ENERGYSIS: DESARROLLO DE UN SISTEMA TRASNPORTABLE DE ISLA ENERGÉTICA PARA ESTRUCTURAS MODULARES DE BAJA DEMANDA Y

ALTA EFICIENCIA

Castellanos A.*, Heras Mª.R.*, Ferrer J.A.**

*Unidad de Eficiencia Energética en los Edificios, CIEMAT, Avda, Complutense nº40, Madrid, 28040, España, alberto.castellanos@ciemat.es

**Unidad de Eficiencia Energética en los Edificios, CIEMAT, Avda, Complutense nº40, Madrid, 28040, España, ponente del Máster ERMA ja.ferrer@ciemat.es

RESUMEN

El proyecto Energysis se concibe para dar una solución integral a las necesidades energéticas, a través de energías renovables y autónomas, que se puedan requerir en situaciones de crisis o en áreas con dificultad de suministro tales como las que se ocasionan en pueblos aislados, campos de refugiados, catástrofes naturales o campamentos militares. Dentro de las necesidades energéticas requeridas, tanto térmicas como eléctricas, el centro de investigaciones medioambientales y tecnológicas (CIEMAT) está desarrollando un sistema de suministro energético que integre tecnologías con alto contenido innovador y diseños que se adecuen al rasgo de portabilidad que define el proyecto. Para esta parte nos centramos en utilizar la energía solar térmica obtenida en sistemas de cogeneración y equipos de frío solar para crear una isla energética.

PALABRAS CLAVE: Isla Energética, Energía Solar, Concentración Solar Fresnel, Motor Stirling, ORC.

ABSTRACT

The Energysis project will provide a solution to the energy needs that may arise in emergency situations or areas of difficult access such as refugee camps, natural catastrophes or military camps. CIEMAT assumes, within the project, the development of a hybrid thermal and electric energy supply system with high innovative content and a design that adheres to the concept of portability. To achieve these objectives we focused on using the solar thermal energy obtained in cogeneration systems and solar cooling equipment to create an energetic island.

KEYWORDS: Energetic Island, Solar Energy, Instructions, Fresnel Solar Concentration, Stirling engine, ORC.

INTRODUCCIÓN

Energysis (“Desarrollo de un sistema transportable de módulos habitacionales, terciarios u hospitalarios de alta eficiencia con suministro energético renovable autónomo en modo isla.,” 2018) es un proyecto englobado dentro del programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad (RTC-2016-5306-3),. Con el objetivo de fomentar la cooperación entre empresas y organismos de investigación. Los socios del proyecto cofinanciado con fondos nacionales y FEDER son los que se muestran a continuación

Fig. 1. Socios componentes del proyecto Energysis

Su objetivo principal es el de proveer una solución integral a las necesidades energéticas, a través de energías renovables y autónomas, que se puedan requerir en situaciones de crisis o en áreas con dificultad de suministro, como en localidades aisladas, campos de refugiados, catástrofes naturales o campamentos militares. Para lo cual todos los sistemas se han ideado para obtener una Isla Energética Transportable. Las necesidades habitacionales se cubren mediante módulos habitables de estructura ligera o ultra-ligera. Toda la infraestructura está monitorizada, de tal forma que se pueda realizar un análisis energético de las mismas.

El suministro energético global para el conglomerado de los módulos habitacionales e infraestructuras se realiza desde tres contenedores marítimos adaptados.

El contenedor eléctrico C1 soporta el transporte y la infraestructura para las conexiones eléctricas generales y para generación y almacenamiento de energía eléctrica fotovoltaicas.

El contenedor geotérmico C2 soporta el transporte e integra las infraestructuras para la generación y distribución de climatización de los módulos habitacionales mediante bombas geotérmicas, captadores solares planos y la interconexión con el módulo C3

El contenedor Stirling/Fresnel C3, en desarrollo por CIEMAT, que soporta el transporte y la infraestructura de un sistema hibrido de energía térmica y eléctrica.

SISTEMA DE GENERACIÓN TÉRMICA Y ELÉCTRICA

El contenedor Stirling/Fresnel C3 está dotado de diversos equipos para proveer tanto energía térmica como eléctrica a través de cogeneración. La diversidad de tecnologías es debido al estudio de su rendimiento y comportamiento frente a distintos tipos de clima. Realizando este estudio se puede diseñar un baremo de tecnologías que mejor se adapten al tipo de clima donde se van a ubicar los contenedores y seguir una estrategia, o bien para el diseño de contenedores específicos para cada clima, o bien de selección de tecnologías a transportar en el momento que sea necesario.

Para el estudio climático de Soria se han empleado los datos proporcionados en el Código Técnico de la Edificación (“CTE,” 2018). De los análisis realizados por el CIEMAT se

desprende que, según la clasificación climática de Köppen (Köppen, 1936), Soria representa un clima oceánico de tipo Cfb. Los inviernos son largos y fríos con nevadas frecuentes. Los veranos son cálidos pero el calor estival se ve suavizado por unas noches frescas. Las precipitaciones son moderadas, siendo la primavera la estación más lluviosa.

A partir del análisis climático y de las propiedades termofísicas del prototipo proporcionado por Gaptek (GAPTEK, 2018) se obtienen los picos de demanda energética en calefacción y refrigeración. Para ello, se ha implementado un modelo estacionario de transferencia de calor, con unas temperaturas de consigna de 20ºC para calefacción y 26ºC para refrigeración. La tabla 1 muestra dichos valores.

SoriaLOW HIGH

Pico Calefacción (kW) 14.84 15.85Pico Refrigeración (kW) 5.13 5.48

Tabla 1. Demanda Térmica Base del prototipo de Módulo Habitacional

Partiendo de estas premisas se han realizado las infraestructuras de climatización y se han determinado las necesidades de demanda eléctrica del conglomerado final, que serán cubiertas pos los distintos elementos de cogeneración y fotovoltaica para obtener la isla energética.

GEOTERMIA Demanda eléctrica (kW) %Bomba de calor geotérmica 5,80 69,94Bomba de absorción 0,05 0,58Aerotermos 0,54 6,51Bombas de circulación 1,50 18,09Fancoils 0,40 4,88TOTAL 8,29 100,00

Tabla 2. Demanda Eléctrica del contenedor C2 de Geotermia

La demanda de potencia eléctrica máxima del sistema geotérmico, integrando los equipos de C2 y los de los módulos habitacionales, está en torno a los 8,3 kW tal como se muestra en la tabla 2.

STIRLING/ORCDemanda eléctrica

(kW)

Generación eléctrica (kW)

Generación térmica

(kW)

Demanda electrica %

BioGen Woodlog 0,40 0,90 18,00 10,39Whispergen 0,25 1,00 8,00 6,49ORC HRU-5 0,75 3,15 -1,05 19,48Aerotermo ORC 1,35 0,00 26,85 35,06Fresnel 0,60 0,00 30,00 15,58Bombas de circulación 0,50 0,00 0,00 12,99TOTAL 3,85 5,05 81,80 100,00

Tabla 3. Demanda y Generación Eléctrica y Térmica del Contenedor C3

La demanda exigida por el C3 debido a autoconsumos de los equipos de cogeneración y de las bombas de circulación alcanza los 3,9 kW de potencia máxima.

La demanda eléctrica no cubierta está contemplada dentro de C1 que gestiona una instalación fotovoltaica de 9 kW de potencia pico y un generador diésel de alto rendimiento de 50 kVA

TECNOLOGIAS PRESENTES EN C3

Investigando sobre instalaciones similares en concepto como Alsolen (Rodat et al., 2015) o con estudios de optimización de plantas con colectores lineales Fresnel y ORC (Boyaghchi and Sohbatloo, 2018) y comparativas económicas entre ORC y motores Stirling (Cotana et al., 2014), se selecciona la tecnología enumerada en la tabla 3 para el C3 considerando que estas como la mejor opción para maximizar el conjunto de tecnologías a evaluar en su integración de en el conjunto multi-estrategia de isla energética.

Los motores Stirling serán analizados para comprobar su rendimiento frente al límite teórico del ciclo de Carnot (Carnot, 1824) y la posibilidad de adaptarlos para su funcionamiento a baja temperatura. Los motores elegidos son un motor Stirling de pistón libre alimentado, en su foco caliente, mediante una caldera gasificadora de biomasa, BioGen Woodlog y un motor de cuatro pistones dobles en configuración Siemens-Rinia correspondiente a la caldera Whispergen alimentada por gas.

La herramienta principal del C3 está formada por el binomio concentrador solar Fresnel y máquina de ciclo Rankine orgánico (ORC).

El concentrador solar nos permite disponer de una temperatura lo suficientemente elevada para poder realizar cogeneración con diversas tecnologías y disponer de suficiente energía térmica que nos permita participar en la climatización de los módulos habitacionales. El concentrador fabricado por la empresa Fresnex GmbH(“Fresnex GmbH,” 2018) debido a su sencillez y su fabricación en estructura modular preensamblada se adapta perfectamente con la filosofía de transportabilidad del proyecto.

Fig. 2. Estructura módulo de Espejos Fresnel

La estructura del concentrador está formada por seis módulos de espejos, similares al que se muestra en la Fig.2, con un concentrador central de 15m de longitud cubierto por un reflector parabólico. Los módulos están compuestos por tiras de espejos, cada una montada sobre un pivote flexible en toda su longitud, aportando mayor estabilidad al conjunto. Cada módulo está controlado por un motor actuador que orienta las tiras de espejos hacia el concentrador solar.

La modularidad y sencillez del sistema de concentración nos permite realizar su montaje encima del C3, que a su vez es su contenedor de transporte.

Según los datos proporcionados por la empresa en el estudio realizado para el proyecto dispondremos de una energía diaria de 280 kWh en verano y de 50 kWh en invierno, tal como se muestra en la Fig. 3. con un total de aproximadamente 30 MWh anuales.

Fig. 3. Estudio del Concentrador Solar Fresnel por la empresa Fresnex

La energía térmica obtenida se destina a su aprovechamiento para realizar cogeneración en una máquina ORC diseñada a tal efecto por la empresa Enerbasque (“Enerbasque,” 2018) y basada en su modelo HRU-5.

DNI direct normal irradiation

1.954 kWh/m²y

mirror area 60 m2

peak efficiency 48 – 54 %peak thermal output

≈ 35 kW

annual efficiency 24 – 30 %annual thermal output

≈ 30 MWh

La tecnología utilizada en la HRU (Heat Recovery Unit) es una máquina térmica basada en el ciclo Rankine (Rankine, 1859) cuyo objetivo es convertir energías térmicas residuales y excedentarias de distintos procesos en energía mecánica y eléctrica que superen los 85ºC. Para realizar la generación eléctrica se dispone de un motor/generador asíncrono trifásico para una mejor sincronización a la red, que será generada por el contenedor C1 con los módulos fotovoltaicos.

El motor/generador asíncrono tiene un rendimiento del 87,8 %, está unido mecánicamente al eje del sistema de expansión donde transformamos la energía térmica en energía mecánica a través del Twin Screw Expander, Fig.4., de diseño propio realizado sobre la base de una máquina de desplazamiento positivo con funcionamiento de un compresor de tornillo para aire, donde se ha invertido el sentido de giro de los lóbulos, convirtiendo el compresor en expansor.

Fig. 4. Estructura del sistema ORC máquina HRU-5 y expansor de Enerbasque

El expansor es uno de los puntos de funcionamiento del ciclo termodinámico que sigue la HRU, siendo este un Ciclo Rankine Orgánico, porque utiliza un fluido orgánico (con alta masa molecular) cuyo cambio de fase líquido/vapor sucede a una temperatura más baja que en el agua.

Según los estudios realizados por la empresa el rendimiento del equipo HRU es de 10,5% con la temperatura del foco caliente (evaporador) a 150 ºC y la temperatura del foco frio (condensador) a 25 ºC. Lo cual, si se considera 30 kW de potencia térmica en los días de verano, se obtienen 3,15 kW de potencia eléctrica.

INTERCONEXION Y MODOS DE FUNCIONAMIENTO

Observando los datos de las tablas 2 y 3 y teniendo en cuenta que la potencia pico del campo fotovoltaico es de 9,1 kW, en el caso en que se encuentren todos los equipos funcionando en C2 y C3 solo se dispondrá de un margen de 2 kW de potencia eléctrica sobrante para cubrir las necesidades eléctricas de los módulos habitacionales.

Sin embargo, la realidad del proyecto es otra, ya que, como se ha indicado, uno de los objetivos de Energysis es evaluar las tecnologías y obtener la combinación optima de las mismas para diseñar los contenedores trasportables que configuraran la isla energética dependiendo de las necesidades del complejo, según su ubicación y climatología. Por lo cual las infraestructuras del contenedor C3 están sobredimensionadas con el objeto de realizar ensayos sobre cada tecnología sin tener que depender de las demás infraestructuras.

El modo de funcionamiento de los equipos del contenedor C3 es conjunto a los del C2, estando los contenedores interconectados hidráulicamente, a través del circuito de ACS. A su vez C3 tiene interconectado el anillo de ACS con el anillo de aceite térmico del concentrador Fresnel.

Estas interconexiones nos permiten distribuir la energía térmica a los distintos equipos aumentando así su rendimiento y disminuyendo su demanda eléctrica. Este es el caso de la máquina ORC que necesita disipar al ambiente la energía sobrante a través de un aerotermo con demanda de potencia eléctrica de 1,35 kW según tabla 3. El diseño de las infraestructuras nos permite redirigir la energía sobrante hacia la bomba de calor geotérmica o la máquina de absorción, no siendo necesaria la utilización del aerotermo por lo cual no demandará energía eléctrica.

Por lo tanto, hay distintas posibilidades de trabajo de las que se describen las dos principales:

Modo funcionamiento FRESNEL/ORC

En este modo solo utilizaremos el equipo Fresnel con cogeneración mediante ORC y se disipa hacia C2 la energía térmica sobrante. Como se puede ver en la gráfica FRESNEL/oRC de la Fig.5. la potencia térmica generada por C3 cubre casi íntegramente la demanda teórica máxima de los módulos habitacionales, por lo tanto, la bomba geotérmica no entra en funcionamiento o de hacerlo será en un porcentaje muy reducido por lo que la demanda eléctrica de C2 se reduce.

Modo funcionamiento STIRLING

En este modo de funcionamiento utilizaremos únicamente las calderas con cogeneración mediante motores Stirling y el calor generado es vertido al circuito de ACS. Igual que antes el comportamiento de la bomba de calor geotérmica será similar ya que se está cubriendo casi íntegramente las necesidades de los módulos habitacionales, tal como se puede observar en la gráfica STIRLING de la Fig.5.

Fig. 5. Gráfica comparativa de demanda y generación en los dos modos de funcionamiento

CONCLUSIONES

Con las referencias de los estudios teóricos de las tecnologías seleccionadas y su ensayo y evaluación, se están optimizando, tanto los módulos habitacionales, en su método constructivo y en sus materiales, como las infraestructuras energéticas y sus modos de funcionamiento. Pudiendo de esta manera maximizar la utilización de las energías renovables y reducir al mínimo las exigencias logísticas del conglomerado de Isla Energética Transportable, cumpliendo así los objetivos del proyecto Energysis.

REFERENCIAS

Boyaghchi, F.A., Sohbatloo, A., 2018. Assessment and optimization of a novel solar driven natural gas liquefaction based on cascade ORC integrated with linear Fresnel collectors. Energy Convers. Manag. 162, 77–89. https://doi.org/10.1016/J.ENCONMAN.2018.02.013

Carnot, N.L.S., 1824. Ciclo de Carnot.

Cotana, F., Messineo, A., Petrozzi, A., Coccia, V., Cavalaglio, G., Aquino, A., 2014. Comparison of ORC Turbine and Stirling Engine to Produce Electricity from Gasified Poultry Waste. Sustainability 6, 5714–5729. https://doi.org/10.3390/su6095714

CTE [WWW Document], 2018. URL www.codigotecnico.org (accessed 5.24.18).

Desarrollo de un sistema transportable de módulos habitacionales, terciarios u hospitalarios de alta eficiencia con suministro energético renovable autónomo en modo isla. [WWW Document], 2018. URL www.proyectoenergysis.net (accessed 5.24.18).

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Fresnex GmbH [WWW Document], 2018. URL www.fresnex.com (accessed 5.23.18).

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Köppen, W., 1936. Das geographische System der Klimate, Allgemeine Klimalehre. Borntraeger.

Rankine, W.J.M., 1859. Ciclo Rankine.

Rodat, S., Bruch, A., Dupassieux, N., Mourchid, N. El, 2015. Unique Fresnel Demonstrator Including ORC and Thermocline Direct Thermal Storage: Operating Experience. Energy Procedia 69, 1667–1675. https://doi.org/10.1016/J.EGYPRO.2015.03.127