Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados
Abstract
El propósito de este proyecto es analizar una serie de localizaciones con diversas condiciones tanto climáticas, de consumo energético, densidad poblacional... donde recogeremos los valores típicos y límites de cada situación y a partir de ello, diseñar un modelo de distrito térmico en Aspen plus desde el cual poder simular estas variaciones, para posteriormente ver cómo influyen en otros parámetros característicos del distrito. Los objetivos perseguidos con este estudio son: • Estudio y análisis sobre las distintas localizaciones teniendo en cuenta: densidad poblacional, climatología, consumo energético y recursos de biomasa. • Crear un modelo consolidado de distrito térmico para poder reportar información coherente en su simulación. • Realizar una comparativa variando factores alterables de cada localización. • Estudiar la viabilidad económica de este tipo de redes de calor actualmente, comparándolo con la vivienda individual.
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Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Francisco José Rodríguez Valderrama Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez Sevilla, 2017
iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Autor: Francisco José Rodríguez Valderrama Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez Profesor Titular Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017
v Proyecto Fin de Carrera: Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Autor: Francisco José Rodríguez Valderrama Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal
vii A mi familia, maestros y amigos
ix Agradecimientos En primer lugar, quería agradecer a mi familia todo el apoyo recibido durante estos años, con mención especial para mi madre, porque gracias a ella y a su continuo esfuerzo ha sido posible realizar esta formación, y a Manolo por ser un apoyo constante durante este período. A mi tutor Ricardo, por la continua ayuda y atención que me ha aportado durante este año, agradecerle el impulso final que me aportó al creer en mí, durante esta última fase del proyecto. A Carlos Ortiz, por todo el tiempo que me ha dedicado y la contribución en la fase de simulación, gracias a su colaboración me ha sido posible realizar este proyecto. A mis compañeros de clase, y a todos y cada uno de los profesores que he tenido, todos me han aportado algo positivo durante esta etapa.
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Incremento de las emisiones de CO2 a nivel mundial ....................................................... 1 Ilustración 2. Distrito térmico tipo con aportación solar ........................................................................ 11 Ilustración 3. Esquema de red de calor urbana ........................................................................................ 12 Ilustración 4. Circuito primario en una red de calor ............................................................................... 13 Ilustración 5. Caldera de lecho fluido ...................................................................................................... 15 Ilustración 6. Procesos de combustión en calderas de lecho fluido ....................................................... 16 Ilustración 7. Ciclón de una caldera de lecho burbujeante ..................................................................... 17 Ilustración 8. Esquema de intercambio de calor subestación ................................................................. 18 Ilustración 9. Esquema simplificado de subestación .............................................................................. 19 Ilustración 10. Estructura de tuberias en red de distrito .......................................................................... 21 Ilustración 11. Estructura de una tuberia ................................................................................................. 23 Ilustración 12. Consumo de combustibles en la generación de calor en Finlandia .............................. 25 Ilustración 13. Proyección del consumo mundial de pellets .................................................................. 26 Ilustración 14. Demanda de calor mensual en Europa ........................................................................... 27 Ilustración 15. Consumo de energia mundial por persona ..................................................................... 29 Ilustración 16. Densidad poblacional mundial ........................................................................................ 30 Ilustración 17. Densidad poblacional en Sudamérica ............................................................................. 31 Ilustración 18. Densidad poblacional Argentina ..................................................................................... 32 Ilustración 19. Densidad poblacional Brasil ............................................................................................ 32 Ilustración 20. Densidad poblacional Perú .............................................................................................. 33 Ilustración 21. Densidad poblacional Colombia ..................................................................................... 33 Ilustración 22. Densidad poblacional Chile............................................................................................. 34 Ilustración 23. Densidad poblacional Finlandia ...................................................................................... 35 Ilustración 24. Densidad poblacional Escocia ......................................................................................... 35 Ilustración 25. Densidad poblacional Alemania ..................................................................................... 36 Ilustración 26. Densidad poblacional Suiza ............................................................................................ 36 Ilustración 27. Densidad poblacional España ......................................................................................... 37 Ilustración 28. Comparativa de consumos energéticos .......................................................................... 38 Ilustración 29. Consumos energéticos paises de América del sur, 2014 ............................................... 39 Ilustración 30. Matriz energética de América del sur, 2013 ................................................................... 39 Ilustración 31. Consumos energéticos en Europa, 2014 ......................................................................... 41 Ilustración 32. Consumo de biocombustibles en Europa, 2014 ............................................................. 41
xvii Ilustración 33. Matriz energética en Europa, 2014 ................................................................................. 42 Ilustración 34. Matriz energética España ................................................................................................ 43 Ilustración 35. Área de bosque por continente ........................................................................................ 43 Ilustración 36. Recursos de biomasa en América del sur ....................................................................... 44 Ilustración 37. Recursos de biomasa en Europa ..................................................................................... 45 Ilustración 38. Recursos biomasa en España .......................................................................................... 46 Ilustración 39. Grados día según localización ......................................................................................... 47 Ilustración 40. Temperatura media anual ................................................................................................ 48 Ilustración 41. Grados día América del sur ............................................................................................. 48 Ilustración 42. Grados día Europa ........................................................................................................... 49 Ilustración 43. Grados día España ........................................................................................................... 49 Ilustración 44. Elección método global ................................................................................................... 54 Ilustración 45. Primer modelo de simulación ......................................................................................... 55 Ilustración 46. Modelo de simulación segundo ...................................................................................... 56 Ilustración 47. Tercer modelo de simulación .......................................................................................... 56 Ilustración 48. Calculadora de combustión ............................................................................................. 57 Ilustración 49. Ecuaciones calculadora combustión ............................................................................... 57 Ilustración 50. Modelo definitivo de simulación .................................................................................... 59 Ilustración 51. Condiciones iniciales simulación .................................................................................... 60 Ilustración 52. Condiciones iniciales del intercambiador principal ....................................................... 60 Ilustración 53. Condiciones iniciales en el ciclón ................................................................................... 61 Ilustración 54. Condiciones iniciales de la caldera ................................................................................. 61 Ilustración 55. Densidad poblacional por localidad ................................................................................ 63 Ilustración 56. Tipos de escenarios de consumo según localidad .......................................................... 63 Ilustración 57. Cobertura de la demansa en lugares seleccionados ....................................................... 64 Ilustración 58. Variación del caudal de agua impulsada frente a la temperatura de servicio. ............. 64 Ilustración 59. Variación de la temperatura de servicio frente al caudal de agua impulsada (100 viviendas) para una potencia de 2000 kWh. ........................................................................................... 65 Ilustración 60. Efecto de la temperatura del aire de entrada frente a temperatura de gases de salida . 65 Ilustración 61. Efecto de la temperatura de la biomasa de entrada frente a temperatura de gases de salida. ......................................................................................................................................................... 66 Ilustración 62. Variación del caudal de agua impulsión frente a temperaturas de servicio ................. 67 Ilustración 63. Variación de la temperatura de los gases de escape frente al porcentaje de carbono de la biomasa. ................................................................................................................................................. 67 Ilustración 64. Variación de la temperatura de los gases de escape frente al consumo de biomasa. .. 68 Ilustración 65. Variación de la producción de CO2 frente al porcentaje de carbono en la biomasa ... 68 Ilustración 66. Variación de la fracción molar de CO2 en gases frente al porcentaje de carbono en la biomasa ...................................................................................................................................................... 69
Ilustración 67. Variación de la temperatura de gases frente a temperatura ambiente .......................... 71 Ilustración 68. Ejemplo de zona de confort en una localización ............................................................ 73 Ilustración 69. Coste anual de la energía por combustible ..................................................................... 74 Ilustración 70. Coste de mantenimiento por combustible ...................................................................... 75 Ilustración 71. Comparativa económica de escenarios .......................................................................... 77 Ilustración 72. LCOE en función de la potencia de instalación en €/MWh .......................................... 78
xix Notación 𝑄𝑐 Caudal de simultaneidad 𝑄𝑇 Caudal total de consumo A, B y C Coeficientes VM Materia volátil
1 1 INTRODUCCIÓN esde la primera revolución industrial, la sociedad no ha parado de crecer y evolucionar, sobre todo en cuestiones tecnológicas. La base de la industrialización de los países ricos fue el uso masivo de combustibles fósiles, lo que llevó a que el incremento del consumo energético también creciera dramáticamente. Desde entonces, el consumo ha ido creciendo década tras década, lo que ha llevado a un uso desmesurado de los recursos con el fin de mantener el abastecimiento energético. En las últimas décadas, se ha utilizado más carbón, más petróleo y más gas natural que nunca en la historia, ya que, desde hace mucho tiempo, los combustibles fósiles aportan el grueso de la energía utilizada por los humanos. Desgraciadamente, para recursos como el petróleo y el gas natural, es totalmente imposible que durante muchas décadas más se mantenga el ritmo actual de explotación y menos aún, que siga una senda creciente. La dependencia con respecto al uso de combustibles fósiles ha generado dos tipos de preocupaciones: por un lado, los impactos ambientales asociados, sobre todo los relacionados con el cambio climático; por otro, la limitación de reservas y su futuro agotamiento. Especialmente, desde 1990, ha dominado la preocupación por los impactos ambientales que produce la quema masiva de combustibles fósiles y, sobre todo, por sus efectos en el cambio climático. Con el fin de la reducción de estas emisiones, en 1997 se firmó el protocolo de Kioto, en el que se establecía una reducción del 20%, con respecto a las emisiones de 1990, de los gases de efecto invernadero para 2020. Sin embargo, no solo no se han reducido las emisiones lo suficiente, sino que, ha incrementado el porcentaje de GEI en la atmosfera. Por ejemplificarlo, en España, el aumento ha sido de un 18,7 % con respecto a 1990. Ilustración 1. Incremento de las emisiones de CO2 a nivel mundial Ref. http://datos.bancomundial.org/indic 1 D
Introducción 2 Otro aspecto importarte es la disponibilidad de recursos. Hoy en día, hay una gran dependencia de los combustibles fósiles, y estos se encuentran localizados en muy pocos países, lo que genera, en ocasiones, problemas políticos. Por lo tanto, lo que se busca, es la independencia energética, sobre todo, aquellos países cuya disponibilidad de recursos no renovables es escasa. Por estos motivos, se hace cada vez más acuciante la necesidad de enfocar el desarrollo tecnológico hacia fuentes menos contaminantes. Es claramente necesaria una fuerte apuesta por las energías limpias, que en gran medida reducirían las emisiones de gases nocivos al medio ambiente, así como la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles. Además de la autosuficiencia de países, es decir, autoabastece para producir energía con fuentes renovables potenciales en cada localización. Por ello, la biomasa se postula como una de las fuentes de energía renovable más productivas, liderándola hoy en día según Aebiom con el 61% de toda la energía consumida a partir de estas fuentes, la cual principalmente destinada a generación de calor. Llegando así a un consumo final de biomasa de 105.1 Mtep en Europa. Gracias a los avances en ingeniería se ha aumentado la eficiencia en la producción de biomasa, reduciendo los costes y provocando un aumento del consumo. La conversión de biomasa en pellet o astilla es la labor principal de las plantas de biomasa. Por ello será la fuente primaria de aplicación para nuestra red de calor modelada, las calderas de biomasa tienen rendimientos de hasta el 95%, trabajan en un amplio rango de potencias y cuentan con sistemas de alimentación continua y automatizada de combustible, limpieza automática y compactación de las cenizas. La biomasa es autóctona, es decir, emplea recursos procedentes del entorno en el cual se consume. Lo que nos ayudaría a independizar el sector energético de una localización determinada. Como se ha demostrado en países de centro Europa como Alemania o Austria, el uso de la biomasa provoca sinergias sociales relacionadas con la creación de nuevas actividades económicas en el entorno y la mejora de rentas. Lo que ocupa a este proyecto es la generación de calefacción y agua caliente sanitaria para destinarla a viviendas dentro de una red urbana a partir de biomasa, la cual puede ser apoyada en diversas circunstancias por otro tipo de fuentes de energía como, por ejemplo, solar. De esta manera se lograría reducir los niveles de dióxido de carbono al ambiente, puesto que, aunque es cierto que durante la combustión de la biomasa se genera esta sustancia, se puede decir que la biomasa tiene un balance de contaminación de CO2 neutro, puesto que durante un cierto tiempo ha estado consumiendo cierto contaminante de la atmosfera, del que posteriormente se va a desprender en su combustión. A lo largo del trabajo, se buscará demostrar la eficiencia y efectividad de este tipo de instalaciones. Primero se hará un análisis para determinar una serie de localidades interesantes para su aplicación, con semejanzas y diferencias entre ellas, atendiendo a patrones posteriormente descritos. A continuación, se llevará a cabo la simulación de un modelo de distrito térmico, describiremos cómo funciona el modelo que se ha elaborado y se hará un análisis de comportamiento, según las dimensiones del sistema, patrones de consumo, recursos de biomasa y efectos de la temperatura en la operación.
11 2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA l objeto principal de este capítulo es describir con suficiente detalle el esquema de funcionamiento de una red de calor urbana, explicaremos cuales son las componentes principales de este tipo de instalación y especificaremos cuál es la función de cada una de ellas dentro del esquema. 2.1. Descripción general del Sistema Una Red de Calefacción Centralizada o District Heating es un sistema de suministro de agua caliente sanitaria y calefacción (y en algunos casos también refrigeración) a distintos edificios a partir de una planta central. El calor producido en dicha planta se entrega a los usuarios para su consumo mediante una red de tuberías pre aisladas y enterradas. Los sistemas de calefacción centralizada varían tanto en las fuentes energéticas utilizadas como en tamaño, pudiendo cubrir desde un pequeño número de viviendas hasta áreas metropolitanas completas, e incluso explotaciones ganaderas grandes. La ventaja de este tipo de calefacción se basa en que los sistemas productores de calor de gran tamaño tienen rendimientos mucho mayores que los pequeños, de modo que se aprovecha mejor el combustible. Además, las emisiones de la central son más limpias de otros contaminantes que las de calderas más pequeñas, debido a que, por un lado, tienen un sistema de revisiones y puesta a punto frecuentes, y por otro pueden disponer de sistemas específicos de depuración de humos, muy caros en centrales pequeñas. Esto sería también un beneficio asociado al cliente, desde el punto de vista de la externalización de la instalación y su mantenimiento. Ilustración 2. Distrito térmico tipo con aportación solar Ref. e-ficiencia E
Descripción del sistema 12 12 2.2. Esquema de la instalación El esquema de instalación de una red de calor urbana es la siguiente: Ilustración 3. Esquema de red de calor urbana Ref. https://corporate.vattenfall.com/about-energy/energy-distribution/district-heating/ Existen varias configuraciones de distrito térmico, la más común consta de dos circuitos, uno primario y otro secundario, separados por lo que llamamos subestación, formado por un intercambiador de calor y el sistema de monitorización. Es la configuración más segura puesto que no conecta directamente la central térmica con el usuario, es este tipo de instalación la que estudiaremos, por ser la más aplicada Las redes también se pueden clasificar en cerradas y abiertas. Las redes cerradas se utilizan en el caso que se conozca de antemano el número de consumidores que van a ser conectados a la red. Estas son las más utilizadas en edificios de oficinas, hoteles, hospitales, centros comerciales, residencias universitarias, aeropuertos, etc. El diseño y la instalación puede ser rentable y con buenos resultados, aunque para ello es imprescindible conocer en detalle las demandas energéticas de calor. Las redes abiertas se utilizan cuando la demanda de energía térmica que debe ser cubierta es variable, por ejemplo, en una zona urbana de la ciudad. Los consumidores no tienen obligación de estar conectados a la red, como en los sistemas cerrados, y puede elegir entre los sistemas de distrito y las calderas individuales. La demanda puede aumentar o disminuir, de acuerdo con la eficiencia y el coste de la calefacción suministrada.
13 13 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Circuito primario Es donde se sitúa el grueso de la generación, la sala de calderas, lugar donde se produce la energía que posteriormente será aportada a la red. De manera general, en estas instalaciones, el agua de red no pasa directamente por los colectores solares, sino que el fluido de trabajo que circula por los conductos es agua mezclada con líquido experimenten temperaturas bajas (por debajo de 0ºC), el agua se podría congelar y provocaría obstrucción e incluso rotura de los conductos, lo que conllevaría grandes daños en la instalación. Y aunque el clima no sea frío, por las noches suele haber un notable descenso de las temperaturas, que, de la misma manera, anticongelante. Esto es así ya que en zonas donde, al menos en algún momento del año, se podría provocar la congelación del agua. Otro motivo, es el de proteger a los colectores de las impurezas que pueda traer el agua de red. Se hace especialmente, cuando se trata de aguas duras, con gran cantidad de sales disueltas, que precipitarían allí donde se calienta el agua (precisamente en los serpentines de los colectores), formando una capa aislante térmica que reduciría el rendimiento y obstruiría los conductos. Muchas instalaciones también contemplan el almacenamiento en sus plantas, este volumen de almacenamiento se situaría en la zona primaria, la zona más cercana de aporte calorífico. Por último, se va a describir como se transmite la energía, ganada por el fluido en los captadores, al agua de consumo. Se hace a través de un intercambiador, estos suelen tener forma de serpentín, ya que así consiguen aumentar la superficie de contacto y de esta manera, su eficiencia. Este es el modo en que se conecta el circuito primario a los otros dos sistemas. Ilustración 4. Circuito primario en una red de calor Ref. Districlima Circuito secundario En cuanto al circuito, es la parte que se encuentra entre el usuario final y la subestación o intercambiador principal, esta red tiene una presión en la red de tuberías elevada, consta de tuberías de distintos tamaños según el caudal circulante, pero en general es de menor diámetro que la red primaria. Este circuito es el que conecta directamente con el usuario, se encarga de distribuir el ACS a las viviendas, y está formado por una serie de bombas que impulsan el fluido hacia su destino.
Descripción del sistema 20 20 I. Prefabricados: Diseñados específicamente para combustibles de pequeña granulometría y estandarizados, como pellets o astillas. • Contenedor o tolva exterior: Usuarios que disponen de poco espacio. Largos periodos de autonomía de la caldera (hasta 3000kg). Fácil instalación y llenado. • Silo flexible: Se utiliza cuando no existen problemas de espacio. Capacidad de entre 2 y 5 toneladas. Para viviendas unifamiliares o pequeños edificios (calderas de < 40 kW). Puede ser de lona o de polipropileno. •Depósito subterráneo y almacenamiento integrado en caldera: Poco espacio, pequeña potencia. II. Obra: Su característica más importante es la ausencia de humedad. • Con suelo inclinado de dos lados: Utilizados en silos rectangulares, alimentación neumática y a la caldera con tornillo sin fin. Pendientes entre 35-45 grados. • Con un suelo inclinado: Mayormente empleados en silos cuadrados. Podemos optar entre tener más pendiente o menor pendiente y rascador (con su consiguiente coste) • Suelo horizontal: Es la opción más acertada cuando se dispone de poco espacio disponible o el combustible tiene poca densidad. Necesita de rascadores horizontales hidráulicos. 2.3.5 Tuberías Los conductos de las redes de DH/DC están formados por dos tuberías, una de impulsión y una de retorno. La extensión del sistema y el número de ramificaciones dependen de la situación de la planta de producción de energía, del número y distribución de los usuarios, de las pérdidas de energía en la red. Una distribución de la red inadecuada puede llegar a comprometer la rentabilidad económica del proyecto. Una característica importante de las tuberías es el aislamiento ya que deben reducirse al máximo posible las pérdidas de calor por distribución. Normalmente se utilizan tuberías preaisladas que evitan problemas en la instalación defectuosa del aislante. La red de tuberías de un sistema de DH/DC puede dividirse en tres grupos: • Red troncal: conduce el calor (o el frío) desde grandes centrales de DH/DC hasta las redes locales de distribución. • Ramales: conducen el calor (o el frío) desde la red troncal, o bien desde una pequeña central hasta las tuberías de servicio. Las tuberías principales suelen seguir la dirección de las calles o carreteras. • Acometidas o ramales de servicio a clientes: se refieren a las tuberías de interconexión desde la red de distribución hasta cada edificio o subestación.
21 21 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Ilustración 10. Estructura de tuberias en red de distrito Ref. IDAE Las redes de distribución de DH/DC deben incluir los elementos siguientes en las tuberías de distribución del calor y el frío (impulsión y retorno): A. Accesorios de las tuberías (codos, T, etc.). Estos elementos dependen del trazado de la red, que debe procurarse sea el más simple posible. B. Detentores, válvula de regulación y bypass. La función de los detentores es la de aislar cualquier elemento añadido a la instalación. Si bien sería interesante un detentor en cada ramificación, el sobrecoste que esto implica conlleva valorar el interés o utilidad del aislamiento de un sector de red en un momento determinado. Todas las subestaciones incorporarán detentores y elementos intermedios en la instalación. Las válvulas de regulación están en los puntos requeridos, como en las subestaciones o en las entradas de edificios conectados a la red. Todos los elementos deberán resistir la presión y la temperatura de diseño de la red, y se dimensionarán de manera que la caída de presión producida por el elemento sea la adecuada de acuerdo con los condicionantes del proyecto. C. Aireadores y drenajes. Puesto que se trata de un circuito cerrado, deberá disponer de elementos de aireamiento y purga para extraer todo el aire. También se dispondrá de elementos de vaciado y filtraje. D. Bridas y fijaciones. Las tuberías deberán estar fijadas en función de sus posiciones, en caso de disponerlas en conductos o galerías. E. Compensadores. Las tuberías de grandes dimensiones, de redes de transmisión, generalmente son de acero preaislado con espuma de poliuretano. Para redes de DH a temperaturas bajas (70 °C) pueden ser de polietileno o reticulado preaislado. Las variaciones de temperatura provocan la expansión-contracción de las tuberías y pueden generar tensiones radiales y longitudinales. Para absorber las tensiones, hay que colocar compensadores (elementos que se deforman con las variaciones de temperatura) o codos en forma de U, L o Z. F. Detección de fugas: Se debe disponer de sistemas capaces de detectar posibles fugas de agua tanto en las tuberías hacia el exterior, debido a un defecto en las mismas, como desde el terreno hasta las tuberías por fisuras o problemas en la protección. Una fuga desde el terreno hacia las tuberías provoca un defecto de aislamiento ya que, en caso de que este se moje o coja humedad, disminuye la capacidad de aislamiento. El sistema de detección consiste en conductores eléctricos incrustados en el aislamiento de la tubería que, en caso de humedad, detectan una diferencia de potencial.
Descripción del sistema 22 22 Las redes también se pueden clasificar en cerradas y abiertas. Las redes cerradas se utilizan en el caso que se conozca de antemano el número de consumidores que van a ser conectados a la red. Estas son las más utilizadas en edificios de oficinas, hoteles, hospitales, centros comerciales, residencias universitarias, aeropuertos, etc. El diseño y la instalación puede ser rentable y con buenos resultados, aunque para ello es imprescindible conocer en detalle las demandas energéticas de calor. Por ello se han estudiado los tipos más usuales en este tipo de conexiones: A. Red radial: Pequeñas dimensiones, pocas pérdidas, bajo coste. B. Red en anillo: Uno o más generadores, seguridad de abastecimiento, fácil ampliación de la red, mayores costes y pérdidas de calor. C. Red mallada: Mayor seguridad de suministro y posibilidades de ampliación, utilizado mayormente en redes de calefacción urbana, grandes redes, altos costes. Fuente: IDAE En cuanto a diseño de redes la más segura es la última mencionada, aunque es cierto que también conlleva los mayores costes. Las redes abiertas se utilizan cuando la demanda de energía térmica que debe ser cubierta es variable, por ejemplo, en una zona urbana de la ciudad. Los consumidores no tienen obligación de estar conectados a la red, como en los sistemas cerrados, y puede elegir entre los sistemas de distrito y las calderas individuales.
23 23 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados La demanda puede aumentar o disminuir, de acuerdo con la eficiencia y el coste de la calefacción suministrada. En lo que respecta al número de tuberías de distribución, usualmente se utilizan sistemas de dos tubos: constan de una tubería de impulsión por la que circula un fluido a alta temperatura y una tubería de retorno por la que circula el fluido a una temperatura más baja que la anterior. Para aumentar el rendimiento del sistema, es aconsejable reducir al máximo posible las temperaturas de impulsión y de retorno. Casi todas las redes de calefacción urbana utilizan como fluido de trabajo el agua en estado líquido o vapor La clasificación actualmente en uso depende del nivel de la temperatura: • Agua caliente de la temperatura máxima de 100°C/110°C • Agua sobrecalentada entre 120 – 200°C. • Vapor saturado. La mayoría de redes de distribución utilizan como fluido el agua caliente a una máxima temperatura de salida de 100°C a 110°C. En el caso de la tubería de retorno, la temperatura suele estar entre 20 a 60°C más baja, dependiendo del diseño de las unidades terminales situadas en los edificios. La determinación de los diámetros de la tubería es una de las principales decisiones del diseñador de un sistema de calefacción urbana. La velocidad del fluido que circula por el interior no debe ser muy alta, para reducir así las pérdidas hidráulicas, pero tampoco muy baja (<0,8 m/s). De acuerdo con los tubos seleccionados, es habitual trabajar con velocidades de entre 1 y 3 m/s para sistemas de agua. En Europa, el criterio de diseño más utilizado es tener una caída de presión de alrededor de 100 Pa/m, aunque esta cifra puede ser aún mayor. El aislamiento de las tuberías es un factor crucial durante la fase de diseño, debido a las relativamente elevadas pérdidas térmicas de la red y su impacto en la eficiencia global del sistema. Los materiales aislantes se caracterizan por su conductividad térmica, que varía en función de la densidad y la temperatura. El aislamiento necesario en la red de distrito debe ser suficiente para garantizar unas pérdidas inferiores al 15 - 20%. Ilustración 11. Estructura de una tuberia Ref. IDAE
Descripción del sistema 24 24 La instalación de las tuberías puede ser superficial o enterrada. En el caso de instalación superficial los costes de inversión, ingeniería civil y mantenimiento son más bajos. Sin embargo, por razones visuales y de seguridad, la instalación suele ser enterrada. Europa, la mayor parte de las redes de distrito de calor existentes está en el rango de temperatura entre 90 y 150 °C. A título de ejemplo, los valores típicos de las temperaturas para Dinamarca se muestran en la tabla 1. Un punto importante es que la temperatura de retorno debe ser lo más baja posible, es decir, que se debe trabajar con saltos térmicos elevados entre la impulsión y el retorno. Esto da lugar a caudales más reducidos y, por tanto, reducen de una forma importante la energía consumida por las bombas de los sistemas de distribución. Tabla 1. Valores típicos de temperaturas en tuberias Ref. Elaboración propia 2.3.6 Bombas de circulación En las instalaciones de ACS se emplean bombas en el circuito primario para transferir el calor desde el circuito de calderas hasta el de agua de consumo; bombas de secundario cuando la producción se realiza por acumulación con intercambiadores externos, y bombas de recirculación para la circulación del agua por todo el edificio. El circuito primario es un circuito cerrado en el cual el agua tiene muy poca agresividad, ya que tras las primeras purgas se elimina el oxígeno disuelto y habitualmente es un circuito que solo recibe agua nueva en las reparaciones o reposiciones de fugas. Sin embargo, los circuitos secundarios y de recirculación son circuitos abiertos, en los que se está recibiendo de manera continua agua de consumo, la cual es mucho más agresiva con los materiales de las instalaciones, además los materiales en contacto con esa agua no deben modificar su potabilidad. Hay varias maneras de regular el caudal que circula por una red de tuberías, y la elección de un sistema u otro depende de muchos factores, como, por ejemplo: el tipo de caudales con los que se pretende trabajar, el coste de la instalación, la eficiencia, la rapidez de maniobra o el mantenimiento, entre otros. Los sistemas para regular el caudal pueden ser válvulas de estrangulamiento, bypass en el grupo de bombeo o bombas de velocidad variable. Este último método es el más caro de implantar, pero también el más eficiente energética y económicamente. Estos sistemas trabajan a una temperatura de impulsión fija y varían el caudal en función de la temperatura de retorno de la red.
25 25 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Los grupos de bombeo pueden configurarse de diferentes maneras: • Bombeo centralizado. Un grupo de bombeo impulsa el fluido por toda la red: centrales generadoras, tuberías principales y tuberías de distribución. • Bombeo primario-secundario estándar. Es un sistema eficiente: las bombas primarias impulsan el fluido por las centrales generadoras y las secundarias por la red de distribución. • Bombeo primario-secundario-terciario estándar. Basado en el sistema anterior, se añaden bombas para cada circuito de distribución. Con eso y un correcto dimensionado de los grupos de bombeo se evitan problemas de sobrecargas en algunos puntos del circuito, típicos de las configuraciones anteriores. • Bombeo distribuido. Con esta configuración, cada central generadora y cada edificio consumidor dispone de su grupo de bombeo. Así se evitan interacciones entre las presiones de los diferentes grupos. Además, es un sistema más económico que el anterior y adecuado para las redes de gran extensión. 2.4. Biomasa como combustible Existe una gran variedad de combustibles susceptibles de ser empleados en los sistemas de climatización, como, por ejemplo: astillas, pellets, serrín, corteza, residuos agroindustriales como los huesos de aceituna, cáscaras de frutos secos (almendra, piñón,…), poda de vid, poda de olivo, etc. Es bastante relevante el auge de este combustible en el mercado, sustituyendo en la generación de calor a otros combustibles contaminantes como pueden ser el gasóleo o el gas natural, a continuación, se presenta una gráfica que lo corrobora. Ilustración 12. Consumo de combustibles en la generación de calor en Finlandia
Descripción del sistema 26 26 En nuestro caso el tipo de combustible utilizado dependerá de la localización simulada, por ello haremos un análisis comparativo según la composición de la biomasa, para este apartado nos centraremos en la biomasa existente en España y presentaremos sus características. Su utilización varía de una zona a otra de España en función de la disponibilidad, de la tradición y del clima que, de forma indirecta, también influye en el tipo de biomasa disponible, ya que las especies se cultivan o vegetan de forma natural en las zonas donde el clima más las favorece. En los últimos tiempos, la tendencia es hacia el uso de combustibles de granulometría mediana y pequeña, pero homogénea, lo que permite un manejo automático o semiautomático que elimine las incomodidades tradicionales del uso de la biomasa a nivel doméstico, ya sea individual o colectivo. Asimismo, la aparición en el mercado de calderas y sus accesorios, específicamente diseñados para pequeñas y medianas potencias y combustibles sólidos de granulometría reducida, hacen que el uso de la biomasa bruta (tamaños irregulares) tenga pocas expectativas de crecimiento en beneficio de astillas, pellets, cáscaras y huesos que bien por transformación, bien por su propia naturaleza, tienen unas características adecuadas para la automatización de los sistemas. En nuestro caso la elección del tipo de biomasa se ha debido a cuestiones de propiedades de éste, los pellets o biomasa densificada, es el material más utilizado en este tipo de centrales debido a las ventajas que vamos a aportar a continuación: -Elevado poder calorífico -Muy bajo contenido en cenizas, lo que implica menor mantenimiento -Calderas de muy alta eficiencia -Comercialización internacional -Menor influencia en mercados internaciones (gasoil, gas natural) Aunque debemos de tener en cuenta que este tipo de biomasa densificada es la de mayor costo dentro de estas, y el almacenamiento puede resultar un problema para ello. La situación actual del pellet a nivel mundial es la siguiente: Ilustración 13. Proyección del consumo mundial de pellets
27 27 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados El crecimiento en prácticamente todo el mundo es importante, en especial en China el salto respecto a 5 años atrás resulta aún más relevante. Es esta, una de las condiciones por las cuales se ha tomado este combustible como principal para la simulación del proyecto de distrito. Se prevé que el crecimiento en unos años sea aún mayor en este tipo de redes de calor, siendo en 2050 cubierta al 100% por energías renovables donde cobra especial importancia la biomasa (según informa intelligent energy Europe). Ilustración 14. Demanda de calor mensual en Europa PROPIEDADES DE LOS PELLETS Sus características más importantes son: 100% natural, alta densidad energética, capacidad de regeneración, eficientes, bajas emisiones CO2 y bajo contenido en humedad y cenizas. Cada localidad o zona de emplazamiento tiene unas propiedades y características de la biomasa, por ello no podemos presentar unas propiedades generales del pellet, pero si una aproximación a su concentración de componentes más común. Tabla 2. Propiedades de los pellets Ref. http://www.lipsia.com.ar/bioenergia/LIPSIA-003-CARACTERISTICAS.html
Descripción del sistema 28 28 El pellet en el estado que lo conocemos, justo antes de entrar en la caldera, ha sufrido una serie de cambios y procesos, estos requieren de un aporte energético para su producción, es decir, un coste adicional, para el combustible. El proceso de producción de densificación de la biomasa desde su recogida hasta que entra en la caldera es el siguiente: i. Suministro de materia prima ii. Secado forzado iii. Refinado iv. Compactación v. Enfriado de pellets vi. Almacenamiento y distribución Generalmente para su fabricación se utilizan materiales residuales de las industrias de transformación de la madera tales como virutas, serrines, polvo de lijado, etc. También es posible utilizar residuos de poda agrícola y de limpieza forestal. En este caso se requiere una serie de tratamientos previos de los residuos como el secado, astillado y/o molienda debido a que las operaciones de peletizado necesitan unas condiciones de humedad y granulometría especiales.
29 29 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados 3 LOCALIZACIONES En este apartado se van a seleccionar una serie de emplazamientos según criterios que se irán desarrollando en los siguientes apartados, estas localizaciones serán simuladas con sus datos de partida iniciales y a partir de ellos se irán variando, para observar el comportamiento de la influencia de estos valores en distintos parámetros. 3.1. Datos de partida La selección de estos emplazamientos se ha debido a estos cuatro criterios: • Densidad poblacional • Consumos energéticos • Recursos de biomasa • Climatología Teniendo conocimiento de todos ellos en zonas de América del sur, Europa y España, hemos elegido localizaciones que, con características variadas entre sí para abarcar el mayor número de zonas de estudio posibles, aunque encontraremos muchas semejanzas entre ellas. Como podemos ver en el mapa de consumos mundial entre las zonas que se han propuesto para su estudio tienen distintos niveles de consumo de energía. Ilustración 15. Consumo de energia mundial por persona
Localizaciones 36 36 C. Alemania Alemania, situada en Europa occidental, tiene una superficie de 357.380 Km2 La población de Alemania se habría estimado en 81 millones de personas en 2017, lo que lo convierte en el segundo país europeo más poblado (solo después de Rusia) y el dieciseisavo país más poblado del mundo. La densidad demográfica media ronda los 223 hab./km² (una de las mayores del continente), siendo la 59 nación más densamente poblada del mundo. Alemania tiene una serie de grandes ciudades, siendo Berlín la más poblada, sin embargo, la mayor aglomeración urbana es la región Rin-Ruhr, que se contabiliza dentro de las zonas más densamente pobladas a nivel global (unos 1,334 hab/km²). D. Suiza Suiza, situada en Europa occidental, tiene una superficie de 41.290 Km2 con lo que se encuentra entre los países más pequeños. Suiza, con una población de 8.327.000 personas, tiene una densidad de población de 202 habitantes por Km2. Entre sus ciudades más pobladas se encuentran: Zúrich, Ginebra o Basilea Ref. Gifex Ilustración 25. Densidad poblacional Alemania Ref. http://interactive.swissinfo.ch Ilustración 26. Densidad poblacional Suiza
37 37 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados ESPAÑA La población en España, según el INE, señala que la población española se sitúa en 46 millones de habitantes en el último año. España es el quinto país más poblado de la Unión Europea La densidad de población de España, de 92,19 hab/km² en el 2015 y su distribución a lo largo del territorio es muy irregular. Así, la población española se concentra predominantemente en dos zonas: • Costa y zonas cercanas: las zonas de costa y los valles próximos, así como las grandes islas, son las más densamente pobladas y donde se encuentran los principales núcleos de población y sus áreas metropolitanas (exceptuando a Madrid), por ejemplo Barcelona que extiende su área de influencia por toda la costa catalana, Valencia, Alicante-Elche-Murcia-Cartagena, Sevilla, Cádiz-Jerez, Málaga, Granada, Guipúzcoa-Álava-Bilbao-Santander, Asturias, La Coruña, Vigo, Palma de Mallorca, Las Palmas de Gran Canaria, Santa Cruz de Tenerife, etc. • Madrid: es una zona muy poblada, la ciudad principal es la mayor de España, el tercer municipio de la Unión Europea (sólo superado por Londres y Berlín) y su área metropolitana es la tercera mayor de la Unión Europea (sólo superada por París y Londres), en la cual se encuentran ciudades como Móstoles, Alcalá de Henares, Fuenlabrada, Alcorcón, Leganés, Getafe, etc., que superan los 100 000 habitantes. Esta zona es tan poblada gracias a que Madrid es la capital de España y su influencia se extiende ya por las provincias de Toledo y Guadalajara formando una amplia región metropolitana. Sin embargo, todo el interior sufre problemas de despoblación; en esta parte del territorio, solamente se pueden destacar Zaragoza, Córdoba y Valladolid con más de 200 000 habitantes. Ilustración 27. Densidad poblacional España Ref. targetmap
Localizaciones 38 38 3.3. Consumos energéticos El sector residencial es un sector clave en el contexto energético actual, tanto nacional como comunitario, debido a la importancia que reviste sus necesidades energéticas, que, en España, y en términos de energía final, significan el 17% del consumo final total y el 25% de la demanda de energía eléctrica. Diversos factores explican la representatividad y la tendencia al alza de sus consumos energéticos, tales como el incremento del número de hogares, el mayor confort requerido por los mismos y, consecuentemente, el aumento de equipamiento. Todo ello, propiciado por los incrementos de la capacidad de poder adquisitivo y una mejora del nivel de vida, hacen prever unas tendencias futuras al alza en cuanto a la representatividad del sector residencial en la demanda energética. Tendremos que estudiar los consumos energéticos en hogares de los emplazamientos seleccionados, estos vienen determinados la mayoría de las veces por su situación geográfica, y características climatológicas. En la ilustración 28 queda representado la diferencia de consumo energético entre la media de países europeos, España y Sudamérica. Se aprecia la enorme diferencia en cuanto a nivel de vida en el sector residencial que existe en estas localidades. Comenzaremos con la misma dinámica del apartado anterior mostrando los datos de consumo más relevantes para cada emplazamiento. Según la OCU, un hogar medio español consume de media 9922 kWh/año, si puntualizamos que 5172 kWh/año vienen dados por servicios de calefacción y que 1877 kWh/año se consumen por medio de ACS, podemos constatar que el consumo total en calefacción y ACS es de 7049 kWh/año. Esto quiere decir que mediante el distrito térmico seriamos capaces de cubrir una demanda de calor de hasta un 71% si no tuviéramos cogeneración, más de 2/3 del consumo podría darse con un distrito térmico sin generación eléctrica. Ref. Banco de datos Iberoamericano Ilustración 28. Comparativa de consumos energéticos
39 39 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados AMÉRICA DEL SUR Para encarar un análisis adecuado de los planes e iniciativas de integración energética regional, más cuando se enuncian como la solución a distintos problemas energéticos actuales o previstos para los países de América del sur, resulta indispensable repasar la información que nos permita describir el estado de la matriz energética de la región. Así será posible aproximarse al conocimiento sobre lo que está en juego respecto de la producción y el consumo de energía en el subcontinente. En los países seleccionados de Sudamérica existe gran variedad de niveles de consumo energético, desde los 4 bep/persona al año de países como Argentina a casi una cuarta parte de este consumo en Perú; Chile y Brasil se sitúa en valores intermedios de consumo. Ilustración 29. Consumos energéticos paises de América del sur, 2014 Ref. Banco de datos Iberoamericano Un primer repaso de la oferta total de energía primaria en América del Sur nos muestra que su composición está ligada profundamente a energías convencionales no renovables, las que representan un total del 73% formado por petróleo, gas natural y carbón. La energía hidroeléctrica tiene un peso relativamente fuerte (11%) si se la compara con los valores mundiales, a causa de la abundancia de este recurso en la región. Ilustración 30. Matriz energética de América del sur, 2013 Ref. Cálculos del BID sobre datos del AIE
Localizaciones 40 40 Resulta relevante también la participación de la biomasa en la oferta primaria de energía, aunque en la información consignada no se ha hecho una distinción que considere la sostenibilidad de su empleo, motivo por el cual no se puede tomar de forma absoluta como un recurso utilizado sustentablemente. Los productos de caña, asimismo, participan de manera relevante en esta estadística, que tiene a Brasil como su principal responsable (76% del total, 40530,42 ktep). Otras energías, incluyendo la nuclear, muestran un peso totalmente marginal. En los datos correspondientes a los principales productores de crudo de la región es posible hallar parte de la explicación para la matriz presentada más arriba, que señala que el petróleo en Latinoamérica representa un 42% de la oferta total primaria, al mismo tiempo que se reconoce al grupo México-Venezuela-Ecuador-Colombia como claramente exportador, en un promedio del 60% de sus respectivas producciones. Los países que exportan un porcentaje menor de su producción, Argentina y Brasil, tienen perspectivas diferentes entre sí, ya que Brasil podría pasar a ser un neto exportador en los próximos años, en tanto que si Argentina no recupera su horizonte de reservas pasaría a consolidarse como un importador en poco tiempo. EUROPA Desde la Revolución Industrial, el consumo de energía en el mundo no ha dejado de crecer. Hoy en día, el uso de la energía forma parte de nuestro estilo de vida y, cuanto más desarrollada está una sociedad, más energía consume, esto se podrá apreciar aún más en nuestro proyecto debido a la variedad de localizaciones estudiadas. El sector más consumidor de energía eléctrica en Europa es industrial. Así, la industria consume, aproximadamente, dos quintas partes sobre el total de la electricidad producida en toda Europa. Del 1980 hasta el 2008, el consumo de electricidad por los diferentes sectores iba en aumento, teniendo su porcentaje máximo en 2008. Sin embargo, entre 2008 y 2011 el consumo eléctrico ha ido decreciendo: • En 2008 el sector industrial consumía un 4,2 % más de electricidad que en 2011, mientras que los transportes se mantuvieron estables. • El resto de usos también demandaban más energía eléctrica: un 1,73% más en comparación a 2011. Más allá de la crisis económica mundial, la reducción del consumo eléctrico desde 2008 también se debe a: • En el ámbito residencial debido al avance tecnológico de los electrodomésticos, su eficiencia (etiqueta energética) y la concienciación de los usuarios con el ahorro. • En el ámbito de los servicios, la parte que consumía mayor electricidad era la iluminación pública, aspecto que se ha ido mitigando mediante cambios de bombillas a otras más eficientes (LED) o la instalación de sistemas automatizados.
41 41 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Ilustración 31. Consumos energéticos en Europa, 2014 Ref. Banco de datos Iberoamericano La diferencia entre los países seleccionados es muy parecida en porcentaje a la anterior presentada en el sur de América, pero con una diferencia trascendental, el consumo. Finlandia encabeza el puesto de consumidora energética, con prácticamente el doble de consumo que el país más demandante de Sudamérica. Es importante nombrar que como muestra la ilustración 32, prácticamente el 80% de su consumo proviene de energía renovable. Ilustración 32. Consumo de biocombustibles en Europa, 2014 Ref. Banco de datos Iberoamericano Es llamativa esta gráfica porque muestra claramente la apuesta del país nórdico por la energía renovable, destacando la biomasa como principal fuente de energía en su gran número de redes de calor.
Localizaciones 42 42 Por último, la matriz energética en el continente europeo tiene la siguiente forma: Ilustración 33. Matriz energética en Europa, 2014 Ref. Banco de datos Iberoamericano Tiene gran importancia los tres combustibles más convencionales, petróleo, gas natural y carbón, donde se hace hueco en quinta posición la biomasa como fuente primaria. Dato que destacar, el sector residencial como uno de los principales consumidores, prácticamente a la misma escala que el transporte o la industria, seguido ya de lejos por el sector comercial y otros. ESPAÑA Desde finales de los años 80, el sector eléctrico, el del gas y el del petróleo de nuestro país han cambiado radicalmente para cubrir las necesidades de la sociedad y cumplir con los compromisos medioambientales y energéticos de la Unión. El sector residencial es un sector clave en el contexto energético nacional y comunitario actual debido a la importancia que reviste su demanda energética, que en términos de consumo total y de consumo eléctrico asciende respectivamente a un 17% y 25% a nivel nacional, y al 25% y 29% a nivel de la UE. En el ámbito nacional, diversos factores como el incremento de los hogares, los hábitos de consumo, el equipamiento progresivo de los hogares, propiciado por los incrementos de la capacidad de poder adquisitivo y una mejora del nivel de vida, hacen prever unas tendencias futuras al alza en cuanto a la representatividad del sector residencial en la demanda energética. Esto último encuentra apoyo en diversos estudios relevantes de prospectiva que en la actualidad tienen lugar con el objeto de facilitar el diseño y configuración más acorde de políticas planificación energética con los que satisfacer la cobertura futura a dicha demanda. Por otra parte, este sector, si bien, en términos comparativos respecto a otros sectores de uso final en España, actualmente presenta menos consumo, es cierto que, en términos relativos, es uno de los sectores, junto al sector servicios, que en los últimos años mayor crecimiento ha registrado tanto en su consumo como en si intensidad energética asociada.
43 43 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados 3.4. Recursos de biomasa La biomasa sólida es la mayor fuente de energía renovable en el mundo, con mucha diferencia, debido a la existencia de la biomasa tradicional en los países en vías de desarrollo. Supone el 9,2% de la oferta total de energía primaria en el mundo, el 70,2% de la oferta total de energía renovable. De hecho, el 86% de la biomasa sólida es producida y consumida en países que no pertenecen a la OCDE. La biomasa se caracteriza por las transacciones en el mercado, funciona con buenos niveles de eficiencia, no tiene porqué dar lugar a problemas de salud y es utilizada para generar energía eléctrica, para producir calor y refrigeración en los hogares y en la industria y para producir biocarburantes para el transporte. Ilustración 35. Área de bosque por continente Ref. Elaboración propia, fuente: FAO 0 200 400 600 800 1000 1200 África Asia Oceania Europa Norte y centro America América del sur Área de bosque (mill ha) Ref. BP Statistical Review Ilustración 34. Matriz energética España
Localizaciones 44 44 Observando la ilustración 35, nos situamos durante este estudio en los dos continentes que más área de bosque, y consecuentemente biomasa potencial tiene en su superficie, desarrollaremos estos continentes a continuación. AMÉRICA DEL SUR Según un estudio publicado en Renewable and Sustainable Energy Reviews por Lamers y colaboradores, la comercialización de biocombustibles sólidos de biomasa fue seis veces mayor a finales de la década (2010) en comparación con el inicio del siglo (2000). Según, Lamers la biomasa contribuye un 10% al total de energía primaria que se consume en el mundo, y de este 10%, la mayoría (un 62%) es consumida por países en vías de desarrollo de formas tradicionales, como lo son, la preparación de alimentos y calefacción. Las tendencias actuales del uso de la biomasa en América Latina, además de su continua utilización tradicional, se orienta a una utilización más moderna en la cual se busca obtener mayores eficiencias en la combustión además de limitar las emisiones de carbono a la atmosfera. El potencial de estos países en biomasa es muy significativo como vemos en las siguientes imágenes, la zona este de América del sur, donde se sitúa Brasil, tiene una cantidad de biomasa de más de 100 mil millones de toneladas. Ilustración 36. Recursos de biomasa en América del sur Ref. Elaboración propia. Fuente: FAO 0 1 2 3 4 Brasil Colombia Peru Argentina Chile Biomasa por habitante (ha)
45 45 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados EUROPA En la Unión Europea, cinco países aportan el 56,7% de la energía primaria producida con biomasa, Francia, Suecia, Alemania, Finlandia y Polonia. Los principales consumidores de biomasa (consumo per cápita) son los países nórdicos y bálticos, junto con Austria, y encabezados por Finlandia. Merece la pena destacar que las aplicaciones para calefacción y ACS abastecidas con pellets son una práctica habitual en muchos países europeos. Todos estos desarrollos junto con la creciente producción de pellets han dado lugar a un mercado europeo de biomasa; en el que los países con excedente de producción de este tipo de biomasa abastecen a los países consumidores de pellets. Por otro lado, la producción eléctrica con biomasa se sitúa en torno a los 60 TWh en la Europa de los 28, lo que supone alrededor del 2% de la producción eléctrica europea. En los últimos años el consumo de energía por biomasa creció en la Unión Europea aproximadamente 25 TWh por año, por lo que si el crecimiento continuara al mismo ritmo se llegaría al año 2020 a un consumo de 1.125 TWh, es decir, 525 TWh por debajo del escenario que maneja la Comisión Europea. Para alcanzar este escenario de 1.650 TWh de consumo anual de energía final por biomasa, el suministro de energía primaria por biomasa tiene que estar entre 1.850 y 3.400 TWh, dependiendo de cómo la biomasa vaya a ser utilizada (para producir calor o electricidad). Como podías intuir, por las gráficas presentadas anteriormente sobre consumo energético, los países nórdicos, entre ellos Finlandia, constan de una superficie de bosques y un potencial de biomasa muy por encima de las demás zonas estudiadas, así quedo constatado en el consumo de energía primera con este combustible. Ilustración 37. Recursos de biomasa en Europa Ref. EEA, European Environment Agency
Modelo de simulación 52 52 5 MODELO DE SIMULACIÓN l software utilizado para la simulación del modelo ha sido Aspen plus. Es un programa básicamente de simulación de procesos químicos, en el cual además de simulaciones de diagramas de flujo, se puede realizar: estimación de propiedades de compuestos, análisis de sensibilidad de variables de proceso, obtener especificaciones de diseño de proceso, y síntesis y análisis de procesos químicos. Nuestro objetivo con este programa ha sido crear un modelo lo más coherente y exacto posible para nuestra aplicación, en primer lugar, hemos ido creando el modelo más básico y a partir de este, hemos ido desarrollando un sistema cada vez más completo, y acercándonos al modelo de red de calor actual. Este software sofisticado puede ser usado en casi todos los aspectos de ingeniería de proceso desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad. Tiene una biblioteca modelo incorporada para columnas de destilación, separadores, cambiadores de calor, reactores, etc. Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca de modelos. Estos modelos del usuario son creados con subrutinas Fortran u hojas de trabajo Excel y se suman a su biblioteca modelo... Tiene un banco de datos de propiedades incorporado para los parámetros termodinámicos y físicos. 5.1. Datos de partida Los datos iniciales que vamos a tomar se pueden comprobar en la bibliografía adjunta, la mayoría de información ha sido suministrada por fuentes consolidadas, otros datos han sido resultados de la simulación como partida de otros procesos posteriores. En primer lugar, introducimos en el setup el tipo de método que vamos a utilizar a la hora de simular, este será solids, debido a que vamos a tratar con solidos a la entrada, biomasa. A continuación, tenemos que definir los componentes, en el apartado de especificaciones, que van a interactuar en la simulación, ya sea reactivo o producto. Tabla 3. Componentes de la simulación E
53 53 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Tenemos que tener en cuenta que tanto la ceniza como la biomasa son de tipo no convencional y habrá que definirlas. En el apartado de methods, hemos seleccionado como métodos de referencia para la simulación los siguientes: SOLIDS (por tener una de las entradas como sólido), PENG-ROB (donde se definen las ecuaciones de estado), NRTL, (será necesario para el proceso de combustión) y por último IDEAL (para la aplicación de la ley de Raoult´s y de Henry). Para definir la biomasa hemos elegido los siguientes atributos (proxanal, sulfanal y ultanal): Proxanal Moisture 4.87 FC 50 VM 49.7 Ash 0.3 Ultanal Ash 0.3 Carbon 50.14 Hydrogen 6.14 Nitrogen 0.08 Chlorine 0 Sulfur 0.01 Oxygen 43.33 Sulfanal Pyritic 0 Sulfate 0 Organic 0.01 Tabla 4. Propiedades de la biomasa
Modelo de simulación 54 54 Ilustración 44. Elección método global Al elegir como tipo de corriente MCINCPSD, tendremos que definir todas ellas como MIXED, NCPSD ó CIPSD, realmente la mayoría de corrientes se caracterizan como MIXED, excepto aquellas que son sólidas como la biomasa o la de ash. La corriente de biomasa al ser nombrada como NCPSD, será necesario definir su tamaño, al utilizar pellets para su aplicación hemos seleccionado el intervalo de tamaños 140-160 mm. Con estos valores ya podremos comenzar a implementar el modelo, e iremos mostrando los valores y datos que hemos seleccionando a medida que vayamos añadiendo componentes a la instalación. 5.2. Escalado de modelos El primer modelo que se logró simular era muy sencillo, consta de las entradas tanto de aire como de biomasa, y posteriormente un reactor del tipo RGIBBS, el cual simulaba la caldera. Este tipo de reactores es un reactor de equilibrio con minimización de la energía de Gibbs, lo que realiza es un equilibrio químico y de fases por medio de esta energía mínima de Gibbs antes mencionada, y se utiliza principalmente para reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases, cálculo de equilibrios de fase para soluciones con sólidos y sistemas vapor-líquido-sólido. Por ello es el idóneo para ser utilizado en nuestra caldera, aunque también podríamos simularla como RSTOIC, RYIELD o REQUIL.
55 55 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Ilustración 45. Primer modelo de simulación La utilización de un compresor para el aire de entrada fue para evidentemente subir la presión de combustión, posteriormente fue eliminado debido a que las calderas de lecho fluido normalmente tienen combustión a presión atmosférica o ligeramente superior, no tenía sentido comprimir aire si la combustión se iba a dar a 1 bar. Es cierto que es un modelo muy pobre de componentes, pero lo que se quería conseguir era un primer acercamiento al proceso de combustión en la caldera y la definición de parámetros de entrada. Posteriormente, procedimos a integrar en el modelo un consumo de energía referente a la vivienda. Después de este modelo, se cambiaron bastantes propiedades, tanto los métodos de la simulación, los tipos de corrientes, se simuló la caldera como adiabática y sin pérdida de carga, en vez de elegir las temperaturas y la presión de operación. Se crearon design specs para, fijando una temperatura de ACS, variar la temperatura de gases en el intercambiador y así encontrar el valor exacto para poder fijar posteriormente el caudal de entrada de biomasa con otro design specs, limitando la temperatura de estos gases.
Modelo de simulación 56 56 Ilustración 46. Modelo de simulación segundo Como podemos ver en este modelo integramos el intercambiador principal (subestación) como dos intercambiadores con una corriente de transferencia de calor entre ellas, lo cual fue modificado posteriormente. Incorporamos la red de tuberías secundaria, todo lo que conlleva el consumo de ACS en las viviendas, esta estructura fue modificada al completo en el siguiente modelo. En estos modelos no se producía combustión en la caldera debido a que la biomasa, al ser una corriente no convencional, no estaba descompuesta por ello no producía reacciones cuando se encontraba al aire en el reactor. La solución fue crear una calculadora de combustión y un reactor anterior a la caldera que lo que hiciera fuera descomponer esta corriente en sus componentes principales. Antes de realizar la calculadora de combustión, diseñamos un modelo intermedio algo más avanzado, recirculamos los gases de escape para calentar el aire de entrada, debido a que salían a muy alta temperatura, pero no quedó ahí, en vez de recircularlos, lo que hicimos fue intentar bajar esa temperatura de gases de salida reduciendo los caudales de entrada tanto de biomasa como de aire, parecía lo más elocuente, además estábamos reduciendo costes en este proceso. Ilustración 47. Tercer modelo de simulación
57 57 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados A continuación, tuvo lugar la creación de la calculadora de combustión y el reactor de descomposición de la biomasa, para ello nos servimos de un artículo que consta en la bibliografía (Getting Started Modeling Processes with Solids). El proceso fue el siguiente: -Definimos una calculadora llamada combust. -Definimos las variables que en ella van a interaccionar como muestra la ilustración 47, creamos tanto las corrientes de ULT y WATER, como las demás variables de tipo BLOCK. Ilustración 48. Calculadora de combustión - Presentamos las ecuaciones que rigen el cálculo de la combustión en Fortran. Ilustración 49. Ecuaciones calculadora combustión -Por último, describimos la secuencia de ejecución y el tipo de bloque (descomp).
Modelo de simulación 58 58 5.3. Modelo definitivo Las propiedades de temperatura y presión en la descomposición son las mismas que las de la biomasa, introducimos el rendimiento de esta descomposición, el tamaño de los sólidos y por último las componentes de la biomasa que anteriormente presentamos en la tabla 4. Modificamos el modelo, sustituyendo el filtro posterior a la combustión por un reactor, debido a que las calderas de lecho fluido lo contienen al final del economizador. Cambiamos de lugar la bomba de impulsión a la zona fría en el circuito secundario, y lo modificamos completamente, utilizamos un intercambiador para simular el consumo de energía en el hogar, y el intercambiador principal que anteriormente estaba compuesto por dos intercambiadores y una corriente de calor, lo sustituimos por un solo intercambiador, siendo posible esto mediante el cambio estructural de la red secundaria. Posteriormente, se simulan las tuberías mediante la componente pipeline de Aspen plus, esto nos permite simular de una forma más exacta las pérdidas de presión y calor que se producen en la red secundaria, y poder modificarla según el tipo de aislamiento. Por último, se realiza una calculadora para que la entrada de aire dependa exclusivamente del caudal de biomasa, lo que hacemos con ello es conseguir una relación de dosado del 0.2 aproximadamente, así la única variación que existe para el aire es aquella relacionada con la biomasa.
59 59 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Ilustración 50. Modelo definitivo de simulación
Modelo de simulación 60 60 Una vez logrado un modelo lo más coherente posible, del cual pudiéramos recolectar información congruente, lo que hicimos fue un caso base, con una serie de datos, para así describir la situación inicial antes del análisis de sensibilidad y comprobar la veracidad del modelo, para ello utilizamos los siguientes datos: Temperatura (ºC) Presión (bar) Ambiente 15 1 Ilustración 51. Condiciones iniciales simulación Las condiciones iniciales en el intercambiador principal son las siguientes: Ilustración 52. Condiciones iniciales del intercambiador principal
61 61 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Podemos observar en la ilustración anterior, las propiedades de las cuatro corrientes que interactúan en el intercambiador (entradas y salidas), tendremos unos gases de entrada a 840 ºC y una salida de 147 ºC, por otro lado, la corriente del lado frio de sitúa en un valor de 72.8ºC calentándose hasta 100ºC a la salida de dicha subestación. El consumo de las viviendas quedó fijado en 80ºC y un retorno de 55ºC, para este primer análisis, ara la tubería de retorno elegimos una distancia de 1,5 km y en principio se simuló como adiabática, con unas pérdidas de presión equivalentes a 100 Pa/m, la velocidad del agua dentro de este conducto suele ser del orden de 1 m/s y la presión de descarga en una vivienda es de 2.5-3 bar. El balance de materia en el ciclón es el siguiente representado: Ilustración 53. Condiciones iniciales en el ciclón Con una entrada de 8614.8 kg/h, la materia no convencional separada es de 85.3 kg/h. En cuanto a la caldera tiene las siguientes características iniciales: Ilustración 54. Condiciones iniciales de la caldera Una vez descrita las condiciones iniciales de la instalación procedemos a realizar los análisis pertinentes de sensibilidad.
Modelo de simulación 68 68 Ilustración 64. Variación de la temperatura de los gases de escape frente al consumo de biomasa. Por último, se representa la variación de la producción de CO2 frente al consumo de carbono en la combustión. Ilustración 65. Variación de la producción de CO2 frente al porcentaje de carbono en la biomasa
69 69 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Ilustración 66. Variación de la fracción molar de CO2 en gases frente al porcentaje de carbono en la biomasa Para estos análisis se ha fijado el caudal de entrada de aire a la caldera, lo cual influye de manera muy directa en la tendencia de los resultados. Según los parámetros iniciales que hemos simulado, para una entrada de biomasa de 335 kg/h, y una entrada de aire de 8280 kg/h, lo cual quiere decir una combustión estequiométrica, tendríamos una fracción molar de CO2 a la salida correspondiente a 0.13, algo que entra dentro de los márgenes reales de producción de CO2 en una combustión.
Análisis de resultados 70 70 6 ANÁLISIS DE RESULTADOS partir de las gráficas obtenidas en el apartado anterior podremos obtener información sobre el comportamiento que representa las fluctuaciones de algunos de los parámetros anteriormente simulados. En primer lugar, comentar que el modelo simulado, hemos intentado que sea lo más veraz y preciso posible, debido a que los resultados obtenidos parten de estos parámetros de entrada, al igual que las simulaciones aportadas. Con la simulación de la cobertura de la demanda lo que se ha querido es dar una visión global de la fluctuación de la temperatura de agua de servicio, este análisis va más allá de satisfacer el consumo propio de los hogares, lleva intrínseco un análisis que se puede extrapolar a una modificación de las temperaturas de agua de ACS y calefacción, es decir, contempla la posibilidad de aplicar satisfacer demandas de hogares en barrios que requieran diferentes temperaturas de agua de servicio. Algo que ya se está empleando en muchos lugares del mundo, comúnmente llamado, redes de calor de baja temperatura, las cuales pueden rondar los 60ºC, uno de los valores simulados en nuestro análisis. Podemos sacar en claro, algo que creíamos saber, el consumo de agua de impulsión es creciente (si mantenemos la temperatura) para redes con mayor consumo, queda representado en la ilustración 50. Donde podemos observar la siguiente tabla de consumos para una temperatura de servicio de 80ºC. Consumo energía para 100 viviendas 3000 kWh 7000 kWh 10000kWh Agua de impulsión 20000 kg/h 40000 kg/h 55000 kg/h Tabla 7. Consumo de agua de impulsión en función de la energía consuida para 100 viviendas Por otra parte, en la ilustración 58, podemos ver la variación de temperatura en el agua de servicio de un barrio en función del caudal de agua de impulsión a 100ºC, es importante este último dato puesto que dictamina el caudal que va a circular, es decir, si fijásemos la temperatura en ,por ejemplo 120ºC, el caudal de agua de impulsión sería menor, puesto que la diferencia de temperaturas sería mayor con el foco frío, lo que implica una mayor transferencia de energía que reduciría el gasto de agua. En cuanto al efecto de la temperatura de operación, es un análisis del cual podemos obtener varias conclusiones, la primera de ellas es evidente, cuando tenemos una mayor temperatura de aire o biomasa, la temperatura de salida de los gases aumenta. A
71 71 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Esta afirmación tiene varios comentarios, el primero es que es cierto que aumenta, pero no lo hace de la misma forma si variamos la temperatura del aire que la de la biomasa, es decir, la influencia que tiene el aire de entrada en la temperatura de salida de gases es mayor que la de la biomasa, y el motivo es muy simple, el caudal de aire que entra en la caldera es casi 5 veces superior al que se aporta de biomasa, por ello la influencia de este, será mayor. Hasta el punto de que la variación de aire que hemos contemplado de -20 a 50 grados centígrados, es más posible que se de en una situación real, que la variación que puede darse en la temperatura de la biomasa, la cual es más complicado que llegue a estos límites de temperatura, por tanto, este será otro motivo por el cual la influencia de la temperatura del aire de entrada a la combustión es mayor que el de la biomasa. La variación de la temperatura de entrada del aire desde -20 a 50ºC tiene una influencia en el escape de la caldera de 810 a 870ºC, es decir, una fluctuación de 60ºC, mientras que el efecto de la biomasa solo recorre los valores de 838 a 841ºC, queda constatada que la influencia del aire de entrada es mucho mayor que la de la biomasa en términos de temperatura. Ilustración 67. Variación de la temperatura de gases frente a temperatura ambiente El efecto de los materiales de la conducción es demostrado mediante la representación de la ilustración 54, lo que podemos constatar de este análisis en el cual se tomaron varias suposiciones, las cuales ya fueron descritas en apartados anteriores, es que al principio de la gráfica la curva muestra una escalada significativa hacia el valor requerido de servicio, para posteriormente cambiar su dinámica y asentarse casi en una recta que fluctúa más cercana al valor de 95-100ºC, esto ocurre debido a que la temperatura de agua de impulsión es de 100 grados, por tanto, nunca superará ese valor, debido a las pérdidas, y para que se acerque lo más posible a él, lo que tiene que ocurrir es que el caudal circulante sea lo más próximo a infinito posible, es decir mientras mayor es el caudal circulante, si mantenemos las pérdidas constantes, el valor de temperatura de servicio al que podremos llegar será lo más cercano a 100ºC, en nuestro caso, la temperatura de agua de impulsión. En cuanto a la producción de CO2 y la influencia de la composición de la biomasa, podemos observar en las gráficas de este apartado, que estas tienen una dinámica de escalada hacia un valor variable dependiendo del caso de la variación del parámetro correspondiente al eje x, del cual posteriormente caen, esto se debe a que la simulación se realiza con un caudal de aire fijo, lo que ocurre es que a medida que seguimos ingresando biomasa, la combustión se satura, y por ello llega a un valor en el cual ya no se produce combustión debido a un exceso de este parámetro de alimentación. Por ello decae posteriormente la curva y consecuentemente disminuye tanto el CO2 producido como la temperatura de los gases de salida a partir de este valor. Con la última gráfica podemos concluir que cuando ingresamos poco aire (menor estequiométrico), no se produce combustión y por ello, el porcentaje de CO2 en la salida se ve afectado. 1 2 Aire 870 810 Biomasa 841 838 780 800 820 840 860 880 Temperatura gases ºC
Estudio económico 72 72 7 ESTUDIO ECONÓMICO n el análisis económico realizado nos hemos centrado principalmente en estudiar el beneficio que contempla la aplicación del distrito térmico para un usuario en comparación con el de una vivienda individual. Realizaremos dos análisis, un primer estudio sobre el beneficio de los pellets como combustible frente a otros más usados y en un segundo análisis, lo que haremos será analizar para tres escenarios de consumos energéticos distintos, correspondientes a las zonas de estudio y realizaremos una comparativa de costes de lo que supondría formar parte de un distrito térmico. Hemos representado los consumos medios correspondientes a ACS y calefacción de los hogares propuestos para situarlos en una escala de tres sectores: A la izquierda de la imagen podemos ver la distribución de escenarios propuestos, y donde se sitúa cada localidad en el. Hay ciertos emplazamientos que al tener una fluctación de grados día mayor, en los meses de julio y agosto, requieren menor consumo, este se puede cubrir con otro tipo de fuentes de energía, o con calderas de menor potencia. Como lo que estamos analizando es consumos medios anuales, no tendremos en cuenta esta puntualización. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Energía consumida (kWh) Curitiba Cusco Medellin Rawson Temuco Bonn Edimburgo Helsinki Sion Vitoria Madrid E B C A
73 73 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados 7.1. Hipótesis iniciales Para el cálculo del consumo de calor en el hogar, lo que hacemos es a partir de las temperaturas máximas y mínimas de cada zona, marcamos una zona de confort que se sitúa entre 19ºC – 26ºC, dentro de esta zona el consumo será nulo, y por debajo de ella es donde se localiza la zona de consumo energético, lo que haremos será simular los siguientes consumos. Los cálculos se han realizado bajo una base de ocupación del distrito de 200 viviendas, en los tres casos. 7.2. Comparativa de combustibles En primer lugar, estimamos algunos de los costes y propiedades la biomasa utilizada: PODER CALORIFICO Pellets 4900 kcal/kg 5.70 kwh/kg Gasoil 8550 kcal/l 9.94 kwh/l Gas natural 10 kwh/m3 10 kwh/m3 Electricidad 860 kcal/kwh Tabla 9. Poder calorífico combustible Zona cálida (A) Zona media (B) Zona fría (C) Consumo energético (kWh anuales) 3000 7000 10000 Tabla 8. Escenarios de consumo ZONA DE CONFORT ZONA DE CONSUMO DE ENERGÍA Ilustración 68. Ejemplo de zona de confort en una localización
Estudio económico 74 74 Costes asociados a viviendas individuales: PRECIOS CALDERAS Pellets 2600 € Gasoil 200 € Gas natural 600 € Mes GN 9 € subida pellets 1.00% subida gasoil 7.00% sudiga gas 3.50% Mantenimiento 150 €/año Tabla 10. Costes de calderas por combustible COSTE COMBUSTIBLE(€/kwh) RENDIMIENTO ENERGIA A PRODUCIR (KWh) COSTE sin iva PELLETS 0.033 0.92 7560 252 € GAS NATURAL 0.0489 0.92 7560 370 € GASOIL 0.11 0.90 7700 826.39 € Tabla 11. Tabla de costes anuales por combustible La energía a producir se ha referenciado a una zona de consumo energético medio, donde podemos localizar a países como España donde el consumo en ACS y calefacción se sitúa alrededor de los 7000 kWh anuales. Ilustración 69. Coste anual de la energía por combustible ,0 € 500,0 € 1000,0 € 1500,0 € Coste anual energía (€) PELLETS GAS NATURAL GASOIL
75 75 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados Ilustración 70. Coste de mantenimiento por combustible El beneficio económico de los pellets frente a otros tipos de combustibles queda representado en la ilustración 68, los costes de mantenimiento asociados a este combustibles describen una curva mucho más plana a lo largo de los 25 años de vida de la central respecto al gasoil o gas natural. Otro beneficio que puede leerse de esta gráfica es la influencia directa del gasoil y el gas natural respecto del precio del dinero, y los mercados globales, lo cual hace aún más atractiva la utilización de biomasa como combustible. 7.3. Cálculos vivienda individual vs distrito 7.3.1 Escenario A (zona cálida) COSTE COMBUSTIBLE(€/kwh) RENDIMIENTO ENERGIA A PRODUCIR (KWh) COSTE sin iva PELLETS 0.033 0.92 648000 21,609 € AÑO CALDERA PELLETS por vivienda vivienda individual COSTE INICIAL 0 599,043.48 € 2,995.22 € 2600 CONSUMO + MANT 1 47218.90 236.09 271.66 CONSUMO + MANT 2 47691.09 238.46 274.38 CONSUMO + MANT 3 48168.00 240.84 277.12 CONSUMO + MANT 4 48649.68 243.25 279.90 CONSUMO + MANT 5 49136.18 245.68 282.69 CONSUMO + MANT 6 49627.54 248.14 285.52 CONSUMO + MANT 7 50123.82 250.62 288.38 CONSUMO + MANT 8 50625.06 253.13 291.26 CONSUMO + MANT 9 51131.31 255.66 294.17 CONSUMO + MANT 10 51642.62 258.21 297.12 CONSUMO + MANT 11 52159.05 260.80 300.09 CONSUMO + MANT 12 52680.64 263.40 303.09 CONSUMO + MANT 13 53207.44 266.04 306.12 0,00 1000,00 2000,00 3000,00 4000,00 5000,00 6000,00 7000,00 8000,00 9000,00 0 5 10 15 20 25 COSTE MANTENIMIENTO € AÑOS PELLETS GAS NATURAL GASOIL
Estudio económico 76 76 CONSUMO + MANT 14 53739.52 268.70 309.18 CONSUMO + MANT 15 54276.91 271.38 312.27 CONSUMO + MANT 16 54819.68 274.10 315.39 CONSUMO + MANT 17 55367.88 276.84 318.55 CONSUMO + MANT 18 55921.56 279.61 321.73 CONSUMO + MANT 19 56480.77 282.40 324.95 CONSUMO + MANT 20 57045.58 285.23 328.20 CONSUMO + MANT 21 57616.04 288.08 331.48 CONSUMO + MANT 22 58192.20 290.96 334.80 CONSUMO + MANT 23 58774.12 293.87 338.14 CONSUMO + MANT 24 59361.86 296.81 341.53 CONSUMO + MANT 25 59955.48 299.78 344.94 TOTAL 1,932,656.38 € 9,663.28 € 10,272.66 € AHORRO (25 años) 6% El cálculo se ha realizado a 25 años debido a que suele ser la vida útil de este tipo de redes, aunque algunas pueden llevar incluso a 40 años de vida. Con lo cual, obtenemos que el ahorro en 25 años es del 6% respecto al de una vivienda individual, utilizando biomasa en ambos casos. INDICADORES ECONÓMICOS TIR 7% VAN 1233705 Pay-back (central) 35.30 Tabla 12. Indicadores económicos escenario A 7.3.2 Escenario B (zona media) De la misma manera que el escenario anterior se ha procedido a calcular el ahorro que supondría a 25 años de vida útil la utilización de este sistema de distrito en comparación con una vivienda individual para una energía consumida de 7000kWh anuales. INDICADORES ECONÓMICOS TIR 13% VAN 3146990 Pay-back (central) 11.90 Tabla 13. Indicadores económicos escenario B
77 77 Estudio de redes de calor de biomasa en municipios consolidados 7.3.3 Escenario C (zona fría) En este caso tendremos un consumo equivalente a 10000 kWh anuales, que puede darse en países más desarrollados y zonas de baja temperatura como es el caso de Finlandia, u otros países nórdicos. INDICADORES ECONÓMICOS TIR 17% VAN 4581953 Pay-back (central) 5.00 Tabla 14. Indicadores económicos escenario C Es apreciable el aumento de indicadores económicos como el TIR, que nos representa la rentabilidad de la inversión, es la media geométrica de los rendimientos futuros esperados de ella. El VAN es es un procedimiento que permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros, originados por una inversión. Nos da de nuevo, una idea de la rentabilidad económica de la inversión. Por último, el pay back, es una medida que nos proporciona una idea aproximada del tiempo que tardarán en recuperar el desembolso inicial invertido en el proceso productivo; es decir, el número de días que normalmente los elementos de circulante completen una vuelta o ciclo de explotación. 7.4. Comparativa económica Para comparar estos tres casos, hemos realizado un simil entre los indicadores económicos anteriormente calculados, y lo hemos representado en la siguiente gráfica: Ilustración 71. Comparativa económica de escenarios A B C VAN 1233705 3146990 4581953 TIR 713 17 Pay back (años) 35,3 11,9 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 4500000 5000000
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