Aprovechar el calor residual para reducir las emisiones de CO2 de los sistemas de climatización

Jordi Macià i Cid, investigador de la Unidad de Residuos, Energía e Impacto Ambiental de Eurecat y Josep Pijuan i Parra, investigador de la Unidad de Inteligencia Artificial Aplicada de Eurecat.01/02/2021

Actualmente, los sistemas de calefacción y refrigeración representan un 50% del consumo anual de energía de la Unión Europea, de los que un 85% proviene de combustibles fósiles, principalmente del carbón y del gas natural. Por otro lado, el consumo de las industrias constituye el 26% del consumo de energía final en Europa, y un 29% de ésta se considera que se pierde como calor residual (datos de European C (2016b) Eurostat Database). Para invertir está dinámica, el proyecto H2020 LowUP, en el cual participa el centro tecnológico Eurecat, ha desarrollado y demostrado tres nuevas soluciones tecnológicas de calefacción y refrigeración para edificios, y de recuperación de calor residual parar procesos industriales. Estas tecnologías permiten reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) a la atmósfera y el consumo de energía primaria, a partir de energías renovables, de fuentes residuales de energía y de una mejor gestión energética.

Recuperación de calor industrial

En el marco del proyecto, la Unidad de Inteligencia Artificial Aplicada de Eurecat ha liderado el desarrollo de una solución, llamada HP-LowUP, para la mejora de procesos de calor industriales. En esta línea, y con la colaboración de varios socios del proyecto, se ha integrado un nuevo modelo de bomba de calor, mucho más eficiente, alimentada por fuentes residuales de energía de baja temperatura, para la aplicación en procesos industriales.

El sistema HP-LowUP aborda los principales problemas a la hora de recuperar calor residual industrial, como trabajar con fluidos complejos, conseguir bombas de calor que permitan trabajar con bajas temperaturas de recuperación y bajos saltos térmicos.

El funcionamiento del sistema HP-LowUP consta de tres etapas. En la primera, el calor residual rechazado por la industria es recuperado mediante un intercambiador de calor para fluidos problemáticos. La empresa italiana Pozzi SL, socio del proyecto, ha mejorado su tecnología de sistemas rotativos de recuperación de calor, donde el circuito secundario circula dentro de unos discos accionados mecánicamente. El movimiento rotativo incrementa la transferencia de calor en ambos lados y mantiene el flujo en el circuito primario, que se espera que sea de alta viscosidad, con sólidos y propenso a crear obstrucciones.

Figura 1. Esquema de funcionamiento de la solución HP-LowUP. El calor residual rechazado en el proceso industrial es recuperado y mejorado a una temperatura superior.

En segundo lugar, la bomba de calor de 300 kW desarrollada por GEA, eleva la temperatura a la consigna deseada para ser reaprovechada en el proceso industrial. Ésta permite trabajar a altas temperaturas (hasta 80°C) con valor medio de COP muy elevado (alrededor de 7), al mismo tiempo que permite mantener un salto bajo entre la temperatura del flujo recuperado y la temperatura entregada hasta 25°C.

Figura 2. Imagen de la bomba de calor y del intercambiador de calor rotativo.

Finalmente, se ha diseñado un sistema de control inteligente que permite optimizar la operación del sistema LowUP. Dado que se trabaja con fluidos de muy baja entalpía, la clave para maximizar el aprovechamiento de calor consiste en optimizar las consignas de operación. El sistema de control, desarrollado por la Unidad de Residuos, Energía e Impacto Ambiental de Eurecat, consiste en la aplicación de algoritmos de optimización. Los modelos matemáticos desarrollados para ambos equipos (bomba de calor e intercambiador) son de tipo híbrido: partiendo de un modelo matemático teórico basado en la fenomenología física, el modelo ha sido ajustado con datos de operación real. Para la optimización, el algoritmo lanza predicciones para un futuro inmediato y encuentra la combinación de consignas óptimas. El algoritmo aplicado es multicriterio, permitiendo la optimización simultánea de energía aprovechada, consumo energético y eficiencia general del sistema.

Además, a partir de los datos generados en la validación de ambos sistemas, la Unidad de Inteligencia Artificial Aplicada ha desarrollado modelos de detección de anomalías en su operación, que permiten predecir posibles situaciones de riesgo como bajadas de presión inesperadas o no deseados, como aperturas de válvulas, para mejorar la eficiencia del proceso y evitar quiebras.

Dos prototipos del sistema HP-LowUP han sido instalados en una industria papelera en Setúbal (Portugal) y en la EDAR de Arroyo Culebra, en Madrid. En la primera se recupera el calor existente en el agua residual almacenada en una balsa alrededor de 40°C, mientras que en la segunda se aprovecha la temperatura de descarga de los digestores anaerobios que está alrededor de 35°C. A nivel teórico se ha contemplado su posible implementación en la industria automovilística, recuperando el calor en el proceso de pintado/horneado para posteriormente calentar el agua de lavado requerida en unos pasos anteriores.

Soluciones de climatización

Por otra parte, para las dos soluciones de climatización de edificios creadas dentro del proyecto, una de refrigeración y la otra de calefacción, Eurecat se ha encargado del desarrollo de un sistema de control inteligente y predictivo para ambas soluciones. Para ello, se han integrado en el proceso de control los datos de los modelos de simulación térmicos del edificio y de los sistemas que componen las soluciones, para que mediante el uso de predicciones de demanda y meteorológicas, un optimizador pueda generar parámetros de configuración que permitan el control preciso y en tiempo real de los sistemas que componen la solución, asegurando el máximo confort y eficiencia energética. Ambas soluciones de climatización se han implementado en un local de oficinas para su demostración.

El sistema de calefacción consiste en generación de energía mediante paneles híbridos fotovoltaicos-térmicos (PVT) que integran materiales de cambio de fase (PCM), así como un recuperador de calor residual de las aguas grises de cocina, lavadora y baños. El calor así generado se almacena en un tanque de alta estratificación y es suministrado a través de un suelo radiante en las oficinas. El sistema de refrigeración consiste en la generación de frío a través de un chiller de compresión eléctrica convencional, asistido por los paneles PV, así como una torre de refrigeración. El frio generado puede ser almacenado en una batería de PCM a 10°C, y es suministrado a las oficinas a través de bigas frías. El sistema también contempla la operación en free-cooling cuando la temperatura exterior esté por debajo de las consignas fijadas.

Figura 3. Esquemas de las instalaciones para calefacción y refrigeración.

Este conjunto de datos permite alimentar el optimizador energético desarrollado por la Unidad de Residuos, Energía e Impacto Ambiental de Eurecat, que devuelve los mejores puntos de operación para cada sistema y que, posteriormente, el sistema de supervisión inteligente, desarrollado por la unidad de Inteligencia Artificial Aplicada del centro tecnológico, comunica periódicamente al control de cada uno de los equipos y se adapta a las necesidades reales de cada momento. La función de optimización es idéntica a la implementada en el control de la bomba de calor. En este caso, el modelo usado para las predicciones energéticas se ha desarrollado en TRNSYS y simula el comportamiento térmico del edificio y el de los equipos de clima, permitiendo calcular el consumo energético, las condiciones de confort y las eficiencias de los equipos. Tratándose de sistemas de climatización tan complejos, la aplicación de la optimización resulta clave ya que puede determinar estrategias de operación a medida para cada día de operación, como por ejemplo la generación y almacenamiento de frío durante la noche, cuando la eficiencia del chiller es más alta, o bien determinar las temperaturas de impulsión óptimas que permitan satisfacer el confort con la máxima eficiencia.

Figura 4. Modelo de simulación del edificio y los sistemas de clima de refrigeración desarrollado en TRNSYS.

Por último, para los sistemas de ambas soluciones de climatización, también se han implementado modelos de gestión de anomalías durante y de gestión de alarmas para su óptima operación.

El proyecto LowUP cuenta con la financiación del programa Horizon 2020 de la Unión Europea en el programa de Investigación e Innovación (Grant Agreement n°723930) y con la participación de 13 socios de 7 países europeos.