Respuesta a la demanda en la calefacción urbana
Escrito por Sonja Salo. Publicado anteriormente por Fourdeg Oy en Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Este artículo se publicó anteriormente en Kuntatekniikka (12/2016)
Equipar el sistema de calefacción de los edificios con dispositivos de control inteligentes puede reportar importantes beneficios económicos y medioambientales. Una vez conectados los edificios a la red local de calefacción urbana de las ciudades o municipios, no hay que optimizar los edificios individualmente, sino toda la red de calefacción urbana como un sistema que optimiza simultáneamente la producción, la distribución y el consumo.
Aproximadamente la mitad de los hogares finlandeses están conectados a la calefacción urbana. El consumo total de energía en 2015 fue de unos 33 TWh, un 5% menos que el año anterior, debido a un clima cálido récord.
La calefacción urbana se considera la forma más rentable de calentar los edificios, sobre todo en las zonas urbanas. Finlandia, como otros países nórdicos, cuenta con algunas de las redes de calefacción urbana más completas del mundo. Sin embargo, las formas alternativas de calefacción evolucionan a gran velocidad. La creciente competencia y los cambios en la orientación de la política energética están ejerciendo una gran presión sobre las empresas de calefacción urbana para que cambien.
Actualmente, la calefacción urbana se produce directamente para satisfacer la demanda de los consumidores y a precios bastante rígidos. El consumo de calefacción urbana varía tanto estacional como diariamente en función de la temperatura exterior y el comportamiento de los consumidores. La flexibilidad en el suministro de energía se consigue principalmente mediante cambios en la producción, la utilización de grandes depósitos de agua y la optimización de la red de distribución. Los picos momentáneos de la demanda suelen sustituirse por combustibles fósiles, ya que éstos se adaptan a los cambios rápidos de la producción de calor.
El calor se almacena en estructuras
Alternativamente, el consumo de energía de los edificios individuales podría flexionarse a la baja durante los picos de consumo momentáneos. El objetivo de la gestión de la demanda de calefacción urbana es transferir la cantidad adecuada de energía térmica que necesitan los edificios a lo largo del tiempo, optimizando al mismo tiempo la demanda total de energía de la red. Por ejemplo, se puede suministrar energía térmica a los edificios unas horas antes de un pico de demanda. La energía suministrada se almacena en depósitos de agua caliente o en las estructuras de los edificios, reduciendo así la demanda energética de los edificios durante el pico de demanda. Así se evita la puesta en marcha de una costosa central eléctrica de reserva.
La gestión de la demanda para la calefacción urbana tiene similitudes con la utilizada para la electricidad. Internacionalmente, Demand Side Management también se entiende como ahorro total de energía, y Demand Response en los sistemas eléctricos se refiere a la transferencia de energía a lo largo del tiempo. A diferencia de la electricidad, la calefacción urbana está obligada a producirse localmente.
La calefacción urbana también es más rígida como forma de energía, reacciona más lentamente a los cambios y la flexibilidad debe planificarse de antemano. Con el control inteligente de la temperatura, el usuario final no nota el cambio momentáneo de la calefacción debido a la lentitud de la respuesta.
El objetivo último de la respuesta a la demanda (DSR) es conseguir ahorros tanto en el consumo de energía como en los costes sin sacrificar la facilidad de uso. Por tanto, la gestión de la demanda de agua caliente sanitaria y calefacción urbana solo tiene posibilidades limitadas.
Batería térmica virtual
Los edificios conectados a la calefacción urbana pueden formar parte de un acumulador térmico virtual distribuido con control inteligente. Estos pequeños acumuladores térmicos locales aparecen ante la empresa de calefacción urbana como un gran acumulador térmico virtual que el operador puede cargar y descargar del mismo modo que un gran acumulador térmico de depósito de agua.
Un sistema de almacenamiento térmico distribuido funciona como una central eléctrica virtual en los sistemas eléctricos. De este modo, una empresa de calefacción urbana puede aumentar la capacidad de su batería virtual con una inversión relativamente pequeña sin poseer ningún almacenamiento físico.
Los almacenamientos térmicos distribuidos pueden gestionarse a distancia con dispositivos conectados al Internet de las Cosas. Entre sus ventajas destacan los bajos costes de inversión, el mantenimiento predictivo y el uso eficiente del espacio. Un almacenamiento térmico distribuido en un inmueble con calefacción urbana es un importante acumulador de calor.
El acumulador de calor se carga y descarga en las estructuras en función del cambio de temperatura del aire ambiente, lo que permite un almacenamiento de calor a corto plazo de unas pocas horas.
Cuando los radiadores aumentan su potencia, el aire de la habitación se calienta primero debido a su menor capacidad térmica. Después, la energía térmica se transfiere lentamente a las estructuras de la habitación, como las paredes, el suelo y el techo.
En consecuencia, a medida que disminuye la potencia de los radiadores, las estructuras de la sala transfieren lentamente energía térmica al aire de la sala manteniendo una temperatura constante.
Se puede aumentar la capacidad de almacenamiento térmico
El potencial de almacenamiento de las estructuras depende en gran medida de la capacidad térmica del material, su masa y el gradiente térmico al que se aplica el almacenamiento. Los edificios conectados a la gestión de la demanda deben tener una estructura pesada y, por tanto, poseer una gran capacidad térmica.
La capacidad de almacenamiento térmico puede aumentarse añadiendo almacenamiento de calor latente (LHS) en lugar de almacenamiento de calor sensible (SHS), lo que puede realizarse mediante sistemas activos o integrando pasivamente los materiales de cambio de fase en las estructuras.
Equipar un edificio con controles inteligentes reduce su consumo de energía, ya que los controladores equilibran la temperatura interior de las habitaciones, bajan la temperatura durante las ausencias y aprenden la capacidad térmica individual del edificio. Con el control adecuado, el edificio optimiza y ahorra energía.
Con la gestión de la demanda, la temperatura interna de un edificio puede aumentar momentáneamente, provocando un aumento de las pérdidas de calor. Por lo tanto, el edificio puede consumir más energía de la que ahorra durante el corte de calefacción. Sin embargo, este aumento de la demanda de energía se ha realizado durante un periodo rentable y el coste total de la producción de energía puede seguir disminuyendo.
La potencia puede reducirse hasta un 30%.
El potencial de almacenamiento de las estructuras depende en gran medida de la capacidad térmica del material, su masa y el gradiente térmico al que se aplica el almacenamiento. Los edificios relacionados con la elasticidad de la demanda son lo más pesados posible, es decir, tienen una gran masa térmica.
La capacidad de almacenamiento térmico puede aumentarse optando por el almacenamiento de calor latente en lugar del sensible, lo que puede realizarse con sistemas activos o integrando pasivamente material de cambio de fase en las estructuras.
Equipar el edificio con dispositivos de control inteligentes reduce el consumo de energía del edificio, cuando los controles equilibran la temperatura interior de las habitaciones, bajan la temperatura durante las ausencias y aprenden la resistencia térmica individual del edificio. Con el control adecuado, el edificio ahorra energía en su conjunto.
Con la elasticidad de la demanda, la temperatura interna del edificio puede aumentar momentáneamente, provocando que las pérdidas de calor también aumenten. El edificio puede entonces consumir más energía cuando ahorra calor durante un apagón. Sin embargo, este aumento de la demanda de energía se ha realizado en un tiempo rentable, por lo que los costes totales de producción pueden disminuir.
La potencia máxima puede reducirse hasta un 30%.
Se han realizado simulaciones específicas de cada habitación y de toda la red para flexibilizar la demanda de calefacción urbana. La simulación por habitaciones mostró que los puntos más débiles del edificio se encuentran en las habitaciones de las esquinas, que tienen una mayor pérdida de calor que el resto del edificio. Por lo tanto, con un control de la calefacción específico para cada habitación, es posible utilizar el potencial de almacenamiento de todo el edificio.
Según una investigación realizada en Jyväskylä, es posible reducir la potencia del sistema de calefacción urbana hasta un 25-30%, lo que significa que puede evitarse el uso de un centro de calefacción que funcione con fuel-oil, por ejemplo.
La flexibilidad de la demanda de calefacción urbana forma parte de la red inteligente de calefacción urbana del futuro. Según la simulación de la red, una empresa de calefacción urbana puede ahorrar entre un 5% y un 10% en los costes variables de la calefacción urbana utilizando una batería térmica distribuida.
La parte de los costes variables en los costes totales de la producción de calefacción urbana varía en función, por ejemplo, de la estructura de producción, el tamaño y la antigüedad de la red de calefacción urbana. En la simulación se han tenido en cuenta las dependencias de la central de producción combinada de electricidad y calor y de la gran bomba de calor del precio al contado de la electricidad.
Una empresa energética puede encontrar valor añadido al negocio existente abriendo una conversación con el cliente. Esto nos lleva a una de las cuestiones centrales de la elasticidad de la demanda: ¿cómo atraer a los consumidores para que participen en la elasticidad? Aunque la tecnología existe, aún se están desarrollando los incentivos económicos y sociales adecuados.
También debe actualizarse la actitud de los consumidores ante el suministro inagotable de energía. El sector público podría marcar tendencias y ser pionero de una calefacción urbana más limpia, inteligente y eficiente.
Fuentes:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Predictive Demand-side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings,
Kärkkäinen et al. (2004) Gestión de la demanda de los sistemas de calefacción urbana