Uso del excedente de energía fotovoltaica para el almacenamiento térmico subterráneo estacional

Un equipo de investigación internacional ha desarrollado un novedoso sistema de bomba de calor alimentado con energía fotovoltaica que utiliza la generación de electricidad excedente para cargar una instalación subterránea de almacenamiento de energía térmica (UTES, por sus iniciales en inglés), lo que a su vez mejora la actividad de la bomba de calor.

Basándose en la simulación de tres casos de estudio, el sistema fue capaz de ahorrar hasta un 14% de energía en operaciones de energía para calentar (P2H) y hasta un 39% en operaciones de energía para enfriar (P2C).

“Las instalaciones solares fotovoltaicas han aumentado enormemente, lo que ha dado lugar a un enorme excedente de generación de electricidad, lo que se ha convertido en un problema que requiere formas alternativas de abordarlo”, afirmaron los académicos. “Se puede lograr un equilibrio entre la generación y el consumo aprovechando los enfoques P2H y P2C para utilizar eficazmente el excedente de electricidad fotovoltaica. Sin embargo, uno de los principales problemas en su aplicación incluye la falta de una configuración sofisticada del sistema con una estrategia operativa acompañada de métodos de control simples o complejos para lograr este equilibrio”.

El nuevo sistema se simuló con el software TRNSYS 18. Su principal método de funcionamiento es el uso de la energía fotovoltaica excedente en primavera y otoño, ya que durante esos meses la demanda de calefacción y refrigeración es menor. En primavera, la bomba de calor enfría el UTES, para luego apoyar la refrigeración en el verano siguiente. En otoño, por otro lado, la bomba de calor carga el UTES con calefacción, para luego apoyar temperaturas confortables en el invierno.

La simulación del sistema propuesto se aplicó a un edificio de una escuela pública en Seúl, Corea del Sur. Su techo de 2.500 m2 se cubrió con paneles fotovoltaicos con una eficiencia del 21% para alimentar una bomba de calor de carga de agua con fuente de aire (ASWL). Se supone que tiene capacidades de calefacción y refrigeración de 160 kW con un consumo de energía de 40 kW y 50 kW para refrigeración y calefacción, respectivamente. Para convertir la energía térmica del agua en aire que se puede utilizar en la bomba de calor, también asumieron un intercambiador de calor de 4 kW con caudales de aire y agua de 10.000 l/s y 300.000 kg/h, respectivamente.

En el escenario base que se probó solo se utilizó la bomba de calor alimentada con energía fotovoltaica, mientras que en el caso 1 se utilizó una UTES poco profunda y en el caso 2 se utilizó una UTES profunda. Además, la instalación poco profunda consistió en 964 pozos con un volumen modificado de 800 m3 y una profundidad de 1,5 m, y la UTES profunda consistió en 10 pozos con una profundidad de 150 m y el mismo volumen de 800 m3.

“El modelo del edificio escolar fue seleccionado por su simplicidad y consta de cuatro plantas, cada una con una superficie exterior total de 1.312 m2 a través de las cuales se producen las pérdidas térmicas”, añaden los investigadores. “La señal de acondicionamiento de la zona mantiene la temperatura ambiente entre 18 °C y 22 °C durante el período de calefacción y entre 24 °C y 28 °C durante el período de refrigeración. Las cargas de refrigeración y calefacción fueron de 26,27 kWh/m2 y 52,69 kWh/m2, respectivamente”.

Los resultados de la simulación mostraron que el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) aumentó un 9% y un 27% en invierno y verano, respectivamente, para el caso 1 y un 9% y un 25% para el caso 2. En comparación con el caso base, esto resultó en ahorros de energía en calefacción del 14% y refrigeración del 39% en el caso 1 y del 13% y 36% en el caso 2.

“Los casos 1 y 2 produjeron aproximadamente el mismo índice de autoconsumo (SCR) y índice de utilización de energía excedente (SEUR), con valores aproximados de 81% para el SCR y 26% para el SEUR”, indicaron los académicos. “Adicionalmente, se obtuvo una eficiencia térmica de UTES de aproximadamente 60% y 52% para los casos 1 y 2, respectivamente”.

El sistema fue descrito en “ Development and simulated evaluation of inter-seasonal power-to-heat and power-to-cool with underground thermal storage for self-consumption of surplus solar energy in buildings” (Desarrollo y evaluación simulada de la conversión de energía eléctrica en calor y energía eléctrica en frío entre estaciones con almacenamiento térmico subterráneo para el autoconsumo de energía solar excedente en edificios), publicado en Energy Conversion and Management. El equipo de investigación incluye científicos de la Universidad de Nairobi en Kenia y del Instituto de Investigación Energética de Corea del Sur .