Los sistemas de infraestructuras tienen en común que permiten no sólo un funcionamiento con costos optimizados, sino también un funcionamiento con costos estables. Los sistemas de energía de distrito, ya sean de calefacción o refrigeración urbana, no son diferentes. Mediante una cuidadosa planificación térmica, la identificación de posibles fuentes de calor o frío y la aplicación de una combinación favorable de tecnologías de generación térmica, las empresas de energía de distrito pueden garantizar un coste de generación térmica óptimo, una estabilidad de costes excepcional y una resistencia operativa. Este artículo destaca la importancia de elegir la combinación óptima de tecnologías de generación de calor en función tanto de los costes de inversión (CAPEX) como de los costes de explotación (OPEX). Adoptando el funcionamiento multi fuente, las empresas de energía urbana pueden reducir significativamente el coste de generación térmica en comparación con el funcionamiento con una única fuente.
Jan Eric se incorporó a Danfoss en 2000 y ha trabajado en simulación dinámica, pruebas de laboratorio, pruebas de campo, análisis tecnoeconómicos, investigación y desarrollo. Su trabajo se centra en componentes, subsistemas y sistemas energéticos relacionados con la oferta de Danfoss en soluciones de calefacción y refrigeración. La atención se centra en el desarrollo conceptual de la calefacción y refrigeración de distrito desde la perspectiva de un sistema energético inteligente y sectorialmente acoplado. Se han realizado varias publicaciones y se imparten conferencias en relación con las actividades de educación y formación. Jan Eric tiene un máster en ingeniería mecánica/energética.
Oddgeir se incorporó a Danfoss en 2012 como experto en energía de distrito a nivel mundial. Ha trabajado en una amplia gama de temas dentro del sector de la energía de distrito, desde profundas inmersiones en componentes hasta el análisis de interacciones complejas y el rol de los sistemas de energía de distrito en la perspectiva del sistema energético más amplio, pasando por la acogida de delegaciones que buscan soluciones para la descarbonización y la utilización eficiente de las fuentes de energía. Oddgeir participa activamente en proyectos y plataformas internacionales de investigación destinados a compartir conocimientos y posicionar los sistemas energéticos de distrito. Además, presta servicios de consultoría a socios e instituciones del sector. Oddgeir es Doctor en Ingeniería por la Universidad de Islandia.
Los sistemas de calefacción de distrito tienen numerosos atributos deseables para hacer frente a nuestros retos actuales. En el norte de Europa, han demostrado ser excepcionalmente eficaces a la hora de descarbonizar la demanda de calefacción de los edificios y convertirse en los facilitadores de un futuro sistema energético inteligente y eficiente. En Ucrania, han demostrado ser excepcionalmente resistentes a los bombardeos durante la guerra rusa contra Ucrania. Las ciudades ucranianas con sistemas de calefacción de distrito, por anticuados que sean, han demostrado tener un suministro de calor más seguro, fiable, estable y predecible que las ciudades con calefacción individual. En el Reino Unido, la calefacción de distrito está reconocida como una solución importante para luchar contra la pobreza energética. La razón clave del éxito multicriterio de la calefacción de distrito es el hecho de que la agregación de las demandas de todos los usuarios conectados permite acceder a un conjunto de diversas tecnologías de generación de calor. Combinando adecuadamente las fuentes de calor y las tecnologías de generación, la compañía de calefacción de distrito puede garantizar bajos costes de calefacción, estabilidad de costes a largo plazo, resistencia a las interrupciones de los vectores energéticos y, en definitiva, un suministro de calor fiable y futuro operando en sinergia con el sistema energético general.
Los pasos básicos para minimizar los costes del calor en los sistemas de calefacción de distrito son:
Este artículo parte del supuesto de que estamos diseñando un sistema de calefacción de distrito de 100 MW para abastecer una demanda anual de 333 GWh. La figura 1 muestra la curva de demanda anual de calor (izquierda) y la misma demanda anual ordenada de forma descendente, lo que suele denominarse curva de duración (derecha). Las cifras de carga muestran claramente que el sistema funcionará a carga parcial durante gran parte del año. El objetivo de la empresa es diseñar la generación de calor de forma que permita un suministro rentable en cualquier momento o demanda de calor.
Para garantizar la máxima estabilidad operativa del sistema, es de suma importancia explorar las energías renovables locales y las sinergias en el entorno local. Las fuentes de calor renovables locales pueden ser, por ejemplo, geotérmicas, de lagos, fluviales o del mar. Se pueden encontrar sinergias típicas con los sectores de residuos (residuos domésticos y aguas residuales), la generación de energía, la biomasa de residuos agrícolas locales y el exceso de calor de las industrias. Los recursos locales suelen ser muy adecuados para el suministro de calor de de carga base y media, ya que estas fuentes de energía suelen ser estables tanto en costes como en disponibilidad.
Los vectores energéticos importables son, en general, cualquier forma de energía fácilmente transportable a larga distancia, como la electricidad, el gas natural, el carbón, el petróleo, los electrocombustibles y la biomasa. El factor común entre estos vectores energéticos es que sus costes se ven influidos por su calidad energética y las condiciones del mercado internacional. En consecuencia, la evolución de los costes, tanto a corto como a largo plazo, tiende a ser impredecible. La historia ha demostrado además que los vectores energéticos basados en los combustibles fósiles se han convertido en armas, por ejemplo, la crisis del petróleo en los años setenta y la guerra de Ucrania en 2022.
Una vez identificadas las fuentes de energía disponibles, el siguiente paso es acceder a los parámetros económicos clave que influyen en el costo del calor procedente de su utilización. Para una evaluación inicial, se pueden encontrar datos económicos en diversos catálogos de costes tecnológicos, por ejemplo, de la Agencia Danesa de la Energía [1].
Es importante tener en cuenta que el CAPEX es un coste único, el coste de establecimiento de la central térmica, mientras que el OPEX es tanto fijo como variable. El OPEX fijo es el coste que disminuye con independencia del uso de la central térmica; puede deberse a los programas generales de mantenimiento de edificios y equipos. El OPEX variable es el coste directamente relacionado con la generación de calor; se trata del combustible y los costes de mantenimiento directamente asociados al funcionamiento de la central (desgaste).
La regla general es que las centrales térmicas con un CAPEX alto y un OPEX bajo deben ser proveedores de carga base. En general, el coste del calor de estas centrales es menor cuanto mayor es la utilización de la central, como muestra la línea azul de la figura 2. En el otro extremo del espectro se encuentran las centrales térmicas con un CAPEX bajo y un OPEX alto. Estas centrales son muy adecuadas como centrales de carga punta, ya que el CAPEX por unidad de calor generada disminuye rápidamente con el aumento de la utilización y el coste del calor pasa a estar dominado por el coste del combustible, queda claro en el hecho de que el coste del calor alcanzará una meseta en torno al OPEX variable, como muestra la línea negra de la Figura 2.
A continuación se ofrece un ejemplo simplificado de la optimización de los costes de calor para el caso de demanda de calor mostrado en la Figura 1. El caso se basa en tres tecnologías de generación de calor: incineración de residuos (WtE), bomba de calor de fuente de aire y caldera de gas natural (véase la Figura 3).
La tabla 1 muestra el coste del calor procedente de una única tecnología de generación de calor que satisfaga la demanda de la figura 1. Como muestra la tabla, la bomba de calor aerotérmica es la solución más rentable desde el punto de vista de una sola tecnología.
Por otro lado, si se designara la incineradora de residuos como carga base, por ejemplo, garantizando una alta utilización de la inversión, seguida de una planta de bomba de calor aerotérmica para la carga media y, por último, se aplicaran calderas de gas natural para la carga punta, se podría obtener un mejor resultado. En este caso, la solución óptima sería la que se muestra en la Tabla 2 y se visualiza en la figura 4.
La Figura 5 muestra la curva de duración en función de la combinación óptima de generación de calor.
Analizando la sensibilidad del coste del calor a la distribución de la capacidad entre las tecnologías de generación de calor, véase la Figura 6, se pueden identificar oportunidades interesantes.
Una combinación alternativa podría estar en el punto B, donde la combinación es una unidad WtE de 38 MW, una unidad de bomba de calor de 25 MW y una caldera de gas natural de 37 MW. El aumento del coste anual de generación de calor al pasar del punto A al B es sólo del 2%. Sin embargo, el impacto en la flexibilidad de duplicar la capacidad de la bomba de calor de 12 MW a 25 MW podría compensarse fácilmente, ya que la capacidad adicional de la bomba de calor ofrecerá oportunidades de acoplamiento sectorial significativamente mayores. Por ejemplo, mayores posibilidades de aprovechar las fluctuaciones de los precios de la electricidad, prestar servicios de equilibrio al sistema eléctrico y reducir la dependencia del gas natural y, en consecuencia, de los combustibles importados, así como las emisiones de CO2. Una planta de bomba de calor más grande también podría aprovechar mejor las mayores eficiencias alcanzadas durante las temperaturas diurnas, en comparación con las nocturnas, y cargar un almacenamiento de energía térmica si está disponible y limitar o evitar el funcionamiento en el periodo más frío de la noche. Otra oportunidad podría ser aprovechar las sinergias con otros sectores energéticos, como el de la refrigeración y el industrial. En cuanto al sector de la refrigeración, la bomba de calor podría funcionar en sinergia con sistemas de refrigeración urbana o grandes complejos de edificios, como centros comerciales, hospitales u otros grandes complejos. Por lo que respecta al sector industrial, las bombas de calor podrían utilizar el calor residual de diversos procesos industriales y, de ese modo, lograr una alta eficiencia de las bombas de calor para la empresa de calefacción urbana y ahorrar a la industria el coste de enfriar su calor residual o, en algunos casos, proporcionar un flujo de ingresos a la industria. Para más información sobre el potencial del exceso de calor, véase [2].
Al optar por el funcionamiento con múltiples fuentes y optimizar las capacidades de generación de calor en función de la relación entre CAPEX y OPEX, las empresas de suministro de energía a distancia pueden obtener múltiples beneficios, como por ejemplo:
Otra conclusión importante de lo anterior es que, en la calefacción urbana, la sensibilidad del costo del calor a la combinación de tecnologías de generación de calor es baja. Gracias a esta baja sensibilidad, la calefacción urbana permite una amplia gama de combinaciones tecnológicas con costos del calor estables y bajos. Esto es importanteEsto es importante, ya que los nuevos sistemas pueden construirse con una planificación a largo plazo, por ejemplo, empezando con una caldera barata de carga máxima y, más tarde, cuando el sistema crezca, construir la tecnología de carga base, que requiere grandes inversiones de capital. Esta estabilidad del costo del calor permite además a los sistemas de energía urbana asumir un papel protagonista en el futuro sistema energético integrado, con un considerable al alza y un riesgo limitado.Para maximizar los beneficios del funcionamiento multifuente, las opciones de almacenamiento de energía térmica y los potenciales de acoplamiento sectorial, las empresas de calefacción urbana pueden aprovechar las opciones de digitalización para optimizar todo el sistema de suministro de calor, desde el usuario final hasta la generación de calor, consulte [3].Al aprovechar las ventajas y oportunidades que ofrece la infraestructura, los sistemas de energía urbana pueden garantizar su relevancia hoy y en el futuro.
[1] Datos Tecnológicos. Agencia Danesa de Energía. https://ens.dk/en/our-services/projections-and-models/technology-data
[2] La fuente de energía no aprovechada más grande del mundo: el exceso de calor. Impacto Danfoss, número 2, Danfoss A/S, 2023. https://www.whyenergyefficiency.com/solutions/allsolutions/the-worlds-largest-untapped-energy-source-excess-heat
[3] Pozzi, M., Thorsen, J.E., Gudmundsson, O., Marszal-Pomianowska, A., Heiselberg, P., Jensen, S.S., Reus, A. y Koning, M. Digitalización en sistemas de Calefacción y Refrigeración de Distrito, Euroheat & Power, mayo de 2023.
Las soluciones integrales de energía urbana de Danfoss ofrecen información práctica que permite una optimización continua y un control óptimo de la temperatura tanto en el lado de la demanda como en el de la oferta.