Acumulación de frío mediante PCM El almacenamiento de energía

ALMACENAMIENTO ENERGÉTICO
SALVADOR OSORIO - MARKET MANAGER
SANIDAD E INDUSTRIA DE CIAT
GEMA MARTÍNEZ – EQUIPO PRESCRIPTOR CIAT
Acumulación de frío mediante PCM
El almacenamiento de energía se presenta como una técnica eficaz para hacer frente a las
necesidades de refrigeración de los edificios, y combinado adecuadamente con el resto del
sistema de generación de frío, permite reducir los costes de explotación y las emisiones de CO2
a la atmósfera.
P
or lo general, los edificios no presentan una demanda constante de
refrigeración, sino que responden a
un perfil de carga variable en el cual solo
en periodos de tiempo muy reducidos esa
demanda alcanza su valor máximo. Se estima que el tiempo medio de funcionamiento a plena carga de los equipos de producción es únicamente del 1,4%. El resto del
tiempo el valor de la demanda se reduce y
los equipos no necesitan funcionar a plena
carga. Por lo tanto, si los equipos de generación de frío se dimensionan para la máxima demanda del edificio, la mayor parte
del tiempo estarán funcionando a carga
parcial y el sistema estará inútilmente sobredimensionado.
Acumulación de energía
Una manera eficaz de optimizar esta situación es desacoplar la producción y el consumo de energía, de forma que se puedan
aprovechar los periodos diarios de no uso
de la instalación para producir y almacenar la energía necesaria para satisfacer los
picos de demanda. Al contrario de los tramos horarios en los que la demanda de refrigeración es máxima, dichos periodos de
inactividad de la instalación corresponden
con tramos de tarifas eléctricas más favorables y con una generación de energía
más limpia y que implica menos emisiones
de CO2 a la atmósfera.
De este modo, los equipos de producción
se podrán seleccionar sólo para cubrir una
parte de la demanda total de la instalación,
y a su vez, esos mismos equipos se utilizarán para generar energía durante la noche,
que será almacenada para su uso posterior en periodos de máxima demanda. En
esas condiciones se puede conseguir una
reducción entre un 30% y un 70% en el
tamaño de los equipos y sus periféricos.
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Como consecuencia de todo ello se obtendrá un ahorro en la factura energética,
así como la reducción de la potencia eléctrica contratada y de la acometida eléctrica.
Además, los equipos de producción funcionarán de una forma más constante, con un
menor número de arranques y paradas, por
lo que tendrán mayor durabilidad.
Los costes de explotación disminuyen de
forma considerable por todo ello, debido
también a unos menores costes de mantenimiento, ya que la instalación es de menor tamaño y el sistema de acumulación
no necesita operaciones de mantenimiento específicas.
Desde el punto de vista medio ambiental, el desplazamiento de parte de la producción de energía a tramos horarios valle,
implica menores emisiones de CO2 a la atmósfera. Por otro lado, al ser los equipos
de producción de menor tamaño y al utilizar el agua como fluido de transporte de
la energía, la cantidad de refrigerante en
la instalación es menor. Todo ello supone
una reducción del TEWI entre un 20% y
un 40%.
Acumulación con materiales de
cambio de fase (PCM)
Existen distintas técnicas de almacenamiento de frío. La más sencilla es el almacenamiento sensible (agua fría líquida),
pero a la vez la menos interesante, ya
dispone de una baja densidad de acumulación (6-10 kWh/m3) lo que implica la necesidad de utilizar grandes volúmenes con
importantes requerimientos de espacio y
un elevado peso. Todo ello implica que el
sistema estará expuesto a mayores pérdidas de calor y además la energía no podrá
ser liberada a una temperatura constante.
Por el contrario, el almacenamiento de
tipo latente pone en juego todo el calor de
cambio de fase, siendo la densidad de acumulación mucho más elevada (93 kWh/
m3). Los volúmenes de almacenamiento se
reducen de forma considerable (de 6 a 10
veces) y la energía se libera siempre a temperatura constante.
Una de las técnicas más habituales para
realizar la acumulación de energía es mediante materiales de cambio de fase (PCM),
en la que el almacenamiento se hace por
congelación de unos nódulos que contienen en su interior una solución salina y
que se alojan en unos depósitos al efecto.
La sal contenida en los nódulos favorece
el inicio de la cristalización del líquido, iniciándose la misma a una temperatura superior que en el caso de utilizar agua pura.
Estos nódulos permiten acumular con un
rango de temperaturas desde 0º C hasta
-33º C, gracias a las diferentes composiciones de las sales contenidas.
Los nódulos se almacenan en el interior de tanques de acero, calorifugados
y presurizados. Dichos tanques pueden
instalarse en diferentes disposiciones (en
horizontal, vertical e incluso enterrados).
Aproximadamente el 60% del volumen
está ocupado por los nódulos, siendo el
volumen restante el espacio por el que discurre el agua glicolada. El paso del agua
por los tanques debe hacerse en dos sentidos diferentes, uno durante los períodos
de acumulación, y al contrario en los períodos de descarga de la energía.
Las aplicaciones del almacenamiento de
energía son múltiples, como múltiples son
también las estrategias a implementar:
desde satisfacer parte o toda la demanda
desplazando la producción a tramos horarios valle, a atender necesidades de refrigeración de procesos industriales de carácter
puntual. También es de utilidad para disponer de una energía de reserva en instalaenergética
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almacenamiento ENERGÉTICO
Fig.1 Esquema almacenamiento.
ciones sensibles a una parada del sistema
(quirófanos, salas de proceso de datos,…).
Funcionamiento y control
Para un funcionamiento que permita satisfacer la demanda de forma adecuada, es
imprescindible la existencia de un sistema
de control que asegure los tiempos de carga y descarga del sistema de acumulación
y coordine su funcionamiento con el resto
del sistema de generación de frío (enfriadoras, enfriamiento gratuito,..) para conseguir
en todo momento la máxima optimización
energética y con ello reducir los costes de
explotación y el impacto medioambiental.
Adicionalmente, deber ser lo suficientemente flexible para adaptarse al cambio de
las necesidades así como a las variaciones
del precio de la energía a lo largo de toda
la vida útil de la instalación y ser capaz de
generar información sobre el funcionamiento del sistema que facilite la toma de
decisiones sobre las estrategias de producción más adecuadas a implementar.
Por último, debe garantizar en todo momento la operatividad de la instalación con
un control de las operaciones de mantenimiento preventivo a realizar y, en caso de
fallo del sistema, activando los correspondientes avisos y poniendo en marcha los
elementos de reserva.
Ejemplo práctico
A continuación, se expone un caso clásico
de acumulación de frío, para una instalación de climatización, con temperatura
de trabajo de agua 12/7 ºC. El objetivo
en este caso será reducir al máximo el tamaño de la enfriadora, de forma que en
los momentos de mayor demanda del día
obtendremos frío simultáneamente con la
planta enfriadora y la energía acumulada
en el tanque.
energética
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Se supone un edificio con una demanda
punta de 1000 kW. El horario de funcionamiento de dicho edificio es de 10 a 22
horas. La carga del edificio variará a lo largo
del día dependiendo de muchos factores,
tanto de las condiciones exteriores, como
de la orientación del edificio, ocupación,
iluminación, etc. Cuanto mejor se conozca
la curva de la carga a lo largo del día, mejor será la selección de la acumulación y la
planta que mejor se adapta a la instalación.
Por último, debe decidirse el horario en el
que se dispone de la mejor tarifa eléctrica
para realizar la acumulación de frío. En este
ejemplo vamos a considerar que la acumulación se realizará desde las 0 a las 8 horas.
En base a esto, y como se puede ver en la
figura 2, con un tanque de 48 m3, se con-
sigue reducir el tamaño de la planta enfriadora desde los 1000 kW iniciales, a un
equipo de 490 kW, lo que implica un 50%
menos de potencia frigorífica a instalar.
La parte del gráfico que aparece en rojo,
indica el funcionamiento de la planta enfriadora durante el día, produciendo frío directamente para la instalación de climatización. Por otro lado, la parte en azul marino,
representa la energía que se descarga durante el día procedente de la acumulación.
Por último, en azul celeste, se observa el
funcionamiento de la enfriadora durante la
noche, trabajando aproximadamente a -5.5
ºC para cargar el tanque (energía acumulada en este caso durante la noche: 2610
kWh).
Conclusiones
El almacenamiento de energía se presenta
como una técnica eficaz para hacer frente
a las necesidades de refrigeración de los
edificios, y combinado adecuadamente
con el resto del sistema de generación de
frío, permite reducir los costes de explotación y las emisiones de CO2 a la atmósfera.
Además, alarga la vida útil de la instalación
ya que optimiza los periodos de arranque
y parada de las enfriadoras. Todo ello contribuye a alcanzar atractivos periodos de
retorno de la inversión 7
Fig.2 Gráfica ejemplo práctico
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