Siempre decimos que los sistemas renovables son el futuro. Pero que son intermitentes y que debemos buscarnos un plan B por si fallan. Ahora son los sistemas de apoyo que usan combustibles fósiles, pero cada vez más iremos a emplear baterías, hidrógeno…
En el caso de los sistemas solares térmicos en la edificación, se suele añadir que los períodos de máxima producción (verano) no se corresponden con los de consumo (invierno). Lo cual es evidentemente cierto. Sin embargo, hay gente que se busca la vida para encontrar soluciones. Ya hace años que existen grandes sistemas de District Heating con altas fracciones solares a través de sistemas de almacenamiento Inter estacional. La Drake Landing Solar Community, ha llegado a obtener factores de cobertura de consumos de calefacción superiores al 90%, incluso en el frío clima de la Canadá Continental.
Acabo de localizar otro caso que me resulta especialmente interesante. Se trata de un sistema solar térmico con almacenamiento térmico inter estacional. Lo han diseñado desde el Grupo de Sistemas y Eficiencia Energética en Edificios de la Universidad de Carleton.
El sistema da servicio a un edificio en Ottawa, a 45ºN en pleno corazón de Canadá. En esta zona se dan temperaturas medias negativas a lo largo de 4 meses al año, y con valores inferiores a 15ºC a lo largo de 8 meses. Además, durante 4 meses al año, no llegan ni a las 5h de sol diarias. En un artículo previo, los autores indicaban 4800HDD(Tª base=18ºC) 4.9GJ/m2 de insolación anual.
Clima Ottawa. Elaboración propia con datos: www.climate-data.org
El edificio al que se da servicio es un edificio aislado, de unos 150m2 de superficie calefactada. Los niveles de aislamiento son relativamente altos (0.11 a 0.21 W/m2K), pero comparables con los del CTE 2019. Y el nivel de estanquidad es bueno (1.3 ACH @ 50Pa), pero peor que el exigido por el estándar Passivhaus (0.6 ACH @ 50Pa).
Casa Solar de Carleton Fuente: ISES SWC2017
El sistema solar se compone de 41,6 m2 de colectores solares de tubos de vacío y almacenamiento térmico a varios niveles. Existe un almacenamiento térmico diario de 900l y uno estacional de 36m3. Por ponerlo en contexto, hay un ratio colector-superficie del 27% y 1127l de almacenamiento térmico por cada m2 de colector.
La idea es que el almacenamiento térmico pequeño permita un uso directo del calor para aplicaciones de alta temperatura (ACS) mientras que el almacenamiento térmico estacionario permita cubrir el consumo de calefacción.
Este tipo de almacenamientos térmicos estacionales están empezando a comercializarse de forma estandarizada para sistemas aislados en viviendas unifamiliares.
Almacenamiento térmico Estacional de la Casa Solar de Carleton Fuente: ISES SWC2017
A lo largo del artículo, van comparando el comportamiento térmico del sistema real con las estimaciones de diseño, y encontrando puntos de mejora. De hecho, se trata de un trabajo muy fino dónde se calibran modelos para todos los elementos del sistema, y se evalúan las asunciones de diseño y operación para ver sus efectos en detalle.
Uno de los puntos más interesantes para mí es que vuelven a incidir en la posibilidad de que estos sistemas lleguen a cubrir prácticamente la totalidad de los consumos térmicos de un edificio. Indican la cobertura del 100% de los consumos de calefacción y el 86% de los de ACS). Considerando que es un edificio bastante bien aislado, esto es aproximadamente como cubrir el 90-95% del consumo global. En realidad, el experimento alcanza un 68% de cobertura solar, pero se detectaron una serie de fallos y puntos de mejora. Y es mediante simulación dónde alcanzan los rendimientos del 90-95%.
Flujos de energía (promedio 7 días) [MJ/día]
Entre los puntos de mejora relevantes, encontramos que los autores localizaron que el rendimiento de los colectores solares era un 26% inferior al esperado, y los reemplazaron. De hecho, bastantes significativo. ¿Estarían en garantía? Y luego, que las pérdidas excesivas de los sistemas de distribución y de almacenamiento térmico inter estacional sugieren la necesidad de incrementar el nivel de aislamiento.
De hecho, el tema de las pérdidas merece un estudio en detalle. Del total de la energía solar captada, el 7% se pierde antes de llegar a ser almacenado. La eficiencia de almacenamiento es del 42%, y durante la fase de utilización, el 11% se pierde por distribución. En el fondo se debe a que es un sistema complejo, con grandes sistemas de almacenamiento y longitudes de tubo no desdeñables. Todo esto hace que sea necesario analizar detalladamente las pérdidas de distribución y almacenamiento térmico.
Flujo de Energía de la configuración optimizada. Datos del artículo original. Diagrama realizado parcialmente con Shankeymatic.
Pero en general, creo que es un éxito poder demostrar que el sistema funciona, con factores de cobertura solar entre el 68% (experimental) y el 95% (optimizado). Y ver que el almacenamiento térmico estacional oscila entre 30ºC (Enero) y 80ºC (Octubre), llegando a 93ºC en el caso optimizado.
Sobre todo, por tratarse de un estudio experimental. La simulación lo aguanta todo, pero los que hemos tenido que abordar estudios experimentales sabemos lo complejo que es hacer este tipo de trabajos de calidad en base a sistemas físicos reales. Considerando que los primeros datos experimentales son de 2016, que el artículo es de 2020, y los tiempos de diseño y construcción de la instalación, estamos hablando seguro de más de 5-6 años de trabajo continuado con alto contenido técnico y un presupuesto no desdeñable.
El artículo en cuestión:
Curtis Meister, Ian Beausoleil-Morrison, Experimental and modelled performance of a building-scale solar thermal system with seasonal storage water tank, Solar Energy 222, 2021, Pages 145-159, https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.05.025