Cómo combinar fotovoltaica aislada, bombas de calor y pilas de combustible en un complejo residencial

Científicos de la Universidad Tecnológica de Lappeenranta-Lahti (LUT), en Finlandia, han investigado la conversión de una casa adosada finlandesa calentada por petróleo en un edificio neutro en carbono en cuatro escenarios de eficiencia energética. Sus conclusiones se recogen en el artículo “Power balance control and dimensioning of a hybrid off-grid energy system for a Nordic climate townhouse” (Control del balance de potencia y dimensionamiento de un sistema híbrido de energía sin conexión a la red para una casa adosada de clima nórdico), publicado recientemente en Renewable Energy.

El equipo consideró cuatro escenarios para mejorar la eficiencia energética del edificio de Lahti, al sur de Finlandia, que consta de 18 apartamentos con una superficie total calentada de unos 1.100 metros cuadrados. Un escenario con una bomba de calor aerotérmica de 45 kW y una caldera eléctrica de 78 kW (EEO); otro con una bomba de calor geotérmica de 45 kW y una caldera eléctrica de 33 kW (EE1); otro con una bomba de calor geotérmica de 79 kW (EE2); y, por último, un escenario con una bomba de calor geotérmica de 15 kW, una caldera eléctrica de 16 kW, ventilación con recuperación de calor de 15 kW y aislamiento adicional del tejado, así como renovación de ventanas y puertas (EE3).

Para cada escenario simularon un sistema fotovoltaico aislado de la red con pila de combustible, batería y almacenamiento de energía de hidrógeno (HESS) y estudiaron el impacto del calor residual en el dimensionamiento de los componentes del sistema. Los investigadores crearon un modelo de simulación energética calibrado del edificio actual con el software de simulación del rendimiento de edificios IDA ICE 4.8. La generación fotovoltaica se simuló en PVsyst, mientras que toda la herramienta de modelado del sistema se creó con Excel y MATLAB.

Se supone que la pila de combustible actúa como fuente de energía secundaria en invierno, cuando la generación solar fotovoltaica es reducida o inexistente. El calor residual generado tanto en la pila de combustible como en el electrolizador HESS está destinado a recuperarse para la calefacción de espacios y de agua caliente sanitaria. “La principal fuente de calor de la herramienta es el calor residual, seguido de una bomba de calor y, si es necesario, una caldera eléctrica”, explican los académicos, que señalan que se da prioridad al calor residual porque su temperatura se ajusta más a los requisitos de temperatura del agua caliente sanitaria.

Los resultados muestran que el escenario EE0 requiere un sistema fotovoltaico de 325 kW, EE1 y EE2 de 300 kW, y EE3 de 265 kW. Supuestamente, el calor residual puede reducir considerablemente las dimensiones de los componentes de los sistemas fotovoltaicos. Por término medio, las dimensiones del sistema de almacenamiento de baterías (BESS), la pila de combustible, el electrolizador y el HESS se reducen en un 20%, 37%, 51% y 28%, respectivamente. Las reducciones en las dimensiones de los componentes entre EE0 y EE3 son de aproximadamente el 33% para el BESS, el 41% para la pila de combustible, el 27% para el electrolizador y el 22% para el HESS.

“La recuperación del calor residual de la pila de combustible y el electrolizador reduce la necesidad de generar calor mediante otras fuentes de calor, lo que afecta al consumo de electricidad cuando la calefacción se basa en una bomba de calor”, explican los científicos. “Como resultado, cambia el perfil de carga de la electricidad y se reducen tanto los picos de potencia como la demanda energética de electricidad”.

El equipo calculó que el costo del ciclo de vida de 30 años de los sistemas sin conexión a la red oscilaría entre 2,3 millones de euros (2,5 millones de dólares) y 4,3 millones de euros, y concluyó que “el costo es muy elevado y poco rentable en comparación con un sistema conectado a la red”. También señalaron que deben tenerse en cuenta consideraciones especiales de seguridad si se utiliza un HESS en un entorno residencial.