Calefacción urbana o de distrito, ¿un sistema energéticamente más

Asociación Española de
Ingeniería Mecánica
XVIII CONGRESO NACIONAL
DE INGENIERÍA MECÁNICA
Calefacción urbana o de distrito, ¿un sistema energéticamente
más sostenible?
M.M. Huerta, J.M. Portela, A. Pastor
Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial. Universidad de Cádiz
[email protected]
Resumen
La calefacción urbana o de distrito, es un sistema de calefacción central como la de cualquier comunidad de
vecinos, pero de grandes dimensiones para una ciudad o un barrio, dispone de una instalación que produce el
calor y se canaliza por sus calles para que llegue a todos los hogares, incrementando la eficiencia en el
aprovechamiento del agua, energía, y disminución del impacto atmosférico. La producción del calor se basa, en
general, en centrales de cogeneración, pero cada vez más se usan energías renovables como la biomasa, la
energía solar y hasta el calor sobrante de las centrales nucleares y de las incineradoras de residuos urbanos.
Este aprovechamiento del calor residual es importantísimo en el ahorro energético de este sistema. La
calefacción urbana obtiene su calor de una central cercana. El calor se distribuye a los edificios de un barrio o
de una ciudad que forman parte de la red, mediante un sistema de tubos aislados, por lo general subterráneos.
Usualmente se usa agua para distribuir el calor, pero también se puede utilizar vapor. El calor distribuido se
puede utilizar para calefacción, ACS e incluso para refrigeración en verano con sistemas especiales. Las
centrales más utilizadas para obtener este calor, son las centrales de cogeneración que al producir y
aprovechar de forma conjunta electricidad y calor, logran un considerable ahorro energético, además de
disminuir la contaminación al reducir el consumo de combustibles fósiles o gas natural, la tendencia es el uso
de renovables. La principal ventaja en este sistema es que la producción del calor es mucho más eficiente pues
se desperdicia menos y se contamina también menos. El principal inconveniente, es la puesta en marcha de la
central productora de calor y la red de tuberías. Todo este sistema requiere una gran inversión inicial, que se
amortiza a largo plazo. Este sistema no es una buena opción para zonas con baja densidad demográfica o para
comunidades con muchos pequeños edificios. Donde se puede encontrar la mayor implantación de la
calefacción urbana o de distrito es en los países nórdicos, Rusia y Europa del Este.
INTRODUCCIÓN
En la Escuela Superior de Ingeniería de Cádiz se está potenciando durante los últimos años el uso de tecnologías
más eficientes combinado con diseños más respetuosos con el medio ambiente en el diseño y ejecución de un
proyecto, partiendo siempre de la base que la fase de diseño es crucial para conseguir unos buenos resultados
finales [1,2].
La calefacción urbana como la utilizamos hoy se desarrollo a comienzos del siglo XX, aunque existen vestigios
en el Imperio Romano de técnicas similares. El concepto principal es suministrar calefacción a los edificios
públicos, apartamentos, oficinas etc. Su funcionamiento se basa en una central cercana a los consumidores que
produce calor con el cual se genera agua caliente o vapor y este es distribuido mediante un sistema de tubos
aislados, por lo general subterráneos, a una ciudad o un barrio de dicha ciudad (Figura 1), el transporte del fluido
se realiza a través de muchos kilómetros con pérdidas mínimas de calor para los consumidores.
Este sistema es como la de cualquier comunidad de vecinos, pero a lo grande. En España es un poco mas difícil
de encontrar que en otros países, sobre todo Nórdicos, pero también disponemos de ella desde hace bastantes
años. Factores como la climatología, el desarrollo tecnológico u otros como la situación de las fuentes de energía
han supuesto que la mayor implantación de la calefacción de distrito en el continente europeo se haya producido
en los países Nórdicos, Rusia y Europa del Este.
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Figura 1. Sistema clásico de conducciones de calefacción de distrito
Un caso que merece una especial atención es el de Islandia que lidera la utilización mundial de calefacción
urbana. El 95% de todos los hogares, la mayoría de ellos en la capital, Reykiavik (Figura 2). La mayor parte del
calor proviene de las plantas geotérmicas de este país. Tras Islandia los países Escandinavos son los mayores
consumidores de esta tecnología.
Figura 2. Diagrama de flujos simplificados de un sistema geotermal de calefacción distrital de Reykjavik
(Gudmundsson, 1988)
Los sistemas geotermales de calefacción distrital requieren grandes inversiones de capital. Los mayores costos
corresponden a la inversión inicial, en pozos de producción y de reinyección, en bombas dentro de pozos,
tuberías y redes de distribución, en equipos de monitoreo y control, en estaciones de peaking y estanques de
almacenamiento. El costos de operación es sin embargo comparativamente más bajos que en los sistemas
convencionales. Un factor crucial en la estimación del costo inicial de un sistema es la densidad de carga termal,
o la demanda de calor dividida por el área de terreno del distrito. Una alta densidad de calor determina la
factibilidad económica de un proyecto de calefacción distrital ya que la red de distribución es costosa. Algunos
beneficios económicos pueden conseguirse combinando calefacción y enfriamiento en aquellas áreas donde el
clima lo permita. El factor de carga en un sistema que convine calefacción y enfriamiento podría ser mayor que
el factor de carga para calefacción solamente y consecuentemente mejoraría el precio de la unidad de energía
(Gudmundsson, 1988) [3,4]. El aire acondicionado geotermal (calefacción y enfriamiento) ha tenido una
considerable expansión desde los años 1980, conjuntamente con la introducción y generalización del uso de
bombas de calor.
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En Dinamarca, más del 60% de la producción de calor y agua caliente se basa en este sistema, y está basada en
un 80% en instalaciones de cogeneración, y el 20% restante proviene del aprovechamiento del calor recuperado
en las incineradoras de residuos urbanos.
En Suecia el 90% de la energía utilizada para tal fin tiene origen renovable, y la basura como combustible (la
legislación sueca prohíbe los vertederos), encontramos también aquí un caso peculiar como es el
aprovechamiento del calor residual de la energía nuclear de la central de Agesta.
En Finlandia, el porcentaje cambia siendo el 50% de las necesidades de calefacción cubiertas por la
cogeneración, y el resto a partir de energías renovables como biomasa o la energía recuperada de la incineración
de los residuos sólidos municipales.
Rusia es otro importante consumidor de esta tecnología. Las plantas de cogeneración producen más del 50% de
la electricidad del país y de forma simultánea se suministra agua caliente para los ciudadanos.
En el resto del Norte Europa los ejemplos son también muy variados.
En el hemisferio Norte y fuera del continente europeo, la calefacción de distrito también es utilizada en países
como Estados Unidos y Canadá, por ejemplo Nueva York con una de las mayores redes a nivel mundial.
Como ejemplo americano podemos hablar de la empresa Consolidated Edison que comenzó a utilizar el sistema
en 1882 en Lower Manhattan y hoy en día es la mayor del mundo en sistemas de vapor. A principios de los años
30 ya era utilizado por más de 2000 edificacios, incluyendo lugares tan conocidos con Grand Central Terminal,
Empire State Building, Chrysler Building, Daily News Building o el Rockefeller Center
Como podemos comprobar la producción del calor se basa, en general, en centrales de cogeneración, pero cada
vez más se usan energías renovables como la biomasa, la energía solar, geotérmica (incluido el uso directo del
agua geotérmica cuya temperatura suele oscilar entre los 10 a 130º C) y hasta el calor sobrante de las centrales
nucleares o de las incineradoras de residuos urbanos, para llegar a propuestas como la de usar el calor sobrante
de los crematorios de cadáveres en una ciudad Sueca [6].
Al ser la demanda fluctuante estos sistemas cuentan con sistemas de acumulación para almacenar la energía en
momentos de menor consumo.
El calor distribuido se puede utilizar para calefacción, para producir agua caliente o para climatizar y enfriar
según convenga.
El método más común para obtener este calor es una central de cogeneración. En ellas se puede utilizar
combustibles fósiles o gas natural de modo más frecuente en nuestros días, para de esta forma producir y
aprovechar de forma conjunta electricidad y calor, con lo cual se logra un considerable ahorro energético.
La tendencia actual es utilizar centrales basadas en energías renovables como puede ser la biomasa, la
geotérmica o la solar, pero también es posible usar la energía nuclear.
En España tenemos este sistema con una implantación reducida, por ejemplo en Barcelona, la compañía
Districlima ha puesto en marcha una red para más de 50 edificios, en Madrid, la Consejería de Medio Ambiente
planea poner en marcha una red dentro del ecobarrio de Puente de Vallecas para suministrar calefacción y agua
caliente para unos 30 edificios.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La forma de funcionamiento de este sistema consiste en desde una central de producción de calor, distribuir agua
caliente, por medio de conducciones aisladas térmicamente, hacia las subcentrales de edificio donde, con un
intercambiador, se prepara el agua con las características (presión y temperatura) propias de la instalación del
edificio. Ésta subcentral es como cualquier central térmica de edificio, pero con el intercambiador en lugar de
calderas.
El agua que ha perdido una parte del calor que transportaba, vuelve a la central de producción para ser
recalentada y reenviada a la red, con lo cual también se ahorra energía por tener que vencer un menor salto
térmico con esta agua ya a una temperatura determinada.
Todo sistema tiene sus ventajas e inconvenientes, en nuestro caso particular nuestra comparación será respecto a
los sistemas de calefacción/climatización individual, respecto a la que estamos tratando de distrito o urbana.
Las principales ventajas son:
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Los sistemas productores de calor de gran tamaño, tienen rendimientos mucho mayores que los pequeños, de
modo que se aprovecha mejor el combustible. Por término medio, se calcula que tiene rendimientos un 10%
superiores, como mínimo, a los sistemas centralizados de edificio y entre un 30 y un 40% superiores a los
individuales de vivienda, lo que supone un gran ahorro de emisiones de gases de efecto invernadero. Además, las
emisiones de la central son más limpias de otros contaminantes que las de calderas más pequeñas.
Para el grupo de investigación Claverton Energy Research Group [5] y según un estudio realizado por ellos, la
calefacción de distrito realizada por cogeneración es el método más barato de reducir el uso del carbón y tiene
una de las huellas de carbono más bajas de todas las plantas de generación basadas en combustibles fósiles.
Las fuentes de calor que pueden utilizarse admite posibilidades, como la energía geotérmica o energías
residuales de procesos térmicos de la industria o de la cogeneración, solar, etc.. Figura 3.
Figura 3. Diagrama de fuentes de energías renovables acoplables a una calefacción de distrito
También el reparto de calor sirve para generar frío para climatización mediante aparatos de absorción instalados
en las subcentrales de edificio, con unos rendimientos económicos muy favorables respecto a la típica
generación por compresión.
El consumidor ahorra dinero en la energía y las instalaciones que debería usar en sus propios sistemas de
calefacción.
Los principales inconvenientes son:
La inversión inicial es muy elevada puesto que se ha de realizar la construcción de la central productora de calor
y la red de tuberías de distribución, por lo que la amortización será a largo plazo.
Incluso si solo se trata de construir una red de tuberías de distribución y realizar unas modificaciones para
aprovechar el calor residual de una instalación ya en funcionamiento la amortización seguirá siendo a largo
plazo.
Este tipo de sistema por sus características peculiares tiene un mejor aprovechamiento en zonas con alta
densidad demográfica, y evidentemente no es un sistema idóneo para zonas con baja densidad demográfica.
Tampoco se aconseja para comunidades con muchos pequeños edificios.
Lo más aconsejable para procesos industriales es la distribución con vapor, pero esto requiere una temperatura
más alta, por lo que se pierde más cantidad de calor, y se ha de tener un mayor cuidado en el mantenimiento de
la red de abastecimiento por la peligrosidad que entraña.
Un tipo especial de calefacción urbana es la fuente central de calefacción para una escuela, universidad, hotel,
aeropuerto o un centro comercial, es lo que se llama calefacción de grupo o colectiva.
A partir de 1980 se produjo un incremento en la demanda de calefacción urbana, por lo que los proveedores de
energía buscaban procesos más económicos para la construcción de nuevas redes.
El principal problema de las clásicas redes de tubería de acero existentes eran las rupturas debido a la corrosión y
el tiempo utilizado en la instalación en el proceso de renovación con la calorifugación etc..
La solución fué un producto llamado Flexalen, un sistema de tubería plástica pre-aislada flexible, desarrollado en
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cooperación entre un fabricante de tubería plástica y un proveedor de energía. Este sistema fue introducido 1982.
En el año 2000 se desarrolló de un nuevo sistema, el Flexalen 600, siendo este más económico y con mayor
resistencia al vapor teniendo una pérdida de calor menor a 1° C por kilómetro. Este sistema tiene muy buen
rendimiento tanto en calefacción como refrigeración. Las tuberías hechas a base de Polibuteno tienen incluso un
mejor funcionamiento a largo plazo con una temperatura de servicio de 95º C, y con la mayor presión permitida
comparada con las tuberías hechas a base de PE-X y PP.
Tan importante como la calefacción lo es también la refrigeración y Europa está teniendo una demanda
energética en crecimiento debido a la demanda causada por la utilización de sistemas de aire acondicionado.
Cada vez es más frecuente escuchar noticias relacionadas con puntas de consumo eléctrico debido al uso
simultáneo de multitud de aparatos de refrigeración que causan una saturación en las redes eléctricas llegando al
límite durante la temporada de verano. Una alternativa a este fenómeno potencial es el enfriamiento central. El
frío creado desde una máquina generadora de agua helada es la mejor solución o emplear o la absorción aplicada
a la calefacción de distrito.
Un hecho interesante es que en este campo los países Escandinavos, y los Emiratos (UAE) son líderes. Una de
las redes que más rápido se ha construido, está instalada en Dubai. Los Hoteles para turismo en las áreas
tropicales y sub-tropicales se están equipando con sistemas centrales de distribución de agua helada que
alimentan las unidades de aire acondicionado. El uso de estas tuberías pre-aisladas flexibles de fácil instalación y
libre de mantenimiento en su operación o de mantenimiento muy bajo son argumentos perfectos para los
inversionistas en estas tecnologías.
En estos sistemas siempre debemos de tener en cuenta que el rendimiento crece con el tamaño de la instalación,
las calderas mayores suelen ser más eficientes, los acumuladores de calor grandes pierden menos calor, el
consumo repartido provoca menos paradas y arranques, se puede utilizar un sistemas modular que arranque
módulos cuando su potencia no sea suficiente, varios módulos a plena potencia son más eficientes que muchas
calderas individuales a media potencia.
Una aplicación usada en muchos países con este sistema, es la de calefacción para invernaderos donde siempre
que se puede se adopta un sistema de riego de sub-superficie conectado a una tubería enterrada de calefacción
del suelo donde la mejor solución parece ser aquella que combina la calefacción del suelo con el regadío (este
sistema usa frecuentemente energía geotérmica, incluido fluidos geotermales, pero teniendo cuidado con su
composición química).
CONCLUSIONES
Como todo sistema que tiene ciertas peculiaridades y un tiempo de amortización alto, es necesario antes de
instalar un sistema de calefacción de distrito, el realizar un estudio previo por un experto en la materia. Este
estudio sirve para analizar cómo realizar la instalación de forma óptima y económica, para que la oferta de calor
se adecue a la demanda a lo largo de los distintos meses del año, y de esta forma obtener la mejor solución
posible.
Está muy poco desarrollado en este tipo de sistemas el concepto de "trigeneración", en el que además de la
electricidad y el calor, se añade un sistema de absorción para producción de frío, con lo que se conseguiría una
climatización en vez de solo una calefacción con lo que se mejoraría el sistema en algunos tipos de climas.
Curiosamente este concepto fue introducido por la empresa AESA en 1982, una empresa pionera en España en la
utilización de la cogeneración,
Se están usando en esta tecnología centrales de biomasa para generar electricidad/calor lo cual no supone ningún
problema pero también se usa el calor residual de la incineradoras de Residuos Sólidos Urbanos las cuales crean
energía pero genera controversia por su acción contaminante aunque sus emisiones se reduce hasta valores
mínimos e inocuos.
La refrigeración de distrito también esta entrando en últimamente en acción y algunas empresas distribuidoras
ofrecen los dos sistemas, dado que gracias a los nuevos materiales se tienen menos problemas técnicos para
poner en marcha estos sistemas.
En los sistemas antiguos no había regulación y se podía pasar calor o frío según la persona, con lo cual no existía
confort, en los sistemas actuales la eficiencia es mayor que en los sistemas individuales y centrales y poseen
regulación.
M.M. Huerta et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)
REFERENCIAS
[1] J. M. Portela, A. Pastor, M. M. Huerta, El Proyecto Autosostenible un caso extremo en la Asignatura de
Proyectos, XVII Congreso Universitario de Innovación Educativa en las Enseñanzas Técnicas, Valencia,
España (2009).
[2] J. M. Portela , A. Pastor, M. M. Huerta, Aprendizaje Basado en la Búsqueda de una Alternativa de
Desarrollo Sostenible a una Solución Estándar de un Proyecto, XVI Congreso Universitario de Innovación
Educativa en las Enseñanzas Técnicas Cádiz, España (2008).
[3] J.S. Gudmundsson, MATERIAL BALANCE MODELING OF GEOTHERMAL RESERVOIRS, Geothermal
Reservoir Engineering, E. Okandan (ed.) Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 143-156 (1988).
[4] J.S. Gudmundsson, TWO-PHASE FLOW IN GEOTHERMAL WELLS, Geothermal Reservoir Engineering,
E. Okandan (ed.) Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 63-75 (1988).
[5] http://www.claverton-energy.com/carbon-footprints-of-various-sources-of-heat-chpdh-comes-outlowest.html
[6] http://tuultimavoluntad.com.ar/?p=1923
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