MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES Y PROYECTOS ENERGÉTICOS Caso Práctico 4. Módulo 4 - Biomasa Valeria María Galeano [email protected] CASO PRÁCTICO 4. MÓDULO 4 – Biomasa 1. Introducción teórica. El sistema energético de Estonia está dominado por el uso de petróleo de esquisto para generar electricidad, mientras que la calefacción es proporcionada por una combinación de fuentes que incluyen biomasa local y combustibles fósiles importados. Mientras tanto, alrededor del 45 % de la demanda de calefacción se satisface a través de redes de calefacción urbana. Las emisiones de carbono en Tartu han aumentado un 31% en los últimos 10 años, lo que se debe principalmente a la electricidad consumida en los sectores privado y comercial y al creciente uso de automóviles. El país se compromete a reducir las emisiones de carbono a través de su Plan Nacional de Energía y Clima 2030 adoptado. El plan incluye el compromiso de reducir las emisiones de carbono en un 70% para 2030 en relación con la línea de base de 1990 y asegurar que las energías renovables representen el 42% del consumo final de energía. Mientras tanto, el Plan Nacional de Desarrollo del Sector Energético establece el objetivo de que el 80% del calor provenga de fuentes renovables para 2030. La ciudad de Tartu cuenta con una red de calefacción urbana de 50 años y una red de refrigeración urbana de 5 años. La red privatizada atiende a alrededor de 75.000 clientes y es propiedad y está operada por Fortum Tartu. La ciudad y el operador de la red han llevado a cabo múltiples innovaciones para mejorar la eficiencia energética, la calidad del aire, las emisiones de carbono y la satisfacción del cliente. Fortum Tartu ha implementado una serie de innovaciones comerciales y operativas para mantener el desempeño y la estabilidad financiera de la empresa. Éstas incluyen: integración vertical y diversificación, lo que permite a la empresa convertirse en un productor y proveedor de combustible de biomasa; desarrollo de una nueva planta combinada de calor y electricidad de biomasa; crecimiento a través de la expansión y adquisición de un operador de red de calefacción cercano; y desarrollo de una red de refrigeración urbana baja en carbono parcialmente alimentada por el río Emajõgi que atraviesa el centro de la ciudad. Como parte de su estrategia, la empresa Fortum ofrece soluciones sostenibles para ciudades en crecimiento. En 2009, se puso en marcha la Planta de Energía de biomasa en Tartu, Estonia que genera electricidad y calor al mismo tiempo, como proyecto de bioenergía de 25MW. Luego, en mayo de 2016, Fortum inauguró la primera red y planta de refrigeración urbana en Tartu. En este momento, la red de enfriamiento del distrito de Tartu tiene 1,6 kilómetros de largo. Aumenta la oferta para los clientes en Tartu además del calor y la electricidad, que es producido por la planta local de cogeneración de calor y electricidad (CHP) de Fortum. Hoy hay más de 1.700 edificios conectados a la red y aproximadamente 75.000 usuarios finales en la ciudad están utilizando calefacción urbana, de la cual más del 70% se produce mediante cogeneración de calor y electricidad mediante el uso de biomasa renovable. La refrigeración urbana es la última incorporación a la producción de energía en Estonia. En Tartu, las redes de calefacción y refrigeración urbanas están conectadas a través de bombas de calor, formando un sistema de energía integrado que recibió reconocimiento internacional en 2017 cuando ganó el Global District Energy Climate Award en la categoría Expansión. 2. Nombre de la empresa. AS Fortum Tartu, holding propietario de las empresas de calefacción urbana y generación de energía eléctrica y refrigeración en Tartu. 3. Localización. Tartu linn, Tartu, Estonia. Ubicación de la Planta de Cogeneración: Lohkva, parroquia de Luunja Ubicación de la Estación de Refrigeración: centro de la ciudad de Tartu, Turu 16a. 4. Desarrollo e implantación. Tartu tiene 97.753 habitantes (julio 2023). En el densamente poblado centro urbano de Tartu se instaló un sistema de refrigeración urbana de alta eficiencia energética utilizando enfriadoras refrigeradas por el río. Fortum aumentó la eficiencia energética del sistema utilizando una bomba de calor que reutiliza el calor residual del sistema de refrigeración para el sistema de calefacción urbana. El centro de la ciudad de Tartu contiene una variedad de edificios públicos, incluido un parque acuático, un teatro, cuatro centros comerciales, un centro de ciencias y numerosos edificios de oficinas. Los edificios tienen diferentes picos de consumo de energía, lo que permite optimizar el consumo de energía. Central Eléctrica y de Calor de Tartu – Calefacción El proyecto está actualmente activo. Inició sus operaciones comerciales en 2009 y hasta el 2014 el sistema continuó expandiéndose, principalmente a través de la adquisición de otro sistema local de calefacción y nuevas instalaciones. El sistema de calefacción abastece principalmente a los sectores residencial y terciario, con una capacidad de producción de 328,3 MW y su combinación energética está dada por las dominadas “astillas de madera” locales (76 %). Las unidades generadoras pueden ser controladas desde una centralita (los llamados “controlados a distancia”). Esto permite una supervisión general mejorada y funcionamiento del sistema y reduce el tiempo de reacción en caso de incumplimientos de disponibilidad. Es una planta de cogeneración que genera electricidad y calor al mismo tiempo. La electricidad producida se transmite a la red eléctrica y se vende en el mercado eléctrico de Nord Pool AS, mientras que el calor se dirige a la red de calefacción urbana de Tartu, que calienta los hogares de la ciudad, los centros comerciales, los edificios comerciales, las agencias municipales y estatales, las guarderías, escuelas, hospitales, instituciones culturales, etc. La eficiencia energética de la cogeneración proviene del hecho de que una determinada cantidad de combustible produce simultáneamente electricidad y calor. Producir la misma cantidad de calor y electricidad en estaciones separadas requeriría un 40% más de combustible. El principio general de funcionamiento de una planta de cogeneración de electricidad y calor es el máximo aprovechamiento de la energía del combustible a través del proceso de cogeneración para conseguir la mayor eficiencia total posible. La red de calefacción urbana de Tartu es única en Estonia: aunque la mayor parte del calor se produce en la Central Eléctrica y en las salas de calderas utilizando biocombustibles, Fortum Tartu también ha lanzado un proyecto abierto de calefacción urbana con la imprenta Kroonpress. Esto significa que el calor adicional generado en el proceso de producción de la impresora que no utiliza Kroonpress, se dirige a la red de calefacción urbana de Tartu. Esta red también recibe calor adicional de la refrigeración urbana: el calor devuelto por los consumidores de refrigeración urbana se dirige a través de una bomba de calor a la red de calefacción urbana para calentar edificios y agua. El trabajo de las empresas energéticas de hoy es ofrecer a los clientes los productos que necesitan, basados en soluciones inteligentes, utilizando toda la energía producida en el proceso sin desperdiciarla. El precio de la calefacción urbana de Tartu en 2016 fue de unos 51,05 EUR/MWh (sin impuestos), inferior al precio medio nacional de la calefacción (aproximadamente 60 euros/MWh). Estación de Refrigeración del Centro de la Ciudad de Tartu Iniciado en el 2016, representa la primera solución de refrigeración urbana en los países bálticos. Sus primeros clientes fueron un nuevo centro comercial y un hotel ubicados en el centro de la ciudad, y luego abastecieron a otros edificios terciarios a medida que creció la red. Se espera que la mayoría de los clientes de refrigeración sean también clientes de calefacción. Fortum Tartu identificó estas áreas para el desarrollo de refrigeración: * El potencial total del centro de la ciudad está cerca de 15 MW. Corresponde a una demanda de refrigeración estimada de 18 GWh/a. Tras la última publicación de planes urbanísticos por el municipio, se tienen 5 MW adicionales identificado en esta zona. * Otras áreas potenciales incluyen el Parque Comercial Lõunakeskus, con un potencial de 8,4 MW de capacidad de refrigeración (planta de producción de refrigeración centralizada clásica). La Estación de Refrigeración del centro de la ciudad de Tartu es una estación cuyo propósito es producir y suministrar refrigeración para edificios, centros comerciales, hoteles, etc. La refrigeración urbana tiene varias ventajas sobre la refrigeración tradicional, principalmente en la eficiencia energética. La estación de refrigeración del distrito de Tartu produce refrigeración utilizando equipos industriales tradicionales, así como agua fría de río. En Fortum Tartu, el coste total de la inversión fue de 5,7 millones de euros incluyendo una nueva planta de refrigeración (en el Distrito de Aardla) con una capacidad de 13 MW. La planta está ubicada junto al río Emajõgi, lo que permite el uso de enfriadores enfriados por río, que son parte de una solución de producción de alto rendimiento. El agua del río Emajõgi se utiliza para enfriamiento gratuito de octubre a abril. En cooperación con el proyecto SmartEnCity, se instalaron paneles solares para producir electricidad para las propias necesidades energéticas de la planta. Dentro de la planta hay una bomba de calor que ayuda a transformar el exceso de calor del agua procedente de los clientes de refrigeración urbana para calentar el agua para los clientes de calefacción urbana. El proyecto de enfriamiento del distrito disminuye la necesidad de electricidad anual en un 70 % en comparación con las soluciones de enfriamiento locales. Las soluciones de refrigeración local necesitan 24 GWh de energía primaria al año. La planta de enfriamiento de distrito reduce el uso de energía primaria en más de tres veces. El centro de la ciudad de Tartu cumple con varios criterios para el éxito de la refrigeración urbana: El centro de la ciudad está lo suficientemente densamente poblado; Se poblará aún más densamente en el futuro; Los nuevos edificios garantizan una alta densidad energética: aprox. 7 kW/m (la media es de 1,8-5,5 kW/m); Fortum es el dueño de la propiedad ribereña; El agua del río se puede utilizar para refrigeración general en otoño, invierno y primavera y para refrigeración de turbocompresores en verano. 5. Datos técnicos de la instalación. Escala: A nivel de distrito Principales características del sistema de calefacción y refrigeración en Tartu: - Media del sistema: ± 80.000 usuarios finales - Red privada: Propiedad y operación de Fortum Tartu - Producción eficiente: * Planta de cogeneración de biomasa de 50 MWth/25 MWe, equipado con condensador de gases de combustión de 15 MW * Calderas de gas para picos de potencia * Calor residual de una industria papelera local - Refrigeración: 1 planta de Refrigeración en operación, 3 más en la tubería * Refrigeración gratuita desde el río * Una bomba de calor y enfriador de pico ± 13 MW Datos y cifras clave: Sistema de calor del mercado Capacidad de Calefacción y Refrigeración Producción de Calefacción y Refrigeración Red en Km Doble tubería Emisión de CO2 (calor) 50 % de edificios (75 % los ciudadanos) Calefacción: 328 MW Refrigeración: 13 MW Calefacción: 500 GWh/a Refrigeración: 1.3 GWh/a Calefacción: 163 Km Refrigeración: 1,6 Km 0,102 kg/MWh Central Eléctrica de Tartu – Calefacción La red abastece alrededor del 50 % de los edificios de la ciudad y el 75 % de sus ciudadanos. Durante los últimos 15 años, el aumento promedio de la capacidad fue de 21,5 MW/año adicionales y se multiplicó la capacidad por 2.3, lo que demuestra la buena salud del sistema de calefacción. La central eléctrica de Tartu solo utiliza combustibles locales: 80 % de biomasa renovable (astillas de madera, madera de bajo valor, residuos de tala) y 20 % de turba (que no se considera una fuente de energía renovable, pero es local). El uso de combustibles locales mejora las condiciones de vida y la economía locales y proporciona empleo. Las emisiones de CO2 de la quema de astillas de madera y residuos de la industria maderera, por ejemplo, se pueden cancelar, ya que el CO2 liberado al quemar biocombustibles es reabsorbido por las plantas a través de la fotosíntesis, lo que significa que el efecto invernadero no aumenta. La disponibilidad de turba y astillas de madera es de hecho muy buena. El precio de mercado actual de la turba es de 11 EUR/MWh y de astillas de madera 14 EUR/MWh. La carga base es cubierta a través de cogeneración de biomasa, luego se activan las calderas de combustible local y finalmente los picos de carga se cubren con calderas de gas natural. La posible capacidad máxima alcanza 235 MW, de los cuales 120 MW son aportados por calderas de gas. Sin embargo, el consumo de gas es normalmente por debajo del 6 % del consumo total de combustible. Estación de Refrigeración del Centro de la Ciudad de Tartu El agua fría del río Emajõgi se puede utilizar como fuente de enfriamiento gratuito (energía de la naturaleza) de octubre a abril. Cuando el agua del Emajõgi enfría el agua de la red de refrigeración a la temperatura adecuada (6 °C), no es necesario utilizar equipos de refrigeración industrial. Cuando el agua del Emajõgi se calienta, la producción de enfriamiento también requiere el uso de equipos industriales. La potencia de la estación de refrigeración urbana es de 13 MW y la extensión actual de la red de refrigeración urbana es de 1,6 km. El impacto externo sobre el Emajõgi está estrictamente regulado: La temperatura del agua en la salida del sistema no debe aumentar más de 3 °C; La temperatura del agua en la salida del sistema no debe exceder los 20 °C; La temperatura del agua durante la época de desove no debe exceder los 10 °C. Los resultados de la encuesta muestran que: La temperatura del agua devuelta al río es en promedio 4,4 °C más cálida que la del agua entrante; El uso de agua del sistema de refrigeración del distrito es de aproximadamente 0,18%, es decir, 436 m3/h; En el peor de los casos, la temperatura del agua en el área de salida aumenta 0,09 °C; Para reducir el impacto ambiental, la tubería de salida debe ubicarse en una parte del río de flujo más rápido. 6. Conclusiones y comentarios personales. Los combustibles neutros en carbono y bajos en carbono, como la biomasa, los residuos y el biogás, se están convirtiendo en una alternativa atractiva para reducir el impacto medioambiental de los sistemas de combustión. Aunque estas fuentes de energía producen emisiones de carbono, su ciclo de vida es neutro. Una planta de cogeneración eficiente con variedad de combustibles, da una flexibilidad económica y la posibilidad del éxito durante mucho tiempo. Diferentes mezclas de combustible dan la posibilidad de utilizar las formas de operación más beneficiosas. La red de calefacción urbana de Tartu abastece a la mayoría de sus residentes, por lo que le permitió reducir su huella de carbono. Este sistema de calefacción y refrigeración urbana, es un buen ejemplo de cómo renovar una red de calefacción vieja e ineficiente sistema para hacerlo más eficiente y sostenible. Los precios de la calefacción se encuentran entre los más bajos de Estonia. El combustible local permite reducir la dependencia de la costosa importación de gas y también garantiza un suministro constante. Varios factores permitieron el éxito de las energías renovables para desarrollar y mantener el sistema de calefacción y refrigeración en Tartu. Por ejemplo, un marco político sólido, respaldo técnico y financiero de Fortum, precios regulados por ley, planificación territorial, alineación de intereses entre el municipio, la empresa y los usuarios finales; etc. Por un lado, la privatización a cargo de Fortum ha concedido a Tartu acceder a capital de inversión y conocimientos técnicos internacionales para renovar y ampliar su red de calefacción urbana y diversificar las operaciones para incluir la refrigeración urbana. También acompaña, una política pública nacional para la calefacción urbana que aclara los roles para operaciones efectivas, mientras que las regulaciones de precios del mercado permiten al operador mantener un negocio financieramente sostenible. Esta política integra la planificación del desarrollo y la planificación energética para fomentar un crecimiento de mayor densidad y conectar nuevos usuarios a la red de calefacción. Además, la cultura de asociación e innovación caracteriza a Tartu, respaldada por múltiples programas de inversión e investigación de la UE. Esto es fundamental para apoyar el objetivo de la ciudad de reducir sus emisiones de carbono en un 40 % para el 2030 y convertirse en carbono neutral para el 2050. Se espera que las redes de calefacción y refrigeración urbanas sigan creciendo. Ellos son de hecho, uno de los principales facilitadores de la estrategia ambiental de Tartu. 7. Bibliografía consultada. ADMcare. (2018, 28 mayo). Fortum Tartu - Tartu - Estonia - Thermokey. Thermokey. https://www.thermokey.com/es/referencias/fortum-tartu-tartu-estonia/ Bable - Solution: District heating & cooling Systems. (s. f.). 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