Esquema conceptual d’una xarxa de 5à generació (ICGC, 2022; modificada de Garcia-Céspedes, et al., 2022)
Antecedents al projecte MA-DHC
Atenent al consum d’energia final de la UE, el sector de l’edificació suposa el 40% del total, i aquest es correspon amb el 36% de les emissions d’efecte hivernacle. Des d’una perspectiva diferent, el 50% dels usos finals de l’energia corresponen a calefacció i refrigeració, i d’aquí el 80% són responsabilitat dels edificis.
Per tal de poder assolir la neutralitat climàtica al 2050 al territori de la UE, d’acord amb la seva estratègia a llarg termini, s’ha de promoure en aquest sector un augment de la seva eficiència energètica i un ús massiu de les energies renovables, i en particular, de les renovables tèrmiques.
D’altra banda, els efectes del canvi climàtic també estan propiciant un augment progressiu de les necessitats de refrigeració en el parc d’edificis, sobretot en els països mediterranis i climes temperats.
S’estima que al 2050, fins al 50% de la demanda de fred i calor a la UE podria generar-se sota l’esquema de xarxes de districte de calefacció, refrigeració i aigua calenta sanitària (ACS). Per aquest motiu, una de les tecnologies clau que Europa està impulsant per assolir els seus objectius de descarbonització i lluita contra el canvi climàtic són les xarxes de districte de baixa i molt baixa temperatura, intel·ligents, flexibles i optimitzades, també conegudes com 4th and 5th generation district heating and cooling networks (xarxes 4GDHC i 5GDHC, respectivament), a partir de fonts exclusivament locals i 100% renovables, sobretot amb tecnologies eficients com la bomba de calor geotèrmica (BCG). Precisament, en àrees densament poblades, les xarxes 4GDHC i 5GDHC suposen el millor escenari per a l’aprofitament d’un recurs renovable tèrmic tan net, eficient, disponible i local com és la geotèrmia superficial. Això inclou tant sistemes oberts (aprofitament de l’energia tèrmica present a masses d’aigua tan superficials com subterrànies) com sistemes tancats (aprofitament de l’energia tèrmica present al subsol) i sistemes d’emmagatzematge tèrmic. A més, les xarxes de districte modernes admeten la combinació de diverses tecnologies renovables a la vegada, creant sinèrgies evidents com la hibridació de geotèrmia superficial amb energia solar fotovoltaica.
Per valorar l’ús dels recursos geotèrmics i la seva aplicació en xarxes de climatització eficients de fred i calor, és necessari desenvolupar eines que facilitin als tècnics avaluadors un ràpid procés de modelització en les fases preliminars d’estudis i projectes, per així facilitar la presa de decisions cara a integrar-les en els plans i programes de sostenibilitat i energia en àrees urbanes. D’altra banda, cal una forta component didàctica en aquest tipus d’eines que ajudi a una major sensibilització de la societat sobre l’existència dels recursos geotèrmics i de les seves bondats.
Progrés del projecte (actualitzat a novembre 2023)
Al llarg de l’últim any, i un cop publicat l’article Fifth-Generation District Heating and Cooling Networks Based on Shallow Geothermal Energy: A review and Possible Solutions for Mediterranean Europe (https://doi.org/10.3390/en16010147), l’activitat del projecte s’ha centrat en la generació d’un model dinàmic de xarxes 5GDHC basades en geotèrmia superficial. Aquest model s’ha implementat en el llenguatge MODELICA sota l’entorn OMEdit del paquet OpenModelica, i fent ús de la llibreria estàndard de Modelica (versió 4.0.0) i la Modelica Buildings Library (versió 9.1.0). Es tracta d’un model construït plenament a base d’eines de codi obert i lliure accés. La principal motivació per a la utilització de models dinàmics en l’estudi de xarxes 5GDHC és la seva major complexitat respecte conceptes previs de xarxes DHC. Aquesta complexitat ve donada principalment per la seva naturalesa distribuïda, que involucra un flux bidireccional de l’energia tèrmica entre els edificis (ara considerats “prosumidors”) i la font d’energia, i que depenent del disseny també pot involucrar un flux bidireccional del fluid caloportador. A banda, la concepció d’una font d’energia com a proveïdora unidireccional d’energia (de la font als consumidors) quedaria obsoleta en front del nou concepte anomenat Unitat d’Equilibri (BU per les seves sigles en anglès). La BU pot funcionar com a font i embornal d’energia (essencial en xarxes de fred i calor), i com a reservori per a l’emmagatzematge d’aquesta, tan a curt com a llarg termini. En aquest sentit la geotèrmia superficial és el recurs energètic què millor compleix amb la definició d’una BU aplicada a xarxes 5GDHC. El dimensionament i escalat d’una BU basada en geotèrmia superficial ja no estaria lligat únicament a la demanda agregada dels edificis que es connecten progressivament a la xarxa, si no que caldria tenir en compte també la interacció tèrmica entre ells i amb la pròpia xarxa.
El model dinàmic generat consta de 3 elements o sub-models principals: les canonades enterrades, les estacions prosumidores i els camps de captació geotèrmic. Així mateix, aquests sub-models estan compostos per altres elements (lògica de control, bombes de calor, bombes re-circuladores, models del subsol, etc.), establint múltiples nivells d’herència i garantint una estructura modular del conjunt. Tot plegat ajudarà a entendre de manera profusa el funcionament d’una xarxa 5GDHC, els seus punts forts i els reptes als que s’enfronta de cara a una propera implantació en localitzacions de l’Europa Mediterrània. En aquest sentit, el model desenvolupat serà de gran utilitat en el disseny de noves xarxes 5GDHC, la pre-avaluació de la viabilitat tècnica dels projectes i fins i tot en la confecció de “bessons digitals” de sistemes reals. Des d’una perspectiva de Servei Geològic, aquest model permetrà a l’ICGC la confecció de nous conjunts de dades geo-referenciades relacionades amb d’explotació de la geotèrmia superficial a través de xarxes 5GDHC.
El treball realitzat fins ara ha de servir per a la validació dels pròxims models (models estàtics) que formaran part de la futura eina de disseny i dimensionament de xarxes 5GDHC. Aquests models seran més senzills en la seva fonamentació i arquitectura però també més econòmics en quant a temps de computació i més elaborats en quant a l’experiència d’usuari.
El model s’estructura de manera modular i multi-nivell
Referències
Contacte
