Esquema conceptual de una red de 5ª generación (ICGC, 2022; modificada de Garcia-Céspedes, et al., 2022)
Antecedentes en el proyecto MA-DHC
Atendiendo al consumo de energía final de la UE, el 40% corresponde al sector de la edificación, lo cual representa el 36% de las emisiones de efecto invernadero. Desde una perspectiva diferente, el 50% de los usos finales de la energía corresponde a calefacción y refrigeración, y de ahí el 80% son responsabilidad de los edificios.
Para poder alcanzar la neutralidad climática en 2050 en el territorio de la UE, de acuerdo con su estrategia a largo plazo, debe promoverse en este sector un aumento de su eficiencia energética y un uso masivo de las energías renovable, y en particular, de las renovables térmicas.
Por otro lado, los efectos del cambio climático también están propiciando un aumento progresivo de las necesidades de refrigeración en el parque de edificios, sobre todo en los países mediterráneos y climas templados.
Se estima que, en 2050, hasta el 50% de la demanda de frío y calor en la UE podría generarse bajo el esquema de redes de distrito de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS). Por este motivo, una de las tecnologías clave que Europa está impulsando para alcanzar sus objetivos de descarbonización y lucha contra el cambio climático son las redes de distrito de baja y muy baja temperatura, inteligentes, flexibles y optimizadas, también conocidas como 4th and 5th generation district heating and cooling networks (redes 4GDHC y 5GDHC, respectivamente), a partir de fuentes exclusivamente locales y 100% renovables, sobre todo con tecnologías eficientes como la bomba de calor geotérmica (BCG). Precisamente, en áreas densamente pobladas, las redes 4GDHC y 5GDHC suponen el mejor escenario para el aprovechamiento de un recurso renovable térmico tan limpio, eficiente, disponible y local como la geotermia superficial. Esto incluye tanto sistemas abiertos (aprovechamiento de la energía térmica presente en masas de agua tanto superficiales como subterráneas) como sistemas cerrados (aprovechamiento de la energía térmica presente en el subsuelo) y sistemas de almacenamiento térmico. Además, las redes de distrito modernas admiten la combinación de diversas tecnologías renovables a la vez, creando sinergias evidentes como la hibridación de geotermia superficial con energía solar fotovoltaica.
Para valorar el uso de los recursos geotérmicos superficiales y su aplicación en redes de climatización eficientes de frío y calor, es necesario desarrollar herramientas que faciliten a los técnicos evaluadores un rápido proceso de modelización en las fases preliminares de estudios y proyectos, para así facilitar la toma de decisiones de cara a integrarlas en los planes y programas de sostenibilidad y energía en áreas urbanas. Por otra parte, es necesario un fuerte componente didáctico en este tipo de herramientas que ayude a una mayor sensibilización de la sociedad sobre la existencia de los recursos geotérmicos y de sus bondades.
Progreso del proyecto (última actualización de noviembre de 2023)
A lo largo del último año, y una vez publicado el artículo Fifth-Generation District Heating and Cooling Networks Based on Shallow Geothermal Energy: A review and Possible Solutions for Mediterranean Europe (https://doi.org/10.3390/en16010147), la actividad del proyecto se ha centrado en la generación de un modelo dinámico de redes 5GDHC basadas en geotermia superficial. Este modelo se ha implementado en lenguaje MODELICA bajo el entorno OMEdit del paquete OpenModelica, y utilizando la Librería Estándar de Modelica (versión 4.0.0) y la Modelica Buildings Library (versión 9.1.0). Se trata, pues, de un modelo construido plenamente a base de herramientas de código abierto y libre acceso. La principal motivación para la utilización de modelos dinámicos en el estudio de redes 5GDHC es su mayor complejidad respecto a conceptos previos de redes DHC. Esta complejidad viene dada principalmente por su naturaleza distribuida, que involucra un flujo bidireccional de la energía térmica entre los edificios (ahora considerados “prosumidores”) y la fuente de energía, y que dependiendo del diseño también podría contemplar un flujo bidireccional del fluido caloportador. Aparte, la concepción de una fuente de energía como proveedora unidireccional de energía (de la fuente a los consumidores) quedaría obsoleta frente al nuevo concepto llamado Unidad de Equilibrio (BU por sus siglas en inglés). La BU puede funcionar como fuente y sumidero de energía (esencial en redes de frío y calor), y como reservorio para su almacenamiento, tanto a corto como a largo plazo. En este sentido, la geotermia superficial es el recurso energético que mejor cumple con la definición de una BU aplicada a redes 5GDHC. El dimensionado y escalado de una BU basada en geotermia superficial ya no estaría ligado únicamente a la demanda agregada de los edificios que se conectan progresivamente a la red. Bajo este nuevo concepto, debe tenerse en cuenta también la interacción térmica entre los propios edificios y con la red.
El modelo dinámico generado consta de 3 elementos o submodelos principales: las tuberías enterradas, las estaciones prosumidoras y los campos de captación geotérmico. Asimismo, estos submodelos están compuestos por otros elementos (lógica de control, bombas de calor, bombas re-circuladoras, modelos del subsuelo, etc.), estableciendo múltiples niveles de herencia y garantizando una estructura modular de todo el conjunto. Todo ello ayudará a entender de forma profusa el funcionamiento de una red 5GDHC, sus puntos fuertes y los retos a los que se enfrenta de cara a una próxima implantación en la Europa Mediterránea. En este sentido, el modelo desarrollado será de gran utilidad en el diseño de nuevas redes 5GDHC, la preevaluación de la viabilidad técnica de los proyectos e incluso en la confección de gemelos digitales de sistemas reales. Desde una perspectiva de Servicio Geológico, este modelo permitirá al ICGC la confección de nuevos conjuntos de datos geo-referenciados relacionados con la explotación de la geotermia superficial a través de redes 5GDHC.
Por último, el trabajo realizado hasta ahora debe servir para la validación de los próximos modelos (modelos estáticos) que formarán parte de la futura herramienta de diseño y dimensionado de redes 5GDHC. Estos modelos serán más sencillos en su fundamentación y arquitectura pero también más económicos en cuanto a tiempo de computación y más elaborados en cuanto a la experiencia de usuario.
El modelo se estructura de manera modular y multi-nivel
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