Redes de calefacción urbana y cogeneración. Revisión sobre la utilización actual y perspectivas de evolución en la UE-28


Redacción Científica, 2015
45 Páginas

Extracto

Índice de contenidos

Introducción

1. Directivas Comunitarias y eficiencia energética
1.1 Método danés
1.2 Método general para calcular el ahorro energético debido a la cogeneración
1.3. Consecuencias de la utilización de bombas de calor individuales con fines de calefacción

2. Idoneidad de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en Europa
2.1. Revisión de estudios que hacen referencia a la utilización de la calefacción urbana desde una perspectiva económica
2.2. Combined heat and electrical power generation in the United Kingdom
2.2.1 Analysis of the UK potential for combined heat and power
2.2.2. An assessment of the present and future opportunities for combined heat and power with district heating (CHP-DH) in the United Kingdom
2.2.3. Urban community heating and cooling: the Southampton district energy scheme
2.2.4. Smart heat grids – the potential for district heating to contribute to electricity demand management to facilitate renewable and nuclear electricity generation
2.3. Beneficios de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana

3. Pérdidas energéticas en las centrales eléctricas sitas en la Unión Europea

4. Expectativas la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en Europa
4.1. Eficiencia energética y calefacción urbana
4.2. Variabilidad de las cargas térmicas
4.3. Tipo de edificaciones apropiadas para el empleo del calor resultante de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana
4.4. Previsiones de crecimiento y cifras sobre la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en Europa

5. Papel de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en ciudades inteligentes
5.1. La ciudad inteligente de Copenhague

6. Conclusiones

REFERENCIAS

Tabla de ilustraciones

Ilustración 1. Ahorro de energía primaria debido a la utilización de la cogeneración (ENERGY SOLUTIONS CENTER, INC., 2010)

Ilustración 2. Consumo de energía útil para la calefacción en kilogramos equivalente de petróleo por m2 y grados día de calefacción con respecto a la cuota de calefacción centralizada para algunos países miembros de la UE (ENERDATA, 2011)

Ilustración 3. Potencial de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en el Reino Unido para varias tasas de descuento (DEPARTMENT FOR ENVIRONMENT FOOD AND RURAL AFFAIRS, 2007)

Ilustración 4. Coste de reducción del CO2 para una vivienda típica del Reino Unido en el año 2008 (KELLY, 2010)

Ilustración 5. Comparación de diferentes escenarios de valores actuales netos (IEADHC, 2005)

Ilustración 6. Comparación de diferentes soluciones energéticas con bajas emisiones de carbono (WOODS, 2010)

Ilustración 7. Balance energético para los países miembros de la Unión Europea y los países que pertenecen a la Asociación Europea de Libre Comercio durante el año 2003 (ECOHEATCOOL AND EUROHEAT & POWER, 2006)

Ilustración 8. Balance energético europeo para el año 2006. Diagrama de flujo (SANKEY-DIAGRAMS, 2011)

Ilustración 9. Demanda de calor en el sector industrial para la Unión Europea, China y Estados Unidos (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2012)

Ilustración 10. Consumo energético en viviendas sitas en la Unión Europea por utilización final de la misma (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY, 2012)

Ilustración 11. Diferentes escenarios del calor suministrado por las redes de calefacción y las plantas de cogeneración industriales de la Unión Europea hasta el año 2 050 (AALBORG UNIVERSITET, 2013)

Ilustración 12. Niveles de precio del calor proporcionado por la calefacción urbana en Europa para el período 2004-2008 (WERNER, 2011)

Ilustración 13. Crecimiento de las ventas del frío proporcionado por las redes de refrigeración urbana (WERNER, 2011)

Ilustración 14. Porcentaje de ciudadanos que tienen acceso a la calefacción urbana para diferentes países de la OECD (año 2011) (LAUERSEN, 2013)

Ilustración 15. Contribución de la cogeneración en la producción eléctrica para diferentes países de la OECD (año 2011) (LAUERSEN, 2013)

Ilustración 16. Mapa de VEKS que muestra el sistema de transporte (sólo los sistemas de calefacción urbana locales en el área de VEKS) (VEKS, 2013)

Introducción

En una red de calefacción urbana son una o más fuentes de calor las que proporcionan el agua caliente a transportar a los usuarios a través de tuberías de agua (EUROHEAT & POWER, 2011). Si el calor residual procede de una central eléctrica, se utiliza el término “Cogeneración”. Realmente, toda central eléctrica convencional es una planta cogeneradora debido a que la segunda ley de la termodinámica indica que si se desea generar energía a través de calor, algo del mismo debe ser emitido al ambiente (DINCER et AL, 2010).

Aunque las centrales eléctricas que sólo producen electricidad emiten calor a una temperatura muy baja como para poder ser utilizado en aplicaciones de calefacción, la cogeneración permite que la temperatura del calor residual pueda elevarse hasta unos niveles útiles (BASEL et AL, 2009). En grandes centrales eléctricas esto se consigue mediante la extracción de una determinada cantidad de vapor de la turbina a una temperatura superior que la que normalmente tiene cuando está operando en modo sólo electricidad (ICF INTERNATIONAL, 2008). A pesar de que este modo de actuar merma la producción eléctrica, el consumo de combustible permanece constante. Esto significa que un pequeño sacrificio de electricidad posibilita la producción de una cantidad de calor utilizable mucho mayor (ELSAKET, 2007).

Normalmente al emplear el método de la cogeneración y sacrificar una unidad de electricidad es posible obtener 9 veces esa energía en forma de calor (por el contrario, al utilizar una bomba de calor solo sería posible multiplicar esa cantidad por 3) (LOWE, 2011). Por otro lado es preciso indicar que la cogeneración no genera ningún tipo de ahorro energético en el sector eléctrico, llevándose a cabo todo el ahorro en el sector de la calefacción (JONG, 2004).

1. Directivas Comunitarias y eficiencia energética

1.1 Método danés

En este apartado se presentará el método danés (DYRELUND, 2011) para analizar cuánto combustible es necesario para producir calor. En (Tabla 1) se muestra una estimación simple de cuánto combustible se necesita para producir calor a partir de electricidad, calderas, bombas de calor y plantas de cogeneración. A partir de los resultados que están resaltados en rojo se puede concluir que si se compara una planta cogeneradora basada en un ciclo combinado a turbina de gas con una caldera de gas, se puede observar que para generar cada unidad de calor, la unidad cogeneradora utiliza 0.27 unidades de energía mientras que la caldera necesita 1.11 unidades (un factor 4 veces superior). Por su parte, la bomba de calor emplea 0.66 unidades (un factor 2.44 veces superior) y la calefacción eléctrica 1.98 (un factor 5 veces superior). Por lo tanto, se puede concluir que el calor procedente de una planta cogeneradora es una fuente energética con unas bajas necesidades energéticas y unas muy bajas emisiones contaminantes.

La asunción que se hace en (Tabla 1) es que cuando la central empieza a operar como planta cogeneradora y cae su producción eléctrica , otra planta de condensación (que no esté operando a su potencia de salida máxima) en el sistema será la encargada de aumentar su potencia de salida con el objeto de compensar dicho cambio, produciéndose por tanto una modificación del consumo de combustible (éste se le asignará al calor producido por la planta cogeneradora, debido a que es el único incremento en el sistema en cuanto a consumo de combustible se refiere) (FAHLEN ET AL, 2010).

Debido a que por definición las centrales eléctricas marginales son las que marcan el precio en cada hora para todas las tecnologías (CORTES GENERALES, 2006) y a que en este caso siempre estarán operando cerca a su máxima potencia de salida, queda claro que (en su conjunto) el combustible utilizado para generar electricidad permanecerá constante (UNEP, 2006) y a una eficiencia constante (UCHE, 2000).

Este método de mostrar la eficiencia energética de la cogeneración da información del ahorro de una forma directa. El método normal (que consiste en comparar el ahorro de energía primaria tal y como se describe en la sección siguiente) también podría ser utilizado. En principio el método danés es más adecuado para realizar un planeamiento energético detallado en el cual se necesite conocer los cambios marginales en el sistema para los diferentes escenarios energéticos, de tal manera que pueda determinarse la solución óptima fácilmente.

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Tabla 1. Método danés para comparar el combustible o energía consumida por unidad de calor entregada a la planta cogeneradora y otras formas de calefacción (DYRELUND, 2011)

1.2 Método general para calcular el ahorro energético debido a la cogeneración

En (Ilustración 1)se puede apreciar a través de un ejemplo (ENERGY SOLUTIONS CENTER, INC., 2010) el método general para indicar el potencial ahorro de energía debido a la utilización de la cogeneración (este ejemplo es hasta cierto punto poco realista debido a que considera que la nueva planta cogeneradora tiene una eficiencia eléctrica ligeramente superior a la planta de condensación antigua con la que se está comparando y que no existen pérdidas en la red de transporte debido a que la nueva planta cogeneradora se encuentra localizada cerca de los consumidores de electricidad y calor). Sin embargo, éste es un método excelente (a la vez de sencillo) para especificar el rendimiento requerido de las plantas cogeneradoras a nivel europeo.

Los dos primeros diagramas de color azul de (Ilustración 1) muestran la energía primaria entrando desde la izquierda yendo hacia una central eléctrica y una caldera (proporcionando 35 unidades de electricidad y 50 unidades de calor). Como se puede apreciar en (Ilustración 1), para generar las mismas 35 unidades de electricidad y 50 unidades de calor, una planta cogeneradora sólo necesita 100 unidades de energía primaria, resultando por tanto en un ahorro de 80 unidades de energía primaria (un 44%).

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Ilustración 1. Ahorro de energía primaria debido a la utilización de la cogeneración (ENERGY SOLUTIONS CENTER, INC., 2010)

En este ejemplo (ENERGY SOLUTIONS CENTER, INC., 2010) se supone que la eficiencia eléctrica es del 35% tanto para la planta de condensación antigua así como para la nueva planta cogeneradora cuando está operando en modo cogeneración (como se explicó anteriormente el mismo es en cierto modo poco realista). Si las dos plantas fueran del mismo tipo, la eficiencia eléctrica en modo cogeneración sería ligeramente inferior que la que se obtendría en modo condensación (LINDBOE, 2007).

Como se desprende del ejemplo, la planta cogeneradora local necesita 21 unidades menos de combustible (en concreto 100) que la típica central localizada a una distancia considerable de los centros de consumo para producir la misma electricidad útil, teniendo la primera además la gran ventaja de producir calor. Si se tiene en cuenta que para generar la misma cantidad de calor y electricidad en una central convencional que se encuentre distante de los centros de consumo son necesarias 180 unidades de combustible, el ahorro total sería del 44%. Aunque este diagrama pueda parecer un tanto confuso, muestra muy bien el hecho de que las antiguas e ineficientes plantas de condensación localizadas en áreas remotas y distantes de las ciudades podrían ser reemplazadas por las nuevas plantas de cogeneración localizadas más próximas a los consumos eléctricos y térmicos.

1.3. Consecuencias de la utilización de bombas de calor individuales con fines de calefacción

La Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo relativa a la eficiencia energética del año 2011 estima que el ahorro total que conllevaría la producción combinada de calor y electricidad mediante la implantación de plantas cogeneradoras (en lugar de generar el calor y la electricidad de forma independiente) sería de un 29% (IPEEC, 2012), siendo por lo tanto una razón de peso para invertir en plantas cogeneradoras en lugar de hacerlo en centrales que sólo produzcan electricidad.

En principio se puede decir que, generalmente, la calefacción urbana es un método más económico de proporcionar calor a edificios de viviendas que la utilización de la red eléctrica (incluso más que si ésta se combina con bombas de calor debido a que la mayoría de las redes eléctricas europeas no han sido dimensionadas para suministrar la potencia requerida a día de hoy) (AECOM, 2010).

El Coeficiente de Rendimiento (la relación entre la electricidad entrante y el calor saliente) de las bombas de calor aerotérmicas disminuye conforme lo hace la temperatura del aire (NATURAL RESOURCES CANADA, 2013), coincidiendo esto obviamente con la máxima demanda de calor en un edificio determinado. Esto significa que el uso extendido de dichas bombas incrementará significativamente el pico de la demanda durante los períodos de frío extremo en invierno, no sólo debido a la disminución en la eficiencia conforme cae la temperatura sino también debido a que los usuarios tienden a recurrir a la calefacción directa por resistencia durante estas temperaturas extremas.

En el año 2010 la Energy Saving Trust publicó un estudio (DEPARTMENT OF ENERGY AND CLIMATE CHANGE, 2011) en el que se indicaba que ninguna instalación consistente en bombas de calor presentaba un coeficiente de rendimiento superior a 3.0, variando la media en una horquilla comprendida entre 2.3 y 2.5. Cuando se producen olas de frío y se llegan a temperaturas inferiores a 0º C, el coeficiente de rendimiento de las bombas de calor baja considerablemente hasta alrededor de 1:1 (NICHOLSON, 2012), siendo poco más eficiente por tanto que una resistencia eléctrica.

Por otro lado, la extensión en el uso de las bombas de calor domésticas en ciudades puede provocar un estrés eléctrico similar al que se produjo en Francia en el año 2012 (SCHAPS, 2012), lo que puede repercutir en un gasto adicional para repotenciar la red eléctrica. De este mismo parecer es la consultora energética Redpoint Energy Ltd, que publicó en el 2010 un informe que indicaba que un futuro energético basado únicamente en electricidad requeriría una repotenciación significativa (un factor de 5 en términos de capacidad pico) con el objeto de extender la calefacción eléctrica (REDPOINT, 2010).

En países nórdicos tales como Suecia, Dinamarca o Finlandia existen algunas instalaciones que emplean grandes bombas de calor que proporcionan calor gracias al excedente energético de los aerogeneradores o que hacen uso de la electricidad en las horas de menos consumo para almacenar elevadas cantidades de calor en grandes depósitos (a partir de los cuales el mismo puede ser transportado a los usuarios a través de redes de calefacción urbana) (HARRIS, 2011). Debido a que estos depósitos pueden retener el calor con bajas pérdidas durante períodos prolongados de tiempo, se producirá un desacoplamiento de la generación eléctrica con respecto a la demanda pico de calor (la generación podrá ser programada a voluntad independientemente de la demanda de calor real) (VANDEWALLE, 2012).

2. Idoneidad de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en Europa

Podría pensarse que la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana sólo sería rentable en los países Nórdicos debido a que tienen una climatología más fría y por lo tanto unas demandas térmicas mucho mayores, no siendo por tanto aplicable esta tecnología al resto de Europa. Sin embargo, el hecho de que las viviendas de estos países disfruten de un mejor aislamiento tiene como consecuencia que las demandas térmicas específicas sean inferiores (ilustración 2).

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Ilustración 2. Consumo de energía útil para la calefacción en kilogramos equivalente de petróleo por y grados día de calefacción con respecto a la cuota de calefacción centralizada para algunos países miembros de la UE (ENERDATA, 2011)

2.1. Revisión de estudios que hacen referencia a la utilización de la calefacción urbana desde una perspectiva económica

Tal y como se indicó en el resumen de este capítulo, a continuación se procederá a la revisión de cinco estudios que hacen referencia a la utilización de las redes de calefacción urbana desde una perspectiva económica y que soportan la posición presentada en el mismo.

2.2. Combined heat and electrical power generation in the United Kingdom

En esta publicación (GREAT BRITAIN, 1979) llevada a cabo en nombre del Gobierno del Reino Unido en 1 979 se indicaba que la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana ya competía desde una perspectiva económica con los combustibles empleados para hacer frente a las demandas térmicas de calefacción (los mayores costes de capital eran contrarrestados con unos costes de operación inferiores). A pesar de que el escenario energético ha variado desde el año en el que la publicación vio la luz, es probable que las conclusiones permanezcan inalteradas si se llevara a cabo dicho trabajo a día de hoy (los costes de combustible hacen que los costes de capital pierdan importancia siendo por su parte las centrales eléctricas de ciclo combinado basadas en turbinas de gas tan capaces de proporcionar su calor residual como las centrales de carbón en las que está basado el estudio). Ya en este estudio se recomendaba el desarrollo de un programa que implementara redes de calefacción asociadas a centrales de cogeneración en las centrales más importantes del Reino Unido.

Aunque esta publicación vio la luz hace más de tres décadas los resultados siguen siendo igualmente válidos debido a que por una parte las técnicas de instalación de las redes de calefacción urbana han mejorado y por lo tanto los costes han disminuido (EUROHEAT & POWER, 2011) y por otra los costes en combustible han aumentado más que los costes en capital por lo que el valor del combustible ahorrado será comparativamente hablando mayor que el de los costes de capital (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2009).

2.2.1 Analysis of the UK potential for combined heat and power

En este estudio (DEPARTMENT FOR ENVIRONMENT FOOD AND RURAL AFFAIRS, 2007) se utiliza una metodología computarizada para estimar el potencial de la utilización conjunta de la cogeneración y las redes de calefacción para varias tasas de descuento. Como se puede observar en (ilustración 3), sólo en el Reino Unido [el cual tiene una demanda pico de 60 GWe (OSBORNE, 2013)] existe un potencial de 33 GW para esta tecnología (para una tasa de descuento del 3.5%). Debido a condiciones climatológicas similares, este estudio es representativo para buena parte del norte y centro de Europa. Como se desprende de (ilustración 3), es de vital importancia la correcta elección de la tasa de descuento.

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Ilustración 3. Potencial de la utilización conjunta de la cogeneración y la calefacción urbana en el Reino Unido para varias tasas de descuento (DEPARTMENT FOR ENVIRONMENT FOOD AND RURAL AFFAIRS, 2007)

2.2.2. An assessment of the present and future opportunities for combined heat and power with district heating (CHP-DH) in the United Kingdom

En (KELLY, 2010) se estudia de nuevo la posibilidad de la utilización conjunta de la cogeneración y las redes de calefacción urbana en el Reino Unido llegándose a conclusiones similares.

Como se desprende del mismo, se puede observar que la utilización conjunta de estas tecnologías provoca uno de los mayores ahorros posibles en cuanto a emisiones de se refiere así como uno de los menores costes por tonelada salvada de (KELLY, 2010). Por ejemplo, en (HM GOVERNMENT, 2009) se demuestra que mediante el empleo conjunto de la cogeneración (utilizando la biomasa) y la calefacción urbana se salvarían anualmente ; si se compara esta cifra con las bombas de calor individuales (que salvarían tan solo al año en el caso de conectarse a las mismas viviendas) puede entenderse que la diferencia es considerable. Como conclusión se puede indicar que las redes de calefacción urbana que utilizan el calor procedente de la cogeneración ofrecen como beneficios un incremento de la eficiencia energética, una minimización de los gases contaminantes de un modo económico así como la posibilidad de utilizar recursos energéticos renovables disponibles localmente.

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Ilustración 4. Coste de reducción del para una vivienda típica del Reino Unido en el año 2008 (KELLY, 2010)

[...]

Final del extracto de 45 páginas

Detalles

Título
Redes de calefacción urbana y cogeneración. Revisión sobre la utilización actual y perspectivas de evolución en la UE-28
Universidad
UNED Universidad Nacional de Educación a Distancia
Autor
Año
2015
Páginas
45
No. de catálogo
V303352
ISBN (Ebook)
9783668020047
ISBN (Libro)
9783668020054
Tamaño de fichero
1771 KB
Idioma
Español
Etiqueta
redes, revisión, ue-28
Citar trabajo
Enrique Rosales Asensio (Autor), 2015, Redes de calefacción urbana y cogeneración. Revisión sobre la utilización actual y perspectivas de evolución en la UE-28, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/303352

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