Los investigadores simularon la red de refrigeración y calefacción con CO2 en un área urbana del centro de Ginebra. Fuente: @STIG.
Aunque el CO2 es conocido como el principal gas de efecto invernadero, quizá pueda ayudar a reducir el calentamiento global, pues resulta ser un vehículo eficiente para el transporte de la energía necesaria para calentar y enfriar edificios, especialmente en entornos urbanos.
Esto es lo que ha revelado un estudio de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza). Sus autores demostraron que una red de calefacción y distribución de refrigeración utilizando CO2 podría suponer más de un 80% de ahorro energético total. Respaldan su trabajo con los resultados obtenidos por un prototipo y una simulación de funcionamento de este en un distrito central de la ciudad de Ginebra, informa la EPFL.
Desperdicio de energía
En Europa, la urbanización supone un 40% del consumo total de energía, y alrededor de un tercio de las emisiones de gases de efecto invernadero. Suiza no es una excepción. Y en ciudades como Ginebra y Lausana, hay muchos tipos de edificios con diversas necesidades de calefacción y refrigeración.
Por ejemplo, para alcanzar un nivel confortable de calefacción, la temperatura del agua que circula a través de un viejo radiador debe ser de al menos 50ºC , mientras que la calefacción por suelo radiante requiere de una temperatura de 30ºC.
Y, en el verano, los acondicionadores de aire de los supermercados funcionan a pleno rendimento - con el consecuente desprendimiento de calor- mientras que, a sólo unos pasos de esos aparatos, calderas de gas calientan el agua que se canaliza a todos los pisos de ese mismo edificio. Un verdadero desperdicio de energía.
El ingeniero industrial de la EPFL Samuel Henchoz se propuso hacer frente a este problema. Para ello, analizó un nuevo concepto basado en un refrigerante de líquido saturado -en este caso, CO2 a presión- para edificios.
Al igual que en un refrigerador cualquiera, el CO2 líquido se evapora en un intercambiador de calor, con el fin de proporcionar refrigeración. Y, para producir calor hace lo contrario: lanza calor en el intercambiador de calor.
Esto es lo que ha revelado un estudio de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza). Sus autores demostraron que una red de calefacción y distribución de refrigeración utilizando CO2 podría suponer más de un 80% de ahorro energético total. Respaldan su trabajo con los resultados obtenidos por un prototipo y una simulación de funcionamento de este en un distrito central de la ciudad de Ginebra, informa la EPFL.
Desperdicio de energía
En Europa, la urbanización supone un 40% del consumo total de energía, y alrededor de un tercio de las emisiones de gases de efecto invernadero. Suiza no es una excepción. Y en ciudades como Ginebra y Lausana, hay muchos tipos de edificios con diversas necesidades de calefacción y refrigeración.
Por ejemplo, para alcanzar un nivel confortable de calefacción, la temperatura del agua que circula a través de un viejo radiador debe ser de al menos 50ºC , mientras que la calefacción por suelo radiante requiere de una temperatura de 30ºC.
Y, en el verano, los acondicionadores de aire de los supermercados funcionan a pleno rendimento - con el consecuente desprendimiento de calor- mientras que, a sólo unos pasos de esos aparatos, calderas de gas calientan el agua que se canaliza a todos los pisos de ese mismo edificio. Un verdadero desperdicio de energía.
El ingeniero industrial de la EPFL Samuel Henchoz se propuso hacer frente a este problema. Para ello, analizó un nuevo concepto basado en un refrigerante de líquido saturado -en este caso, CO2 a presión- para edificios.
Al igual que en un refrigerador cualquiera, el CO2 líquido se evapora en un intercambiador de calor, con el fin de proporcionar refrigeración. Y, para producir calor hace lo contrario: lanza calor en el intercambiador de calor.
La recuperación de calor residual
En el sistema de Henchoz, el CO2 circula a una temperatura de unos 15ºC, cerca de su punto de saturación entre los estados líquido y gaseoso. Esta temperatura está cercana a la del subsuelo, lo que limita la necesidad de aislar las tuberías.
Asimismo, debido a que no hay riesgo de congelación, los tubos podrían incluso ser instalados bajo las aceras. Además, podrían ser mucho más pequeños en diámetro que las tuberías de la red del agua, ya que el gas está presurizado y tiene una alta densidad de energía.
Otra ventaja notable es el hecho de que el líquido refrigerante recupera el calor desprendido por los enfriadores a lo largo de su trayectoria, lo que reduce la cantidad de calor necesaria, que de otro modo se tomaría de plantas de calefacción urbana.
El concepto es, sin duda, atractivo en el papel. Pero, ¿puede ser fiable utilizar el CO2 como refrigerante líquido en zonas urbanas? ¿Este uso sería seguro, eficiente y económico?
Rentable a partir de entre cuatro y seis años
Henchoz se propuso determinar este punto, mediante el análisis de un barrio del centro de Ginebra. En él comparó la eficiencia energética y la rentabilidad económica de las cinco variantes de redes de fluidos refrigerantes, una red de agua fría; y la mezcla de sistemas de conversión de energía actualmente en uso.
Descubrió que el sistema actual, que utiliza ambas calderas y unidades ordinarias de enfriamiento, es el peor. Por contra, todas las alternativavs analizadas generarían más de un 80% de ahorro final de energía.
La variante más prometedora es la que utilizaba CO2 como fluido de transferencia y una bomba de calor de CO2 para regular la temperatura. El coste inicial de este sistema estaría entre los 27 y los 35 millones de francos (24-31 millones de euros) para el barrio estudiado; y pasaría a ser rentable sólo entre cuatro y seis años después de su instalación.
La segunda mejor opción, aunque más cara, sería una red de agua fría, cuyas ventajas incluyen la seguridad y la disponibilidad de sus componentes. "A diferencia de los refrigerantes líquidos sintéticos, el CO2 es natural, barato, no inflamable y no tóxico," explica Henchoz. "El único problema es que tiene que circular por debajo de 50 bares de presión, una presión totalmente diferente que tendría que ser tomada en cuenta en las regulaciones oficiales".
La creación y prueba de esta red de refrigerante líquido a pequeña escala fue posible gracias a la financiación de la Comisión de Tecnología e Innovación (CTI) y a la colaboración de la empresa de servicios públicos de Ginebra y de la empresa de ingeniería Amstein + Walthert.
Las pruebas realizadas se dedicaron principalmente a demostrar la viabilidad del concepto. El sistema efectivamente funcionó como se esperaba, por lo que han impulsado la confianza del investigador y sus colaboradores en los aspectos prácticos de una red de CO2.
En el sistema de Henchoz, el CO2 circula a una temperatura de unos 15ºC, cerca de su punto de saturación entre los estados líquido y gaseoso. Esta temperatura está cercana a la del subsuelo, lo que limita la necesidad de aislar las tuberías.
Asimismo, debido a que no hay riesgo de congelación, los tubos podrían incluso ser instalados bajo las aceras. Además, podrían ser mucho más pequeños en diámetro que las tuberías de la red del agua, ya que el gas está presurizado y tiene una alta densidad de energía.
Otra ventaja notable es el hecho de que el líquido refrigerante recupera el calor desprendido por los enfriadores a lo largo de su trayectoria, lo que reduce la cantidad de calor necesaria, que de otro modo se tomaría de plantas de calefacción urbana.
El concepto es, sin duda, atractivo en el papel. Pero, ¿puede ser fiable utilizar el CO2 como refrigerante líquido en zonas urbanas? ¿Este uso sería seguro, eficiente y económico?
Rentable a partir de entre cuatro y seis años
Henchoz se propuso determinar este punto, mediante el análisis de un barrio del centro de Ginebra. En él comparó la eficiencia energética y la rentabilidad económica de las cinco variantes de redes de fluidos refrigerantes, una red de agua fría; y la mezcla de sistemas de conversión de energía actualmente en uso.
Descubrió que el sistema actual, que utiliza ambas calderas y unidades ordinarias de enfriamiento, es el peor. Por contra, todas las alternativavs analizadas generarían más de un 80% de ahorro final de energía.
La variante más prometedora es la que utilizaba CO2 como fluido de transferencia y una bomba de calor de CO2 para regular la temperatura. El coste inicial de este sistema estaría entre los 27 y los 35 millones de francos (24-31 millones de euros) para el barrio estudiado; y pasaría a ser rentable sólo entre cuatro y seis años después de su instalación.
La segunda mejor opción, aunque más cara, sería una red de agua fría, cuyas ventajas incluyen la seguridad y la disponibilidad de sus componentes. "A diferencia de los refrigerantes líquidos sintéticos, el CO2 es natural, barato, no inflamable y no tóxico," explica Henchoz. "El único problema es que tiene que circular por debajo de 50 bares de presión, una presión totalmente diferente que tendría que ser tomada en cuenta en las regulaciones oficiales".
La creación y prueba de esta red de refrigerante líquido a pequeña escala fue posible gracias a la financiación de la Comisión de Tecnología e Innovación (CTI) y a la colaboración de la empresa de servicios públicos de Ginebra y de la empresa de ingeniería Amstein + Walthert.
Las pruebas realizadas se dedicaron principalmente a demostrar la viabilidad del concepto. El sistema efectivamente funcionó como se esperaba, por lo que han impulsado la confianza del investigador y sus colaboradores en los aspectos prácticos de una red de CO2.
Referencia bibliográfica:
S. Henchoz, F. Maréchal, D. Favrat. Potential of refrigerant based district heating and cooling networks. Tesis EPFL, n° 6935 (2016).
S. Henchoz, F. Maréchal, D. Favrat. Potential of refrigerant based district heating and cooling networks. Tesis EPFL, n° 6935 (2016).