Paneles solares híbridos en redes de distrito

Las redes de distrito son una tipología de instalaciones muy comunes en el norte de Europa. La descarbonización en Europa es un gran reto y las redes de distrito son una de las soluciones que permitirán acelerar esta transición. Para ello, estas redes tienen que utilizar energía renovable en la generación del calor que suministran a través de su red, y la integración de la tecnología solar térmica en estas redes puede conllevar que también resulten interesantes en el sur de Europa ampliando su implantación en otros países en los que son menos comunes.

Tradicionalmente, las redes urbanas o de distrito han operado en un rango de temperaturas elevado para los colectores térmicos (rango habitual en redes de 70/90), En estas condiciones, la tecnología solar térmica no es capaz de conseguir suficiente rendimiento como para que sea atractiva la integración de colectores térmicos en las redes.

El hecho de que los colectores térmicos tengan menor producción por trabajar a altas temperaturas puede resolverse combinando esta tecnología con una Bomba de Calor (BdC) agua-agua, lo cual permite que los colectores trabajen a menor temperatura y la BdC aporte calor a la red a un rango de temperatura adecuado (70/90). Sin embargo, el handicap de esta combinación es que el consumo eléctrico de la BdC conlleva un consumo eléctrico que previamente no existía, con su consiguiente coste económico asociado. Este consumo eléctrico podría ser cubierto por una instalación fotovoltaica pero la superficie necesaria para la instalación de colectores térmicos y además la superficie fotovoltaica necesaria para atender al consumo de la BdC, requiere de un espacio suficientemente grande que no siempre se dispone. Por ello, la combinación de paneles PVT (que generan calor y electricidad) con una BdC (ver esquema de principio) consigue una triple ventaja: los paneles trabajan a baja temperatura consiguiendo un buen rendimiento (tanto térmico como fotovoltaico), por otro lado, el consumo eléctrico de la BdC es suministrado por la generación fotovoltaica de los propios paneles PVT y tercero, la BdC recibe calor por parte de los paneles a mayor temperatura que si el calor proviene del ambiente o del terreno, mejorando su COP.

Fig. 1. Esquema de principio del sistema PVT + BdC para redes distrito.

Cuando un colector térmico trabaja en el rango de temperaturas de una red de distrito, su punto de trabajo se sitúa entorno a 0,07 del eje horizontal de su curva de rendimiento (Tm=80 y Tamb = 10ºC y una irradiación de 1000 W/m²) lo que supone que el colector tiene un rendimiento térmico de 30% (ver punto 1 de la fig. 2). Sin embargo, cuando se combina el panel PVT con una BdC, y dentro de las diferentes tipologías de PVT, cuando se utiliza un PVT con cubierta (también denominado “glazed-PVT”), el punto de trabajo está entorno a 0,015 (Tm=25, Tamb=10 y 1000 W/m², ver punto 2 de la figura 2) lo cual conlleva que el PVT tenga un rendimiento térmico de 60%, es decir, un rendimiento global de 80% teniendo en cuenta que un PVT genera energía fotovoltaica al mismo tiempo. Estos puntos de trabajo se pueden identificar en la figura 2 donde se muestra la curva de rendimiento de un colector térmico (línea roja) y las dos curvas de rendimiento de un panel PVT (su rendimiento térmico y su rendimiento total al añadirle la producción fotovoltaica).

Fig. 2. Curva de rendimiento de un colector térmico y de un PVT con cubierta (“glazed-PVT”)

Tomando como referencia la producción de un colector térmico cuando trabaja en una red de distrito 70/90, conectado como precalentamiento del retorno, su producción térmica anual en una ubicación como Madrid, en la que se dispone de una irradiación horizontal anual de 1.785 kWh/m².año, es de 525 kWh/m².año por cada metro cuadrado de panel instalado. En el caso en el que se combina PVT+BdC, el sistema tendrá una generación de 1.350 kWh/m².año que aportará a la red. Para ello, la electricidad generada por los paneles (385 kWh/m².año) será autoconsumida por la propia BdC, que para aportar esos 1.350 kWh/m².año, tendrá un consumo de 345 kWh/m².año). Como consecuencia, el sistema PVT+BdC consigue multiplicar 2,5 veces el potencial de energía generada en un determinado terreno.

Realizando el mismo análisis en una ubicación como Würzburg donde la irradiación horizontal anual disponible es de 1.127 kWh/m².año, se observa que un colector térmico generará 330 kWh/m².año por cada metro cuadrado de panel instalado. En el caso del sistema PVT+BdC, su aportación térmica a la red será de 850 kWh/m².año.

En la mayoría de las redes existentes, el espacio disponible es limitado, ya que a pesar de que se disponga de mucho espacio, el aporte térmico de las redes a los edificios a los que su suministra calor, es muy elevado. Un dimensionamiento adecuado para que durante los meses de verano paren los sistemas de generación (como calderas, etc.) ayuda a poder realizar las operaciones de mantenimiento que anualmente la instalación requiere.

En algunas redes de distrito, especialmente en países fríos, se utilizan BdC geotérmicas que extraen el calor del suelo y lo aportan a la red de calor. En estos casos, la integración de paneles PVT resulta interesante por dos motivos: por un lado, durante los meses de invierno la temperatura del terreno se ve reducida al extraer su calor llegando a alcanzar los límites de funcionamiento de la BdC lo cual afecta negativamente a su COP, lo que implica un mayor consumo eléctrico. En este caso, el hecho de que los PVT puedan aportar calor al terreno evita esta limitación aumentando la capacidad térmica del terreno, incluso pudiendo acumular el excedente de calor del verano dependiendo de la tipología de terreno. Por otro lado, en los meses centrales del año o cuando la red opera a menor temperatura, el calor que portan los paneles puede ser enviado directamente a la red, consiguiendo que la BdC tenga que aportar menos calor, lo que implica una menor cantidad de pozos necesarios reduciendo la inversión necesaria. Este aporte de calor al terreno se le denomina regeneración del suelo.

Actualmente ya existen en España dos redes de distrito realizadas con este sistema: la red de Ólvega (Soria) que cuenta con 1.082 m² de paneles PVT y en Cuenca que cuenta con 2.191 m² de paneles PVT, siendo esta última la instalación de paneles PVT más grande de Europa.

1090 PVT instalados para la red de distrito de Cuenca.