabilitación y las instalaciones

40

EXPERIENCIA DESDE LA INDUSTRIA DE PANELES SOLARES TÉRMICOS DE LA ENTRADA…

industriales, incluso. Por otra parte, el mismo coste de los combustibles fósiles está facilitando ya la competitividad de la producción solar. Desde ASIT se mira con atención la evolución del mercado de la vivienda, por ser éste un sector fundamental para la aplicación de la energía solar térmica. La Figura III-1 recoge la evolución de los visados de proyectos de nue vas viviendas desde el año 2003. 20 03. El repunte observado en e n 2006 se debe al intento de evitar la aplicación del nuevo CTE, en vigor desde septiembre de ese año.

1000000 900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0

Total anual Hasta julio

2003

2004

2005

2006

2007

Figura III-1. Evolución del número de visados de nuevas viviendas v iviendas (Fuente: Ministerio de Fomento)

En cualquier caso, hasta ahora ha habido una tendencia t endencia al alza, si bien esa tendencia se estima que en 2008 200 8 va a ser a la baja, manteniéndose esta reducción en algunos años posteriores. Según estimaciones propias de ASIT el número de visados en 2007 experimenta experimentará rá una reducción del 16% y para 2008 del 25%. Otro dato importante es el alargamiento de los plazos de ejecución. Así, si antes en viviendas en altura se manejaban plazos entre uno y dos años ahora la horquilla se sitúa entre dos y tres años. Ese doble efecto va a provocar que el número de vivienda viviendass acabadas acabadas se vaya a reducir reducir.. Así, y según según datos del MiMinisterio de Vivienda en 2006 el número de viviendas finalizadas fue de 657.990; en el primer semestre de 2007 de 329.030, con una previsión de

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650.000 al finalizar el año. De ellas, no más del 30% contará con instalaciones solares, obligadas fundamentalmente fundamentalmente por ciudades con ordenanzas en este tema, anteriores al CTE. Para el 2008 la previsión se sitúa en 575.000 viviendas, de las que por los desfases temporales no más del 65% (equivalente a 520.000 m2 ) contarán con co n instalaciones instal aciones solares. s olares. Para 2009 la l a previsión previsió n es de 520.000 viviendas, alcanzando ya la penetración solar el 90% (660.000 m2 ), finalizando en 2010 con 490.000 viviendas de las que el 98% contarán con instalaciones solares, lo que supondrán unos 672.000 m2. Es decir, decir, que pese a la reducción en el número de viviendas finalizadas cada año el mercado solar irá en incremento, debido a los desfases temporales de visados, reglamentaciones y plazos de ejecución, logrando logrando ritmos entre 500.000 y 600.000 m2 /año. Añadiendo otras otras instalaciones, instalaciones, como como el sector terciario, terciario, con 80.000 m2 /año, se puede alcanzar la cifra de 2.650.000 m 2 de mercado solar completo en el período 2007 a 2010, casi coincidente con la prevista por ASIT como imputable al impacto del CTE (2.700.000 m2 ). VALUACI UACIÓN ÓN Y SEGU EGUIMI IMIEN ENTO TO DE LAS INS INST TALAC ALACION IONES ES E VAL

Otro tema, al margen de la evolución cuantitativa, es conocer si las instalaciones producen los resultados esperados, con qué calidad se está trabajando, si se está prescribiendo cumpliendo el CTE y si se está ejecutando con fiabilidad. Se supone que se está prescribiendo según el CTE, pero aún no están establecidos adecuadamente los mecanismos de verificación a lo largo del tiempo del cumplimiento. Tanto el RITE [III-3] como el CTE incluyen muchas exigencias pero por el momento es complicado verificar si se cumplen adecuadamente, dado que los mecanismos de comprobación están transferidos a las comunidades autónomas. Para ello, desde ASIT se apuesta por establecer mecanismos de verificación con las administraciones administraciones incluso locales que sirvan para determinar el nivel de cumplimiento del CTE a lo largo de los años, es decir, que se cumplan adecuadamente los porcentajes de cobertura de la demanda solar, etc. A lo largo de los primeros quince meses de aplicación del CTE han quedado patentes algunas de las indefiniciones del CTE. Una de las más claras es la debida a las pérdidas térmicas. Antes se ha explicado que el CTE se refiere a la demanda de la energía para el ACS, y no al consumo. Una de las diferencias entre demanda y consumo son las pérdidas térmicas en conductos y tanques. En el CTE se establecen las pérdidas térmicas tér micas máximas en estos equipos, y en la mayoría de los casos esto no se está aplicando. Ya ha habido experiencias, como por ejemplo con la ordenanza de Barcelona [III-4], en la que se llevó a cabo un estudio entre lo que debería de producir la instalación y lo que realmente producía, observándose que en la mayoría de los casos la producción era menor de lo esperado debido a que en el diseño no se tuvieron en cuen-

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EXPERIENCIA DESDE LA INDUSTRIA DE PANELES SOLARES TÉRMICOS DE LA ENTRADA…

ta las pérdidas térmicas, que tomaban una cantidad importante de la demanda. En este sentido es importante de cara a la fase de realización del proyecto que existan herramientas comunes que permitan establecer una comparación importante entre proyectos. De este modo ASIT ha propuesto a la Administración un método de cálculo que valide de forma homogénea el cumplimiento cumplimiento del CTE, de modo que todos los proyectos puedan ser juzgados en las mismas condiciones, condiciones, empezando por ejemplo por unos mismos datos de partida (radiación, temperatura del agua de red, …). El objetivo sería desarrollar un documento reconocido del CTE y RITE que ayude al diseñador a resolver de diversas formas las exigencias solares, prestando atención a sus especificidades para garantizar el correcto cumplimiento de los objetivos previstos. Uno de los aspectos que más preocupa a ASIT es que la competencia sea limpia. Estos reglamentos han generado unas expectativas de mercado importantes. De este modo, el crecimiento de empresas dedicadas a la energía solar ha crecido exponencialmente en estos años, aunque con diferentes ni veles de experiencia. experie ncia. Para garantizar garanti zar las correctas reglas de juego es preciso que los usuarios conozcan las exigencias de garantías y mantenimientos que el CTE y el RITE imponen, y que por tanto pueden exigírselos a las instaladoras; también que por parte de las Direcciones Generales de Industria de las comunidades autónomas autónomas se establezcan los mecanismos adecuados de inspección, de modo que de forma general se establezca un Plan de Control de cumplimiento propuesto por ASIT. ASIT. Como ejemplo de todo esto, se ha mencionado ya la Ordenanza de Barcelona, que fue una de las primeras en abordar este tema, y que ha tenido que reformarse precisamente para garantizar garantizar de forma adecuada el cumplimi cumplimiento ento de sus objetivos. Así, en la nueva ordenanza [III-5] se establece un programa informático común a todos que permite calcular la instalación de forma homogénea. La Agencia Agenc ia de la la Energía Energía de Barcelo Barcelona na ha desarroll desarrollado ado un mecan mecanismo ismo de supervisión de obra específico para la instalación solar y además se monitorizan algunas instalaciones tipo para conocer el nivel de cumplimien cumplimiento. to. Todas estas medidas son so n importantes para garantizar que qu e la percepción social de la energía solar térmica sea adecuada, pues sin duda constituye una inversión en las instalaciones de la vivienda y por tanto ha de ser vigilada su rentabilidad en términos del ahorro de energía que producen, para que además logren alcanzar el ahorro de emisiones de CO2 perseguido por la Administración. CONCLUSIONES El CTE constituye un importante apoyo al sector solar térmico dado que obliga a satisfacer un cierto porcentaje de cobertura de la demanda del ACS

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y la climatización de piscinas mediante energía solar térmica (u otras renovables). Desde ASIT se estima que el apoyo del CTE supondrá cubrir el 69% de los objetivos del PER. Para que las nuevas instalaciones cubran las expectativas tanto de la Administración en cuanto a ahorro de emisiones de CO2 como de los usuarios en ahorro de energía primaria es preciso que se desarrollen des arrollen técnicas de monitorización y control que evalúen anualmente el cumplimiento de las exigencias del CTE, así como herramientas de cálculo comunes para que se parta de unas ciertas garantías desde la fase de diseño de las instalaciones. EFERENCIAS R EFERENCIAS

[III-1] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo. [III-2] Plan de Energías Renovables 2005-2010. Ministerio de Industria, Turismos y Comercio. Aprobado por Acuerdo del Consejo de Ministros el 26 de agosto de 2005. [III-3] Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). RD 1027/2007, de 20 de julio. [III-4] Ordenanza Solar Térmica de Barcelona (OST). Butlletí Oficial de la Pro víncia de Barcelona, 30 de julio de 1999. [III-5] Modificación Modificación integral del anexo sobre Captación Solar Térmica de la ordenanza General de Medio Ambiente Urbano. Aprobada por el plenario del Ayuntamiento de Barcelona el 24 febrero de 2006.

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CAPÍTULO IV

POLÍTICAS DE PROMOCIÓN DE LA L A COGENERACIÓN COGENERACIÓN DE PEQUEÑA ESCALA Juan Antonio Alonso González Director de Ahorro y Eficiencia Eficiencia Energética. IDAE IDAE

INTRODUCCIÓN En este capítulo se abordan de manera sucinta los apoyos y posibilidades que desde la Administración se brindan para introducir la cogeneración en el sector residencial. Las posibilidades para la introducción de esta técnica de eficiencia energética no se deben sólo a un apoyo normativo, sino también a una madurez y disponibilidad de la tecnología adecuada, inexistente hace unos pocos años. Es así mismo importante la reflexión y concienciación de la sociedad sobre la necesidad de hacer un uso racional de la energía. Esta concienciación social queda complementada con el análisis de viabilidad técnicaeconómica llevado a cabo desde las empresas. Utilizando los criterios de la Directiva Comunitaria sobre cogeneración [IV-1], transpuesta en el RD 616/2007 [IV-2] se tienen las siguientes definiciones: • Microcog Microcogenera eneración: ción: unida unidad d de cogenera cogeneración ción con con una potenc potencia ia máxima máxima inferior a 50 kWe • Cog Cogener eneraci ación ón a pequeña pequeña escala escala:: unidad unidad de cogener cogeneraci ación ón con una una potencia instalada inferior a 1 MW MWee Ambas formas de cogeneración son consideradas de “alta eficiencia” si ahorran energía primaria, es decir, si la energía primaria empleada en la l a cogeneración es menor que la requerida para obtener las mismas cantidades de energía final producida de forma separada.

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Las definiciones anteriores tienen repercusión en todo el marco normati vo, tanto tant o el actual como en el que se está trabajando trab ajando para dar apoyo a estas pequeñas unidades. Así, pese a la viabilidad técnica y económica de la cogeneración a pequeña escala existen trabas burocráticas, dándose la situación de que se exige e xige la misma documentación para un motor de 50 kW kWee que para una cogeneración industrial de 40 MW MWe, e, lo que constituye un freno a las uniun idades pequeñas. Lo que se busca con las denominaciones es desarrollar un marco normativo adecuado a cada escala. VOLUCIÓN ÓN DE LA COGENERA COGENERACIÓN CIÓN EN ESP SPAÑ AÑA A Y PR PREV EVIS ISIO IONE NESS DE CR CREC ECIM IMIE IENT NTO O E VOLUCI

La Figura IV-1 recoge la evolución de la cogeneración en España desde los años 90 hasta la entrada en vigor del RD 661/2007 66 1/2007 de Régimen Especial [IV-3]. Entre los años 1994 y 2000 las tasas de crecimiento de la potencia instalada se situaban entorno a los 600 MW/año, justificado por la aparición en 1994 del RD 2366/1994 [IV-4] que crea un marco económico favorable para la cogeneración. Una vez producido el despegue de esta tecnología se produjo un fuerte incremento de los costes de los combustibles, el cual tuvo como consecuencia que a partir del 2000 se redujera significativamente la nueva potencia anual instalada en cogeneración. Pese a la evolución real los estudios de potencial para el año 2004, resumidos en la Tabla IV-1 muestran que en la industria y en el sector del refino hay un grado de disponibilidad para incrementar la cogeneración de entre un 46 y un 60%, por lo que el estancamiento estancamiento en las nuevas instalaciones instalaciones no está motivado por la saturación de los sectores. Siendo esto importante, resulta mucho más significativo el potencial tecnológico en el sector residencial y terciat erciario para toda España de más de 6.400 MWe (similar a la potencia industrial instalada), cuando sólo se han instalado realmente 175 MWe, quedando por tanto un grado de disponibilidad en este sector del 97%. Este gran potencial pendiente aún por aprovechar es lo que mueve a la Administración a desarrollar el marco legislativo adecuado para propiciar el mejor aprovechamiento de la cogeneración. Las estimaciones que hay sobre el crecimiento de la población española, crecimiento de la industria, mejora del confort en los hogares,… se han conjugado en un estudio sobre el fututo de la cogeneración, resumido resumido en la Tabla Tabla IV-2 que muestra que para 2010 la cogeneración podría satisfacer algo más de 137.000 GWh, dando un potencial tecnológico de más de 22.700 MWe. Para ese mismo año en el sector residencial y terciario se pre vé un poten p otencial cial de d e más de 8.000 8 .000 MW M We, en 2015 2 015 más má s de 9.400 9. 400 y en e n 2020 202 0 más de 9.700 MW MWe. e.

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POLITÍCAS DE PROMOCIÓN DE LA COGENERACIÓN DE PEQUEÑA ESCALA

Evolución de la cogeneración 7.000 Potencia anual instalada i nstalada (MWe)

6.000

Potencia acumulada instalada (MWe) 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 19900 19 199 1991 91 19 1992 92 19 1993 93 19 1994 94 19 1995 95 19 1996 96 19 1997 97 199 19988 19 1999 99 20 2000 00 20 2001 01 20 2002 02 20 2003 03 20 2004 04 20 2005 05 200 20066 Año

Fig. IV-1. Evolución histórica de la cogeneración en España (Fuente: Comisión Nacional de la Energía).

Tabla IV-1. Situación y potencial tecnológico de la cogeneración en España en 2004 (Fuente: IDAE).

Industria Refino Residencial y terciario Tratamiento y valorización de residuos TOTAL

Potencial Potencial tecnológico (MWe)

Potencia Potencia instalada (MWe)

Grado de penetración

9.393 1.430

5.048 577

54% 40%

46 % 60%

6.414

175

3%

97%

2.084

412

20%

80%

19.321

6.212

32%

68%

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Grado de disponibilidad


Tabla IV-2. Situación y potencial tecnológico de la cogeneración en España en el medio plazo (Fuente: IDAE). Año 2004 Año 2010 Año 2015 Año 2020 Calor Potencial Calor Potencial Calor Potencial Calor Potencial úti till tec ecno noló lógi gicco út útil il tec ecno noló lógi gico co úti till tecn te cnol ológ ógic ico o út útil il tec ecn nol ológ ógiico (GWh) (M ( MWe) (GWh) (MWe) (GWh) (M (MWe) (GWh) (MWe) Sector secundario: industria y refino

78.195

10.823

90.235

12.423

97.667

13.450

106.656

14.903

Sector residencial y terciario

19.716

6.414

27.287

8.025

32.096

9.440

32.992

9.703

Tratamiento y valorización de residuos

17.612

2.084

19.759

2.322

21.417

2.521

22.801

2.685

115.523

19.321

137.281

22.770

151.180

25.411

162.449

27.291

TOTAL

LANES ES DE ACC CCIÓ IÓN N DE LA ES ESTR TRA ATE TEGI GIA A ES ESPPAÑ AÑOLA OLA DE EF EFIC ICIE IENC NCIA IA EN ENER ERGÉ GÉTI TICA CA PLAN

La política de apoyo a la cogeneración, y en particular a la cogeneración a pequeña escala se plantea desde la Estrategia Española de Eficiencia Energética (E4) 2004 - 2012. Ésto se implanta en dos planes de acción, uno prácticamente agotado (2005 a 2007) y otro en 2008 a 2012. Plan de acción 2005 a 2007

El plan 2005 a 2007 ha supuesto la realización de una serie de medidas legislativas: • Real Decreto Ley 7/2006 7/2006 [IV-5] [IV-5] que supone supone un cambi cambio o sustancia sustanciall en el concepto de cogeneración y viene a dar la posibilidad de vender toda la energía tanto eléctrica como térmica a terceros, te rceros, dejando de ser obligatorio consumirla por el cogenerador. • Rea Reall Decreto Decreto 616/2007 616/2007 [IV[IV-2] 2] sobre sobre fomento fomento de la cogene cogenerac ración ión que transpone los conceptos de la Directiva Comunitaria [IV-1]. • Orden ITC 1522/2007 1522/2007 [IV[IV-6] 6] que regula regula el concepto concepto de de garantía garantía de origen de cogeneración, que permite dar al cogenerador un certificado sobre la producción de su electricidad de cogeneración en el caso que

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la unidad de cogeneración sea de alta eficiencia y que posiblemente le permitirá en un futuro comercializar esa electricidad en mejores condiciones. • Rea Reall Decreto Decreto 661/2007 661/2007 [IV-3] [IV-3] que establ establece ece el marco marco económ económico ico del Régimen Especial, incluyendo la cogeneración. Paralelamente a estas medidas legislativas existen unas actuaciones ligadas a impulsar los estudios relativos a proyectos de cogeneración: • Estudi Estudios os de viabili viabilidad dad para para nueva nuevass cogener cogeneraci aciones ones • Ayudas públic públicas as para para cogenera cogeneraciones ciones en sectores sectores no industria industriales les • Audi Auditorías torías energé energéticas ticas para renova renovación ción de de cogenerac cogeneraciones iones existent existentes es El marco económico dado en el RD 661/2007 [IV-3] establece una clasificación en función del combustible y de la potencia, pot encia, de modo que las instalaciones de microcogeneración y de pequeña escala perciben una tarifa regulada muy elevada, de entre 121 y 143  /MWhe según según se emplee gas gas natural natural o gasóleo/GLP en unidades de menos de 500 kWe. Una de las novedades del marco legislativo es que estas tarifas se actualizan trimestralmente según el precio de venta del combustible y según s egún el IPC, lo que da una un a estabilidad a la rentabilidad de estas instalaciones, superando así las causas que determinaron el estancamiento de la cogeneración desde el año 2000. Adicionalmente se pueden percibir unos complementos complementos por energía reactiva y discriminación horaria, siendo otra novedad de este marco legislativo el complemento por eficiencia, que establece un incremento de la tarifa en virtud de la superación del rendimiento eléctrico equivalente mínimo, lo que fomentará diseñar las instalaciones por rendimiento eléctrico equivalente máximo (máxima eficiencia) y no por mínimo (máxima producción eléctrica), como ocurría con la legislación anterior. El rendimiento eléctrico equivalente mínimo se establece según tecnologías y combustibles, permitiendo reducirlo en un 10% para cogeneraciones cogeneraciones de pequeña escala, lo que permite el acceso al Régimen Especial de estas unidades, dado que por su pequeño tamaño presentan menores rendimientos eléctricos. El marco económico recoge también una singularidad para el aprovechamiento del calor útil en la climatización de edificios: • Se considera consideran n dos perío períodos dos semestrale semestraless para para la determin determinación ación del renrendimiento eléctrico equivalente, lo que permite remunerar de forma independiente en verano e invierno y tener por tanto en considerac consideración ión valores diferentes de rendimiento eléctrico equivalente. • Se calcula calcula la energía energía eléctri eléctrica ca máxima máxima que cumpliend cumpliendo o el rendim rendimiento iento eléctrico equivalente mínimo podría generar el equipo para un calor

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útil dado, de manera que si la energía producida realmente supera este máximo (lo que supondría que el rendimiento eléctrico equivalente estaría por debajo del mínimo requerido) sólo se remunera dicho má ximo, remunerándose remuneránd ose toda la l a electricidad producida si está por debade bajo del máximo, con el complemento por eficiencia correspondiente (pues en este caso el rendimiento eléctrico equivalente real sería superior al mínimo requerido). La aplicación de la máxima electricidad remunerable establecida para la climatización de edificios resulta especialmente importante, pues permite que si el calor útil se destina a climatización se pueda trabajar por debajo del rendimiento eléctrico equivalente mínimo, aunque con una penalización económica, lo que provocaría la expulsión del Régimen Especial en la cogeneración industrial. El calor útil se evalúa de diferentes maneras: • Agua Agua líquida líquida o fluido fluidos: s: el calor calor útil útil se determin determinaa según según el increme incremento nto de entalpía experimentado por el fluido. • Refri Refrigerac geración ión generada generada por máquinas máquinas de absorción absorción:: si el frío se se genera genera por encima de 0ºC el calor útil se corresponde con la demanda final de refrigeración; si el frío se genera por debajo de 0ºC el calor útil es el consumido por la máquina de absorción siempre que éste se suministre por debajo de 180ºC. En el caso de que la instalación estuviese inscrita en el Régimen Especial con anterioridad a la entrada en vigor del RD 661/2007 [IV-3] se podrá considerar como calor útil el consumido por la máquina de absorción absorción,, independientemente de la temperatura de generación de frío. Además de los planes de acción de la E4, El Código Técnico de la l a Edificación (CTE) [IV-7] puede constituir en sí mismo un aliciente para la instalación de cogeneraciones a pequeña escala en el sector residencial y terciario. Así, el CTE establece que un cierto porcentaje, según la zona climática en que se ubique el edificio, de la demanda térmica para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) ha de ser cubierta con energía e nergía solar. solar. Sin embargo, en aquellos casos donde técnicamente no sea viable la instalación de paneles solares la energía solar puede ser sustituida por otras renovables, renovables , energías residuales o procesos de cogeneración. De esta forma se está reconociendo la cogeneración como un sistema de alta eficiencia en la climatización de edificios. El empleo de la cogeneración para este fin permitiría considerar parte de la in versión en cogeneración como “gratuita” en tanto que sería un gasto exigido por la normativa.

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Plan de acción 2008 a 2012

El Plan de Acción 2008 a 2012 tiene como objetivo alcanzar 8.400 MWe en 2012 en un escenario de eficiencia. En 2007 se debería estar próximo a los 7.000 MWe, pero en realidad se está por debajo de los 6.500 MWe, de modo que existe un cierto retraso en la consecución del objetivo, aunque la Administración es optimista pues se detecta una gran actividad en las empresas que dan servicio a los fabricantes de unidades de cogeneración. Para lograr este objetivo se crean nuevas medidas, tanto legislativas como de promoción. Medidas legislativas

Se está trabajando en una regulación de la conexión a red eléctrica en baja tensión de cogeneraciones de pequeña escala. es cala. Con ello se pretende simplificar y agilizar el procedimiento de tramitación administrativa, estableciendo unas condiciones técnicas mínimas exigibles. En cuanto a las condiciones técnicas se están buscando unos esquemas de interconexión más sencillos, facilitar la medida y la facturación de la energía, homologación de equipos y protecciones, condiciones de puesta a tierra, proceso de acoplamiento a red y condiciones de seguridad. Medidas de promoción

El IDAE transfiere unos fondos a las Comunidades Autónomas con objeto de que ellas gestionen las ayudas de las medidas de promoción, que pueden ser de cuatro tipos: • Estudios Estudios de viabil viabilidad idad.. Se pretende pretende facili facilitar tar a los futuro futuross propietar propietarios ios llevar a cabo los proyectos de cogeneración analizando previamente la viabilidad económica de la cogeneración de alta eficiencia según la Directiva 8/2004/CE [IV-1]. Estas ayudas están dirigidas a todos los sectores susceptibles de emplear un sistema de cogeneración y constituyen un 75% del coste del estudio con un máximo de 11.250  por cada estudio. • Fo Fomento mento de plantas plantas de de pequeña pequeña potencia potencia.. Existen Existen líneas líneas de apoyo apoyo papara potencias iguales o inferiores a 150 15 0 kWe de manera que se financia la realización de proyectos de demostración y ejecución de instalaciones, dirigidas a todos los sectores. Se financia el 30% 3 0% en plantas menores de 50 kWe y entre el 10 y el 30% para plantas de entre 50 y 150 kWe (con variación lineal). • Fome omento nto de nuevas nuevas instala instalacio ciones. nes. Se persig persigue ue el desarroll desarrollo o de nuevas nuevas instalaciones de cogeneración de alta eficiencia en actividades no industriales, con potencias superiores a 150 kWe. La ayuda consiste en un 10% de la inversión hasta un máximo de 200.000  por proyecto.

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• Auditor Auditorías ías energét energética icas. s. En las actuales actuales instala instalacion ciones es de cogenera cogeneración ción en explotación existe un elevado número que es susceptible de mejora. Para evaluar el potencial de estas mejoras se conceden ayudas para la realización de auditorías energéticas. Están dirigida a todos los sectores que dispongan de cogeneraciones instaladas y financian el 75% de la auditoría con un máximo de 9.000  por auditoría. DISPONIBILIDAD TECNOLÓGICA Además del marco marco legislativo de apoyo es preciso que haya disponibilidad tecnológica que permita aplicar estos proyectos. Actualmente en el mercado existen diferentes soluciones comerciales para la microcogeneración, que si bien escasas, están avanzando mucho en el desarrollo y maduración tecnológica. Las principales propuestas tecnológicas son: Motor alternativo: es la opción más madura. Su vida útil no suele superar las 60.000 horas, dado el progresivo encarecimiento de los costes de mantenimiento. Su uso es habitual cuando la principal demanda es eléctrica. Motor Stirling: Presenta un gran avance en la gama más baja de potencias, especialmente adecuada para el sector doméstico. Su uso también es adecuado cuando la demanda principal es eléctrica. Microturbina: Son motores más sencillos y duraderos por ausencia de rozamientos mecánicos. Presentan gran dificultad en el diseño aerodinámico y mecánico en tamaños pequeños, lo que redunda en unas inversiones caras. Son preferidas cuando la demanda principal es térmica. CONCLUSIÓN Existe un gran potencial no explotado de cogeneración en el sector residencial y terciario, donde la microcogeneración y cogeneración a pequeña escala tiene gran implantación. Para responder a ese potencial se ha realizado un importante esfuerzo legislativo con un fuerte apoyo a las cogeneraciones de pequeña escala. Estos incentivos se enmarcan dentro de la E4 que pretende el desarrollo de la cogeneración de alta eficiencia en todos los sectores. Dicha estrategia comienza ahora su andadura en el período 2008 a 2012 con medidas que faciliten la interconexión para unidades de pequeña potencia, que continúen las medidas de promoción del anterior Plan de Acción e incorporando nuevas medidas para la promoción de microcogeneraciones y ejecución de proyectos de modernización de cogenerac cogeneraciones. iones. La E4 plantea como objetivo global para la cogeneración llegar hasta 8.400 MWee en 2012, en buena medida a lograr mediante cogeneraciones a pequeña MW escala.

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POLITÍCAS DE PROMOCIÓN DE LA COGENERACIÓN DE PEQUEÑA ESCALA EFERENCIAS R EFERENCIAS

[IV-1] Directiva 2004/8/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 11 de febrero de 2004. Diario Oficial de la Unión Europea, L 52/50 a L 52/60, 21.2.2004. [IV-2] RD 616/2007, de 11 de mayo, sobre fomento de la cogeneración. Boletín Oficial del Estado, núm. 114, 20605 a 20609, 12.5.2007. [IV-3]] RD 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de pro[IV-3 ducción de energía eléctrica en régimen especial. Boletín Oficial del Estado, núm. 126, 22846 a 22886, 26.5.2007. [IV-4] RD 2366/1994, de 9 de diciembre, sobre producción de energía eléctrica por instalaciones hidráulicas, de cogeneración y otras abastecidas por recurso o fuentes de energía renovables. Boletín Oficial del Estado, núm. 313, 39595 a 39603, 31.12. 1994. [IV-5] RDL 7/2006, de 23 de junio, por el que se adoptan medidas urgentes en el sector energético. Boletín Oficial del Estado, núm. 150, 23979 a 23983, 24.6.2006. [IV-6] [IV6] Orden ITC/1522/2007, de 24 de mayo, por la que se establece la regulación de la garantía de origen de la electricidad procedente de fuentes fuente s de energía renovable y cogeneración de alta eficiencia. Boletín Oficial del Estado, núm. 131, 23892 a 23896, 1.6.2007. [IV-7] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo.

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CAPÍTULO V

MICRO-POLIGENERACIÓN EN EL SECTOR RESIDENCIAL MICRO-POLIGENERACIÓN EMPLEANDO MOTORES DE GAS David Arzoz del Val Director de la División de Ingeniería. Besel

INTRODUCCIÓN El objetivo de este capítulo es presentar unas tecnologías en las que se viene trabajando desde hace muchos años y que están experimentando en la actualidad un incremento sin precedentes: la micro-cogeneració micro-cogeneración n y la micro-trigeneración en el sector residencial, principalmente con motores alternativos con potencias entre 5 y 50 kWe. kWe. La tecnología del motor alternativo alter nativo es la más madura hoy día y permite desarrollar proyectos desde hace tiempo, si bien también es posible trabajar con motores Stirling y con microturbinas de gas. La Figura V-1 muestra la forma tradicional de producción de energía, que es el sistema centralizado, caracterizado porque la generación se realiza en grandes centrales alejadas alejadas de los puntos de consumo, lo que supone que el calor residual que resulta de dicha generación no se puede pue de aprovechar, siendo preciso rechazarlo al ambiente y necesitando aportar energía primaria en los puntos de consumo para producir calor mediante combustión. Esto supone una clara ineficiencia, ya que en una central termoeléctrica convencional se está disipando en forma de calor el doble de la energía eléctrica que se produce, lo que supone que existe un gran potencial de mejora a través de la descentralización de la generación y la cogeneración 3. Además de ese desEs preciso analizar a qué temperatura se disipa el calor, pues el disipado a temperatura ambiente en el condensador de una central de carbón apenas tiene valor exergetico; por el contrario, el expulsado con los gases de combustión a la salida de una turbina de gas ( > 400ºC) aún presenta mucha exergía, siendo posible su aprovechamiento. 3

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aprovechamiento de la energía calorífica el sistema centralizado lleva l leva implícitas unas pérdidas en la red de transporte estimadas entre un 7 a 10% de la energía generada, alcanzando hasta un 14% en horas punta [V-1]. Central eléctrica

Elictricidad Transmisión y Distribución

Zona Residencial

Zona Comercial / Oficinas

Calor (calefacción,ACS, (calefacción,ACS, …) Producido localmente

Calor (procesos,…)

Calor (calefacción,ACS,limpieza, …)

Producido localmente

Zona Industrial

Producido localmente

Fig. V-1. Producción de energía eléctrica de forma centralizada

La alternativa es un sistema más descentralizado que combine grandes plantas alejadas de los centros de consumo junto con plantas más pequeñas distribuidas entre los usuarios, tal como muestra la Figura V-2. Este esquema de generación distribuida presenta la ventaja de reducir las pérdidas por transporte y distribución y se adapta perfectamente per fectamente a la cogeneración, permitiendo además aprovechar el calor residual reduciendo así la energía primaria consumida para fines térmicos por los usuarios finales. Central eléctrica

Elictricidad Transmisión y Distribución

Zona Residencial

Zona Comercial / Oficinas

Electricidad + Calor (calef., (calef., …) Co-producidos localmente!!

Electricidad + Calor (procesos, (procesos, …) Co-producidos localmente!!

Electricidad + Calor (calef., (calef., …) Zona Industrial

Co-producidos localmente!!

Fig. V-2. Producción descentralizada de electricidad.

56

MICRO-POLIGENERACIÓN EN EL SECTOR RESIDENCIAL EMPLEANDO MOTORES DE GAS

Desde el punto de vista del aprovechamiento energético energético en la cogeneración se tiene un rendimiento global del orden del 90% debido a la recuperación de los calores residuales. Por el contrario, en la producción separada de calor y electricidad se alcanzan rendimientos globales inferiores al 60%, como se ilustra en la Figura V-3. Suministro convencional de energía

Gas natural 66

Caldera convencional

Calor 60

Edificio o Industria

Elect. 30

Red eléctrica

E.P. red eléct. 95

Rendimiento global = (60+30)/(65+95) = 56 %

Suministro mediante de energía

Gas natural 100

Caldera cogeneración

Calor 60

Elect. 30

Edificio o Industria

Elect. 30

Red eléctrica Rendimiento global = (60+30)/(100) = 90 %

Fig. V-3. Balance energético de la cogeneración y la producción separada de calor y electricidad.

57


En definitiva, la cogeneración supone un ahorro de energía, emisiones y costes superior al 30%, permite descentralizar el sistema eléctrico, está basada en tecnologías maduras, probadas y competitivas y resulta fácil de integrar int egrar y controlar. Si bien el ahorro energético energét ico y de emisiones, emisio nes, así como la descentralización del sistema eléctrico son compartidos con las energías renovables la cogeneración presenta como hecho diferencial con éstas su elevado nivel de madurez que le hace incurrir en unos costes de inversión y explotación mucho más razonables y moderados que las renovables, resultando así más competitiva. Es por ello que pese a requerir ayudas, éstas no necesitan ser tan elevadas como en las renovables. En cuanto a su aplicación en la edificación la cogeneración resulta mucho más fácil de integrar que las energías renovables en tanto que requiere menos espacio y supone una producción más controlable que un recurso renovable, en general con mayor indisposición. La cogeneración no es nueva, viniéndose empleando en el sector industrial en España desde los años 90. Tradicionalmente estaba asociada a grandes potencias, siendo una parte más de la instalación industrial. Estas grandes plantas industriales de cogeneración han evolucionado hasta pequeñas uni-

Fig. V-4. Integración de una unidad de micro-cogeneración en una vivienda.

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dades de micro-cogeneración que son encapsuladas y optimizadas para operar fuera de entornos industriales con totales garantía garantías, s, integrándose como un elemento más en la sala de calderas. Este proceso ha llevado un tiempo, pues es complicado mantener buenos rendimientos al reducir la potencia, pero afortunadamente ya se ha alcanzado un nivel de desarrollo y madurez suficiente como para ser una oferta comercial. La Figura V-4 muestra uno de estos elementos encapsulados, del tamaño de una lavadora, que produce 5 kWe y 12 kWt en forma de agua caliente a 90ºC y capaz de ser integrado en la sala de calderas de un edificio para trabajar en paralelo con las calderas, cediendo electricidad a la red o bien operando de forma aislada. Estas unidades son motores alternativos que presentan diversos escalones de potencia eléctrica (5, 15, 30, 50 y 90 kWe), kWe), que pueden operar con gran variedad de combustibles (gas natural, GLP, gasóleo y biodiesel) y que presentan rendimientos globales entre el 85 y el 92%, con rendimientos eléctricos entre el 27 y el 33%. La solución integra todos los elementos necesarios (motor, generador, encapsulado y control), pudiendo proceder de la adaptación de grandes grupos o bien de desarrollos específicos para la micro-cogeneración que desembocan en productos de mayor calidad y mejor nivel de integración. La inversión oscila entre 2.700  /kW /kWee (para unidades unid ades de 5,5 5 ,5 kWe) y 1.200  /kW /kWee (para unidades de 90 kWe). kWe). TECNOLOGÍA La Figura V-5 muestra un ejemplo concreto de un equipo de 5,5 kWe y 12,5 kWt (hasta 15 si se condensasen los gases de escape). Es la unidad de microcogeneración más vendida en Europa, existiendo ahora mismo más de 17.000 unidades en operación. Consta de un motor monocilíndrico de menos de 600 cm3 que mueve un alternador asíncrono refrigerado por agua. El agua caliente se produce en la refrigeración de la camisa del cilindro, en la refrigeración del alternador y del aceite, y finalmente en la recuperación de calor de los gases de escape. El esquema interno aparece en la Figura V-6. En este modelo concreto la eficiencia global es del 88%, llegando hasta el 100% (sobre el Poder Calorífico Inferior) si se condensan los gases de escape. El mantenimiento se realiza cada 3.500 h, siendo la vida útil mayor de 80.000 horas. Las emisiones son reducidas, contando con un catalizador de 3 vías de manera que se producen muy bajos niveles de NO x . El equipo está dotado de sistemas que reducen al mínimo las vibraciones y el ruido. Todo Todo el sistema está controlado por microprocesador. microprocesador.

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Silenciador

Unidad de control y de conexiones

Catalizador de gases de escape con recuperador de calor

Motor alternativo mono-cilíndrico de 4T - 578 cm3 Generador asíncrono refligerado por agua

Fig. V-5. Motor alternativo para micro-cogenerac micro-cogeneración. ión.

Bomba circuladora 83-90 ºC

Interc. Gases Gases

Intercambiador con el aceite Cilindro del motor

3– Generator

RF

73-78 ºC

Fig. V-6. Esquema hidráulico del motor alternativo de microcogeneración de la Figura V-5.

60


Ida y retorno de agua

Salida de humos

Gas

Elictricidad Aire de admisión

Fig. V-7. Ejemplo de instalación de dos unidades de microcogeneración en un edificio (20 kWt).

Como se ha dicho la integración en el edificio es sencilla, presentando las mismas conexiones que una caldera convencional, además de la evacuación a la red eléctrica que se realiza en baja tensión. Las protecciones necesarias para que el equipo trabaje en paralelo con la red están incorpora incorporadas das en la unidad. La Figura V-7 muestra un ejemplo tipo con dos motores que serían el equivalente a una caldera de 20 kW. PLICACIÓN A PLICACIÓN

La aplicación de cogeneración en un edificio no se ha de plantear como un negocio, sino para reducir costes e impacto medioambiental del edificio. Se realiza una inversión inicial que se va recuperando año tras año con los ahorros derivados de la instalación: combustible dejado de consumir para satisfacer la demanda térmica junto con ingresos por venta de electricidad menos coste de combustible de la unidad menos costes de mantenimiento. Los proyectos en el sector residencial, de bajas potencias, presentan algunas singularidades: • La inver inversió sión n especí específic ficaa es más ele elevada vada..

61


• El coste coste del combust combustible ible no es muy bajo, es decir decir, no se se trata de tarifas tarifas industriales. • El coste coste de de mantenim mantenimiento iento es también también propo proporciona rcionalmente lmente más alto. • El precio precio de venta venta de la electrici electricidad dad varía varía según según el marco marco regulat regulatorio. orio. En general la cogeneración a pequeña escala y la microcogeneración requieren ayuda para que el proyecto sea se a rentable. Además, para que el proyecto se pueda llevar a la práctica es preciso que la integración y la gestión sean sencillas, lo que implica disponer de la tecnología adecuada, instaladores y gestores capacitados y un marco regulatorio (técnico y económico) que reconozca y recompense los beneficios aportados al sistema. A nivel técnico la cogeneración en el sector sector residencial residencial exige que se pueda exportar la electricidad de forma sencilla y a un precio razonable, lo que permite que el dimensionado de la instalación se haga según la demanda térmica. Dicha demanda está constituida por la carga de calefacción/climatización y agua caliente sanitaria. El perfil per fil de las dos d os primeras es fluctuante fl uctuante a lo largo del día, mientras que el de la segunda es bastante uniforme si se emplean acumuladores. Ello supone que para lograr que las unidades de cogeneración trabajen a plena carga un número elevado de horas al año es preciso que éstas se dimensionen para cubrir la carga base (constituida principalmente por agua caliente sanitaria), con o sin ayuda de acumulación térmica, recurriendo a sistemas de apoyo convencionales para la demanda punta, tal como se esquematiza en la Figura V-8. En definitiva, estos equipos suelen dimensionarse para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria, ya que tratar de satisfacer también la de calefacción supone recurrir a sistemas de almacenamiento térmico tanto más voluminosos cuanto mayor sea el porcentaje de demanda a cubrir. El hecho de poder exportar la electricidad es fundamental para que estas instalaciones instalacion es funcionen adecuadamente pues en el sector residencial la demanda eléctrica es tan sólo el 22% de la energía final consumida [V-2] por lo que imponer exigencias de autoconsumo (como hacía el RD 436/2004 [V-3]) dificultaría en gran medida la penetración de la cogeneración en este sector. En este sentido, la aparición del real Decreto Ley 7/2006 [V-4] que permite vender toda la electricidad e lectricidad tanto térmica como eléctrica a terceros ha allanado considerablemente el camino. El marco retributivo ha mejorado considerablemente en la última regulación de la producción eléctrica en régimen especial RD 661/2007 [V-5], quedando únicamente pendiente a día de hoy un procedimiento simplificado de conexión a la red que adapte a la escala de los proyectos de micro-cogeneración, tanto los detalles técnicos como las gestiones con las compañías eléctricas y administraciones.

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Heat demand

Space heating DHW - demand

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 10

11

12

Year

KW 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4

Pea eakk lo load ad

0

Modu Mo dule le

Buff Bu ffer er ve vess ssel el

4000 500 50000 6000 6000 70 7000 00 80 8000 00 8760 1000 200 2000 300 3000 4000

Fig. V-8. Perfil de demanda térmica en el sector residencial y forma de satisfacerlo combinando las unidades de cogeneración, sistemas de almacenamiento térmico y calderas convencionales.

La Tabla V-1 recoge un ejemplo de aplicación a un edificio del sector terciario que en la situación de partida tuviese una caldera de 100 kW y estuviese conectado a al red eléctrica. Con los consumos del edificio se demandaría al año más de 383 MWh de energía primaria en la situación de partida. Incorporando un motor de 5,5 kWe se logra satisfacer el 55% de la demanda eléctrica y el 55% de la térmica. térmica. Con eso se logra un ahorro de energía energía primaria primaria respecrespecto a la situación base del 17,45% y una reducción de emisiones de CO 2 de ca-

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si el 20%. En cuanto a la rentabilidad económica se logra un ahorro de 3.233  /año (considerando (consideran do sólo los costes de combustible), comb ustible), que lograría recuperar la inversión de 16.000  en menos de 6 años, restando aún otros 6 años de vida útil. Una instalación solar del mismo coste ahorraría sólo 27,5 MWh de energía primaria y 5,5 toneladas de CO 2.

Situación original: red eléctrica + caldera 100 kW

Electricidad Calor TOTAL

Consumos (MWh/año) 70 160

Energía Primaria (MWh/año) 205.9 177.8 383.7

Emisión CO2 Costes (t/año) (EUR/año) 42.0 8.400  40.0 6.756  82.0 15.156 

Al introducir microgeneración con un DACHS DACHS G 5.5

(MWh/año) Electricidad Calor Gas Ahorros netos

38.5 87.5 143.5

Energía Primaria Emisión CO2 Costes (MWh/año) (t/año) (EUR/año) 113.2 23.1 4.620  97.2 21.9 4.156  143.5 28.7 5.453  67.0 16.3 3.323  17.45 %

menos energía

19.85 %

18.63 %

menos CO2 menos coste

Tabla V-1. Ejemplo de aplicación de una unidad de microcogeneración de 5,5 kWe al sector terciario (Fuente: elaboración propia).

En la trigeneración se utiliza parte del calor recuperado para alimentar una máquina de absorción y producir frío. Esto va a permitir aumentar las horas de funcionamiento funcionami ento del equipo, lo que probablemente permitirá introducir introducir equipos de mayor tamaño que permitan lograr mayores ahorros de energía primaria, pero teniendo en cuenta que la máquina de absorción supone una mayor inversión y mayor complejidad en la instalación. Esto hace que en España, donde hoy por hoy existen unas tarifas eléctricas eléctricas anormalmente bajas la rentabilidad de estas instalaciones aún no esté clara dado que están reemplazando unos costes de operación (la energía eléctrica de los compresores) muy bajos. En el sector residencial estamos ejecutando, junto con Ortiz Construcciones y Proyectos e IDAE, la primera aplicación a viviendas en altura. Se trata de de 2 dos edificios con 97 apartamentos en alquiler, de 55 m cada uno, situados en la localidad de Colmenar Viejo y que cuentan con una instalación centralizada

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con gestión energética. Se ha estimado una demanda térmica global de 672 MWh/año y se ha optado por integrar 3 motores de 5,5 kWe, disponiendo así de 16,5 kWe y 37,5 kWt. El sistema incluye 6.000 litros de acumulación térmica y cubre el 40% de la demanda térmica del edificio. La Figura V-9 muestra un esquema de funcionamiento.

CALDERA CALD ERA 1 CALD CALDERA ERA 2

DACHIS DAC HIS 1 DA DACHIS CHIS 2 DA DACHIS CHIS 3 TANQUES ACUMULACIÓN

Fig. V-9. Esquema de integración para una aplicación al sector residencial.

CONCLUSIONES La cogeneración es una de las formas más sencillas y económicamente competitivas de ahorrar energía y reducir las emisiones de CO 2 en edificios e industrias. Presenta un potencial de aplicación muy grande, y en consecuencia un elevado potencial de ahorro, siendo s iendo el coste bajo comparado con el de otras opciones, como las renovables. Para materializar ese importante potencial se requieren dos condiciones: que existan equipos de fácil instalación y cuyo uso sea similar al de una caldera para lograr un elevado nivel de integración en el edificio; por otra parte que haya un marco regulatorio adecuado tanto a nivel de exigencias normativas, que deben ser simplificadas y adecuadas a las bajas potencias puestas en juego, como a nivel retributivo para ayudar a recuperar la inversión en un plazo razonable. Estas ayudas serán siempre en general menores que en las renovables debido a la mayor competitividad de la cogeneración.

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EFICIENCIA EFICIENCI A ENERGÉTICA EN LA EDIFICAC EDIFICACIÓN IÓN EFERENCIAS R EFERENCIAS

[V-1] Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid, Guía básica de la Generación Distribuida, Madrid, 2007. [V-2] IDAE, Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable, 2ª edición (2007). [V-3] RD 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología para la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Boletín Oficial del Estado, núm. 75, 13217 a 13238, 27.3.2004. [V-4] RDL 7/2006, de 23 de junio, por el que se adoptan medidas urgentes en el sector energético. Boletín Oficial del Estado, núm. 150, 23979 a 23983, 24.6.2006. [V-5] RD 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Boletín Oficial del Estado, núm. 126, 22486 a 22886, 26.5.2007.

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CAPÍTULO VI

GENERACIÓN DISTRIBUIDA GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON PILAS PIL AS DE COMBUSTIBLE Y SISTEMAS DE TRIGENERA TRIGENERACIÓN CIÓN CON MICROTURBINAS Adolfo Sanz Izquierdo Director de Desarrollo de Negocio. Carrier Carrier

INTRODUCCIÓN Existe hoy día un dilema tecnológico sobre la forma más adecuada de generación eléctrica: distribuida o centralizada. La generación distribuida consiste en la producción “in situ”, es decir d ecir,, cercana a los lugares de consumo, y por tanto con pequeñas unidades que pueden funcionar de forma for ma aislada, pero que interactúan mejor interconectadas en red. Dado que las potencias de cada unidad son pequeñas, este tipo t ipo de generación se adapta bien a las energías renovables, siendo una de sus principales ventajas las menores pérdidas por el transporte de la red eléctrica. La generación centralizada o tradicional, por el contrario, está basada en grandes centrales alejadas de los puntos de consumo y que requieren ampliar la red de distribución que frecuentemente se congestiona. La existencia de esta red y la gran distancia a los centros de consumo provocan unas importantes pérdidas de transmisión. La generación distribuida presenta una serie de beneficios frente a la centralizada, como son: • Alta efic eficienc iencia ia en los sistem sistemas, as, ya que que la cercanía cercanía a los los centros centros de consumo posibilita el aprovechamiento de la energía térmica de desecho, siempre que ésta tenga la exergía adecuada. • Dism Disminuc inución ión de los los eleme elementos ntos cont contamin aminantes antes (NO x , SO 2 y partículas) part ículas) debido a las propias tecnologías (microturbinas de bajas emisiones o pilas de combustible) y a que se aprovecha mejor la energía primaria.

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• Flexibilid Flexibilidad ad en la energ energía ía primar primaria, ia, encontr encontrándose ándose sistem sistemas as que funcio funcio-nan con gas natural, biogas, biodiesel, … • Ahorr Ahorros os en los costes costes de de producci producción ón energétic energéticos, os, en tanto tanto que se se aproapro vechan los calores residuales para producir energía térmica. • Sumin Suministro istro asegur asegurado ado al al poder poder utilizar utilizar diversa diversass energías energías primar primarias. ias. • Con Contro troll sobre sobre la cali calidad dad de de la energ energía ía recib recibida ida.. Si bien los equipos empleados en generación distribuida pueden trabajar de forma aislada, es decir, abasteciendo directamente los puntos de consumo, existe una creciente unanimidad entre los tecnólogos en considerar que el modelo más apropiado para la generación distribuida es integrándola en la red junto con la generación centralizada. De esta manera ambos sistemas se benefician: el centralizado centralizado en tanto que obtiene un refuerzo y le evita incrementar las inversiones en red de transporte y el distribuido en la medida en que al verter a la red puede entrar en un marco regulatorio regulatorio que le facilite la recuperación de las inversiones, además de permitirle emplear generadores asíncronos más económicos. Existen diferentes soluciones tecnológicas adecuadas para la generación distribuida: • Motores Motores alternati alternativos, vos, que que pueden pueden ser de gas gas natural natural o de de otros otros combustibles como gasóleo o biodiesel. • Turbina urbinass de gas de hasta hasta 40 MWe, MWe, adecuadas adecuadas para para usos industri industriales. ales. • Micro Microturbina turbinass de gas, gas, de entre entre 30 y 300 kWe, kWe, adecuadas adecuadas para el sector sector residencial y terciario. • Pi Pila lass de de com combu bust stib ible le.. • Si Sist stem emaas eóli eóliccos os.. • Sist Sistema emass solare solares, s, térmic térmicos os o foto fotovolt voltaic aicos. os. • Sis Siste tema mass que que emple emplean an bio bioma masa sa,, … Una vez establecida la l a generación distribuida, es decir, la producción de la electricidad, es preciso dar un paso más hacia adelante mediante el aprovechamiento de los calores residuales, estableciéndose los sistemas CHP y CCHP: • Sistemas CH CHP ( Combined Heat and Power ), o de d e cogeneración, co generación, son aquellos que producen tanto energía eléctrica como calor útil para otros usos. • Sistemas CC CCHP ( Combined ), o de trigeneraCombined Cooling, Heat and Power ción, donde además de electricidad se obtiene calor que puede ser aprovechado de forma directa o bien cedido a una máquina de absorción para que lo transforme en frío.

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GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON PILAS DE COMBUSTIBLE Y SISTEMAS DE TRIGENERACIÓN…

A la hora hora de diseñar diseñar una instalació instalación n de co- o trigener trigeneración ación es es preciso preciso tener presentes unas consideraciones tanto técnicas como económicas. Desde el punto de vista técnico es preciso evaluar las necesidades de energía de la instalación para la que se diseña la unidad de cogeneración. Dichas necesidades han de incluir tanto la energía térmica como eléctrica. En este sentido hay que ver si la relación de kWt a kWe que entrega el grupo que se va a instalar es adecuada a la demanda, si bien esta adecuación ha de quedar enmarcada dentro del marco regulatorio aplicable, ya que por ejemplo en España con la desaparición de la obligatoriedad del autoconsumo eléctrico [VI-1] es indiferente la electricidad que produzca la unidad, siempre que el marco regulatorio dé una mayor tarifa a la venta de la electricidad en cogeneración que a la compra como usuario. Desde el punto de vista económico es preciso establecer un análisis de rentabilidad del proyecto. En dicho estudio se considerarán los ingresos debidos a la venta a la red de la energía eléctrica producida y los ahorros en energía primaria debidos al aprovechamiento de la energía térmica residual. Como gastos se tendrán los consumos de energía primaria y los gastos de mantenimiento y explotación, así como otros de tipo financiero, gestión, etc. Con estos datos se llevará a cabo un análisis por cualquiera de las herramientas tradicionales (análisis simple del retorno de la inversión, VAN, TIR, …) o bien más modernas, como el análisis de ciclo de vida e incluso evaluaciones de impacto social. Éste último aspecto puede ser se r estratégico para ciertas empresas que quieran transmitir una imagen “verde” y por ello quieran integrar políticas de ahorro y eficiencia energética con las que entrar en los terrenos de la Responsabilidad Social Corporativa, etc. A nivel comercial UTC Power Power,, compañía del grupo United Technologies Technologies al que pertenece Carrier, que está desarrollando este tema en España, dispone de dos equipos adecuados para estos fines: pilas de combustible y microturbinas de gas con máquinas de absorción, que serán expuestos expu estos seguidamente. ILASS DE CO COMB MBUS USTI TIBL BLE E PILA

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que transforma en electricidad la energía química de un combustible. Dado que se trata de un dispositivo de conversión directa de energía, es decir, no recurre a un ciclo termodinámico, permite alcanzar rendimientos más elevados que en el ciclo de Carnot; por otra parte carece de emisiones en el punto de uso, pues los gases producidos son sólo vapor de agua; al carecer de partes móviles emite un muy bajo nivel sonoro, en ausencia de vibraciones y además produce un calor residual que puede ser aprovechado por ejemplo para climatización, si bien el nivel térmico de este calor depende en gran medida del tipo de pila utilizado [VI-2,VI-3].

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Las pilas se están usando hoy día tanto en aplicaciones estacionarias como móviles. En las primeras hay experiencias en campus universitarios, hospitales, calefacción de distrito, depuradoras y vertederos; en las segundas en propulsión de vehículos tanto terrestres (automóviles y autobuses) como marítimos (submarinos), e incluso en el sector aeroespacial, que de hecho fue donde surgieron las primeras aplicaciones de pilas alcalinas en los años 50 del siglo pasado con las expediciones Apolo. Los principales tipos de d e pilas de combustible aparecen recogidos en la TaTabla VI-1. Las pilas alcalinas son empleadas casi exclusivamente en aplicaciones militares; las de ácido fosfórico se emplean en cogeneración para el sector rere sidencial y terciario, teniendo UTC un modelo en producción desde hace años; las de membrana de intercambio protónico son las preferidas para la automoción, dado el bajo tiempo de arranque y su elevada potencia específica; las de carbonatos fundidos, típicas de aplicaciones estacionarias y finalmente las de óxidos sólidos que en mi opinión son el futuro. Tabla VI-1. Principales tipos de pilas de combustible (Fuente: elaboración propia) Tipo de pila

Aplicación

Temperatura de operación [ºC]

Peculiaridades

Alcalina (AFC)

Espacio

80 a 100

Ácido fosfórico (PAFC) Membrana de intercambio protónico (PEMFC) Carbonatos fundidos (MCFC) Óxidos sólidos (SOFC)

Estacionario

200 a 220

Estacionario, transporte

80 a 100

Estacionario

6 0 0 a 65 0

Estacionario

650 a 1000

Necesidad de combustible puro Larga vida. Alto coste Bajo tiempo de arranque, fácil fabricación, facilidad de escalado Alta eficiencia, excelente para cogeneración, dificultad de fabricación Alta eficiencia, capacidad de hibridación con microturbinas de gas, materiales sofisticados

Se aprecia que las temperaturas de operación de las pilas son muy diferentes unas de otras. De todas ellas, aquellas en las que es posible obtener calor

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útil para otras aplicaciones son las de ácido fosfórico, carbonatos fundidos y óxidos sólidos. La pila de combustible de ácido fosfórico PureCell 200 que CARRIER está introduciendo en España, pertenece a la penúltima generación de pilas fabricadas por UTC hasta el momento, y es con la que más experiencia operativa se cuenta. Sus características aparecen resumidas en e n la Tabla Tabla VI-2. Existen 280 unidades funcionando en el mundo, si bien en la actualidad ha dejado de fabricarse para transformarla en otra de 400 kW, con tecnología similar, donde se espera reducir los costes de una manera importante al incorporar los nue vos avances tecnológicos. Tabla VI-2. Prestaciones del modelo PureCell 200 (Fuente: UTC [VI-5]). Potencia eléctrica 200 kW / 235 kVA

Tensión y frecuencia 480 V, trifáisca, 60 Hz

Refrigeración Tres ventiladores

Ruido 60 dBA a 9 m

Emisiones (ppm) NOx < 1 CO < 2 SOx, pa part rtíículas e hidrocarburos, despreciables

Combustible Gas natural (58,1 m3 /h) Biogas (9 (99,1 m3 /h)

Módulo de potencia 3 m x 2,90 m x 5,38 m 18.144 kg

Módulo de refrigeración 1,27 m x 1,24 m x 4,11 m 771 kg

El punto débil de las pilas es lo que se conoce como “stack”, que es donde se encuentran el ánodo, cátodo y electrolito. El modelo PureCell estaba diseñado para 40.000 horas de funcionamiento, si bien todas las que han alcanzado esa cifra aún funcionan, existiendo unidades que han sobrepasado las 76.000 horas. Este modelo produce 200 kW eléctricos y 275 térmicos, consumiendo 58 3 m /h de gas natural ó 99 si se alimenta con biogas. A nivel de ejemplos reales de operación la Figura VI-1 recoge la instalación de esta pila en el Instituto South Windsor, de Connecticut (Estados Unidos). Fue instalada en septiembre de 2002 y en junio de 2007 cumplió 40.092 horas de funcionamiento, habiendo tenido hasta entonces una u na disponibilidad del 94%. Funciona de forma aislada, suministrando energía eléctrica al instituto, así como calor en invierno. Presenta un rendimiento energético del 90% y permite reducir la huella de carbono en 780 toneladas al año, lo que resulta equivalente a más de 64 ha de bosque. En cuanto a las emisiones reduce los NO x en tres toneladas al año, lo que resulta equivalente a eliminar 140 coches de la circulación.

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Fig. VI-1. Pila PAFC instalada en el Instituto South Windsor, de Connecticut (Estados Unidos) en septiembre de 2002. (Fuente: UTC [VI-4] ).

Otra instalación significativa está instalada en Garden City, City, New York, desde junio de 2005. Son 7 pilas que totalizan t otalizan 1,4 MWe MWe y cuyos calores residuales se aprovechan para refrigeración y calefacción. El aprovechamiento para refrigeración es posible porque esta pila entrega el calor a dos niveles de temperatura: 60ºC y 120ºC, usándose el más bajo para calefacción y el más alto para accionar una máquina de absorción y producir frío. Presenta una disponibilidad del 88%, un rendimiento energético del 90% y permite reducir la huella de carbono en 5.400 toneladas al año, lo que resulta equivalente a más de 465 ha de bosque. En cuanto a las emisiones reduce los NO x en 19 toneladas al año, lo que resulta equivalente a eliminar 1.000 coches de la circulación. La electricidad se usa para dar respaldo a un centro de telecomunicaciones. Finalmente, la primera unidad que se instaló en 1999 está situada en una comisaría de policía de Central Park en Nueva York. Trabaja Trabaja en isla entregando calor en invierno, con una disponibilidad del 98%. En junio de 2007 cumplió 70.690 horas de funcionamiento. El biogas también puede ser empleado en estas pilas, para lo que se dota a la instalación de unos digestores adicionales. Así, el Ayuntamiento de Nueva York Y ork ha ha instalado instalado 9 unidades unidades en diferentes diferentes depura depuradoras doras a lo largo de la ciudad ciudad..

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TRIGENERACIÓN CARRIER impulsa también la comercialización de sistemas de trigeneración de UTC Power. Power. Básicamente consisten en un conjunto de microturbinas de gas que producen la electricidad y cuyos humos accionan una máquina de absorción de doble efecto. Cada turbina es de 65 kWe nominales. Se pueden emplear de 3 a 6 microtubinas, resultando el COP de la máquina de absorción de 1,32. La Tabla VI-3 resume las prestaciones de la configuración en condiciones ISO (15ºC de temperatura t emperatura ambiente). Dado que los motores en este caso son microturbinas las prestaciones del sistema son muy dependientes de las condiciones ambiente, de modo que a 35ºC la potencia eléctrica cae un 15% y la de refrigeración un 11%. En esta ocasión el equipo resulta mucho más ligero que la pila de combustible, siendo el peso de cada microturbina de 770 kg y de la máquina de absorción de 8.410 kg. Existen instalaciones de este tipo en supermercados, hospitales y hoteles. Tabla VI-3. Prestaciones del sistema de microturbinas en trigeneración para condiciones ISO (Fuente: UTC [VI-6]) Nº de microturbinas Potencia eléctrica [kW] Potencia de refrigeración [kW] Eficiencia global [%, PCI]

3 170 405 88

4 227 500 91

5 284 600 91

6 341 700 86

CONCLUSIONES Las restricciones energéticas y medioambientales a las que se enfrenta hoy día la sociedad exigen realizar una gestión adecuada de la energía, siendo la producción de energía respetuosa con el medio ambiente. Una de las vías de aprovechar de forma inteligente la energía es mediante sistemas de co- y trigeneración que cumplen un triple objetivo: • obtien obtienen en la máxi máxima ma efici eficienc encia ia del del combust combustible ible • permi permiten ten alcanza alcanzarr las exigen exigencias cias de de ahorro ahorro de energía energía primar primaria ia impuesimpuestas por la legislación • al verter verter la energía a la red se crea un sistema sistema de generac generación ión distribuidistribuida que incrementa la fiabilidad del sistema centralizado tradicional Precisamente la generación distribuida permite cubrir las necesidades energéticas de consumidores en zonas remotas o con alta congestión en la

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red de transporte, garantizando la seguridad del suministro al usuario. Para que el sistema de poligeneración sea viable es preciso analizar las demandas energéticas de la aplicación, así como un estudio económico que defina la mejor alternativa de la inversión. El resultado de dicho estudio dependerá en gran medida del marco regulatorio aplicable. EFERENCIAS R EFERENCIAS

[VI-1] RDL 7/2006, de 23 de junio, por el que se adoptan medidas urgentes en el sector energético. Boletín Oficial del Estado, núm. 150, 23979 a 23983, 24.6.2006. [VI-2] Larminie, J., Dicks, A., Fuel cell systems explained, 2 nd edition, Wiley Wiley,, Chichester, 2003. [VI-3] NREL. “Gas-fired distributed energy resource technology characterizations”. NREL/TP-602-34789, November 2003. [VI-4] http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0143,00.html [VI-5] http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0254,00.html [VI-6] http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0125,00.html

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CAPÍTULO VII

BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS Miguel Zamora García Responsable de I+D+i. I+D+i. CIATESA CIATESA

FUN UND DAME MEN NTO TOSS DE LA BO BOMB MBA A DE CA CALO LOR R La designación de bombas de calor geotérmicas es común en Europa, pero quizás en España aún pueda causar confusión con la energía geotérmica de alta temperatura, asociada al aprovechamiento de pozos de agua caliente y vapor. Realmente la expresión “bombas de calor geotérmicas” hace referencia a bombas de calor agua/agua con un intercambiador de calor enterrado enter rado en el subsuelo, que actúa de foco térmico exterior. La máquina frigorífica y la bomba de calor son dispositivos que permiten llevar el calor de donde hay menos temperatura a donde hay más, tomando como calor útil el extraído del recinto de menos temperatura (máquina frigorífica) o el entregado al de más (bomba de calor). Una bomba de calor opera entre dos focos térmicos siguiendo un ciclo termodinámico. termodinámico. Si se pretende climatizar un edificio en invierno, el foco caliente calient e es el local a calentar y el foco frío será el aire del ambiente exterior, exterior, el agua de un lago, el terreno, etc, de donde se extrae el calor. El Segundo Principio de la Termodinámica nos enseña que este proceso no puede ocurrir de forma espontánea, siendo por tanto necesario un consumo energético para producirlo [VII-1]. La bomba de calor, por tanto, maneja tres potencias en su funcionamiento: • Pote otenci nciaa frigor frigorífi ífica, ca, extr extraíd aídaa del foco foco frío frío • Pote otenci nciaa calorí calorífic fica, a, cedid cedidaa al foco foco caliente caliente • Pote otenci nciaa absorbi absorbida, da, sumin suministr istrada ada a la bomba bomba de calor calor

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Se define la eficiencia instantánea de la bomba de calor, COP ( Coefficient Of Performance ), como el valor de la potencia calorífica entre la absorbida y la eficiencia de la máquina frigorífica, EER ( Energy Efficiency Ratio ), como la potencia frigorífica entre la absorbida. Otros rendimientos que cada vez son más necesarios para evaluar las prestaciones energéticas globales de los sistemas de climatización son los llamados rendimientos medios estacionales: Seasonal Performance Performance Factor ), determinado en bom• HSPF ( Heating bas de calor como cociente entre la energía calorífica y la energía consumida Seasonal Performance Factor ), determinado • CSPF (Cooling determinado en máquinas frigoríficas como cociente entre la energía frigorífica y la energía consumida

El HSPF y el CSPF expresan, por tanto, el rendimiento medio de la instalación durante toda su operación en invierno o verano, considerando toda la energía útil y toda la energía consumida. Es conveniente familiarizarse con el empleo de estos valores medios energéticos en lugar de con los instantáneos de potencia ya que toda la nueva Legislación que va apareciendo en el Sector y que vela por la eficiencia energética se configura en base a estos nuevos parámetros.

Tc Foco Condensador T

condensación

Compresor

> Tc

Gas T

evaporación

Expansión

> Tf Evaporador

Foco frío Tf

Figura VII-1. Esquema básico de una bomba de calor.

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BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS

El funcionamiento de la bomba de calor aparece ilustrado en la Figura VII-1. Un compresor mueve y comprime el fluido refrigerante en fase gaseosa que pasa a un intercambiador de calor (condensador) donde el gas condensa a una temperatura superior a la del foco caliente, de modo que éste recibe el calor cedido en la condensación. El fluido seguidamente se expansiona en una válvula para pasar luego a otro intercambiador intercambiador de calor (evaporador) (evaporador) donde se evapora a una temperatura inferior a la del foco frío, recibiendo de éste el calor necesario. Finalmente, a la salida del evaporador el gas vuelve a ser aspirado por el compresor. El funcionamiento de la bomba de calor se puede modelar a partir de los balances energéticos energéticos y las ecuaciones de transferencia de calor en los intercambiadores de calor, el compresor y la válvula de expansión. e xpansión. Dicho modelo ha de ser acotado por las condiciones de contorno que son los caudales de los medios ambientes (agua, aire, …), la geometría de los intercambiadores y las temperaturas de los focos. Este aspecto resulta resu lta de especial importancia pues significa que el comportamiento de la bomba queda en gran medida influido por la temperatura del foco exterior (la del interior trataría de ser constante conforme a las condiciones de confort). Así por ejemplo, las prestaciones serán diferentes cuando se emplee la misma bomba de calor para extraer calor de un foco a una temperatura moderada y constante como puede ser la del agua del mar o se use el aire ambiente en un clima nórdico extremo. Las consideraciones anteriores determinan que los fabricantes clasifiquen sus equipos conforme a los focos entre los que trabaja la máquina: • Aire/Aire, Aire/Aire, donde se interc intercambia ambia calor entre dos dos focos focos de aire aire como como por ejemplo en un equipo compacto de cubierta de un supermercado super mercado o en un split doméstico. • Air Aire/Ag e/Agua, ua, que utiliz utilizará ará un foco foco exterior exterior (aire (aire)) al que cederá cederá el calor calor que retira de una corriente de agua (“planta enfriadora”) o del que tomará calor para producir agua caliente (“bomba de calor aire-agua”). • Agu Agua/Ai a/Aire, re, en el interi interior or del edifico edifico se se enfriará enfriará o calenta calentará rá aire aire devoldevol viendo o extrayendo el calor a una corriente de agua. • Agua Agua/Agu /Agua, a, la máquina máquina interc intercambi ambiaa calor calor con el edific edificio io enviándol enviándolee una corriente de agua acondicionada a partir de un foco exterior en el que a su vez el intercambio de calor se produce empleando agua. El foco exterior será un estanque, el subsuelo, una torre de refrigeración, … Las bombas de calor geotérmicas se incluyen en esta última clasificación. ECNO NOLO LOGÍ GÍA A DE LAS BO BOMB MBAS AS DE CA CALO LOR R AGU GUA A AGUA A TEC / AGU

Los equipos no reversibles son aquellos que no tienen inversión en el circuito frigorífico, realizándose el cambio de funcionamiento de bomba de calor

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a máquina frigorífica en el circuito del agua. En la máquina los intercambiadores de calor que actúan como condensador y evaporador son siempre los mismos, siendo un juego de válvulas exteriores las encarga encargadas das de conmutar la alimentación a los focos térmicos, tal como se muestra en la Figura VII-2.

Fancoil Depósito Inercia

A pozo desagüe

Fig. VII-2. Esquema de máquina agua/agua no reversible.

En la actualidad, la mayoría de fabricantes implementan la tecnología de equipos reversibles, en los que el cambio de bomba de calor a máquina frigorífica se lleva a cabo en el lado del refrigerante mediante una válvula de 4 vías, de modo que cada foco térmico siempre intercambia calor con el mismo intercambiador de la máquina, que unas veces hará de condensador y otras de evaporador.

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Los refrigerantes que se emplean actualmente en este tipo de bombas son HFCs que no perjudican la capa de ozono, como el R-410a y el R-407C. Estos gases tienen un elevado efecto invernadero, por lo que es posible que las Legislaciones fuercen la introducción en un futuro de los llamados refrigerantes naturales, como el propano (R-290), CO 2 (R-744) y amoniaco (R-717). En cuanto a los compresores, la tecnología “scroll” es la mayoritaria, especialmente en la gama de pequeñas potencias. La Figura VII-3 muestra los COPs obtenidos por una bomba de calor geotérmica de 17 kW con diferentes compresores (“scroll” y pistón) y diferentes fluidos. A igualdad de fluido (R290) se aprecia que el compresor “scroll” entrega un COP un 25% mayor, llegando a 5. Para el mismo compresor (“scroll”) el fluido que mejor COP presenta es el R410a, que supera 5, aunque seguido muy de cerca por el R290, perdiéndose un 20% al emplear R407C.

6 5 4 3 2 1 0 SCROLL-R407C

SCR SC ROLL-R290

PISTON-R290

SCR SC ROLL-R410a

Fig. VII-3. COP de diferentes compresores y fluidos en una bomba de calor geotérmica de 17 kW (Salto de temperatura agua evaporador: 10º-5ºC. Salto de temperatura agua condensador: 30º-35ºC. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

Los intercambiadores de calor empleados en la gama de pequeñas potencias suelen ser de placas soldadas, de acero inoxidable, dadas sus excelentes prestaciones y su elevado nivel de compacidad. Con objeto de facilitar el trabajo del instalador y reducir los tiempos de montaje es frecuente que en pequeñas potencias se incorpore el grupo hidráulico en la misma máquina. En equipos más grandes el grupo hidráulico es externo, de modo que es preciso instalarlo in situ.

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Una aplicación interesante de las bombas de calor agua/agua es que también pueden producir agua caliente sanitaria (ACS). Existen dos tecnologías dominantes: la de intercambiador de calor de gases calientes y la de la válvula de tres vías. La primera, ilustrada en la l a Figura VII-4, consiste en recuperar el calor de alta temperatura de los gases que salen del compresor, antes de su entrada al condensador mediante un intercambiador de calor auxiliar, auxiliar, conocido como “desuperheater”. El método de la válvula de tres vías, recogido en la Figura VII-5, consiste en conectar en paralelo los circuitos de calefacción y ACS, de modo que cuando haya demanda de agua caliente caliente o se reduzca la demanda de calefacción, la potencia calorífica se aplique al depósito acumulador de ACS. Mientras que la producción de ACS en calefacción se hace a costa de reducir la potencia calorífica, en modo de refrigeración la producción de ACS resulta siempre gratuita, pues se consigue a partir de calor extraído del propio edificio y que tiene que ser cedido al ambiente exterior (terreno).

Tamb

SUELO RADIANTE

INTERCAMBIADOR GEOTÉRMICO

60 ºC

DEPÓSITO

ACS

Fig. VII-4. Producción de ACS mediante la recuperación de los gases calientes a la salida del compresor.

En cuanto a las potencias disponibles, dis ponibles, existen equipos desde los 4 kW kW,, válidos para pequeñas viviendas, construidos con formato de electrodoméstico y que se pueden instalar en una cocina o en e n una terraza lavadero, pasando por equipos mayores de 15 kW, kW, válidos para un residencial de lujo, 35 kW para pequeños hoteles y finalmente grandes plantas enfriadoras enfriadoras y bombas de calor de entre 300 y 1.000 kW para el sector gran terciario.

80


Tamb

SUELO RADIANTE

INTERCAMBIADOR GEOTÉRMICO

60 ºC

DEPÓSITO

ACS

Fig. VII-5. Producción de ACS mediante by-pass del circuito de calefacción con válvula de tres vías.

INTE NTERCA RCAMBI MBIADO ADORES RES DE CAL CALOR OR EN ENTER TERRA RADOS DOS Como ya se ha indicado, en las bombas de calor geotérmicas es el terreno ter reno el que actúa de medio ambiente exterior, de modo que en verano recibe el calor extraído del edificio y en invierno lo produce. El terreno es un foco térmico estable que se regenera de forma natural. Presenta la ventaja de que a pocos metros de profundidad su temperatura es mucho más uniforme que la del aire ambiente. Los intercambiadores de calor enterrados se construyen enterrando enter rando tuberías de polietileno. Pueden ser de circuito cerrado o abierto, en los que se capta agua de un acuífero en un punto y se devuelve en otro situado a una cierta distancia. Existen diferentes configuraciones. Así, se puede enterrar un intercambiador de tubería de polietileno a poca profundidad extendido en horizontal, disponer las tuberías dentro de una serie de pozos de 50 a 100 metros, construir un serpentín y sumergirlo en un lago o finalmente en captación abierta donde se emplea el agua de un acuífero lo bastante grande. Este último método es el que presenta un mayor potencial, auque está sujeto a la legislación de aguas y puede tener limitaciones de protección medioambiental.

81


Intercambiadoress horizontales Intercambiadore

La construcción de un intercambiador inte rcambiador de calor horizontal comienza por la excavación de una amplia zanja de 1 a 1,5 metros de profundidad, sobre la que se depositan las tuberías de polietileno convenientemente alineadas, como se aprecia en la Figura VII-6 en la que se muestra una instalación en la Uni versidad Politécnica Politécnica de Valencia desarrollada en el seno de un proyecto de in vestigación [VII-2]. Estas instalaciones requieren una gran superficie. Su realización es relativamente sencilla, pudiendo emplearse una pequeña retroexcavador retroexcavadoraa para la exca vación y uniendo las tuberías por soldadura de termofusión. ter mofusión. La construcción del intercambiador tan próxima a la superficie puede afectar a su mantenimiento en la medida en que pueda deteriorarse por obras de nuevas instalaciones y canalizaciones enterradas cercanas si no se acotan adecuadamente sus límites. Al ser poca la profundidad, la temperatura temperatura del terreno está influida por la del aire ambiente. Esta tipología es adecuada sólo para pequeñas potencias.

Fig. VII-6. Intercambiador de calor horizontal enterrado. (Fuente: PROFIT [VII-3]).

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Intercambiadoress verticales Intercambiadore boreholes ) son los mayoritariamente emLos intercambiadores verticales ( boreholes pleados. Dada su gran profundidad, no están afectados por las condiciones ambientales, y ocupan un área de terreno mucho menor. La Figura VII-7 muestra un esquema de esta configuración. Presentan el inconveniente de una mayor dificultad de instalación, una mayor inversión y necesitan un personal más especializado para su construcción. Como ventaja no necesitan mantenimiento. Aunque tanto los profesionales p rofesionales de los l os sondeos de d e agua, de la geotecnia geote cnia y del micropilotaje cuentan con suficiente capacidad para llevar a cabo los trabajos de excavación, la experiencia en países del Norte de Europa y de Estados Unidos aconseja que sean empresas especialistas en bombas de calor geotérmicas las que dirijan y coordinen los trabajos, ofreciendo proyectos llave en mano de todo el conjunto de la instalación. Se debe de dar respuesta a problemas complejos que van desde el posible encamisado de los pozos, a la selección del material de relleno para mejorar el intercambio de calor, el diseño del circuito, la correcta ejecución de las soldaduras de polietileno, el adecuado diseño hidráulico y finalmente la conexión con la bomba de calor.

Fig. VII-7. Esquema de configuración en boreholes. Fuente (GEOCOOL [VII-2]).

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Intercambiadoress “Slinky” Intercambiadore

Otro tipo de intercambiadores horizontales de alta compacidad son los denominados slinky , como el mostrado en la Figura VII-8. Su ejecución es más laboriosa que la de los horizontales convencionales, y al igual que éstos quedan influenciados en cierta medida por las condiciones ambientales. Dada su gran compacidad, es preciso estar seguro que el terreno tendrá la suficiente capacidad (difusividad térmica) para responder a ese intercambio en tan poca superficie.

Fig. VII-8. Intercambiador de calor slinky. (Fuente: ELK 2004. Cortesía de EVE). Intercambiadores integrados en la arquitectura

En el caso de obra nueva existen grandes posibilidades para la integración arquitectónica, habiéndose propuesto, por ejemplo, la colocación del captador horizontal debajo de una piscina, como se muestra en la Figura VII-9. También es posible integrar in tegrar los boreholes en micropilotajes mientras se está llevando a cabo la cimentación. Son las denominadas “cimentaciones termoactivas”. Para el cálculo de intercambiadores con geometrías sencillas, está muy extendido el método IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association), desarrollado por la Universidad de Oklahoma [VII-4]. Se basa en la teoría de la línea infinita de Kelvin [VII-5], por la que una línea suficientemens uficientemente larga de diámetro lo bastante pequeño a temperatura constante transmite calor al medio que la rodea en sentido radial. La transmisión de calor viene re-

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Fig. VII-9. Ejemplo de integración en la edificación: intercambiador intercambiador de calor horizontal enterrado bajo una piscina. (Fuente: Instalaciones TONVA, S.L.).

gulada por la conducción, pudiendo resolverse por un modelo de resistencias térmicas, donde se conectan en serie la resistencia R t de la tubería (Ec. VII.1) y la resistencia R s del suelo, que es la más complicada de determinar. ConociConocidas ambas resistencias y el salto térmico entre el agua y el terreno, se calcula la longitud requerida para disipar la potencia térmica Q deseada según la ecuación VII.2. [VII.1] [VII.2] Diversos autores [VII-6], [VII-7] han propuesto formulaciones para calcular la resistencia térmica del suelo R s. Todas Todas ellas dependen del tiempo, es decir,, desde cuándo se esté cediendo o tomando ese calor, lo que viene a reflecir jar que el terreno no es un foco de capacidad infinita, sino que se va “cargando” o “descargando” por efecto del calor acumulado o sustraído. Por otra parte, es necesario corregir la expresión por un factor que recoja el funcionamiento real de la máquina ya que el calor intercambiado con el te-

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rreno es variable, y depende de los ciclos de funcionamiento, del número y duración de las paradas y arranques, en definitiva de la mayor o menor cantidad de calor intercambiada con el edificio. En la práctica esta corrección se formula en la ecuación multiplicando la resistencia térmica teórica del suelo por un factor de utilización, que representa la fracción de tiempo equivalente en el que la bomba de calor ha estado en marcha a potencia nominal. Dicho factor de utilización se calcula a partir de la simulación energética horaria de cada edificio y es función de su ubicación geográfica, geográfica, su arquitectura (orientaciones, materiales) y del tipo de uso al que está sometido. Finalmente, para conocer la longitud según la ecuación [VII.2] hace falta determinar la temperatura del terreno, que varía con la profundida profundidad, d, con el tiempo y con la temperatura ambiente exterior ext erior [VII-8]. En el método IGSHP IGS HPA A se obtienen por separado la longitud necesaria para satisfacer la carga de calefacción y la carga de refrigeración, seleccionándose la mayor de ellas. En el caso de que ambas longitudes sean muy diferentes el diseñador podría optar por emplear un sistema auxiliar para compensar la diferencia, manteniendo el equilibrio de cargas en el intercambiador, buscando la relación óptima entre prestaciones e inversión inicial. La Figura VII-10 muestra la evolución de la temperatura en el terreno a lo largo del año para Valencia, Valencia, simulada a través de este procedimiento. Se aprecia que la variación es menor en el terreno que en el aire, si bien hay una clara relación. Por otra parte, la inercia del terreno es importante, lo que redunda en un desfase en el seguimiento de la temperatura del aire. Variación V ariación de la la temperatura anual anual en Valencia Valencia (Difusividad del suelo - 0,005 cm2/s) 30 25 20 15 10 Temperatura del aire

5

Temperatura a 1,5m

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Fig. VII-10. Variación V ariación de la temperatura anual en Valencia (Fuente: (Fuente: GEOCOOL [VII-2]). [VII-2]).

86

12

BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS UNCI CION ONAM AMIE IENT NTO O DE LA BO BOMB MBA A DE CA CALO LOR R ACO COPLA PLAD DA AL TE TERR RREN ENO O FUN

Las bombas de calor agua-agua son las habituales en el norte de Europa, y en general las únicas que se pueden usar con efectividad en países muy fríos. Animados por p or conocer cuales serían s erían las prestaciones en climas mas templatempl ados como el Mediterráneo, CIATESA y la Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, junto a otras empresas y entidades, desarrollaron desde 2003 a 2006 el pro yecto de I+D I +D GEOCOOL GEO COOL [VII-2]. En este proyecto se comparó el e l consumo con sumo energético de una bomba de calor geotérmica con el de d e una convencional de tipo aire-agua, satisfaciendo ambas la misma demanda térmica de un edificio. La Figura VII-11 muestra los resultados obtenidos en toda una temporada de calefacción, apreciándose que el consumo eléctrico de la bomba geotérmica resulta más estable y además es inferior al del sistema convencional. Electrical Energy 80 70 E_elec_dia a-w (kwh)

60

E_elec_dia w-w (kwh)

50 h w K

40 30 20 10 0 5 5 5 5 5 5 0 5 0 5 0 5 0 5 c - 0 5 0 0 r - 0 a r - 0 p r - 0 c t 0 v v v v b b a e o o o o f D - e 1 f - e 7 - m 1 - m 8 - A 7 o - n - n - n - n 7 7 1 3 9 5 0 2 1 1 0 2 2 2 0 2 0

dates

Fig. VII-11. Comparación del consumo de una bomba de calor geotérmica (w-w) frente a una convencional aire/agua (a-w) durante la temporada de invierno en Valencia, Valencia, satisfaciendo la misma de manda térmica. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

Dado que el terreno no es un foco infinito, se llegan a detectar en él efectos acumulativos si las cargas de verano e invierno no están compensadas. Así, para para el caso de Valencia, donde es predominante la carga carga de verano, y por

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tanto, es mayor el calor aportado al terreno durante esa estación que el retirado del mismo en el invierno, la simulación a 25 años mostraba que la temperatura del agua de retorno del intercambiador enterrado se vería incrementada en 2,5ºC gracias al pequeño pero continuo efecto de acumulación de energía en el terreno, incapaz finalmente de disipar todo el calor recibido. Esto supondría que a lo largo de ese tiempo, el rendimiento de frío se iría degradando, mientras que el de calefacción mejoraría, como muestra la Figura VII-12. Se abre, por tanto, todo un campo de investigación consisten consistente te en considerar el terreno como almacén de energía. Pudiendo plantearse, por ejemplo, usarlo para acumular los excedentes de energía solar en verano y disponer de un suelo más caliente en invierno, etc. Evolución de la cogeneración

4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8

H S PF

C S PF

3.6 3.4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 1 1 12 1 2 13 1 3 14 1 4 15 1 5 16 1 6 17 1 7 18 1 8 19 1 9 20 2 0 21 2 1 22 2 2 23 2 3 24 2 4 25 25

Years Y ears

Fig. VII-12. Degradación del rendimiento estacional estacional en verano (CSPF) y mejora del de invierno (HSPF) debido al calentamiento medio progresivo del terreno en Valencia. V alencia. (Fuente: (Fuente: GEOCOOL [VII-2]).

La Figura VII-13 resume los resultados obtenidos en el proyecto GEOCOOL en Valencia [VII-2], tanto en calefacción como en refrigeración. En la representación aparecen tanto los resultados experimentales como los predichos por los modelos de simulación. Tomando sólo los experimentales se aprecia un rendimiento medio estacional en calefacción de 3,46 para la bomba geotérmica frente a 2 para la convencional, siendo los resultados de refrigeración aún mejores, con 4,36 para la máquina geotérmica frente a 2,68 para la con-

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vencional. Son solamente datos particulares, correspondientes a las mediciones realizadas durante un año en un experimento concreto. Sí ponen de manifiesto en este caso que las mayores inversiones requeridas por la instalación geotérmica serán compensadas con el ahorro en el consumo energético de la instalación a lo largo de su vida útil.

4.5

HEATING

COOLING Experimenteal

4.0 11%

3.5 3.0

1.5

4.60

3.90

2.5 2.0

5%

Theoretical

3.5%

4.36

32% 3.46 2.96

2.82 2.00

2.68

1.0 0.5 0.0 Air-W AirWater

Waterater-W Water

Air-W AirWater

Waterater-W Water

Fig. VII-13. Comparación entre los rendimientos estacionales (SPF) del sistema geotérmico y del convencional tanto a nivel de simulación como en las mediciones reales. (Fuente: GEOCOOL [VII-2]). CON ONSI SIDE DERA RACI CIÓN ÓN DE LA LASS BO BOMA MASS DE CA CALO LOR R CO COMO MO EN ENER ERGÍ GÍA A RE RENO NOV VAB ABLE LE Un debate paralelo a la tecnología es la consideración de si las bombas de calor geotérmicas constituyen o no una energía renovable. La clasificación legal en este sentido sería de gran importancia de cara a dar cumplimiento a nuevas Normas, como el Código Técnico de la Edificación [VII-9] que obliga a cubrir parte de la demanda del edificio con energía renovable. Finalmente, dicha consideración abriría además además las puertas, puer tas, al acceso a ciertas ayudas e incentivos públicos que facilitarían su penetración.

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La Comisión Europea, en el artículo 5 de la propuesta de Directiva de Fomento del Uso de Energía Procedente de Fuentes Renovables del 23 de enero de 2008 indica que “la energía térmica generada por la bombas de calor que utilizan la energía geotérmica del suelo o del agua se tendrá en cuenta a efectos de apartado 1, letra b”, en el que se contabiliza “el consumo de energía final procedente de fuentes renovables para la calefacción y la refrigeración.” De hecho, la propuesta va más allá, indicando que también se considerará renovable el calor proporcionado por las bombas de calor que emplean como foco exterior el aire ambiente, siempre que superen unos valores límites de eficiencia. En nuestro País, las Administraciones están adoptando progresivamente medidas de fomento para el uso de esta tecnología. En algunas Comunidades Autónomas existen ya programas de incentivos sobre los sobrecostes que suponen estas instalaciones. ENERGÍA PRIMARIA 1 UD

CALOR EN LA L A NATURALEZA AIRE, AGUA AIRE, AGUA SUBTE SUBTERRÁNE RRÁNEA, A, SUELO SUELO,, MAR,… SOL… 0,84 UD

PÉRDIDAS TRANSPORTE 0,6 UD

PERDIDAS COMPRESOR 0,06 UD BOMBA DE CALOR (HSPF=3,46)

ENERGÍA TRÉRMICA APORTADA AL FOCO CALIENTE (EDIFICIO) 1,18 UD

Fig. VII-14. Diagrama de Sankey. (Fuente: CIATESA, modificado de [VII-1, VII-2]).

Finalmente, puede caber la duda de si el favorable balance energético en energía final ofrecido por las bombas de calor geotérmicas, se mantiene en términos de energía primaria. La Figura VII-14 muestra un diagrama de Sankey adaptado de la literatura [VII-1] en el que asumiendo un 40% de rendimiento medio para la generación y transporte de la energía eléctrica y un da-

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to “pesimista” de HSPF para la bomba de calor de 3,46, se logra aportar al edificio (demanda térmica final) casi un 20% más de la energía primaria empleada en la central eléctrica. La conclusión es que ese 20% adicional procede de una fuente natural y renovable (aire, agua, suelo, …) que contribuye a reducir la demanda de energía primaria. Compárese esta situación sit uación con la satisfacción de esa demanda de calefacción a partir de la misma energía primaria aplicada a una caldera, donde no se conseguiría utilizar más del 95% de la misma. CONCLUSIONES El uso del terreno o estanques y pozos como focos térmicos permite mejorar las prestaciones de las bombas de calor, aumentando mucho sus eficiencias estacionales. Para llevar a cabo este aprovechamiento es preciso realizar una inversión importante en el sistema de captación que luego será recuperada debido a los ahorros de energía primaria obtenidos al operar con mayor eficiencia. Las tecnologías necesarias para llevar a cabo este aprovechamiento son conocidas y están maduras, siendo su uso frecuente en países del Norte de Europa. Recientes investigaciones han demostrado la viabilidad de este tipo de instalaciones también en climas mediterráneos, como el de Valencia. En cuanto a la consideración de este tipo de aprovecham aprovechamiento, iento, la Unión Europea apuesta porque se considere como Energía Renovable, lo que a efectos legales supondría su acceso a ayudas que facilitarían la rápida recuperación de la inversión. Si bien en España las Administraciones no la consideran como tal, sí están favoreciendo su aplicación mediante incentivos que permiper mitan reducir el extracoste que supone la inversión. EFERENCIAS R EFERENCIAS

[VII-1] Monasterio, Monasterio , R., Hernández, Her nández, P., P., Saiz, J., La bomba de calor calor.. Fundamentos, técnicas y aplicaciones. McGraw-Hill, Madrid. 1993. [VII-2] Urchueguía, J. (Coord.), Geothermal Heat Pump for Cooling-and Heating along European Coastal Areas, EU V Framework Framework Programme, Contract NNES-2001-00847, Publishable version of the Final Report (2003 to 2006). http://www http://www.geocool.net/ .geocool.net/ [VII-3] Corberán, J.M., Aprovechamiento del calor residual de origen geotérmico para la mejora energética en la producción de frío/calor en el Área Mediterránea, MICyT, MICyT, PROFIT: PROFIT: Programa Nacional de Energía, FIT 12020212020 22002-7, 2002 a 2004. [VII-4] Bose, J., Parker, J., Ground-coupled heat pump research, ASHRAE Trans 89 (2B), 375–390, 1984.

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[VII-5] Çengel, Y.A., Transferencia de Calor, McGraw-Hill, México. 2004. [VII-6] Ingersoll, L.R., Plass, H.J., Theory of the ground pipe source for the heat pump. ASHVE Trans. 54, 339-348, 33 9-348, 1948. [VII-7] Ramey, H.J., Jr., Wellbore Heat Transmission, J. Petrol. Tech., AIME Trans. 225, 427-435, 1962. 1 962. [VII-8] Kusada, T., Achenbach, P.R., Earth Ear th Temperature Temperature and Thermal Ther mal Diffusivity Diffusiv ity at Selected Stations in the United States, ASHRAE Trans. 71, 61-75, 1965. [VII-9] Código Técnico de la Edificación (CTE). RD 314/2006, de 17 de marzo. NOMENCLATURA R t R s Tt Ts Q De Di kt L

resistencia térmica de la tubería [m·K/W] resistencia térmica del suelo [m·K/W] temperatura de la tubería [K] temperatura del suelo [K] calor a disipar [W] diámetro externo de la tubería [m] diámetro interno de la tubería [m] conductividad térmica de la tubería [W/m-K] longitud de la tubería [m]

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CAPÍTULO VIII

GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA EDIFICACIÓN Domingo Guinea Díaz Profesor de Universidad e Investigador Investigador del CSIC. Instituto de Automática Industrial - CSIC

ROBLEMÁT EMÁTICA ICA ENER ENERGÉTI GÉTICA CA ACTU ACTUAL AL PROBL

Se presenta una revisión de la l a situación energética actual, en el intento de diagnosticar los problemas de fondo para plantear algunas soluciones accesibles. El análisis permite establecer los recursos energéticos renovables que la naturaleza pone a disposición de una vivienda, evaluarlos, y tras comprobar que exceden a la demanda que la edificación exige en nuestro clima, plantear una solución de razonable gestión de la energía en el tiempo. Así, la captura, transformación, transformació n, almacenamiento almacenamiento y uso se determinará en función de la disponibilidad y de las necesidades, estableciendo el discurrir de los flujos energéticos de manera adecuada con objeto de optimizar la eficiencia de su utilización a favor del natural incremento de la entropía. En la civilización actual, la especie humana obtiene casi todo de la energía procedente de los combustibles fósiles: alimentos, transporte, transpor te, sanidad, construcción, vestido, tecnología, … Así, estos recursos se han convertido en un pilar base de la sociedad en que nos encontramos en demanda creciente durante las últimas décadas y se acentúa por los países muy poblados de economía emergente, fundamentalmente asiáticos, que incrementan su demanda energética conforme conforme avanzan en su nivel de desarrollo. Así, la necesidad de combustible se multiplica tanto por su uso creciente en los países desarrollados como por la incorporación a la sociedad de consumo de amplios sectores de la humanidad, relegados hasta el presente a una precaria economía de subsistencia.

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Otra faceta relacionada recientemente con el consumo humano de combustibles fósiles es el crecimiento de emisiones a la atmósfera de CO2, entre otros gases, que está previsto que se incrementen un 62% entre el 2002 y 2030, sobrepasando las emisiones actuales de los países desarrollados la media de la OCDE en 2020 [VIII-1]. Su aportación al calentamiento global por “efecto invernadero” queda hoy fuera de toda duda y presiona con influencia creciente la política y el desarrollo de naciones, empresas y ciudadanos. Ahora bien, bien, también también hemos de considerar considerar que esta situación situación de incremento en la extracción y el uso de los combustibles fósiles no puede prolongarse indefinidamente. De hecho, los yacimientos son necesariamente finitos y se constata que el ritmo de crecimiento del consumo es claramente superior al del descubrimiento de nuevos recursos. Según opinión generalizada nos encontramos próximos al máximo de producción de petróleo, el llamado pico de la campana de Hubbert, a partir del cual cada vez se descubrirán menos recursos, ocurriendo algo similar durante las l as próximas décadas para el resto de los combustibles no renovables [VIII-2,VIII-3,VIII-4]. Como alternativa en un inmediato futuro se plantea el empleo del vector hidrógeno dada su elevada densidad energética por unidad de masa, la posibilidad de obtenerlo desde muchas fuentes y por muchos medios y porque en su uso final no contamina. Ahora bien el hidrógeno, como la electricidad, no son fuentes de energía accesibles en la naturaleza sino medios útiles para su uso, transporte, almacenamiento o transformación. Es preciso, por tanto, determinar las fuentes primarias de carácter renovable que soporten la vida y desarrollo de las generaciones inmediatas de seres humanos. RINCI NCIPIO PIOSS FÍS FÍSICO ICOSS PARA BUS BUSCAR CAR SOL SOLUCI UCION ONES ES PRI

El Primer Principio de Termodinámica asegura que la energía es una cantidad constante, luego es preciso valorar de cuánta se dispone, así como la eficiencia con la que hacemos uso de ella. La Figura VIII-1, realizada con datos de los años 90 [VIII-5] muestra que en una sociedad desarrollada “tipo” el 84% de la energía procede de combustibles fósiles, fósiles, el 7% de nuclear y el 9% de renovables. Esos recursos la sociedad los transforma de modo que como energía final se obtiene sólo un 16%, siendo el 41% pérdidas inevitables con la tecnología actual y el resto (43%) pérdidas evitables con mejora de procesos y mejor aprovechamiento energético. Es decir, por cada unidad de energía final se consumen 6 de energía primaria. Dicho de otra forma, por cada unidad de energía final no consumida se ahorran 6 de energía primaria que quedaría disponible para nuevos procesos, luego parece evidente que el ahorro energético es un “recurso” importante a tener e cuenta.

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GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA EDIFICACIÓN

Fuente de energía

Transporte transformación

Destino

9% 7% 84%

41% Sociedad desarrollada

43%

7% 5% 4% Fósiles Nuclear Hidráulica eólica, solar Biomasa

16% al usuario 41% perdidas inevitables 43% perdidas evitables

Energía utilizable Prod. petroquímicos Irrecuperable Recuperable

Fig. VIII-1. Necesidad y despilfarro (Fuente: Miller [VIII-5])

Si bien un mejor uso de las fuentes actuales puede mitigar en gran medida la carencia del inmediato futuro, es necesario evaluar a medio plazo el equilibrio energético de la Tierra para orientar el desarrollo de sarrollo de la organización social sostenible y la tecnología adecuada para su aprovechamiento. Se ha de cuantificar para ello la cantidad de energía disponible, cuál es su procedencia así como el tamaño de las reservas y cuánto pueden durar con un uso adecuado. La energía disponible en nuestro planeta es la suma de la que recibimo recibimoss sobre la superficie terrestre por radiación del Sol más la gravitacional por atracción de los cuerpos celestes próximos (luna y sol) sobre la masa de fluidos terrestre (mareas) y la acumulada por la tierra (geotérmica, nuclear y fósil), menos las pérdidas que en el uso se van a producir. Si bien el combustible nuclear o fósil es hoy un bien tan precioso como perecedero, el resto se pueden considerar fuentes de energía renovables. Esto no significa que sean recursos inagotables en el equilibrio energético del Cosmos, sino sólo a escala temporal de la evolución humana. La cantidad de energía accesible en cada una de estas fuentes se muestra en la Figura VIII-2, donde se ve que de la enorme potencia recibida del sol aproximadamente la mitad (47%) se convierte en calor sobre la superficie terrestre que en última instancia acaba siendo disipado al espacio en forma de

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radiación infrarroja. Aproximadamente un 25% de la energía en ergía recibida se canaliza hacia el ciclo del agua y una parte muy pequeña al ciclo del viento, olas, corrientes marinas, etc. Una porción comparativamente insignificante entra en el ciclo de la vida a través de la fotosíntesis. El otro aporte energético pro viene del calor acumulado en el interior int erior de la Tierra. Éste envía por p or conducción hacia la superficie una cantidad de energía similar a la que recoge la fotosíntesis y una cantidad notablemente inferior por actividad volcánica como fuente geotérmica de alta temperatura. En resumen, la mayor parte de los recursos renovables disponibles se encuentran en los 174.000 174.00 0 TW de radiación solar que inciden sobre la Tierra, de los que 82.000 se quedan en forma de calor sobre la corteza. Por otra parte, la fuente menos significativa de todas las mencionadas serían los 300 GW procedentes del calor procedente del interior de la Tierra, que constituye la energía geotérmica de elevada temperatura, y por tanto, de elevada calidad. Así por ejemplo en Islandia la energía geotérmica de alta temperatura supone una contribución del 89% a la cesta energética del país, representando el petróleo tan solo el 1%. Este escenario ha requerido una evolución tecnológica ya que en los años años 70 la geotérmica representaba el 42% y el petróleo el 52%. Lamentablemente esta forma de energía sólo está disponible en los cinturones volcánicos activos.

Mareas Puntos calientes Permeación terrestre Fotosíntesis Vientos, olas corrientes Ciclo del agua Calentamiento Reflexión Radiación solar

3 0,3 32 40 370 40000 82000 52000 174000 0

50000

100000

150000

200000

TW

Fig. VIII-2. Distribución de los aportes de energía renovable (solar y geotérmica) sobre la Tierra. Ti erra. (Fuente: Hubbert [VIII-6]).

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Existe otra energía geotérmica, de baja temperatura, mucho más dispersa que la anterior y por tanto más disponible. Su explotación no siempre se lle va a cabo a nivel superficial y recurriénd recurriéndose ose en ocasiones a captaciones en profundidades entre 100 y 1.500 m. En función del uso que se realice de estos pozos ocurrirá una deriva temporal, es decir, el calor extraído cada vez será de menor temperatura, salvo que se realice un uso estacional del recurso, en cu yo caso dé tiempo a la regeneración del foco térmico por procesos proces os de difusión de calor calor.. La energía geotérmica de alta temperatura es una fuente de enorme importancia allí donde se encuentra pero sólo está disponible en zonas muy localizadas y representa un recurso cuantitativamente reducido desde un punto de vista global. Como caso opuesto, la energía solar supone un aporte energético muchísimo mayor, mayor, con la ventaja adicional de estar muy repartida repar tida sobre la superficie de la Tierra. Por ello la energía solar interviene en los distintos ciclos responsables de la actividad del planeta donde la vida aparece como su aspecto más significativo: agua, oxígeno, nitrógeno, carbono y fósforo. La energía solar provoca unos movimientos de flujos de energía globales hacia las latitudes más elevadas, pues la radiación incide fundamentalmente sobre las zonas próximas al ecuador, mientras que la Tierra emite el calor apro ximadamente de forma uniforme, un iforme, por lo que se s e produce un flujo energético en ergético desde el ecuador hacia los polos. Resultado de este flujo energético, en España la radiación media recibida es de unos 1.400 a 1.800 kWh/m2-año, cantidad que supera en gran medida, las necesidades promedio del sector de la edificación que, según el IDAE son para España de algo más de 100 kWh/m 2-año. El 70% de esa cantidad se dedica a usos térmicos (calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria) y el resto a eléctricos (iluminación, (iluminación, electrodomésticos y comunicaciones) [VIII-7]. Según este balance resulta que el sol aporta en el sector residencial español aproximadamente 16 veces la energía requerida. De ello se deriva que con una tecnología adecuada de captura, transformación y almacenamiento de la radiación recibida en la cubierta de las viviendas se podría satisfacer el consumo residencial y posiblemente sobraría aún energía para el de transporte transpor te o la industria. Según eso, ¿cómo se puede hablar de crisis energética, si parece que se dispone de un recurso más que suficiente?. La respuesta a esta pregunta se puede encontrar en que estos números n úmeros reflejan sólo el Primer Principio de la Termodinámica, es decir, la cantidad de energía disponible frente a la necesaria. Sin embargo, el Segundo Principio, el relativo a la calidad de la energía pone cota a las eficiencias con que se llevan a cabo las transformaciones. Así, en la Figura VIII-3 se ve que de cada 1.000 kWh de radiación solar el océano capta el 90%, pero es poco utilizable debido a que la temperatura es muy baja. Sin embargo, un colector térmico solar, sobre todo si opera a una temperatu-

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ra no excesiva alcanza con facilidad eficiencias del 60%, o un panel fotovoltaico del 15% y aún mayores si se recurre a materiales avanzados. Sólo el 10% de la radiación solar se aprovecha para fundir hielo, dado el elevado porcentaje de reflexión que presenta éste. Las conversiones más ineficientes serían para el aprovechamiento del calor de la biomasa (apenas llegaría a 10 ppm), para la producción de biocombustibles (5 ppm) o para la generación de la energía fósil (1 ppm). Lo anterior se pone de manifiesto en dos ejemplos. Si se quiere obtener calefacción mediante una estufa eléctrica y esa electricidad procede de una central termosolar es preciso concentrar previamente la radiación mediante espejos, accionar unas turbinas de vapor, producir la electricidad, transportarla, … Sólo en la conversión sol-electricidad la eficiencia se sitúa en el 16 a 18% [VIII-8], a lo que es preciso después descontar las pérdidas en el transporte. Otro ejemplo de transformación inadecuada lo constituyen los biocombustibles, que a la vista de las cifras de la Figura VIII-3 son un despilfarro energético si bien por coyunturas políticas sí pueden suponer una oportunidad de negocio interesante. De todo lo anterior resulta evidente que el camino está en aprovechar la energía todo lo que sea posible. Ello pasa por remplazar el despilfarro al que la sociedad moderna está acostumbrada con los combustibles fósiles a la frugaliEnergía fósil

0,001

Biocombustible

0,005

Calor de leña

0,01

Hielo fundido

100 150

Electricidad FV

600

Panel térmico

900

Agua de océano

1000

Radiación solar 0

200

400

600

800

1000

1200

Fig. VIII-3. Aprovechamiento de la energía procedente de la radiación solar por diferentes tecnologías (Fuente: Elaboración propia)

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dad, emplear la calidad de la energía (por ej. la temperatura) te mperatura) adecuada para cada uso, generar la energía allá donde se necesite, necesit e, almacenar en lo que se dispone y evitar las transformaciones transfor maciones innecesarias. Las medidas tecnológicas para lle var a cabo estas acciones se van a explorar seguidamente y pasan por aprovechar el calor del verano y el frío del invierno, así como la electricidad que se puede producir directamente a partir de la energía solar. En cuanto al almacenamiento, es posible almacenar energía térmica en el subsuelo (geotérmica de baja temperatura) y energía eléctrica o electroquímica en el hidrógeno. A LGUNAS LGUNAS SOLU SOLUCION CIONES ES ACC ACCESIBL ESIBLES ES Los principios teóricos orientan hacia un conjunto de soluciones concretas a los problemas de la energía en nuestro porvenir. Con tecnología disponible a coste razonable se puede utilizar la temperatura del subsuelo inmediato como barrera térmica entre dos capas aislantes sobre la envolvente del edificio como intercambiador primario de las bombas de calor geotérmicas, que usen el calor a nivel superficial del terreno en bombas de pequeño salto de temperatura. La abundancia de radiación en nuestro clima posibilita la captura directa de la energía solar en la cubierta o en los muros de la l a vivienda; su almacenamiento almacenam iento selectivo en el terreno aprovechand aprovechando o los gradientes térmicos y las barreras aislantes para compartimentar distintas temperaturas y aparece la posibilidad de almacenar el excedente de radiación en forma de hidrógeno obtenido por electrólisis a partir de paneles fotovoltaicos. Gestión de la energía geotérmica de baja temperatura: barrera térmica y bomba de calor

La Figura VIII-4 representa la evolución anual de la temperatura exterior en el campus del CSIC en Arganda del Rey, Rey, donde se ubica el Instituto de Automática Industrial Industrial.. Si se establece est ablece una u na banda de temperatura tempe ratura de confort en 22 ± 2ºC resulta evidente que cuando la temperatura exterior la excede es preciso refrigerar (retirar calor) y cuando es inferior es preciso calentar (aportar calefacción). La temperatura media del subsuelo (temperatura de bodega) es el promedio de la del aire, entorno a 16ºC, de la que se puede hacer uso para poner una barrera térmica. Ya que disipemos calor en la barrera durante el invierno la temperatura del subsuelo bajará algo para recuperar valores por encima de la media durante el e l verano. En cualquier caso la gran masa del intercambiador subterráneo dota al edificio de una inercia térmica mayor que las antiguas paredes de tapial con una estabilidad plurianual en un sistema conceptualmente sencillo de coste muy reducido.

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Evolución anual de la Temperatura para el 2005 50 Temperatura interior 22ºC Banda de confort 20-24ºC

40 ) C º ( r 30 o i r e t n i a r 20 u t a r e p m 10 e T

T. de barrera de la envolvente entre capas aislantes

0 -10

2

4

6

8

10

Temperatura media 16ºC 16º C Temperatura en el subsuelo subsu elo 12 14 Quincena

16

18

20

22

24

Eje x: representa la quincena del año –total 24 quincenas–

Fig. VIII-4. Evolución de la temperatura ambiente en el campus del CSIC en Arganda del Rey (Fuente: elaboración propia).

El concepto de la barrera térmica (patente ISOMAX) IS OMAX) en invierno se ilustra en la Figura VIII-5. En ella se ve el interior de la vivienda a la izquierda, entre 20 y 22ºC, y el exterior a la derecha a 4ºC. El muro (la envolvente envol vente de la vivienda) está constituido por un “sandwich” de dos capas de aislante (poliestireno) con una central de mortero en cuyo interior se alojan unos conductos por los que circula el agua que ha captado, mediante un intercambiador de calor enterrado, la temperatura del suelo y que va a actuar como barrera térmica. Dado que la conductividad del mortero es mucho más alta que la del poliestireno la evolución de las temperaturas presenta un gradiente casi nulo en él, frente a otro más acusado en las capas de poliestireno. La barrera térmica, es decir decir,, la presencia de agua a 16ºC en la capa de mortero, hace que el gradiente de temperatura en la capa interior del aislante sea se a mucho menor que en ausencia de la barrera, debido a que este aislante ahora está viendo en su cara externa una superficie mucho más cálida que antes. Este menor gradiente de temperaturas provoca que el calor que sale del inte-

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rior de la vivienda se reduzca en la misma medida (proporcionalidad de la ley de conducción del calor). Parte del calor que disipa el interior de la vivienda se lo llevará el agua, pero será una fracción pequeña pues el salto térmico es de sólo 6ºC; el resto se dirige al exterior, exterior, hacia donde también se disipa el calor del agua de los conductos (agua a 16ºC y exterior a 4ºC). Eso provoca que el gradiente térmico en la capa exterior de poliestireno sea mayor que en la primera, es decir, decir, la capa externa está atravesada por más calor que la interna, siendo el incremento el calor disipado por el agua, que casi en su totalidad fue captado del terreno. La situación es similar en verano, estando ilustrada en la Figura VIII-6. Supongamos que en esta ocasión el agua circula a 26ºC, mayor temperatura del suelo, por lo que cede algo de calor al interior de la vivienda, sin duda menos que si no hubiese barrera pues con el agua el salto térmico no supera los 6ºC). El exterior cede calor al agua en menor cantidad que cuando el mortero no disponía del aporte térmico del subsuelo debido al menor gradiente térmico producido por la barrera. Casi todo ese calor será transportado por el agua al terreno. En definitiva, la barrera provoca que el interior de la vivienda vea un exterior más suave debido a la enorme inercia térmica de la masa de tierra. En el funcionamiento ideal el exterior capta el calor del agua en invierno y le cede a ella el calor en veMortero Interior 20-22

Con barrera

16ºC

Sin barrera

Patente ISOMAX

Exterior 4ºC

Poliestireno

Fig. VIII-5. Ilustración del concepto de barrera térmica en invierno.

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rano, en lugar de emplear la vivienda para estos intercambios. Como fruto de este comportamiento el terreno recibe calor del exterior en verano, cediéndoselo (no necesariamente en la misma cuantía) en invierno.

Mortero Exterior 40ºC

SIN barrera

Interior 20-22

Con barrera

26ºC

Poliestireno

Fig. VIII-6. Ilustración del concepto de barrera térmica en verano.

Lamentablemente, pese a estar esta tecnología desarrollada apenas se está utilizando en nuestro entorno aunque sí está probada con éxito en otros países de condiciones climáticas más severas. La energía geotérmica superficial apenas se emplea de forma directa como se ha descrito, sino que su uso se dedica a bombas de calor, balnearios, etc. Es decir, existe una elevada oportunidad de ahorro energético aún por explotar con esta tecnología. El uso de la energía geotérmica superficial en bombas de calor sí comienza a desarrollarse con fuerza. La idea es sustituir el intercambiador de aire ambiente externo por el de líquido a la temperatura del subsuelo, de modo que la bomba tome calor en invierno del mismo y le ceda calor en verano. Como su temperatura es mayor que el ambiente en invierno y menor en verano resulta que la eficiencia de la bomba se incrementa, es decir, reduce considerablemente su consumo eléctrico al operar entre temperaturas más próximas a la de confort. En el capítulo precedente ya se abordó este tema en detalle.

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Gestión de la energía térmica captada por radiación solar: almacenamiento selectivo

Para gestionar adecuadamente la energía térmica procedente de la radiación solar es preciso captarla y almacenarla, haciendo este almacenamiento selectivo según la temperatura. Para ello se pueden aprovechar las propiedades de los materiales de construcción o del suelo, siendo determinantes en el problema: • Calor Calor específic específico o y densidad. densidad. Su produc producto to establece establece la capac capacidad idad voluvolumétrica del almacenamiento. En el suelo, de menor calor específico y mayor densidad, puede ser comparable a la del agua líquida. • Conduc Conductivida tividad d térmica. térmica. En los mater materiales iales utiliza utilizados dos usualmen usualmente te en construcción ofrece un elevado rango de variación del orden de cuatro órdenes de magnitud. Por ello la elevada transmisión de los metales puede conseguir una gran difusividad del calor en el mallazo de acero estructural al que se fijan los tubos en los muros. En el extremo opuesto los materiales aislantes (lana de roca, poliestireno, poliuretano) presentan un valor muy bajo, bajo, lo que favorece favorece el confinam confinamiento iento térmic térmico o e incluso incluso el almacenar calor a diferentes temperaturas en espacios próximos. • Cal Calor or latente. latente. Puede Puede ser interes interesante ante recurr recurrir ir a los materia materiales les con camcambio de fase (PCM) para lograr una densidad de almacenamiento muy elevada, reduciendo así los espacios requeridos. reque ridos. También También se puede recurrir a ellos para cargarlos con los excedentes estacionales de modo que se evite la deriva térmica del terreno. El almacenamiento selectivo es preciso para aprovechar al máximo la radiación solar. Viene a ser una manera de poner orden en la energía almacenada, reduciendo su entropía, tarea factible a lo largo del tiempo que Maxwell proponía como tarea imposible para su diablillo en el intento de disminuir la entropía de un sistema [VIII-9]. Así, en las primera horas del día, con el sol aún bajo en el horizonte, la temperatura sobre la cubierta de la vivienda será de 16 a 24ºC, y se podrá almacenar en el subsuelo bajo la vivienda en un anillo periférico; a medida de el día avanza y el sol asciende se alcanzará una zona de radiación intermedia, que producirá sobre la cubierta temperaturas entre 24 y 40ºC y cuyo calor podrá ser almacenado en un anillo del subsuelo interior al primero; finalmente, en las horas de máxima radiación, con el sol en la vertical, se pueden lograr temperaturas en la cubierta superiores a 40ºC, 40 ºC, las cuales se almacenarían en un anillo concéntrico con los anteriores, siendo el más interior de los tres. De este modo se tiene t iene disponible la energía térmica captada en la cubierta ordenada y clasificada según su uso, lo que permite una mejor integración de las transformaciones.

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Se han realizado modelos numéricos con elementos finitos de este proceso cíclico de captura, almacenamiento almacenamiento en el subsuelo y uso en la barrera. Considerando las inercias térmicas de la gran masa involucrada y el lento cambio estacional se han obtenido resultados muy favorables, difíciles de creer a primera vista hasta que han sido confirmados por los ensayos. Los resultados son espectaculares debido a que se juega con inercias térmicas enormes, junto con una gran capacidad de confinamiento debida a la baja conductividad térmica de las barreras aislantes establecidas. Esto hace que se pueda hablar de almacenamiento no ya diario, sino estacional e incluso plurianual con período de estabilidad térmica del sistema, tanto teórico como experimental, entorno a los tres años. Por otra parte, la gestión energética que se realiza en el sistema se posibilita mediante el movimiento de fluidos, ya sea con agua que capta radiación en cubierta, la almacena en el subsuelo y parte de ella la pone a trabajar como barrera térmica o incluso con aire que permite jugar con recuperaciones en la ventilación. En el Instituto de Automática Industrial se ha construido un prototipo para validar experimentalmente el sistema conjunto. Se le ha dotado de intercambiadores coaxiales para las recuperaciones de calor con aire y se efectúa el almacenamiento térmico selectivo en el subsuelo, subs uelo, como se puede ver en la Figura VIII-7. Además se han colocado sondas para poder determinar la distribución de temperaturas en diferentes puntos de los circuitos y del terreno a distinta profundidad, adquiriendo así datos que ayuden a comprender y evaluar el comportamiento del sistema en conjunto. Sobre un mallazo de acero embebido en el mortero de los muros se ha creado la barrera térmica con tubos de polipropileno, como se ve en la Figura VIII-8, completándolos con una capa de aislante externo como encofrado perdido, rellenando con mortero el interior y cerrando con la cubierta que capta directamente bajo teja la radiación solar. Tras la construcción del prototipo se han detectado posibles mejoras que pueden facilitar la construcción. Éstas consisten en separar la misión estructural de la del cerramiento para facilitar la construcción en altura; emplear una envolvente con piel cuádruple (patente CSIC), como se muestra en la Figura VIII-9, con el fin de disponer de tres isotermas isote rmas de temperatura controlada que permitan actuar como intercambiador int ercambiador con el exterior, usar la capa intermedia para recuperación y control y la interior como muro, techo o suelo radiante; plantear el transporte energético no sólo a partir de agua, sino combinándolo con aire. Finalmente, se puede estabilizar la deriva térmica del subsuelo complementando éste como almacenamiento con materiales por cambio de fase.

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Fig. VIII-7. Vista de los intercambiadores intercambiadores coaxiales para renovación renovación del aire y del del almacenamiento selectivo en el prototipo ISOMAX del Instituto de Automática Industrial.

Fig. VIII-8. Barrera térmica en el prototipo ISOMAX del Instituto de Automática Industrial. Industrial.

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lámina densa aislante exterior

doble lámina conductora media

capa porosa exterior lámina densa conductora exterior

lámina densa lámina aislante densa conductora interior interior

capa porosa interior

capa porosa media

Fig. VIII-9. Cerramiento con piel cuádruple para crear tres superficies isotermas en la envolvente edificatoria.

Con estos criterios se ha diseñado una vivienda de consumo cero que será exhibida en la EXPO 2008 de Zaragoza y cuyo diagrama de flujos térmicos se recoge en la Figura VIII-10. En este diseño está incorporada la renovación del aire interior, las cortinas de aire en los accesos puesto que ha de estar abierta al paso continuo de visitantes y la envolvente compuesta por una piel cuádruple que permite mantener tres isotermas. Puesto que ha de utilizarse inmediatamente después de su construcción, no se ha podido acumular en el subsuelo los niveles térmicos requeridos en un edificio convencional. Por ello se está empleando como refrigeración el nivel freático del Ebro a cuya ribera se encuentra a partir del agua de un pozo a 15ºC, usando como elemento auxiliar un estanque decorativo que pre-enfría el aire de entrada. En la ubicación definitiva en el Campus del CSIC se contará con un acumulador geotérmico bajo tierra que es estabilizado con materiales de cambio de fase a la temperatura adecuada. Las experiencias de viviendas construidas de esta forma en climas más se veros que qu e el de España, como el de Polonia, donde d onde las demandas no son de 100 kWh/m2-año sino del doble o más muestran unos consumos inferiores a 15 kWh/m2-año. Por tanto, la tecnología existe, los modelos y las pruebas experimentales confirman su eficacia, y su coste es similar al de la construcción tradicional.l. Un apartado del mayor interés en la actualidad es la posibilidad de tradiciona

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utilizar esta tecnología en la rehabilitación de viviendas ya construidas. constr uidas. El procedimiento habitual de añadir un aislante y revocado sobre la cubierta y fachadas se complementa con una capa intermedia por donde circula un fluido en forma controlada e intercambiadores subterráneos en pozo o lámina donde almacenar calor en verano y frío durante el invierno. Satisfacción de la demanda eléctrica

Una vez resuelto en forma accesible, tanto técnica como económicamente, el consumo térmico de los edificios que supone un 70% del total para lograr la autosuficiencia falta abordar el 30% de demanda del hogar, que según los datos estadísticos del IDAE las viviendas españolas necesitan en forma eléctrica. La generación eléctrica fotovoltaica se ha generalizado en los últimos años disminuyendo notablemente su precio por unidad de potencia generada. Ahora bien, la acumulación de esta energía de “elevada calidad” trasciende de las prestaciones de las baterías convencionales para orientarse a la incipiente tecnología del hidrógeno. Partiendo de la electricidad fotovoltaica generada en las horas de luz se produce hidrógeno en un electrolizador que

T AIRE EXTERIOR

RENOVACIÓN AIRE INTERIOR

CORTINA DE AIRE EN LOS ACCESOS

CAMBIADOR Q Ti AIRE-AGUA

AGUA DEL POZO 15ºC

ESTANQUE M7

ENVOLVENTE Muro interior Barrera térmica Captador exterior Q

T1, T2, T3

T Q

T Q T ACUMULADOR GEOTÉRMICO

Q T

Q T

MATERIAL DE CAMBIO DE FASE 22 ºC

MATERIAL DE CAMBIO DE FASE 16 ºC

Fig. VIII-10. Flujos térmicos en un prototipo de vivienda con consumo nulo de energía.

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se acumula en un tanque con elevada densidad másica de energía. Las pilas de combustible permiten convertir la energía química del hidrógeno de forma directa en electricidad en un proceso de recuperación de notable eficiencia. El esquema sería como el mostrado en la Figura VIII-11, donde se ha partido de pequeños equipos de laboratorio desde los que se ha podido migrar hacia equipos comerciales que serán montados en el demostrador de la EXPO Zaragoza 2008. Los sistemas de hidrógeno y pila de combustible en la actualidad son muy caros, tanto en el electrolizador, como en los paneles fotovoltaicos para producir la electrólisis como en la propia pila. La respuesta a eso llega desde la in vestigación, permitien permitiendo do desarrollar des arrollar elementos que permitan per mitan remplazar rempl azar los materiales caros de los electrolitos y catalizadores por otros más simples y baratos, obteniendo el hidrógeno de otras fuentes, como residuos, etc. Para lograr todo esto el CSIC involucró a un conjunto de Institutos de los que en el de Automática actúa como integrador para llevar a cabo el proyecto conjunto.

Paneles fotovoltaicos

Electrolizador Pila de combustible Compresor Conexión a la red Inversor

Tanques de hidrógeno

Fig. VIII-11. Esquema de la producción de energía eléctrica para autoabastecer a una vivienda.

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Los flujos energéticos requeridos para satisfacer la demanda eléctrica de una vivienda vivi enda apar aparecen ecen most mostrado radoss en la Figur Figuraa VIII-1 VIII-12, 2, donde donde desde desde pane paneles les fotovo fotovol-ltaicos se produce electricidad, que puede ser acumulada en baterías o atacar al inversor para alimentar las cargas eléctricas de la vivienda. El excedente puede ser dedicado a producir hidrógeno a partir de un electrolizador que lo almacena o bien en hidruros a baja presión o en un depósito para finalmente finalmente atacar a una pila polimérica cuando sea precio disponer de electricidad. Con este sistema, disponiendo de 11 kW pico en los paneles (100 m2 ) se puede sati satisfac sfacer er una una demanda media de 3 kW eléctricos en la vivienda, con unos picos de 6 kW, bastante más de lo necesario si se han excluido las necesidades térmicas.

100 M2 DE PANELES PANELES FOTOVOLTÁICOS 11Kw pico

INVERSOR

ILUMINACIÓN

BATERÍAS INSTRUMENTACIÓN ELECTROLIZADOR BOMBAS AGUA ACUMULADOR DE HIDRUROS METÁLICOS

DEPÓSITO SOPLADORES

PILA PEM

INVERSOR

SEGURIDAD

Figura VIII-12. Flujos de energía para gestionar la demanda eléctrica de una vivienda autosuficiente.

Si la tecnología reduce notablemente el coste de pila y electrolizador se puede asumir que estos dispositivos se sobredimensionen para trabajar a una fracción de su potencia máxima con lo que su eficiencia crece en forma notable. Con esta hipótesis, el balance energético global se puede estimar que los

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1.700 kWh/m2-año de radiación solar se ven afectados por un 16% de rendimiento en el panel fotovoltaico, por un 80% de rendimiento en el electrolizador, por un 90% de rendimiento en el sistema de almacenamiento y por un 60% en la pila de combustible, quedando 117,5 kWh/m2-año para satisfacer tan solo 30 kWh/m2-año. Es decir, en este contexto se producen por m2 de cubierta unas tres veces la electricidad demandada por la vivienda, por lo que el excedente podría ser vertido a red en un esquema de generación distribuida, acumulado en las baterías de vehículos híbridos o incluso eléctricos, … CONCLUSIÓN El Primer Principio de la Termodinámica nos muestra que la energía solar aporta a una vivienda mucha más energía de la que ésta consume. El Segundo Principio pone cotas al aprovechamiento de esa aparente disponibilidad, pero existen tecnologías probadas, disponibles y baratas que permiten almacenar la energía de forma ordenada con objeto de hacer uso de ella en su discurso a favor de la entropía. Se ha visto a lo largo del capítulo que el problema del aprovechamiento eficiente de la energía en última instancia es un problema de gestión energética, de saber ordenar y usar los flujos térmicos y eléctricos de forma conveniente y adaptando su calidad a su uso. Toda Toda esa gestión se puede pued e llevar a cabo de forma sencilla, de manera que el “diablillo de Maxwell” acaba siendo unas pocas electroválvulas operadas a partir de las instrucciones instr ucciones de unas sondas de medida convenientemente establecidas. En cuanto a la producción de electricidad, casi todos los equipos implicados requieren unas inversiones muy elevadas, lo cual ha h a de ser superado con I+D+i para poder obtener prestaciones similares con materiales más económicos en un esquema de uso racional. Como conclusión final se puede establecer que es posible hoy día construir una vivienda autosuficiente que haga uso de energía solar y geotérmica de baja temperatura. La tecnología existe y está probada, aunque parte de ella es cara, pero esto podrá ser superado en unos años con la investigación necesaria. A GRADECIMIENTOS GRADECIMIENTOS En primer lugar he de agradecer a José Ignacio Linares y a la Cátedra Rafael Mariño la oportunidad de plasmar en un texto estas ideas y su inestimable ayuda para llevarlo adelante. Los resultados que se comentan son fruto del trabajo, colaboración y financiación de muchos en la aventura de una investigación útil para las gene-

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raciones venideras. Los compañeros compañeros de la red de Pilas de Combustible y en particular los grupos del IAI, del ICV, del ICP y del IETCC del CSIC, al del INTA,, la colaboración con el ICAI de la Universidad Pontificia Comillas, así como TA el INSIA-ETSII y el grupo TISE-ETSA de la UPM. Los aspectos térmicos han sido posibles por la financiación de la empresa GEOSOLMAX y la confianza de EXPOAGUA para construcción e instrumentación de dos prototipos de vivienda a escala real. El MEC ha financiado el desarrollo de nuevos dispositivos de hidrógeno en el proyecto “Diseño y realizaci realización ón de una nueva Pila de Combustible polimérica de bajo coste y alta eficacia” MCYT- ENE2005-09124-C04-02/ALT ENE2005-09124-C04-02/ALT. R EFERENCIAS EFERENCIAS [VIII-1] IEA World Energy Outlook 2004. [VIII-2] Bookout, J.F., J.F., “Two “Two centuries of fossil fuel energy”, ene rgy”, International Inter national geological congress, Washington DC, July 10, 1985. Episodes, vol 12, 257-262 (1989). [VIII-3] Smalley, Smalley, R.E., MRS Bulletin, Bul letin, 30, 412-417 (2005). [VIII-4] Rifkin, J., The hydrogen economy, Tarcher, New York, (2002). [VIII-5] G. Tyler Miller “Living in the Environment: Principles, Connections, and Solutions”, Brooks/Cole Pub Co, September 14th ed. (2006) ISBN-10: 0495015989. [VIII-6] Hubbert, M.K., “Man’s Conquest of Energy: Its Ecological and Human Consequences”, in The Environmenta Environmentall and Ecologic Ecological al Forum 1971-1972. Washington W ashington D.C., U.S. Atomic Energy Commission Publication TID-25858, 1972. [VIII-7] IDAE, Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable, 2ª edición, 2007. [VIII-8] Ballesteros, J.C., Energía solar térmica para generación eléctrica: estado actual y perspectiva inmediata, en ENERGÍA EN ERGÍA SOLAR: SOL AR: ESTADO ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVA PERSPECTIVA INMEDIAT INMEDIATA, Asociación Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI y Universidad Pontficia Comillas, 2007. [VIII-9] Aguilar, J., Curso de Termodinámica, Termodinámica, Alhambra Longman, 1989.

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La Cá Cátedr edra a Ra Rafa fael el Ma Mariño de Nue N ueva vass Te T ecnologías Energ rgé éticas de la Un Uniivers rsiidad Pontifica Comillas tiene la vocación de servir al debate y la reflexión acerca de la problemática inherente al suministro energético y su sostenibilidad en el medio y largo plazo, así como su solución y la contribución que a ella brindan las Nuevas Te T ecnol olo ogía íass Energ rgé étic ica as para asegura rarr el el suministro. El Comité de Energía y Recursos Naturales del Instituto de la Ingeniería de España desde los años 70 ha editado monogr nogra afífía as refer referiida dass a tema temas de actual actualida dad d y que contienen la experiencia de un grupo de profesionales de reconocido prestigio interesados en la energía. Fruto de estos intereses mutuos nació el Seminario Permanente de Tecnologías Energéticas, como un foro de encuentro de los los profes profesiionales yaca cadém démico coss del del se sect cto or energético en el que reflexionar sobre las posibles soluciones tecnológicas al problema energético. Este volumen, Eficiencia ener en ergéti gética ca en la ed edii f i ca cación ción , continúa las publicaciones del Seminario con las que se pretende presentar a la sociedad las soluciones técnicas disponibles para el abastecimiento energético para que ésta pueda formarse un juicio crítico sobre las mismas.

ICAI_Eficiencia Energética en la Edificación.pdf

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