1 1 Sistemas de Almacenamiento Térmico Estacional (Seasonal Thermal Energy Storage, STES) para personal técnico (arquitectos, ingenieros, sector de la construcción, etc.) Mr Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt

2 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 2

3 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 3

4  Almacenamiento de frío durante el invierno para su uso en verano  Almacenamiento de calor durante el verano para su uso en invierno 4 ¿QUÉ ES STES?

5 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 5

6 ¿POR QUÉ STES? El consumo energético de los edificios supone un 30-40% del consumo energético total en Europa El consumo de calor de los edificios residenciales supone el 60-70% de todo el consumo La demanda de calefacción tiene lugar en los meses de invierno cuando la disponibilidad solar es menor Almacenar energía solar térmica en verano para su uso en los meses de invierno Los países del Norte de Europa tienen una temperatura ambiente media de aprox. 5ºC y una radiación solar anual de hasta 1000 kWh/year m² (Estocolmo) Fuente: SoDa-is.com 6

7 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 7

8  Antigua Persia En el año 400 DC, cúpulas de 60 pies de alto (Yakhchals) eran utilizadas para almacenar hielo y enfriar ambientes con temperaturas exteriores de 40ºC  Romanos 1 er Siglo DC, utilizaban pozos y transportaban nieve para mantener fríos los alimentos y vino en días calurosos  Cámaras frigoríficas del pasado En el siglo 18-19, se utilizaba el agua de los ríos para mantener la temperatura baja dentro de estas estructuras para la conservación de alimentos (Middleton, England – Glen River, Northern Ireland) 8 HISTORIA DEL STES – Almacenamiento de frío Source: Griffiths & Colclough Source: awesci.com

9 Alemania en la posguerra Los primeros estudios de viabilidad se hicieron en 1920 debido a los recursos limitados del país USA La casa de “vidrio” de Keck en 1933 y la de MIT en 1939, ambos construidos con vidrio y materiales de elevada capacidad térmica para almacenamiento térmico Dinamarca, Suecia Durante los 70, la crisis del petróleo forzó a los gobiernos a estudiar alternativas al petróleo. Varios sistemas de almacenamiento térmico fueron construidos conectados a redes de calefacción urbanas 9 HISTORIA STES – Almacenamiento de calor

10 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 10

11 CÓMO FUNCIONA - COMPONENTES Fuente de calor Solar Biomasa Calor residual industrial... Almacenamiento térmico Elevada capacidad térmica Volúmenes grandes Pérdidas de calor reducidas Sistema de distribución y equipos auxiliares Caldera, bomba de calor Red térmica de calor 11

12 Paralelo La bomba de calor, los colectores solares y el STES funcionan independientemente para satisfacer la demanda de calor En Serie Los colectores solares o el STES actúan como fuente de calor de la bomba de calor Serie/Paralelo La bomba de calor o los colectores producen el calor necesario, dependiente o independientemente 12 CÓMO FUNCIONA - CONFIGURACIONES Source: Solites

13 Paralelo Los colectores solares están conectados directamente con el tanque de almacenamiento y éste se va cargando con el calor generado durante los periodos de elevada radiación solar. Las demandas de agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción se cubren desde el STES durante los meses de invierno. Cuando la temperatura en el STES está por debajo de la temperatura requerida, la bomba de calor produce el calor necesario para ACS y calefacción. La fuente de calor de la bomba de calor es externa y puede ser el ambiente, el terreno o calor residual industrial. 13 CÓMO FUNCIONA - CONFIGURACIONES Colectores solares STES Bomba de calor (Ambiente/Terreno ) ACS DEMANDA

14 Serie Los colectores solares, el STES y la bomba de calor están conectados en serie. El calor es almacenado durante los periodos de radiación solar elevada. Los colectores solares pueden funcionar como la fuente de calor de la bomba de calor o enviar el calor directamente al tanque. La bomba de calor tiene que ser de tipo agua-agua y puede satisfacer las demandas de ACS y calefacción. La temperatura en el sistema de almacenamiento puede ser inferior gracias al efecto de la bomba de calor, lo cual hace reducir las pérdidas de calor. 14 Colectores solares STES Bomba de calor ACS DEMANDA CÓMO FUNCIONA - CONFIGURACIONES

15 Serie/Paralelo El STES se carga con el calor proveniente de los colectores solares y satisface las demandas de ACS y calefacción. Cuando la temperatura en el STES está por debajo del mínimo requerido por la demanda, la bomba de calor entra en funcionamiento. La bomba de calor extrae el calor remanente en el STES y satisface las demandas de ACS y calefacción. En los tres casos la bomba de calor puede funcionar cuando el precio de la electricidad es reducido para producir calor con menor coste posible. Además, hace falta un sistema auxiliar (por ej. la caldera de gas) para cubrir la demanda que no se cubre con el resto del sistema. 15 Colectores solares STES Bomba de calor ACS DEMANDA CÓMO FUNCIONA - CONFIGURACIONES

16 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 16

17 Calor latente Calor termoquímico Calor sensible 17 DIFERENTES FORMAS DE ALMACENAR ENERGÍA TÉRMICA DE FORMA ESTACIONAL

18 Almacenamiento de calor latente El material más común empleado para el almacenamiento de calor latente son los materiales de cambio de fase sólido líquido (PCM). La energía térmica puede ser absorbida por los materiales de cambio de fase en ambos estados solido y líquido. En cualquier caso son capaces de almacenar grandes cantidades de calor durante el cambio de fase de líquido a solido. Los materiales PCM pueden almacenar entre 5 y 14 veces más energía en el mismo volumen en comparación con otro materiales como el agua o la roca. Cuando la energía térmica es absorbida desde el PCM, ésta pasa de estado sólido a líquido. DIFERENTES FORMAS DE ALMACENAR ENERGÍA TÉRMICA DE FORMA ESTACIONAL 18

19 Almacenamiento termoquímico Sistemas de almacenamiento químicos y absortivos (termoquímicos), es una tecnología con beneficios considerables en comparación con otros sistemas de almacenamiento. Las densidades de almacenamiento pueden llegar a ser hasta 10 veces las del agua, reduciendo el volumen de almacenamiento necesario. Debido a la naturaleza de sus procesos y de las bajas temperaturas del material almacenado se pueden eliminar prácticamente las pérdidas térmicas. La combinación de las dos ventajas facilita el almacenamiento en el tiempo y su transporte. DIFERENTES FORMAS DE ALMACENAR ENERGÍA TÉRMICA DE FORMA ESTACIONAL 19

20 Almacenamiento de calor sensible El almacenamiento de calor sensible se lleva a cabo mediante transferencia de calor a un elemento que lo almacena sin cambiar de estado. Es el sistema mas común y directo de almacenamiento de energía térmica, el mayor de los inconvenientes el gran tamaño requerido y las pérdidas de calor cuando el medio que rodea al depósito se encuentra a una temperatura inferior. El uso de depósitos de almacenamiento de agua es una tecnología conocida, soluciones innovadoras pueden hacer que estas pérdidas se minimicen optimizando la estratificación del depósito o empleando aislamientos térmicos de alta eficiencia. DIFERENTES FORMAS DE ALMACENAR ENERGÍA TÉRMICA DE FORMA ESTACIONAL 20

21 Almacenamiento térmico en tanque (HW) Almacenamiento térmico en pozo (PTES) Almacenamiento térmico en terreno (BTES) Almacenamiento térmico en acuífero (ATES) ~70 kWh/m³ 1) ~55 kWh/m³ 2) 15-30 kWh/m³ 30-40 kWh/m³ 1) max =90 °C, min =30 °C sin bomba de calor 2) max =80 °C, min =10 °C agua -grabilla TES con bomba de calor CUANTA ENERGÍA SE PUEDE ALMACENAR 21

22 Thermal Energy Storage Systems 22 THERMAL STORAGE - Systems Source: http://solar-district-heating.eu/

23 PERDIDAS EN EL ALMACENAMIENTO Las pérdidas del STES pueden ser grandes 23 A: material aislamiento convencional: λ = 0,05 W/(m·K), espesor aislamiento s = 0,2 m B: material aislamiento convencional : λ = 0,05 W/(m·K), espesor aislamiento s = 2 m C: aislamiento en vacio: λ = 0,005 W/(m·K), espesor aislamiento s = 0,2 m Time in days Curva de enfriamiento de un depósito de agua caliente de 10 m 3 (forma cilíndrica: Ø 2 m, altura 3,18 m). Temperatura de inicio 80 °C, temperatura ambiente 5 °C Cuanto menor sea la superficie en comparación con el volumen menores son las pérdidas. Los grandes tanques se enfrían más despacio y por tanto son más favorables. Es por ello que interesante enfocar el STES en combinación con una red de distrito.

24 Sensible Heat Storage The types of STES are characterised by different specific usable storage capacities, temperature levels and charging and discharging capacities. Moreover, the usable volumetric storage capacity depends on the used temperature range and the specific volumetric heat capacity of the storage material. These facts must be considered for the technical selection of a certain STES type. THERMAL STORAGE - Systems Maximal operational temperatures of the different STES technologies depending on the return flow temperature of the district heating network and usage of heat pumps [source: ITW, USTUTT]. Usable volumetric storage capacity showing dependency of the minimal discharge temperature of the different STES technologies: depending on the return flow temperature of the district heating network and usage of heat pumps [source: ITW, USTUTT]. 24

25 25 THERMAL STORAGE - TTES TTESConcrete Built Onsite PrecastSteel Mounted Onsite Factory Mounted Fiber Vacuum Insulated Reinforced Concrete ADVANTAGES  Additional energy storage capacity (up to +25%)  The material protects the insulation. DISADVANTAGES  Heavy structure  Requires waterproofing  Limitations for pressurized tanks  Usually low h/D ratio, poor stratification Metallic Tank ADVANTAGES  Lighter structure  Easy waterproofing  Flexibility in geometry and shapes DISADVANTAGES  Very conductive, it can influence thermal losses  Conductivity can destroy stratification

26 Thermal Storage and stratification The effective storage of thermal energy in hot water tanks requires both a well isolated tank wall and simple charging and discharging systems, which produce and maintain a thermal stratification reliably in the store. The quality of the thermal stratification within the store has a significant influence on the thermal performance of the solar heating system. Mixing of hot and cold water within the store can reduce the solar yield and can significantly raise the amount of reheating required. Then even the solar heating system can lose the reasonableness. THERMAL STORAGE - Stratification 26

27 Types of stratification device External: Automatic valves control the flow along the height of the tank Internal: Hot water inlet height is self-controlled by water density Reasons to use Stratification in a STES affects the quality and durability of the stored energy Diversity of temperature: Solar collectors, heat pumps and conventional boilers operate at different temperatures Supply and return water temperature affect the stratification within the storage tank Poorly designed stratification systems affect directly the quality and durability of a TES system 27 THERMAL STORAGE - Stratification

28 Buffer tank Required in thermal plants to decentralize the energy production from the STES providing independent hot water feeds It stabilizes the thermal capacity and temperature output of the heat pump Controls the temperature levels improving thus the heat exchange 28 THERMAL STORAGE - Buffer

29 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 29

30 EJEMPLO DEL FUNCIONAMIENTO EN SERIE/PARALELO (CASOS DEL PROYECTO EINSTEIN) 30

31 Carga La carga del sistema STES comienza cuando la energía solar térmica desde la fuente (solar) está disponible. La energía solar térmica puede ser captada los meses de verano y almacenada en el STES para su posterior uso. También es posible almacenar y entregar energía térmica simultáneamente cuando el sistema de almacenamiento dispone de circuitos independientes de carga y descarga. COMO FUNCIONA– Serie/Paralelo 31

32 Descarga directa La descarga del STES comienza en los meses de demanda de calefacción. El tanque entrega calor directamente a los edificios mediante una red de distrito o un tubo directo. La temperatura de la salida de agua está regulada en función de la curva de la demanda de calor. La temperatura máxima de salida normalmente suele ser de 80ºC (con tanques presurizados puede ser >100ºC) T STES > 50°C COMO FUNCIONA– Serie/Paralelo 32

33 Funcionamiento de la bomba de calor La bomba de calor funciona cuando la temperatura del STES es inferior a la temperatura requerida para cubrir toda la demanda. El agua caliente del STES calienta el ciclo del evaporador de la bomba de calor; el ciclo del condensador es el que suministra la demanda de calor a la temperatura requerida. 10°C < T STES < 50°C COMO FUNCIONA– Serie/Paralelo 33

34 Sistema auxiliar – Caldera Cuando la temperatura del STES disminuye por debajo del rango de funcionamiento eficiente de la bomba de calor (10ºC) el sistema auxiliar comienza a funcionar. La energía térmica almacenada en el STES ha sido completamente consumida y el suministro depende completamente del sistema auxiliar. T STES < 10°C COMO FUNCIONA– Serie/Paralelo 34

35 35 Sistema auxiliar– caldera/bomba de calor Un generador térmico auxiliar es esencial para cubrir la demanda pico y los periodos donde el tanque de almacenamiento está descargado. Las bombas de calor generalmente son entre tres y cuatro veces más eficientes que los calentadores convencionales para la misma cantidad de calor. Las bombas de calor agua-agua tienen una temperatura reducida en la parte de generación. Esta diferencia de temperatura hace que la estratificación del tanque se mejore en el sistema de almacenamiento. Una menor temperatura en la parte baja del depósito de almacenamiento hace que la eficiencia de los colectores sea mayor y que las perdidas térmicas sean inferiores. COMO FUNCIONA– Serie/Paralelo

36 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 36

37 37 Diagrama energético de un sistema STES con bomba de calor CÁLCULOS - Diagrama

38 Q= m.c p.ΔΤ Q: Energía térmica almacenada m: masa de la sustancia empleada para el almacenamiento de calor. c p : capacidad calorífica del material empleado. ΔT: diferencia de temperatura del medio antes y después de la carga. 38 CÁLCULOS

39 Ejemplo: Colectores solares térmicos, 100 m 3 de agua desde 25ºC a 50°C, los cuales son almacenados en un depósito de almacenamiento aislado. Cuanta energía está almacenada en el agua? Q = m.c p.ΔΤ m = ρ.V = 1000kg/m 3 x100m 3 = 100000kg c p = 4.18 kJ/kg.K) ΔΤ= 25°K Q= 100000 x 4.18 x 25 = 10450 MJ = 2.9 MWh 39 CÁLCULOS

40 40 CALCULATIONS

41 41 CALCULATIONS

42 42 CALCULATIONS

43 43 CALCULATIONS

44 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 44

45 ¿DONDE ES MEJOR UTILIZARLO? Tipo de edificio Edificio unifamiliar Bloques de viviendas Nueva edificación (preferible) Edificios existentes Condiciones climáticas Elevada radiación solar y demanda de calor moderada, en invierno es lo más favorable Tipo de calefacción Calefacción de distrito Baja temperatura 45 Source: Asko professionals

46 Condiciones del terreno Estructura geológica Disponibilidad de terreno para el almacenamiento Características hidrogeológicas (acuíferos) Fuente de energía térmica Suficiente superficie para colectores solares (suelo, cubierta) Fuentes de calor residual industriales (rango de temperatura, distancia al punto de demanda y disponibilidad) Disponibilidad de la red térmica de distribución Tipo de aplicación Una única demanda de calor (operación estable) Uso independiente de las viviendas (sistema de control complejo) 46 ¿DONDE ES MEJOR UTILIZARLO? - consideraciones

47 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? - Einstein Ubicación La demanda de calor en Europa varía significativamente de un país a otro. El factor principal depende del parque edificatorio, la densidad edificatoria y las condiciones climáticas locales. 47 Las características con mayor potencial para la aplicación de sistemas STES en Europa se remarcan en el informe: “Classification of EU building stock according to energy demand requirements.” Demanda de energía en edificios residenciales vs. Temperatura de ambiente media (ACC4: Bulgaria, Romania, Turkey, Croatia; EFTA3: Iceland, Norway and Switzerland; NMS 10: new ten member states since May 2004. (Fuente: ECPHEATCOOL).

48 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? - Einstein Integración del STES Acorde a las más recientes directivas europea sobre eficiencia energética, se espera que la demanda de los edificios en el futuro será inferior. En ese caso es posible utilizar temperaturas de operación más bajas para calefacción, reduciendo así las pérdidas de calor. Las condiciones de contorno serán por tanto más favorables para los sistemas STES. La integración de sistemas STES con diferentes sistemas de generación de calor, tales como calderas, bombas de calor, CHP y sistemas de distribución se explica en el siguiente documento: “Technology assessment HVAC and DHW systems in existing buildings throughout the EU” 48

49 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? - Einstein Diseño de sistemas STES y plantas del proyecto Einstein Numerosos pasos tienen que darse para el diseño de un sistema STES. Consisten básicamente en retos técnicos y decisiones tales como el tamaño del sistema de almacenamiento, ubicación, área de colectores y rehabilitación del sistema de calefacción, se tienen que analizar. Las simulaciones dinámicas con las que se pueden considerar las variaciones del sistema, hace posible diseñar estos sistemas. Guías para el diseño de los sistemas STES se pueden encontrar aquí: “Design guidelines for STES systems in Europe”.“Design guidelines for STES systems in Europe” 49 Para más información sobre el diseño y instalación de las plantas del proyecto Einstein hacer click aquí.

50 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Combinación de eficiencia energética y uso de renovables Estrategia energética Para que los sistemas STES sean más económicas, necesitan ser parte de una estrategia energética global. Esto incluye: Reducir la demanda de energía del edificio existente mediante medidas de rehabilitación energética Integrar las energías renovables Integrar soluciones específicas incluyendo STES Estas decisiones necesitan ser optimizadas considerando las variables específicas en cada caso, tales como: Condiciones climáticas Coste Tipo de edificios Una herramienta de evaluación ha sido desarrollada para determinar la combinación de medidas de rehabilitación más apropiada en cada caso. 50

51 51 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Herramienta de evaluación Configuración de la herramienta de evaluación 1.Definición del edificio Selección del área climática Selección del tipo de edificio Superficie del edificio 2. Reducción del consumo deseada Seleccionar ratio de ahorros energéticos deseado 3. Calcular la solución más apropiada Acceso a la base de datos de resultados - Buscar el caso óptimo que cumple los ahorros energéticos indicados - Identificar la combinación de medidas activas y pasivas más económicas (incluyendo STES) 4. Resultados La combinación más apropiada Ahorros de energía primaria (-kWh/year) Inversión requerida (€)

52 52 Modelo para analizar el comportamiento de los edificios existentes Estrategias de rehabilitación pasivas Contribución del STES Herramienta de evaluación para la selección del escenario más económico en rehabilitación Herramienta de toma de decisiones para el diseño y evaluación de sistemas STES OBJETIVO PRINCIPAL “Desarrollar una herramienta de evaluación para la selección del escenario más económico en rehabilitación de edificios” HERRAMIENTA DE EVALUACIÓN HERRAMIENTA DE EVALUACIÓN ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Herramienta de evaluación

53 Herramienta para toma de decisiones Para analizar el mejor planteamiento para el diseño preliminar y estimación de la inversión de sistemas STES en edificios existentes, se ha desarrollado una herramienta en el proyecto Einstein. La herramienta ayuda a los usuarios identificar la tecnología de almacenamiento más apropiada para el caso estudiado y proporciona resultados sobre su funcionamiento acorde a las condiciones específicas impuestas por el usuario: Condiciones climáticas Requisitos de espacio Equipamiento y requisitos de integración (Colectores solares, STES, red térmica de distribución, bomba de calor y sistema auxiliar) Usuarios Los usuarios de la herramienta son Ingenierías y empresas de construcción con conocimientos básicos sobre instalaciones térmicas que no tienen experiencia en instalaciones STES Para más información en la herramienta, hacer click aquí. 53 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Herramienta de diseño

54 Descripción de la herramienta La herramienta consiste principalmente por 3 partes: Selección de datos de entrada Sección de cálculos Sección de resultados Casos de diseño Además de una herramienta de evaluación, también permite a los usuarios analizar y comparar diferentes escenarios. Sistemas centralizados así como configuraciones descentralizadas pueden ser estudiadas para cada ubicación y demanda de calor para ambos, edificios nuevos y existentes. Para acceder a la herramienta: 54 HERRAMIENTA ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Herramienta de diseñp

55 55 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Edificio unifamiliar de referencia SFH: Edificio unifamiliar SFH84,5m2

56 56 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – Bloque de viviendas de referencia MFH: Bloque de viviendas MFH676m2

57 57 ¿DÓNDE ES MEJOR UTILIZARLO? – resultados Curvas de los mejores ratios (distribución de Pareto)

58 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 58

59 ¿CUANTO CUESTA? 59 Los costes y beneficios financieros del almacenamiento estacional varían ampliamente. Las variables incluyen: Tamaño Clima (radiación solar, temperatura ambiente) Demanda de calor Tipo de STES Integración con la red térmica de distribución Variables financieras incluyendo la inflación, incremento de precios, tasa de retorno esperada, etc.

60 ¿CUANTO CUESTA? – El tanque de almacenamiento Ejemplos de costes de STES Hay diferentes maneras de analizar el comportamiento financiero de instalaciones STES. El diagrama muestra el coste de varios sistemas de almacenamiento de diverso tamaño. El coste de la inversión es inversamente proporcional al tamaño. El coste de los sistemas de almacenamiento estacional realizados en Einstein se presenta en la tabla. 60 Demo Tamaño STES {m 3 } Coste {€} Coste/m 3 {€} Suecia2316225705.4 Polonia800 España180 Source: Solites

61 Vivienda de bajo consumo energético con ACS solar y calefacción con almacenamiento estacional El menor payback es para ACS y calefacción con energía solar sin STES (la opción con menor coste al año 16 y de nuevo al año 24 después de la renovación) Cuando a la solar se le añade el STES, es la opción de menor coste al año 33 Hay que tener en cuenta que el STES es un elemento a integrar en el sistema para evitar problemas técnicos de estancamiento. 61 Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016 ¿CUANTO CUESTA? – Coste del calor Ejemplo de una instalación STES individual Los costes representados incluyen costes de operación y de combustible y están ajustados con la inflación

62 62 DescripciónMultiunit development Número de unidades 10 (4 commercial, 6 residential) Total superficie {m 2 }381 plus 390 = 781 Total Colectores solares {m 2 }50 Almacenamiento diurno {m 3 } 3.3 STES tamaño {m 3 }23 Demanda de calefacción {kWh} 53,422 Demanda de ACS {kWh}7,417 VAN después de 40 años {€} 405,415 Periodo de retorno {Years} 17 Ahorros respecto a no tener solar-STES 27% Edificio rehabilitado con estándares de “Passive House” Calefacción con energía solar y STES Periodo de retorno es de 17 años ¿CUANTO CUESTA? Ejemplo de una instalación STES de pequeño tamaño 10 apartamentos con ACS y calefacción solar con STES en Lysekil, Suecia

63 63 En la figura se muestra el coste total de suministrar ACS y calefacción. Los costes incluyen costes de operación y combustible y están ajustados con la inflación. Los costes de calefacción con District Heating (€514.492) son mayores que los costes de la calefacción con solar y STES con DH como auxiliar (€405.415), considerando 40 años de periodo Más información del estudio realizado (insert link to Del 7.5) ¿CUANTO CUESTA? Ejemplo de una instalación STES de pequeño tamaño 10 apartamentos con ACS y calefacción solar con STES en Lysekil, Suecia

64 Contenidos ¿Qué es un sistema de almacenamiento térmico estacional (STES)? ¿Por qué STES? Historia del STES ¿Cómo funciona? Almacenamiento de calor (tipos, sistemas, elementos de estratificación) Operación serie/paralelo Cálculos ¿Dónde es mejor utilizarlo? ¿Cúanto cuesta? Plantas demo Einstein. Casos de estudio 64

65 PLANTAS PILOTO EINSTEIN 65

66 66 DEMO EINSTEIN - Bilbao EINSTEIN: Planta Demonstración de Bilbao Instalación Bilbao Tipo de colectores Colector plano Area colectores62m 2 Angulo inclin.40° OrientaciónSur Fluido térmicoGlicol Vol. buffer2m32m3 Vol. STES180m 3 Edificio Superficie a calentar1050m 2 Demanda térmica83MWh/a Rango TemperaturaBaja Temp. Más detalles técnicos en los siguientes informes: Design and installation Monitoring Impact Assessment Overall report

67 67 PLANTA PILOTO EINSTEIN – Bilbao Esquema hidráulico Tanque STES Edificio Colectores solares Bomba de calor Tanque buffer Caldera de gas

68 68 Tiempo de montaje del tanque: 11 días PLANTA PILOTO EINSTEIN – Bilbao

69 69 PLANTA PILOTO EINSTEIN – Bilbao STES Innovative design Double independent tank. Modular construction. Inner tank:  6 m ; Height 6.45 m wet (6.70 total) Outer tank:  7.10 m; Height 8.05 m less thermal bridges due to absence of supports Innovative insulation. Bottom insulation over the ground: 0.45 m Expanded clay granulates. Regular distribution of charges over the ground (not increased in perimeter) Lateral and upperside: new PUR recycled granules. Lateral side 0.55 m; upper side 0.87m Blowable type insulating material.

70 70 PLANTA PILOTO EINSTEIN – Bilbao Bombas, tuberías, cambiador de calor, tanque buffer Cambiador de calor, entre circuito primario y secundario. Circuito secundario, colectores hidráulicos. Tanque buffer, 2 m 3

71 71 PLANTA PILOTO EINSTEIN - Bilbao Carga del tanque de almacenamiento Max Temp 66.7°C

72 72 DEMO EINSTEIN - Zabki, Varsovia EINSTEIN Planta Demonstración de Varsovia Instalación Varsovia Tipo STESTTES Volumen800 m 3 Angulo inclin.40° OrientaciónSur Fluido térmicoGlicol Red de calefacción de distrito Longitud150m Tuberías2x Dext 65 flexible, polibutileno preaislado, carcasa de HDPE Edificio Superficie a calentar 794 m 2 Demanda térmica pico 75kW Rango de temperatura Alta Temperatura Más detalles técnicos en los siguientes informes: Design and installation Monitoring Impact Assessment Overall report

73 PLANTA PILOTO EINSTEIN - Varsovia 73

74 PLANTA PILOTO EINSTEIN - Varsovia 74 Tanque buffer Caldera de gas Bomba de calor

75 EINSTEIN PILOT PLANT – Zabki SCADA system 75

76 Planta de generación de calor Colectores solares Almacenamiento térmico estacional Circuito de solar Red térmica de distribución Subestación térmica CASOS DE ESTUDIO 76

77 Tanques de STES debajo de las viviendas La primera vivienda Europea 100% solar Oberburg, Suiza En operación desde Enero 1990 77 CASOS DE ESTUDIO Source: Jenni Energietechnik

78 Oberburger Sonnenhaus El primer edificio de viviendas calentado con energía solar térmica Oberburg, Suiza 276m² de colectores solares 205m³ tanque de almacenamiento 78 CASOS DE ESTUDIO Source: Jenni Energietechnik

79  3.000 m²  Col. planos  4500 m³  Tanque de agua Hamburg (1996) Friedrichshafen (1996) Neckarsulm (1997) Steinfurt (1998) Rostock (2000) Hannover (2000)  5.900 m²  Col. planos  63.300 m³  BTES  1.000 m²  Cubierta solar  20.000 m³  ATES  4.050 m²  Col. planos  12.000 m³  Tanque de agua  510 m²  Col. planos  1.500 m³  Pit TES (Gravilla/Agua)  1.350 m²  Col. planos  2.750 m³  Tanque de agua Source: USTUTT CASOS DE ESTUDIO 79

80 Chemnitz, fase 1 (2000) Munich (2007) Eggenstein (2008) Attenkirchen (2002) Crailsheim (2007)  540 m²  Tubos vacío  8.000 m³  Pit TES (Gravilla/agua)  2.900 m²  Col. planos  5.700 m³  Tanque de agua  1.600 m²  Col. planos  4.500 m³  Pit TES (Gravilla/agua)  800 m²  Techo Solar  9.850 m³  Tanque de agua y Boreholes  7.500 m²  Col. planos  37.500 m³  BTES Source: USTUTT CASE STUDIES 80

81 81 Sistemas de Almacenamiento Térmico Estacional (Seasonal Thermal Energy Storage, STES) para personal técnico (arquitectos, ingenieros, sector de la construcción, etc.) Mr Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt