Smart and flexible 100% renewable district heatingand cooling systems for European cities

XARXA DE CALOR AMB 100 % ENERGIA RENOVABLE AL BARRI DE L’ESTRELLA DE

BADALONAEnergy Efficiency: Systems, Buildings and Communities Research Group

IREC

Laura SisóBadalona, 6 de juny de 2016

XARXA CALOR 100 % RENOVABLE

Font: Presentació “Instal·lacions de biomassa. Tipus, rendibilitat i ajuts” per Toni Campanyà, cap de la Unitat de Biomassa de l’ICAEN

Opcions Inicials: xarxa calor i xarxa fred

Índex

1. Demanda energètica2. Solucions tècniques3. Anàlisi energètica4. Anàlisi econòmica5. Anàlisi ambiental6. Exemples d’instal�lacions7. Conclusions

1. Demanda Energètica.Estimació demanda calefacció i ACS

* Calculat en base estadística assumint 28 l/dia�persona & 2.7 persones/habitatge (Código Técnico de Edificación 2013; IDAE 2011)

Ratis Demanda Anual

(kWh/m2) Calefacció ACS Categoria edifici Font

Residencial 11.89 13.52*Categoria B.

C1=0,2

“Documento reconocido

escala de certificación

energética” IDAE 2011

Oficines, comercial 25.00 0.85Categoria B.

C=0,5

Rati per oficines > 500 m2

(PEMB 2002)

Edifici terciari 25.00 0.85Hipòtesi: mateix perfil de demanda que el

d’oficines/comercial

Demanda anual d’energia 1 112 MWh/any

Demanda pic de l’any 800 kW

1. Demanda Energètica.Estimació demanda calefacció i ACS

Demanda anual d’energia 1 112 MWh/any

Demanda pic de l’any 800 kW

Capacitat sistemes Opció 1BIOMASSA

OPCIÓ 2BIOMASSA i SOLAR TÈRMICA

Demanda màxima 800 kW 800 kW

Biomassa 2 calderes de biomassa estella:

•300 kW

•200 kW

1 caldera de biomassa estella:

•350 kW

Solar tèrmica - Camp captadors plans:

•350 kW - 500 m2

Acumulació tèrmica Tanc d’aigua calenta

•25 m3

Tanc d’aigua calenta

•40 m3

2. Solucions tècniques.Biomassa i Solar Tèrmica

2. Solucions tècniques.Disseny xarxa canonades i sala màquines

Canonades d’acer

Diàmetre màxim DN65

Diàmetre mínim DN32

Longitud total de la xarxa (anada i tornada)

945 m

Temperatura de

subministramentTemperatura de

retorn

85 ºC 60ºC

Pèrdues de calor a les canonades

6 % de la càrrega total del sistema

Espai necessari sala màquines

Aprox 100 m2

2. Solucions tècniques.Inversió de Capital

Opció 1 - Biomassa Opció 2 – Solar tèrmica & Biomassa

Inversió central 264 600 € 396 500 €

Inversió xarxa DH 45 570 € 45 570 €

Subtotal central + DH 310 170 € 442 070 €

Costos d’estructura 77 540 € 110 510 €

Inversió total 387 700 € 552 600 €

3. Anàlisi energètica

HipòtesisPoder calorífic / Paràmetres de rendiment dels

captadorsCost energia

Biomassa –Estella (30% humitat)

3.25 kWh/kg 0.031 €/kWh

Solar tèrmica –Captadors solars plans

η0 = 0.806; a1 = 2.58 W/m²K; a2 = 0.009 W/m²K² 0 €/kWh

Opció 1 - BiomassaOpció 2 - Solar tèrmica

& Biomassa

Producció de calorBiomassa (MWh/any) 1 176 820

Solar tèrmica (MWh/any) - 356

Consum de combustible Biomassa (t/any) 401 281

Hores d’operacióBiomassa (hores/any) 5 031 2 950

Solar tèrmica (hores/any) - 2 320

Fracció solar en base anual per Opció 2 30%

Fracció solar a l’estiu per Opció 2 90%

4. Anàlisi econòmicaComparació preu calor

5. Anàlisi ambiental.Estalvi d’emissions

Estalvi combustibles fòssils 1 170 MWh/any

Estalvi de tones de CO2 230 tones CO2/any

Barri convencional ECO Barri

Sistema calefacció individual Gas Natural Xarxa de calor amb Biomassa i Solar tèrmica

7. Conclusions� Una xarxa de calor amb 100% energies renovables al barri de

l’Estrella és una solució econòmicament competitiva enfront

altres tecnologies convencionals basades en combustibles

fòssils.

� La solució proposada és tècnicament viable i ofereix un estalvi

de 1170 MWh/any de combustible fòssil i 230 tones de CO2 /any

� El sistema DH 100% Renovable completa el disseny d’un barri

sostenible, on els edificis hauran de ser dissenyats amb una

demanda mínima, contribuint a aconseguir una Certificació A.

� Al consumir biomassa en un entorn urbà, el projecte d’enginyeria

haurà de contemplar les normatives al respecte en el disseny de

filtres necessaris. [Pla d’actuació per a la millora de la qualitat de

l’aire horitzó 2015 (PAMQA) i altres]

ECO-BARRI DE L’ESTRELLA

BENESTAR CIUTADANSMENOR IMPACTE AMBIENTAL

Factors

Socials

Factors

Socials

Factors

Econòmics

Factors

Econòmics

PlanejamentPlanejament

Factors

Tècnics

Factors

Tècnics

Factors

Ambientals

Factors

Ambientals

VISIÓ HOLÍSTICA

BADALONA, Barri de l’Estrella

Urban Planning Area

Urban Information

Residential

Public building - services

Green Area

Road network

1. Demanda Energètica5 edificis

residencials i comercials

1 edifici residencial i d’equipaments

públic

336 habitatges:

30 645 m2

Oficines i comercial:

5 535 m2

44 habitatges

protecció oficial:

2 782 m2

Equipament:

4 629 m2

5. Anàlisi ambiental.Impacte de l’emissió de partícules

Reduccions de les partícules emeses en processos de combustió amb sistemes de control (BERC biomass energy research center- USA, 2011)

Comparativa d’emissions de diferents combustibles (IDAE, 2002)

� Disseny acurat de filtres

� Mesures compensatories �

Vehicle Elèctric

6. Exemples instal�lacions.Bellver de cerdanya

Consumidors:Calefacció i ACS l’escola, la guarderia, el poliesportiu, el centre cívic i escalfa

l’aigua de la piscina municipal a l’estiu

Posada en marxa: Gener 2009

Potència: Dues calderes de 500 kW y 200 kW instal·lades en paral·lel

Acumulació: Dos dipòsits d’inèrcia de 8.000 litres cadascun

Combustible:Estella de pi amb humitat màxima de 30% provinent d’activitats forestals

locals

Sitja: 112 m3

Consum anual: 686 tones de biomassa

Temperatures DH:Temperatura de l’aigua d’impulsió � 90ºC

Temperatura de l’aigua de retorn � 60ºC

Longitud de canonada: 297 m

Inversió: 531 000 €

Estalvi: Substitució de per biomassa � estalvi de de 45.000 €/any

Amortització: 5 anys

6. Exemples instal�lacions.Büsingen (Alemanya)

Consumidors:Calefacció i ACS per 1400 habitants

Demanda energètica: 3 524 MWh/any

Posada en marxa: 2012

Equip:Caldera de biomassa

Captadors solars 1000 m2

Acumulació: Dipòsit d’inèrcia de 100 m3

Combustible: Estella llenyosa

Temperatures DH:Temperatura de l’aigua d’impulsió � 75 - 80ºC

Temperatura de l’aigua de retorn � 50ºC

Longitud de canonada: > 5 km

Inversió: 3 750 000 €

IMPLANTACIÓ DE LA BIOMASSA A LA PROVÍNCIA DE BARCELONA

Instal·lacions de biomassa en equipaments públics de la província de Barcelona que s'alimenten amb biomassa. Font: Diba

Hi ha calderes de biomassa en funcionament a molts municipis de l’àrea metropolitana (Barcelona, L’Hospitalet, Sant Cugat, Tiana...).

Un 22% de la potència total de les instal·lacions de biomassa de la província de Barcelona es troba en equipaments públics.

IMPLANTACIÓ DE LA BIOMASSA A LA PROVÍNCIA DE BARCELONA

AGS: dependències d'Administració-Gestió-ServeisLECS: dependències amb ús Lúdic-Educatiu-Cultural-Social

Font: Diba

LIMITACIONS DE L’ESTUDI

• L’estimació de la demanda de calor del barri es podria

refinar abans de la implementació del projecte. La demanda

de calor es pot calcular d’una manera més acurada

utilitzant eines de simulació dinàmica.

• El consum de l’edifici terciari serà diferent a l’estimat en

aquest estudi. Manca d’informació sobre el seu ús final.

• L’estudi és molt sensible als paràmetres econòmics:

• Influència de la tassa d’inflació, tassa d’interès del mercat.

• El cost d’inversió total dependrà de l’oferta real.

LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE-DIMENSIONAMENT SALA DE MÀQUINES

• Norma UNE-60.601• En edificis de nova construcció, l’alçada

mínima de la sala de màquines ha de ser 2.50 m.

• ~100 m2 superfície sala de màquines• Caldera 300 kW � 7.5 m3 (4 m2 base caldera)• Sala Calderes Centre Comercial La Malla Osona (810 kW –

950MWh/any) � ( 9,80 x 7,30 x 4,00)m (72m2 a La Malla)• SITJA LA MALLA: Capacitat autonomia: 21 dies (demanda màxima)

LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE -EMMAGATZEMATGE

• Viabilitat tècnica de la ubicació de la sitja de biomassa

i de la seva càrrega.

Per una instal·lació de biomassa de 500 kW

Sitja soterrada de ~ 110 m3 per autonomia de 3 setmanes

Segons RITE:•Per potència instal·lada > 70 kW, l’emmagatzematge de biomassa ha d’estar separat de la caldera

•Capacitat mínima d’emmagatzematge ha de ser suficient per cobrir el consum de 2 setmanes

LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE -EVACUACIÓ DE FUMS

• El sistema de evacuación de humos consiste en una chimenea. La única diferencia con una chimenea de un sistema de combustible líquido o gaseoso es el diámetro necesario. En el caso de biomasa hay que prever un volumen de gases ligeramente superior, debido a que la humedad que contiene la biomasa se evapora en la caldera y da lugar a vapor de agua que sale mezclado con los productos de la combustión, aumentando así el volumen de los gases.

SOROLL• En lo que respecta a la calidad del ambiente acústico, el RITE remite al Documento

Básico DB-HR Protección frente al ruido del Código Técnico de la Edificación (CTE). No obstante, las calderas de biomasa suelen incluir sistemas internos de reducción de ruidos, por lo que resultan más silenciosas que las de gasóleo y, en general, no presentan inconvenientes relacionados con el nivel de ruido.

LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE –NORMATIVA IMMISSIONS

• Europa:– Directiva 2008/50 relativa a la qualitat de l’aire ambient i a una atmosfera més

neta a Europa. PM, O3, NO2, SO2, CO, Pb, C6H6.

– Directiva 2004/107 relativa a l’As, Cd, Hg, Ni, HAP (BaP) en l’aire ambient

• Espanya:– Reial decret 102/2011 (incorpora al dret nacional la Directiva 2008/50 I

deroga el Reial decret 812/2007 que incorporava la Directiva 2004/107)

– Resolució 30.04.2013 Pla Nacional de Qualitat de l’Aire 2013-2016.

• Catalunya:– Decret 226/2006 i Acord de GOV/82/2012 de la Generalitat pels quals es

declara zona de protecció especial de l’ambient atmosfèric diversos municipis

de les comarques del Barcelonès, el Vallès Oriental, el Vallès Occidental i el

Baix Llobregat per al contaminant diòxid de nitrogen i per a les partícules.

LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE –NORMATIVA EMISSIONS

• Europa:– Directiva 2010/75 relativa a les emissions industrials

– Dues propostes de regulació (una per “solid fuel boilers” i l’altre per “local space

heaters”) d’acord amb la Directiva 2009/125 d’ecodisseny.

– Per les calderes de biomassa es proposa que a partir de l’01.01.2018 no puguin emetre

més de 20 mg/m3 de partícules.

• Espanya:– Reial decret 815/2013 pel qual s’aprova el Reglament d’emissions industrials.

Desenvolupa la Llei 16/2002 de prevenció i control integrats de la contaminació i

incorpora parcialment al dret nacional la Directiva 2010/75.

– Norma UNE-EN 303-5:2013 Calderes de calefacció per combustibles sòlids fins 500 kW

de potència útil nominal. Terminologia, requisits, assaigs i marcatge. Aquesta norma

determina els valors d’emissió.

• Reial decret 100/2011 – Pel qual s’actualitza el catàleg d’activitats potencialment contaminadores de l’atmosfera

(CAPCA – 2010). Actualitza l’annex IV de la Llei 34/2007, de qualitat de l’aire i protecció

de l’atmosfera.

PLA D’ACTUACIÓ PER A LA MILLORA DE LA QUALITAT DE L’AIRE. HORITZÓ 2015

(PAMQA)

Recomanacions Document Biomassa DIBA :

LA BIOMASSA COM A COMBUSTIBLE –SISTEMES DE NETEJA DE GASOS DE COMBUSTIÓGUÍA DE LA NORMATIVA ESTATAL SOBRE EMISIONES A LA ATMÓSFERA (CAPCA–2010, o Catàleg d’Activitats Potencialment Contaminants de l’Atmosfera): Calderes per a la generació de calor per a districtes urbans s’hi troben incloses

– Detalla els requisits que s’han de complir per minimitzar i controlar les emissions

– Detalla obligacions generals dels titulars de les instal·lacions, com ara la realització de controls de les

emissions, el manteniment de registres de les mesures de contaminants desenvolupades, i la comunicació de

la informació relativa a les emissions i controls a l'òrgan competent de la seva comunitat autònoma.

Opcions tecnologies per a reducció d’emissions : �Precipitadors electrostàtics�Multicicló�Conversors catalítics�Filtres de mànigues�Condensadors de gasos de xemeneia

ENERGIA SOLAR TÈRMICA

• Captador solar pla amb coberta no vidriada

• Model: Gluatmugl HT

• Nivell Temperatures d’operació: 80 – 120 ºC

RATI INVERSIÓ DH AMB BIOMASSAComparativa amb altres DH amb biomassa existents a Espanya

2. Solucions tècniques.Inversió de Capital

Comparativa amb altres DH amb biomassa existents a Espanya

4. Anàlisi econòmica

Opció 1 - BiomassaOpció 2 - Solar tèrmica

& Biomassa

Costos anuals

Costos de manteniment & operació 6 200 €/any 8 840 €/any

Costos de combustible 40 100 €/any 28 000 €/any

Ingressos anuals

Ingressos per venda de calor 101 800 €/any 115 910 €/any

Preu de venda de calor

Preu resultant 9.15 c€/kWh 10.43 c€/kWh

Anys d’explotació 20

Inflació 2 %

Inflació biomassa 2 %

TIR objectiu 15 %

DISTRICT COOLING

Preu de l’energia

Solució proposada 158.32 €/MWh

Sistema convencional 125.00 €/MWh

Anys d’explotació 20

Inflació 2 %

Inflació biomassa 2 %

TIR objectiu 2.39 %

ECO-BARRI DE L’ESTRELLA

Font: UGGBC. LEED Green Associate Study Guide. 2009

ZONES VERDESZONES VERDES

SÒL I MATERIALS

SÒL I MATERIALS

TRANSPORTTRANSPORT

MOBILITATMOBILITAT

TRANSPORTTRANSPORT

AIGUAAIGUA

INFRA-ESTRUCTURES

INFRA-ESTRUCTURES

ENERGIAENERGIA