District Heating & Cooling o redes urbanas de calor y frío; ventajas de un sistema eficiente - PODCAST

Estos sistemas, relativamente recientes en España, están implantados desde hace años en muchos otros países y grandes capitales europeas como Paris, que cuenta en la actualidad con la mayor red de frío urbana de Europa que alimenta a más de 500 edificios, entre ellos el Museo Louvre, con una red de más de 70 km. Otros casos significativos son Estocolmo (calor residual de centros de datos), Belgrado (prevé descarbonizarse al 50% en breve), Copenhague (sistema integrado en todo el área metropolitana), Barcelona (red relativamente nueva, con trigeneración basada en incineradora de basura) y Nueva York(red de mayor dimensión aún operativa con vapor).

Elementos de las redes de calor y frío

Las redes de distrito para la distribución de calor y/o frío están formadas por un entramado de tuberías aisladas mediante el cual la energía térmica se distribuye desde una central de generación hasta un conjunto de consumidores. Así, los elementos principales en cualquier red de distribución serán:

Central de generación

Es habitual que una red cuente con centrales de alto rendimiento/bajo coste energético para cubrir la demanda base del distrito. Son comúnmente, grandes plantas de calderas y/o cogeneración, basadas en la medida de lo posible en biomasa, basura y/o combustibles fósiles (desgraciadamente, todavía el carbón y el gas natural son predominantes).

Existen además centrales de punta, que se emplean para cubrir la variabilidad de la demanda, bien en momentos de severidad climática extrema, períodos de baja demanda, y/o paradas de las centrales de base. En este caso, se prioriza la potencia frente al rendimiento, por tratarse de sistemas con pocas horas de operación anuales.

El número y ubicación de las centrales depende de numerosos factores, siendo el fundamental el histórico. En redes de nueva planificación, las centrales de producción se ubican generalmente en la periferia urbana, siempre que se garantice un suficiente mallado de la red y distribución de las centrales de la red. Pero existen aún en operación numerosas centrales en núcleos urbanos.

En las últimas décadas, se ha realizado un número cada vez mayor de integraciones de sistemas solares térmicos en redes de District Heating. Considerando que una red térmica es un sumidero prácticamente infinito de energía, estas implementaciones son sustancialmente más beneficiosas que otras en las que el aprovechamiento solar se vea limitado por el uso del calor en un edificio concreto.

Son frecuentes los desarrollos en el rango de los 10.000 a 100.000 m2. Empieza incluso a ser frecuente la ubicación de grandes sistemas de almacenamiento térmicoestacional, permitiendo altos factores de cobertura solar en las redes.

Con la progresiva integración de energías renovables, comienza a ser importante la temperatura de operación de la red, pues cuanto más baja sea esta, se tendrán mejores rendimientos en la operación de los sistemas. En este sentido, las redes se encuentran en transición hacia la 3ª y 4ª generación de DH, en las que la temperatura de operación es similar a la requerida para la producción de ACS.

Para generar energía térmica en forma de frío, lo más común es la refrigeradora por compresión que se alimenta mediante energía eléctrica. El mero hecho de realizar la producción de frío con equipos de mayor potencia, permite inversiones en equipos de producción de mayor calidad y rendimiento. Pero se consiguen costes de operación aún más atractivos si se emplean fuentes de calor residual para alimentar máquinas de absorción y adsorción, tales como incineradoras y cogeneradoras.

Red de tuberías de distribución

La red de tuberías de los sistemas de district heating & cooling permite la distribución de los fluidos desde las centrales de producción hasta los consumidores finales. Si bien los sistemas más antiguos realizaban la distribución de calor con vapor, actualmente todos los sistemas se basan en agua. Se emplean tubos aislados, generalmente enterrados. Aunque existen sistemas en galería en zonas de muy alta densidad urbana y en zonas periféricas, las redes de transporte suelen realizarse sobre el terreno.

Como en el resto de instalaciones de climatización, existen sistemas a 2 y 4 tubos. Las redes de 4 tubos dan servicio de calor y frío de forma continuada, mientras las redes de 2 tubos están especializadas en calor o frío (no son habituales en Europa).

La red, más mallada cuanto más grande, suele estructurarse en distintos niveles, en función de la energía a transportar:

• Red troncal: conduce el calor (o el frío) desde grandes centrales de DH/DC hasta las redes locales de distribución. Suelen ser generalmente tubos metálicos preaislados de grandes diámetros, operando a altos caudales y presiones.
• Ramales: conducen el calor (o el frío) desde la red troncal, o bien desde una pequeña central a los clientes.
• Acometidas o ramales de servicio a clientes: Son la conexión desde los ramales a la subestación individual de cada cliente. Para clientes pequeños, suelen emplearse conjuntos bitubo de plástico preaislados, por ser sistemas de bajo coste y menores pérdidas térmicas.

La red de distribución de tuberías debe disponer además de sistemas capaces de detectar posibles fugas de agua tanto en las tuberías hacia el exterior, debido a un defecto en las mismas, como desde el terreno hasta las tuberías por fisuras o problemas en la protección.

Subestaciones

La transferencia térmica entre la red de distribución y los consumidores (edificios o viviendas) se realiza en conjuntos homologados por el operador del distrito, en los que se establece el límite de propiedad/responsabilidad entre la red y el consumidor, y se contabiliza la energía consumida.

Las subestaciones adecúan la presión y la temperatura de la red de distribución a las condiciones necesarias para el consumo del edificio, y garantizan los saltos de temperatura necesarios para una buena eficiencia del sistema.

En general se trata de sistemas indirectos con uno o varios intercambiadores de calor, pero en redes de menor temperatura y con presiones asumibles para la instalación doméstica, empieza a ser común la instalación de sistemas de conexión directa en los que no hay una diferenciación física entre la red general y la del usuario.

Las subestaciones incorporan un equipo de regulación y control, los ya mencionados contadores de energía, intercambiadores de calor y ocasionalmente sistemas de almacenamiento térmico. El sistema de agua caliente sanitaria del usuario siempre será un circuito independiente de la red, puesto que debe cumplir unas condiciones higiénicas especiales.

Evolución histórica

Los sistemas de District Heating iniciaron su andadura a finales del S. XIX. En aquella época, eran básicamente agrupaciones de industrias y complejos de edificios (hospitales,…) con gran consumo energético, y los sistemas se basaban en vapor a altas temperaturas y presiones en el orden de los 300ºC y 20 bar. Entre otros motivos, el uso del vapor venía motivado por ser el único sistema para trasportar calor a largas distancias, ante la falta de motores eléctricos. Aunque hoy en día sabemos que los Sistemas de vapor son ineficientes y caros de mantener, aún son una opción en uso para zonas con muy altas densidades y hay sistemas en operación en Nueva York y Paris.

Con el tiempo y la evolución tecnológica, los sistemas de DH maduraron. A partir de los 1930, se cambió el vapor por sistemas de agua sobrecalentada, a temperaturas superiores a 100ºC. Estos sistemas se denominan de 2ª generación, y ya permiten operar con cargas más variables, almacenar energía térmica en la red y, sobre todo, evitan los problemas de seguridad existentes en toda instalación de vapor.

La tercera generación se desarrolla desde finales de 1980, y es la predominante hoy en día. Se trata de sistemas que operan en el rango 60-100ºC, y se caracterizan por haber optimizado mucho su diseño tales como los tubos preaislados, y estar generalmente basados en sistemas de cogeneración y/o calores residuales de origen industrial.

Sobre esta tercera temperatura, empieza a ser común el despliegue de sistemas solares térmicos a gran escala, habiendo sido estos de gran desarrollo en Dinamarca y otros países escandinavos y centroeuropeos. Estos sistemas pueden considerarse en transición hacia una 4ª generación de DH.

Con el objetivo cada vez mayor de la descarbonización y el uso de energías residuales, los sistemas de DH están acercándose cada vez más a los límites térmicos. En la búsqueda de menores pérdidas térmicas en la red, y la posibilidad de aprovechar más eficientemente los calores residuales disponibles, se desea bajar la temperatura de producción. Pero para ello, se deben buscar formas de mantener los niveles térmicos de seguridad de consumo (legionela) y confort.

Los sistemas de 4ª generación están todavía en maduración, habiendo distintos tipos de conceptos. Desde sistemas de muy baja temperatura (~20-30ºC) en combinación con bombas de calor que operan de forma similar a grandes anillos de condensación, hasta sistemas de baja temperatura (~40-45ºC) que garantizan el servicio de calefacción y necesitan de bombas de calor locales para el Agua Caliente Sanitaria.

Ventajas del District Heating

Con respecto a las ventajas que aporta la implantación de un sistema de district heating & cooling, estas se pueden dividir en cuatro áreas fundamentales:

Ventajas medioambientales

• Habitualmente se utilizan fuentes de energía residuales (residuos sólidos urbanos o alternativas) en equipos de alto rendimiento energético, minimizando así el consumo de energías primarias de origen fósil.
• Reducción de emisión de gases de efecto invernadero al ser una solución más eficiente energéticamente.
• Importante reducción de pérdidas de refrigerante a la atmósfera en relación con los sistemas convencionales.
• Disminución de ruidos y vibraciones en los edificios conectados al sistema.
• Nulo impacto visual puesto que el sistema permite que las azoteas y fachadas queden totalmente despejadas.

Ventajas económicas

• Reducción drástica de la potencia eléctrica a contratar (en sistemas de frío).
• Ahorro en la factura energética del usuario.
• Reducción en el coste de mantenimiento y menor necesidad de especialización de los técnicos.
• No se precisa comprar ni reponer los equipos de producción propios.
• Facilidad en la previsión de la facturación energética.
• Mayor espacio disponible para la comercialización u otros usos.
• Edificios de última generación con un alto valor añadido.

Ventajas de seguridad

• Garantía de seguridad y continuidad del suministro.
• Eliminación de riesgos sanitarios.
• Supervisión permanente de las instalaciones por parte de especialistas, incluyendo las subestaciones.
• Ausencia de gases inflamables dentro del edificio.

Ventajas de uso

• Flexibilidad: el servicio está asegurado en todo momento, sin necesidad de planificación y adaptándose a las diferentes necesidades del usuario resultando fácil la ampliación de potencia con una mínima inversión en equipos propios.
• Fiabilidad: la redundancia y la calidad de nuestros equipos, su automatización y su supervisión permanente, por técnicos altamente cualificados, garantizan la fiabilidad del servicio prestado.
• Simplicidad: instalaciones menos complejas y económicas en su mantenimiento. Aumento de la simplicidad de operación de las instalaciones puesto que la producción de energía no pertenece al edificio.
• Ahorro de espacio con azoteas despejadas y salas técnicas de dimensiones reducidas.
• Ausencia de vibraciones, ruidos e impactos visuales negativos debido a la eliminación de equipos de aire acondicionado o chimeneas.

Dada la existencia de una red de District Heating/Cooling, las ventajas de conexión frente al desarrollo de instalaciones individualizadas son evidentes. Sin embargo, el establecimiento de redes nuevas debe estudiarse con cautela. Deben considerarse las condiciones económicas que requiera el proyecto en cuanto a inversión y financiación, condiciones técnicas en cuanto a la concentración o dispersión de la demanda, perfil, demanda mínima de calor y frío, escenarios de reducción de consumo en los edificios, desarrollo de la red por fases con conexiones progresivas… y por supuesto, la disponibilidad en la zona de calor residual, posibilidad de realización de instalaciones renovables, y/o disponibilidad de combustibles de bajo coste tales como la biomasa.

Detectar la oportunidad de construir una red de distrito en la fase de planeamiento urbanístico será un elemento clave para el éxito del proyecto, reduciendo costes e integrándolo con el resto de los servicios.

Fuentes: IDAE “Guía Básica Redes de Distrito de Calor y Frío”, ADHAC – Asociación de Empresas de Redes de Calor y Frío, Districlima

Foto: Roberto Garay