Desarrollo de sistema geotérmico híbrido autónomo de alta eficiencia energética

Héctor Cano Esteban

J.A. de Isabel García

Este artículo presenta el proceso de I+D+i para el desarrollo de un equipo híbrido de alta eficiencia energética para la climatización, denominado High Efficiency Modular Container (HEMC) consistente en la construcción de una Central Térmica con bomba de calor utilizando “geotermia” y “aerotermia”, para la producción conjunta de agua fría y/o caliente para climatización y agua caliente sanitaria (A.C.S.) y la implantación de todas las energías renovables disponibles, tales como solar fotovoltaica y eólica para el abastecimiento eléctrico de todos los puntos de consumo.

La innovación sobre cualquier otro desarrollo consiste en la implantación completa de todos los componentes que se encuentran en una sala de producción dentro de un contenedor estándar de 20 pies, asociado a cualquier tipo de edificación, con carácter modular y versátil, siendo objeto del Proyecto INNPACTO IPT-2012-0231-120000 y Título: “Geothermal & Renewable Energy in Modular Architecture System (Greenmar)” para el desarrollo de una potencia de 50, 75, 100 y 150 kW térmicos sobre un modelo ya construido de 25 kW, financiado por la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación; Secretaría General de Ciencia, tecnología e Innovación; Dirección General de innovación y Competitividad pertenecientes al Ministerio de economía y competitividad.

El objetivo del diseño de dicho contenedor será aportar una solución de alta eficiencia energética a todas aquellas operaciones o misiones que requieran una solución de movilidad, rápida implantación, modularidad, o instalaciones permanentes que requieran una rehabilitación
energética. HEMC permitirá conseguir importantes ahorros en las labores de montaje, operación, suministro y mantenimiento, con las inherentes ventajas medioambientales en la reducción de la dependencia de combustibles fósiles.

Introducción

La base estructural de investigación será integrar todos los componentes que participan en el equipo HEMC en el interior de un contenedor estándar, siendo la base del mismo una bomba de calor geotérmica/aerotérmica, con condensación remota, la cual transmite la energía del terreno, o en su caso del aire, hacia las dependencias que se pretenden calefactar o refrigerar, de manera que la energía generada puede utilizarse para calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria. Además, es un producto totalmente adaptado a las características que se demandan, de alta transportabilidad, con una sencilla puesta en marcha y posee una gran adaptación a las necesidades de climatización
que requiere el entorno.

Por tanto, el equipo HEMC resulta un producto único e innovador en el mercado. Resulta un producto ideal para la construcción
de infraestructuras importantes cuya construcción, bien por la situación de emergencia, bien por el coste que suponen, no es posible acometer en un plazo prácticamente inmediato. Tal es el caso de hospitales, colegios, campamentos, etc. en zonas de condiciones extremas, de catástrofes naturales, o simplemente regiones donde resulta necesario por una situación excepcional (como flujos inmigratorios concentrados). Aunque puede perfectamente adaptarse a necesidades del sector privado y público a gran escala.

Es importante mencionar que ambos ámbitos de actuación, tanto privado y público, se refieren a mercados nacionales e internacionales, pues las características del HEMC son igualmente favorables, permitiendo alcanzar los objetivos de ahorro energético y uso de las energías renovables disponibles. HEMC es un producto que se adapta a cualquier condición climática, bien sea extremadamente fría como radicalmente calurosa, hecho decisivo en zonas de catástrofes humanitarias o militares. El incremento de misiones de paz o humanitarias requiere de campamentos y habitáculos cada vez más sofisticados para permitir el establecimiento de grupos humanos durante largas estanciaa. Es este mercado específico el que se encuentra en permanente evolución y requiere cada vez de infraestructuras más versátiles en cuanto a su transporte y su montaje.

Adicionalmente a todas las perspectivas de “misiones humanitarias”, el mercado más accesible de este nuevo desarrollo es “la climatización industrial”. El sector industrial es un sector básico de la economía por su extensión a lo largo y ancho del planeta. Existe un gran número de naves industriales que requieren ser climatizadas, bien por ser de nueva construcción, bien por ser necesaria una rehabilitación energética o haber modificado su uso primitivo. La utilización de un producto como el HEMC permite la renovación de dicha instalación de una manera sencilla, ya que únicamente requiere un colector que aglutine el sistema de radiación de la nave para ser conectado al HEMC en su parte lateral, donde dispone de tres elementos de conexión: impulsión, retorno y A.C.S. Una vez conectados, la instalación está preparada para funcionar.

El sector terciario de servicios es un mercado en el que el HEMC puede tener una gran aceptación, donde los requisitos de la edificación encajan con las necesidades requeridas en casos tales como hospitales, centros comerciales, supermercados, edificios de oficinas, etc., destacando siempre su fácil transporte y su puesta en marcha prácticamente inmediata.

La comercialización del contenedor que se desarrollará al amparo del programa INNPACTO está destinada a todas las instalaciones perceptibles de ser climatizadas, ya sea en proyectos realizados con las estructuras modulares como en actuales o futuras dependencias.

Antecedentes

Los antecedentes del proyecto se sitúan en el extendido uso en las dependencias de los Ejércitos y en general cualquier edificación, de
equipos autónomos de climatización así como de calderas de GLP (gases licuados del petróleo), gasóleo o gas natural, todos ellos combustibles de origen fósil.

El empleo de estos equipos significa, en primer lugar, el empleo de una tecnología con bajos ratios de eficiencia energética con toda la problemática de consumos y costes inherentes.

Carácter innovador del proyecto

Considerando todas las variables encuadradas en el contexto energético actual, tanto en su gestión como en su uso, suministro y utilización influidas de forma constante por aspectos socioeconómicos, geopolíticos así como técnicos y tecnológicos se hace imprescindible apostar por medidas que incrementen de manera significativa la eficiencia energética y la autonomía en el conjunto global de los procesos energéticos.

Dentro de este vasto y extenso marco de actuación se encuadra el presente producto en el cual se ha buscado el desarrollo y construcción de un novedoso sistema de climatización autónomo en un contenedor estándar, denominado High Efficiency Modular Container (HEMC). El sistema está concebido en base a soluciones novedosas altamente eficientes y en conjunto con el empleo de recursos energéticos de carácter renovable, en especial el geotérmico.

Este sistema, pensado especialmente para el ámbito militar y humanitario, mejorará de manera la vertiente energética relativa a las acciones de climatización, aportando además unos importantes ahorros en las labores de montaje, operación, suministro y mantenimiento con las inherentes ventajas comparativas que ello conlleva, aumentando de manera directa la competitividad de las plataformas militares con objeto de contribuir a la consecución de las metas tecnológicas de las Fuerzas Armadas y ONG‘s, optimizando el ciclo de vida de las plataformas así como de fomentar la independencia en bases y campamentos mediante la reducción del empleo de combustibles fósiles.

Especificaciones técnicas del contenedor HEMC de acuerdo a EN16147 Y EN 14511-2008

Cabe destacar que la aplicación de los equipos HEMC desarrollados repercutirá de manera positiva desde una múltiple perspectiva:

Primeramente, desde la perspectiva de operación, el empleo de contenedores para climatización de tipo HEMC conlleva un importante ahorro en los costes directos de climatización de las plataformas y estancias militares. Este ahorro directo también tiene su vertiente indirecta puesto que los costes asociados al mantenimiento de las unidades dedicadas a la generación térmica también se ve disminuida, de modo que los costes globales asociados a la fase de uso y utilización de la climatización queda reducida. Adicionalmente se consigue reducir las necesidades de combustibles fósiles, evitando los problemas geoestratégicos que suele llevar aparejados este suministro, disminuyendo los elevados costes de los combustibles en las operaciones fuera de Territorio Nacional, favoreciendo la seguridad de las tropas en las cadenas logísticas. Además los usuarios de las plataformas verán incrementados sus parámetros de confort puesto que el empleo de equipos HEMC supone una modernización en los sistemas de climatización empleados, reduciendo los niveles sonoros producidos por los equipos comúnmente utilizados.

En segundo lugar hay que destacar aspectos relativos a la concepción y construcción de estos novedosos sistemas de climatización ya que se
consigue optimizar el proceso de transporte, implantación y reutilización de los mismos.

Descripción del producto

El HEMC es un producto que aporta un gran número de mejoras para el sector de la climatización, puesto que aborda la idea de solucionar el problema de la climatización de una infraestructura de una forma eficiente, rápida, sencilla e inmediata.

Efectivamente los contenedores HEMC son equipos de climatización altamente eficientes, con todos sus elementos pre-montados que se suministran en contenedores estándar de 20 pies. Es una central principalmente geotérmica, aunque también puede funcionar con aerotermia, capaz de generar frío y calor para climatización, ACS y refrigeración industrial (cámaras de positiva y negativa), todo ello dotado de depósitos de acumulación dentro del propio contenedor.

  • Solución integral: calefacción, refrigeración, ACS y frío industrial.
  • Sistema de alta eficiencia energética.
  • Beneficio medio ambiental y económico:
    – Reducción emisiones CO2.
    – Disminución consumo energía primaria.
  • Suaviza picos de demanda eléctricos.
  • Incremento del confort.
  • Disminución del nivel acústico (dB).
  • Mantenimiento sencillo.
  • Mejora impacto estético. Solución integral.
  • Elemento diferenciador.
  • Utilización de energías renovables: aerotermia y geotermia.
  • Sostenibilidad.
  • Aerotransportabilidad.

Este sistema hace factible su transporte de manera estándar y sencilla por cualquier vía (aérea, marítima, terrestre) y proporciona además la posibilidad de una rápida puesta en marcha de los equipos una vez ubicados en la zona de utilización. Es destacable también que la concepción de estas unidades HEMC da la posibilidad de realizar una amplia modularización de los equipos de modo que su adaptación a las necesidades se ajusta de manera correcta en todas las aplicaciones en las que tengan lugar.

Esquema del contenedor HEMC aerotérmico

Esquema del contenedor HEMC geotérmico

Esquema del contenedor HEMC geotérmico/aerotérmico

Evidentemente es factible la reutilización del equipo en otros campamentos, siendo su desmontaje y retirada de servicio muy sencillas, ya que pretende conseguir una filosofía “plug&play” en las unidades HEMC. El transporte de estas unidades es igualmente sencillo puesto que en todo momento quedan ubicados en los citados contenedores estándar, lo cual supone una mejora competitiva del sistema.

La concepción de los equipos HEMC hace posible su operatividad bajo condiciones climáticas extremas y además se ha planteado que su utilización se pueda realizar de manera dual, es decir, que sea factible su operación tanto en modo “convencional” como en modo geotérmico, lo cual implica tener como fuente y base energética un recurso renovable. En ambos casos la concepción del equipo se realiza para obtener el máximo rendimiento de modo que se optimicen consumos y se consiga la máxima eficiencia energética con su empleo.

Dentro de las características innovadoras cabe además destacar el desarrollo específico de un sistema de telegestión y control, lo cual es otro valor añadido a las propias unidades puesto que será posible gestionarlas de manera remota, actuando con anticipación ante posibles incidencias o variaciones en las necesidades energéticas de su emplazamiento. De esta manera, aumenta la vida útil de las unidades, ya que será posible realizar unas labores de mantenimiento preventivo que potenciarán la durabilidad de los equipos.

Alcance del proyecto

En el marco de desarrollo del proyecto acerca de equipos de climatización de tipo HEMC se contemplan tres tipos diferentes de actuaciones y que son de alto interés para las áreas actuacionales del Ministerio de Defensa:

  • Posibilidad 1: Actuación Inmediata: Se trata de la ubicación e implantación de un sistema HEMC en modo aerotérmico, con lo cual los tiempos de espera son prácticamente nulos, siendo inmediata su conexión y prestación de servicios a las plataformas de las bases.
  • Posibilidad 2: Sistema de larga duración: En esta categoría tendrían cabida las instalaciones de carácter permanente dentro de territorio nacional o bien las misiones estables de larga duración en el extranjero. El sistema óptimo sería la conexión de la unidad HEMC con un sistema geotérmico de muy baja entalpía, de modo que la captación geotérmica sea la base energética de la climatización, teniendo así un sistema de alta eficiencia energética y de carácter renovable, con el valor añadido que ello conlleva.
  • Posibilidad 3: Sistema híbrido. Se trata de un sistema que actúe de manera combinada, gestionando el modo de funcionamiento y adaptándolo al óptimo en cada situación. Es decir en este tipo de instalaciones se goza de la dualidad que ofrece la posibilidad de utilizar el modo aerotérmico o bien el geotérmico según convenga, optimizando de esta forma la gestión y eficiencia energética del sistema.

Ventajas del sistema:

  • Circuito refrigerante compuesto de uno o dos compresores inverter scroll e intercambiadores en acero inoxidable I AISI 316L.
  • Diseño robusto que permite un fácil mantenimiento y una perfecta accesibilidad.
  • Cuadro eléctrico con protecciones individuales para cada motor.
  • Intercambiadores de alto rendimiento y bajas pérdidas de presión.
  • Doble protección anti-hielo en lado fuente.
  • Dos sistemas de control electrónico: standard simple control y sistema programable en pantalla LCD, con acceso web y comunicaciones Modbus.
  • Caudalímetros electromagnéticos.
  • Sistema ‘‘Plug & Play’’ permitiendo producción de HVAC solamente 30 minutos después de su instalación.
  • Alta fiabilidad en todo tipo de condiciones.
  • Mayor COP/EER del mercado en aplicaciones modulares.
  • Mayor ESEER del mercado en aplicaciones modulares.
  • Fácilmente transportable e instalable.
  • Construcción modular que permite un incremento de potencia.
  • Ahorros de hasta 50.000 galones de gasóleo en misiones.

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