Calor renovable - Renewable heat

El calor renovable es una aplicación de energía renovable que se refiere a la generación de calor a partir de fuentes renovables; por ejemplo, alimentar radiadores con agua calentada por radiación solar enfocada en lugar de una caldera de combustible fósil. Las tecnologías de calor renovable incluyen biocombustibles renovables, calefacción solar, calefacción geotérmica, bombas de calor e intercambiadores de calor. El aislamiento es casi siempre un factor importante en cómo se implementa la calefacción renovable.

Muchos países más fríos consumen más energía para calefacción que para suministrar electricidad. Por ejemplo, en 2005 el Reino Unido consumió 354 TWh de energía eléctrica, pero tenía un requerimiento de calefacción de 907 TWh, la mayoría de los cuales (81%) se cumplieron con gas. Solo el sector residencial consumió 550 TWh de energía para calefacción, principalmente derivada del metano. Casi la mitad de la energía final consumida en el Reino Unido (49%) fue en forma de calor, de la cual el 70% fue utilizado por hogares y en edificios comerciales y públicos. Los hogares utilizaron el calor principalmente para calentar espacios (69%).

La competitividad relativa de la electricidad renovable y el calor renovable depende del enfoque de una nación en la política energética y medioambiental. Pocas tecnologías renovables (ya sea para calefacción, electricidad o transporte) son competitivas con los combustibles fósiles sin alguna forma de valoración del carbono o subsidio. En aquellos países, como Suecia, Dinamarca y Finlandia, donde la intervención del gobierno ha estado más cerca de una forma de valoración del carbono de tecnología neutra (es decir, impuestos sobre el carbono y la energía ), el calor renovable ha desempeñado el papel principal en una contribución renovable muy sustancial a la consumo de energía. En aquellos países, como Alemania, España, EE. UU. Y el Reino Unido, donde la intervención gubernamental se ha establecido a diferentes niveles para diferentes tecnologías, usos y escalas, las contribuciones de las tecnologías de calor renovable y electricidad renovable han dependido de los niveles relativos de apoyo, y han dado lugar, en general, a una menor contribución renovable al consumo de energía final.

Tecnologías líderes en calor renovable

Calefacción solar

La calefacción solar es un estilo de construcción de edificios que utiliza la energía del sol de verano o de invierno para proporcionar un suministro económico de calor primario o complementario a una estructura. El calor se puede utilizar tanto para calentar espacios (ver calor de aire solar ) como para calentar agua (ver agua caliente solar ). El diseño de calefacción solar se divide en dos grupos:

  • La calefacción solar pasiva se basa en el diseño y la estructura de la casa para recolectar el calor. El diseño de edificios solares pasivos también debe considerar el almacenamiento y la distribución de calor, que se puede lograr de forma pasiva, o utilizar conductos de aire para llevar calor activamente a los cimientos del edificio para su almacenamiento. Uno de estos diseños se midió elevando la temperatura de una casa a 24 ° C (75 ° F) en un día de invierno parcialmente soleado (-7 ° C o 19 ° F), y se afirma que el sistema proporciona pasivamente la mayor parte de La calefacción del edificio. La casa de 4,000 pies cuadrados (370 m 2 ) cuesta $ 125 por pie cuadrado (o 370 m 2 a $ 1,351 / m 2 ), similar al costo de una casa nueva tradicional.
  • La calefacción solar activa utiliza bombas para mover aire o un líquido del colector solar al edificio o al área de almacenamiento. Las aplicaciones como el calentamiento solar de aire y el calentamiento solar de agua generalmente capturan el calor solar en paneles que luego se pueden usar para aplicaciones como calefacción de espacios y suplementación de calentadores de agua residenciales. A diferencia de los paneles fotovoltaicos , que se utilizan para generar electricidad, los paneles de calefacción solar son menos costosos y capturan una proporción mucho mayor de la energía solar.

Los sistemas de calefacción solar generalmente requieren un pequeño sistema de calefacción de respaldo adicional, ya sea convencional o renovable.

Calefacción geotermal

Aguas termales ubicadas en Nevada.

Se accede a la energía geotérmica mediante la perforación de pozos de agua o vapor en un proceso similar a la perforación de petróleo. La energía geotérmica es un recurso energético y de calor enorme y subutilizado que es limpio (emite poco o ningún gas de efecto invernadero), confiable (disponibilidad promedio del sistema del 95%) y de cosecha propia (lo que hace que las poblaciones dependan menos del petróleo).

La tierra absorbe la energía del sol y la almacena como calor en los océanos y el subsuelo. La temperatura del suelo permanece constante en un punto de 42 a 100 ° F (6 a 38 ° C) durante todo el año, dependiendo de dónde viva en la tierra. Un sistema de calefacción geotérmica aprovecha la temperatura constante que se encuentra debajo de la superficie de la Tierra y la usa para calentar y enfriar edificios. El sistema está formado por una serie de tuberías instaladas bajo tierra, conectadas a tuberías en un edificio. Una bomba hace circular líquido por el circuito. En invierno, el fluido de la tubería absorbe el calor de la tierra y lo utiliza para calentar el edificio. En el verano, el fluido absorbe el calor del edificio y lo desecha en la tierra.

Bombas de calor

Las bombas de calor usan el trabajo para mover el calor de un lugar a otro y pueden usarse tanto para calefacción como para aire acondicionado. Aunque requieren mucho capital, las bombas de calor son económicas de operar y pueden funcionar con electricidad renovable. Dos tipos comunes de bombas de calor son las bombas de calor de fuente de aire (ASHP) y las bombas de calor de fuente terrestre (GSHP), dependiendo de si el calor se transfiere desde el aire o desde el suelo. Las bombas de calor de fuente de aire no son efectivas cuando la temperatura del aire exterior es inferior a aproximadamente -15 ° C, mientras que las bombas de calor de fuente terrestre no se ven afectadas. La eficiencia de una bomba de calor se mide por el coeficiente de rendimiento (CoP): por cada unidad de electricidad utilizada para bombear el calor, una bomba de calor de fuente de aire genera de 2,5 a 3 unidades de calor (es decir, tiene un CoP de 2,5 a 3 ), mientras que un GSHP genera de 3 a 3,5 unidades de calor. Con base en los precios actuales del combustible para el Reino Unido, asumiendo una CoP de 3 a 4, un GSHP es a veces una forma más barata de calefacción de espacios que la calefacción eléctrica, de aceite y de combustible sólido. Las bombas de calor se pueden vincular a un almacenamiento de energía térmica entre estaciones (caliente o fría), duplicando la CoP de 4 a 8 extrayendo calor del suelo más cálido.

Transferencia de calor entre estaciones

Artículo principal: Almacenamiento de energía térmica estacional

Una bomba de calor con transferencia de calor entre estaciones combina la captación solar activa para almacenar el exceso de calor de verano en bancos térmicos con bombas de calor de fuente terrestre para extraerlo para la calefacción de espacios en invierno. Esto reduce la "elevación" necesaria y duplica la CoP de la bomba de calor porque la bomba arranca con el calor del banco térmico en lugar del frío del suelo.

CoP y ascensor

La CoP de una bomba de calor aumenta a medida que la diferencia de temperatura, o "Elevación", disminuye entre la fuente de calor y el destino. La CoP se puede maximizar en el momento del diseño eligiendo un sistema de calefacción que requiera solo una baja temperatura final del agua (por ejemplo, calefacción por suelo radiante) y eligiendo una fuente de calor con una temperatura promedio alta (por ejemplo, el suelo). El agua caliente sanitaria (ACS) y los radiadores convencionales requieren altas temperaturas del agua, lo que afecta la elección de la tecnología de la bomba de calor. Los radiadores de baja temperatura ofrecen una alternativa a los radiadores convencionales.

Tipo de bomba y fuente Caso de uso típico Variación de CoP de la bomba de calor con la temperatura de salida
35 ° C
(p. Ej. Suelo de solado calefactado) 		45 ° C
(p. Ej., Radiador de baja temperatura o suelo radiante) 		55 ° C
(por ejemplo, radiador de baja temperatura o suelo de madera con calefacción) 		65 ° C
(p. Ej. Radiador estándar o ACS) 		75 ° C
(por ejemplo, radiador estándar y ACS) 		85 ° C
(por ejemplo, radiador estándar y ACS)
Aire ASHP de alta eficiencia a -20 ° C   2.2 2.0 - - - -
Aire ASHP de dos etapas a -20 ° C Temp. De fuente baja. 2.4 2.2 1,9 - - -
Aire ASHP de alta eficiencia a 0 ° C Temp. De salida baja. 3.8 2.8 2.2 2.0 - -
Prototipo de CO transcrítico
2 (R744) Bomba de calor con enfriador de gas tripartito, fuente a 0 ° C 		Temperatura de salida alta. 3.3 - - 4.2 - 3,0
Agua GSHP a 0 ° C   5,0 3,7 2.9 2.4 - -
Tierra GSHP a 10 ° C Temp. De salida baja. 7.2 5,0 3,7 2.9 2.4 -
Límite teórico del ciclo de Carnot , fuente -20 ° C   5,6 4.9 4.4 4.0 3,7 3.4
Límite teórico del ciclo de Carnot, fuente 0 ° C   8.8 7.1 6.0 5.2 4.6 4.2
Límite teórico del ciclo de Lorentz ( CO
2 bomba), fluido de retorno 25 ° C, fuente 0 ° C 		  10.1 8.8 7,9 7.1 6.5 6.1
Límite teórico del ciclo de Carnot, fuente 10 ° C   12,3 9.1 7.3 6.1 5.4 4.8

Calefacción eléctrica resistiva

La electricidad renovable se puede generar mediante energía hidroeléctrica, solar, eólica, geotérmica y mediante la quema de biomasa. En unos pocos países donde la electricidad renovable es barata, el calentamiento por resistencia es común. En países como Dinamarca, donde la electricidad es cara, no está permitido instalar calefacción eléctrica como principal fuente de calor. Las turbinas eólicas tienen más rendimiento por la noche cuando hay una pequeña demanda de electricidad, los calentadores de almacenamiento consumen esta electricidad de menor costo por la noche y emiten calor durante el día.

Calefacción de pellets de madera

Estufa de leña.
Pellets de madera.

La calefacción de pellets de madera y otros tipos de sistemas de calefacción de madera han logrado su mayor éxito en la calefacción de locales que están fuera de la red de gas, que normalmente se calientan previamente con gasóleo o carbón. El combustible de madera sólida requiere una gran cantidad de espacio de almacenamiento dedicado, y los sistemas de calefacción especializados pueden ser costosos (aunque existen esquemas de subvenciones disponibles en muchos países europeos para compensar este costo de capital). para lograr un período de amortización de menos de 3 a 5 años. Debido al gran requisito de almacenamiento de combustible, el combustible de madera puede ser menos atractivo en escenarios residenciales urbanos o para instalaciones conectadas a la red de gas (aunque el aumento de los precios del gas y la incertidumbre del suministro significan que el combustible de madera se está volviendo más competitivo). sobre la contaminación del aire de la calefacción de madera frente al calor del aceite o del gas, especialmente las partículas finas.

Calefacción por estufa de leña

La quema de leña en un fuego abierto es extremadamente ineficiente (0-20%) y contaminante debido a la combustión parcial a baja temperatura. De la misma manera que un edificio con corrientes de aire pierde calor por pérdida de aire caliente debido a un sellado deficiente, un fuego abierto es responsable de grandes pérdidas de calor al extraer grandes volúmenes de aire caliente del edificio.

Los diseños modernos de estufas de leña permiten una combustión más eficiente y luego la extracción de calor. En los Estados Unidos, las estufas de leña nuevas están certificadas por la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) y se queman de manera más limpia y eficiente (la eficiencia general es del 60-80%) y extraen volúmenes más pequeños de aire caliente del edificio.

Sin embargo, "limpiador" no debe confundirse con limpio. Un estudio australiano de las emisiones de la vida real de los calentadores de madera que cumplen con el estándar australiano actual, encontró que las emisiones de partículas promediaron 9,4 g / kg de madera quemada (rango de 2,6 a 21,7). Por tanto, un calentador con un consumo medio de madera de 4 toneladas al año emite 37,6 kg de PM2,5, es decir, partículas de menos de 2,5 micrómetros . Esto se puede comparar con un automóvil de pasajeros que cumple con las normas Euro 5 actuales (introducidas en septiembre de 2009) de 0,005 g / km. Por lo tanto, un calentador de leña nuevo emite tanto PM2.5 por año como 367 automóviles de pasajeros que conducen cada uno 20,000 km al año. Un estudio europeo reciente identificó PM2.5 como el contaminante del aire más peligroso para la salud, causando aproximadamente 492,000 muertes prematuras. El siguiente peor contaminante, el ozono, es responsable de 21.000 muertes prematuras.

Debido a los problemas de contaminación, la Australian Lung Foundation recomienda el uso de medios alternativos para el control del clima. La American Lung Association "recomienda encarecidamente el uso de fuentes de calor más limpias y menos tóxicas. La conversión de una chimenea o estufa de leña para utilizar gas natural o propano eliminará la exposición a las peligrosas toxinas que genera la leña, como dioxina, arsénico y formaldehído.

"Renovable" no debe confundirse con "invernadero neutral". Un artículo reciente revisado por pares encontró que, incluso si se quema leña de un suministro sostenible, las emisiones de metano de un calentador de leña australiano típico que cumple con el estándar actual causan más calentamiento global que calentar la misma casa con gas. Sin embargo, debido a que una gran proporción de la leña que se vende en Australia no proviene de suministros sostenibles, los hogares australianos que usan calefacción de madera a menudo causan más calentamiento global que calentar tres casas similares con gas.

Las estufas de alta eficiencia deben cumplir con los siguientes criterios de diseño:

  • Bien sellado y calibrado con precisión para extraer un volumen de aire bajo pero suficiente. La restricción del flujo de aire es fundamental; una menor entrada de aire frío enfría menos el horno (así se logra una temperatura más alta). También permite un mayor tiempo para la extracción de calor de los gases de escape y extrae menos calor del edificio.
  • El horno debe estar bien aislado para aumentar la temperatura de combustión y, por lo tanto, la integridad.
  • Un horno bien aislado irradia poco calor. Por lo tanto, el calor debe extraerse en su lugar del conducto de gases de escape. Las eficiencias de absorción de calor son más altas cuando el conducto de intercambio de calor es más largo y cuando el flujo de los gases de escape es más lento.
  • En muchos diseños, el conducto de intercambio de calor está construido con una gran masa de ladrillo o piedra absorbente de calor. Este diseño hace que el calor absorbido se emita durante un período más largo, generalmente un día.

Gas natural renovable

El gas natural renovable se define como el gas obtenido a partir de biomasa que se mejora a una calidad similar al gas natural . Al mejorar la calidad a la del gas natural, es posible distribuir el gas a los clientes a través de la red de gas existente. Según el Centro de investigación de energía de los Países Bajos, el gas natural renovable es "más barato que las alternativas en las que la biomasa se utiliza en una planta combinada de calor y energía o una planta de combustión local". Los costos unitarios de energía se reducen a través de 'escala y horas de operación favorables', y los costos de capital del usuario final se eliminan mediante la distribución a través de la red de gas existente.

Eficiencia energética

El calor renovable va de la mano con la eficiencia energética . De hecho, los proyectos de calefacción renovable dependen en gran medida para su éxito de la eficiencia energética; en el caso de la calefacción solar para reducir la dependencia del requisito de calefacción suplementaria, en el caso de la calefacción de leña para reducir el costo de la madera comprada y el volumen almacenado, y en el caso de las bombas de calor para reducir el tamaño y la inversión en la bomba de calor, Disipador de calor y costos de electricidad.

Se pueden realizar dos tipos principales de mejora en la eficiencia energética de un edificio:

Aislamiento

Las mejoras en el aislamiento pueden reducir enormemente el consumo de energía, haciendo que un espacio sea más barato para calentar y enfriar. Sin embargo, las viviendas existentes a menudo pueden ser difíciles o costosas de mejorar. Los edificios más nuevos pueden beneficiarse de muchas de las técnicas de superaislamiento . Los edificios más antiguos pueden beneficiarse de varios tipos de mejoras:

  • Aislamiento de paredes sólidas : un edificio con paredes sólidas puede beneficiarse del aislamiento interno o externo. El aislamiento de la pared externa implica la adición de paneles aislantes decorativos a prueba de intemperie u otro tratamiento al exterior de la pared. Alternativamente, el aislamiento de la pared interna se puede aplicar utilizando laminados de paneles de yeso / aislamiento ya hechos u otros métodos. Los espesores de aislamiento interno o externo suelen oscilar entre 50 y 100 mm.
  • Aislamiento de la pared de la cavidad : un edificio con paredes de la cavidad puede beneficiarse del aislamiento bombeado en la cavidad. Esta forma de aislamiento es muy rentable.
  • Los termostatos programables permiten apagar la calefacción y la refrigeración de una habitación en función de la hora, el día de la semana y la temperatura. Por ejemplo, no es necesario calentar un dormitorio durante el día, pero no es necesario calentar una sala de estar durante la noche.
  • Aislamiento del techo
  • Ventanas y puertas aisladas
  • Prueba de corrientes de aire

Calefacción por suelo radiante

La calefacción por suelo radiante a veces puede ser más eficiente energéticamente que los métodos tradicionales de calefacción:

  • El agua circula dentro del sistema a bajas temperaturas (35 ° C - 50 ° C), lo que hace que las calderas de gas, las calderas de leña y las bombas de calor sean significativamente más eficientes.
  • Las habitaciones con calefacción por suelo radiante son más frescas cerca del techo, donde no se requiere calor, pero más cálidas bajo los pies, donde la comodidad es más necesaria.
  • Los radiadores tradicionales se colocan con frecuencia debajo de ventanas mal aisladas, calentándolas innecesariamente.

Recuperación de calor de aguas residuales

Reciclaje de calor.

Es posible recuperar cantidades significativas de calor del agua caliente residual a través del reciclaje de calor de agua caliente . El mayor consumo de agua caliente son los lavabos, las duchas, los baños, los lavavajillas y las lavadoras de ropa. En promedio, el 30% del agua caliente sanitaria de una propiedad se utiliza para ducharse. El agua dulce que entra suele tener una temperatura mucho más baja que el agua residual de una ducha. Un intercambiador de calor económico recupera en promedio el 40% del calor que normalmente se desperdiciaría, calentando el agua dulce fría entrante con calor de las aguas residuales salientes.

Ver también

Referencias

enlaces externos