Laboratorio para la descarbonización

El despliegue de las redes de calor y frío en España vive un momento de expansión sostenida, pero con una implantación alejada de la que tienen países del centro y el norte de Europa. Estas redes son una de las herramientas más eficaces para avanzar en la eficiencia energética y la descarbonización, dado que permiten reducir el consumo de combustibles fósiles y la emisión de toneladas de CO2.

España se encuentra en plena transición hacia las redes de calor sustituyendo las calderas de combustibles fósiles por las de biomasa, pero en este camino hacia la descarbonización se tienen que dar más pasos que permitan ofrecer soluciones integradas de calefacción y refrigeración para edificios e incluso para la industria.

En este escenario se encuentran las redes de baja y muy baja temperatura, también conocidas como redes anergéticas o neutras. Son sistemas de distribución de calor y frío que impulsan agua a menos de 50 grados de temperatura para obtener calefacción o refrigeración y su funcionamiento permite integrar energías renovables. Sus mayores ventajas se centran en dos aspectos fundamentales: reducen las pérdidas térmicas y pueden utilizar fuentes de baja temperatura.

Con el objetivo de impulsar el conocimiento científico técnico de este tipo de redes, el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) ha financiado, con fondos del Mecanismo de Recuperación y Resilencia, el proyecto TERA_RED, que cuenta con un presupuesto de más de 5 millones de euros.

El trabajo de investigación ha permitido unir a cinco empresas y a tres centros tecnológicos para realizar un estudio integral de diversas tecnologías innovadoras implicadas en la distribución, generación y almacenamiento de energía. 

Con el trabajo se ha demostrado que son viables para incorporarlas en redes de baja temperatura y además con la ventaja de que están apoyadas en la producción de energías renovables.

Con el desarrollo de este proyecto se ha creado desde cero una estación multimodo que ha incorporado una bomba de calor en cascada, una enfriadora, una caldera de biomasa y geotermia.

La estación multimodo se ha instalado en las dependencias del CEDER-Ciemat en Soria aprovechando el district heating con el que ya cuenta el centro. Uno de sus edificios se conectó a la estación creada ad hoc para el proyecto, lo que ha permitido realizar los ensayos y la validaciones con cada una de las tecnologías.

El proyecto ha estado coordinado por la empresa Veolia y el resto de las participantes han sido las empresas Geoter, Intarcon, Keyter y Curvados Quintín. Además de Ciemat han trabajado como socios los centros tecnológicos de Cartif y Tecnalia.

El proyecto de investigación ha permitido a las empresas el poder ensayar sus tecnologías innovadoras que han creado para la investigación, explica Diego Hortigüela, ingeniero de Veolia. 

«Lo que hemos estudiado es si las redes que se usan para la distribución estándar también sirven para las de bajas temperaturas», puntualiza Elena Borjabad, responsable de la Unidad de Procesos de conversión térmica del Ceder.

Para el proyecto, la empresa Curvados Quintín realizó un diseño optimizado para una caldera de biomasa que se alimenta de pellet para calentar el agua con una potencia de 125 kilowatios, suficiente para climatizar un edificio mediano o varias viviendas. 

En el marco del proyecto, los investigadores del CEDER establecieron una colaboración puntual con esta firma que ha permitido introducir en los equipos un sistema de retención de partículas con el que se reduce en un 75% las emisiones y la contaminación, aumentando también el rendimiento.

A la estación multimodo también se conectó una bomba de calor para la climatización, de la empresa Keyter, con una potencia de 80 kilowatios, para proporcionar calefacción y refrigeración en cascada. 

Este equipo también formó parte de una de las innovaciones introducidas en el proyecto. Contaba con un sistema híbrido que le permite trabajar con agua y aire, con la que se ha podido generar temperaturas muy elevadas. Además contaba con un evaporador de película descendente con la que se mejoraba la eficiencia y empleó refrigerantes naturales.

El tercero de los equipos conectados a la red fue una enfriadora de 73 kilowatios destinada a la climatización de un edificio en verano, de la empresa Intarcon. 

El equipo contaba con intercambiadores de alta eficiencia, lo que le permite consumir menos. También ha empleado refrigerante de alto impacto y respetuoso con el medio ambiente. La geotermia fue otra de las tecnologías que fue sometida a ensayos en la estación multimodo. 

Para ello, la empresa Geoter excavó cinco pozos, con profundidades entre los 100 y los 150 metros, que aprovecharon la temperatura constante del subsuelo. Cada pozo aporta una potencia de 8 kilowatios y las tuberías que se instalaron eran de alta conductividad térmica, lo que permitió optimizar la transferencia de calor en el terreno. 

Estuvieron diseñadas para soportar temperaturas de hasta 85 grados. Este sistema actuaba como una batería térmica natural.

La última innovación que se incorporó fue la implantación de una subestación, trabajo que realizó Veolia, que integró y coordinó el resto de las tecnologías renovables. 

Está constituida por una red de 500 metros de tuberías para distribuir los fluidos térmicos por toda la instalación. Para gestionar los flujos dispone de 11 bombas de impulsión para mover el agua fría o caliente y tenía también dos intercambiadores de calor para transferir la energía entre diferentes circuitos sin mezclar los fluidos. «La puesta en marcha fue compleja al incluir todas las tecnologías», explica Diego Hortigüela.

Antes de poner en funcionamiento la subestación, cada una de las empresas construyó su propia tecnología y la validó como paso previo a montarla en el Ceder. En esta fase hubo una estrecha colaboración entre las empresas y los centros tecnológicos. 

Destaca la labor realizada por Tecnalia que creo unos gemelos digitales para la enfriadora, con algoritmos de control inteligente y detección predictiva de fallos.

La estación multimodo ha permitido demostrar al equipo de investigación la viabilidad de todas las tecnologías innovadoras para su uso en las redes de baja temperatura. 

Todas pueden entrar en la misma red, indican los investigadores. La Universidad de Valladolid ha certificado los indicadores de reducción de emisiones y el uso de combustibles fósiles, así como que se ha trabajado a menos temperatura.

El proyecto se completó con la creación de una herramienta digital para realizar simulaciones en diferentes escenarios climáticos y en demandas diferentes para el consumo. 

La herramienta, en la que tuvieron un papel activo los centros de investigación, incorporó los datos validados de los equipos energéticos instalados en el Ceder que se pueden aplicar en tres escenarios climáticos correspondientes a tres ciudades del norte, centro y sur de España (Bilbao, Soria y Sevilla), así como se puede consultar en función de diferentes demandas, residencial, no residencial e industrial.

Unidad de Procesos de Conversión Térmica

El Centro de Desarrollo de Energías Renovables (CEDER), dependiente del Ciemat, es un centro tecnológico de referencia nacional, ubicado en Soria, en investigación energética con proyectos punteros que contribuyen a la transición hacia un modelo más sostenible y respetuoso con el medio ambiente.

El CEDER cuenta con la Unidad de Procesos de Conversión Térmica, creada en el año 2009 y que está integrada en la actualidad por 7 personas. 

Su actividad de I+D se desarrolla en sistemas de aprovechamiento energético de biomasa y residuos sólidos, mediante los procesos térmicos de combustión y gasificación, en torno a la ejecución de proyectos obtenidos de manera competitiva y financiados por instituciones europeas, nacionales y autonómicas o en contratos con la industria. 

Además, recientemente ha iniciado su investigación en el proceso de pirólisis para la obtención de bioproductos en el marco de una economía circular.

La participación de la Unidad dentro del proyecto TERA_RED está enmarcada dentro de la actividad de combustión de biomasa en sistemas aislados o conectados a redes térmicas, en la que se estudia el efecto de las condiciones de operación y del combustible sobre la eficiencia y las emisiones de gases y partículas a una escala semiindustrial, minimizando los problemas que aparecen durante el proceso y participando en el desarrollo de materiales más resistentes y de equipos para la reducción de emisiones. 

El laboratorio que se ha instalado en sus dependencias con todas las tecnologías energéticas innovadoras se mantendrá activo para dar continuidad a la investigación de otros proyectos.

La Unidad de Procesos de Conversión Térmica del Ceder está inmersa en la puesta en marcha y optimización de una planta de pirólisis de biomasa en continuo asistida por microondas, para la producción de biochar como enmienda al suelo y otros usos y de bioaceites como precursores para la síntesis de compuestos de alto valor añadido. Esta instalación piloto, que se encuentra instalada en el CEDER de Soria, permite tratar biomasa en continuo mediante un proceso novedoso.