Centrarse en el almacenamiento de calor

En tiempos de cambio climático y aumento de los costes energéticos, cada vez son más importantes las soluciones innovadoras para una utilización eficiente y sostenible de la energía en las zonas urbanas. Los sistemas de almacenamiento de calor son una tecnología clave en este contexto. Estos sistemas permiten almacenar energía térmica y liberarla de nuevo cuando sea necesario, lo que aporta beneficios tanto económicos como ecológicos.

Los acumuladores de calor son sistemas técnicos que se utilizan para almacenar energía térmica durante un cierto periodo de tiempo y volver a liberarla cuando sea necesario. Desempeñan un papel fundamental en la utilización eficiente de la energía térmica al compensar las diferencias de tiempo entre la generación y el consumo de calor.

Principios funcionales de los acumuladores de calor

Existen distintos tipos de acumuladores de calor basados en principios físicos diferentes:

• Acumuladores de calor sensible: aprovechan la capacidad de los materiales para absorber o liberar calor cuando cambia la temperatura. Debido a su elevada capacidad calorífica específica, el agua es el medio más utilizado para el almacenamiento de calor sensible.
• Acumuladores de calor latente: estos acumuladores utilizan el cambio de fase de los materiales (por ejemplo, de sólido a líquido) para almacenar energía. Se aprovecha el calor de fusión del material, lo que permite una mayor densidad energética.
• Almacenamiento termoquímico: en este caso, la energía se almacena en enlaces químicos. Cuando se recupera el calor se producen reacciones químicas reversibles.

Campos de aplicación del almacenamiento térmico en zonas urbanas

Los sistemas de almacenamiento de calor tienen una amplia gama de aplicaciones en zonas urbanas:

• En edificios, para optimizar los sistemas de calefacción y agua caliente.
• En redes de calefacción urbana para suavizar la carga y aumentar la eficiencia.
• En procesos industriales para aprovechar el calor residual
• En combinación con energías renovables para una mejor integración en el sistema energético.

Almacenamiento a corto plazo

Los depósitos de almacenamiento a corto plazo se utilizan para almacenar calor durante horas o días. Algunos ejemplos típicos son

• Acumuladores intermedios: se utilizan en los sistemas de calefacción para compensar las fluctuaciones a corto plazo entre la generación de calor y el consumo.
• Acumuladores de agua caliente: Proporcionan agua caliente para el uso diario y pueden acoplarse a diversas fuentes de calor.

Acumuladores de larga duración

Los acumuladores de larga duración permiten almacenar calor durante semanas o incluso meses. Desempeñan un papel importante en el almacenamiento estacional de energía:

• Almacenamiento térmico geotérmico por sonda: en este caso, el calor se almacena en capas profundas de la tierra y se vuelve a extraer cuando es necesario mediante bombas de calor.
• Acumuladores acuíferos: utilizan las capas subterráneas de agua para almacenar calor.
• Grandes depósitos de agua: en algunas ciudades se utilizan enormes depósitos de agua aislados para el almacenamiento estacional de calor.

Tecnologías innovadoras de almacenamiento

La investigación trabaja continuamente en nuevas tecnologías para un almacenamiento de calor más eficiente:

• Almacenamiento de calor latente a alta temperatura: utilizan mezclas especiales de sales y permiten almacenar calor a temperaturas muy elevadas.
• Almacenamiento termoquímico con zeolitas: estos materiales pueden almacenar calor casi sin pérdidas durante largos periodos de tiempo.
• Materiales de cambio de fase (PCM): Materiales innovadores que pueden absorber o liberar grandes cantidades de calor durante el cambio de fase.

Falta de espacio y restricciones estructurales

Uno de los mayores retos en las zonas urbanas densamente edificadas es el limitado espacio disponible para instalar sistemas de almacenamiento de calor. En particular, los grandes sistemas de almacenamiento estacional requieren un espacio considerable, del que a menudo no se dispone en las ciudades. Entre las posibles soluciones se incluyen:

• La integración de los sistemas de almacenamiento en las estructuras de los edificios existentes
• Utilización de espacios subterráneos para instalaciones de almacenamiento
• El desarrollo de tecnologías de almacenamiento más compactas y con mayor densidad energética.

Complejidad técnica e integración de sistemas

La integración de los sistemas de almacenamiento de calor en los sistemas energéticos existentes suele requerir soluciones técnicas complejas:

• Adaptación de la hidráulica en los sistemas de calefacción
• Integración en sistemas de gestión de edificios y sistemas de gestión energética
• Coordinación con otras fuentes de energía y consumidores

Eficiencia económica y costes de inversión

La elevada inversión inicial de los sistemas de almacenamiento térmico puede ser un obstáculo:

• Largos periodos de amortización, especialmente para grandes sistemas de almacenamiento estacional
• Incertidumbre sobre los precios futuros de la energía y los programas de subvenciones
• Necesidad de modelos de financiación y conceptos de explotación innovadores

Aspectos normativos y jurídicos

La integración de los sistemas de almacenamiento térmico en los sistemas energéticos urbanos puede verse dificultada por las condiciones marco legales y reglamentarias:

• Procedimientos de autorización para grandes instalaciones de almacenamiento
• Derechos de propiedad y acuerdos de uso para soluciones de proximidad
• Adaptación de las leyes energéticas y las directrices sobre subvenciones

Reducción del efecto isla de calor urbano

Los sistemas de almacenamiento de calor pueden ayudar a reducir el efecto isla de calor urbano:

• Absorber el exceso de calor del ambiente durante los periodos calurosos
• Utilización del calor almacenado para calefacción en los periodos más fríos, lo que reduce la demanda total de energía.
• Acoplamiento con sistemas de refrigeración para una climatización eficiente de los edificios

Gestión de la carga y estabilidad de la red

Gracias a su capacidad para almacenar calor y liberarlo cuando es necesario, los sistemas de almacenamiento de calor ayudan a estabilizar las redes de energía:

• Equilibrar los picos de carga de la red eléctrica desplazando la demanda de calor.
• Permitiendo un uso más flexible de las energías renovables
• Mejorar la eficiencia global del sistema energético

Mejora de la calidad del aire

Indirectamente, los sistemas de almacenamiento de calor también pueden contribuir a mejorar la calidad del aire urbano:

• Reduciendo la necesidad de combustibles fósiles para calefacción
• Reduciendo las emisiones mediante un uso más eficiente de la energía
• Apoyar la electrificación del sector de la calefacción

Conceptos de barrio con sistemas integrados de almacenamiento de calor

Los conceptos modernos de desarrollo urbano se basan cada vez más en soluciones energéticas para todo el barrio:

• Almacenamiento de calor centralizado para varios edificios
• Combinación de diferentes tecnologías de almacenamiento para una eficiencia óptima
• Integración de sistemas de almacenamiento de calor en redes de calefacción locales

Acoplamiento de sectores y conversión de energía en calor

La combinación de distintos sectores energéticos abre nuevas posibilidades:

• Utilización del excedente de electricidad procedente de fuentes renovables para la generación y el almacenamiento de calor
• Sistemas bidireccionales de calor-electricidad con bombas de calor y sistemas de almacenamiento de calor
• Integración de vehículos eléctricos como unidades móviles de almacenamiento de energía

Redes inteligentes y control digital

La digitalización permite un control inteligente de los sistemas de almacenamiento de calor:

• Control predictivo basado en previsiones meteorológicas y patrones de consumo
• Integración en sistemas domésticos inteligentes para un uso optimizado
• Agregación de muchos sistemas de almacenamiento pequeños en grandes sistemas de almacenamiento virtuales

Hamburgo: almacenamiento estacional de calor en un búnker energético

Un antiguo búnker antiaéreo de Hamburgo se ha convertido en un innovador centro energético:

• Acumulador de agua caliente de 2 millones de litros
• Suministro de calor a más de 800 viviendas
• Combinación de energía solar térmica, biogás y calor residual industrial

Múnich: Energía geotérmica y almacenamiento de calor

Múnich apuesta por la combinación de energía geotérmica y grandes instalaciones de almacenamiento de calor:

• Varias centrales geotérmicas en la ciudad
• Grandes instalaciones de almacenamiento para optimizar el uso del calor geotérmico.
• Objetivo: suministro de calefacción urbana totalmente renovable para 2040

Viena: Gestión inteligente de la carga con sistemas de almacenamiento de calor

En Viena se utilizan acumuladores de calor para optimizar la red de calefacción urbana:

• Grandes instalaciones de almacenamiento en puntos estratégicos de la red
• Control dinámico para suavizar la carga y aumentar la eficiencia
• Integración del calor residual de los procesos industriales y la incineración de residuos

Acumuladores de calor de alta temperatura

El desarrollo de acumuladores de calor de alta temperatura abre nuevas posibilidades de aplicación:

• Almacenamiento del calor de proceso de la industria
• Aumento de la densidad energética y la eficiencia
• Nuevos materiales para temperaturas superiores a 1000°C

Acoplamiento con la captura de CO2

Conceptos innovadores combinan el almacenamiento de calor con la captura de CO2:

• Utilización del calor de absorción durante la captura de CO2
• Desarrollo de materiales de almacenamiento que puedan aglutinar CO2 al mismo tiempo
• Integración en conceptos para la descarbonización de procesos industriales

Inteligencia artificial y aprendizaje automático

El uso de tecnologías de IA promete nuevos aumentos de la eficiencia:

• Optimización del control del almacenamiento mediante algoritmos de autoaprendizaje
• Mejora de las previsiones de demanda y generación de calor
• Diagnóstico automatizado de averías y mantenimiento predictivo

Los sistemas de almacenamiento de calor desempeñan un papel fundamental en la transformación de los sistemas energéticos urbanos hacia una mayor sostenibilidad y eficiencia. Ofrecen una amplia gama de soluciones a los retos que plantean el cambio climático y la transición energética. Especialmente en el contexto de los problemas de calor urbano, los sistemas de almacenamiento de calor pueden contribuir de forma importante a mejorar el clima urbano y la calidad de vida.

Sin embargo, la integración con éxito de los sistemas de almacenamiento de calor en los conceptos energéticos urbanos requiere un enfoque holístico. Las innovaciones tecnológicas deben ir de la mano de un marco normativo adaptado, nuevos modelos de negocio y una mayor cooperación entre las distintas partes interesadas. Las ciudades y los municipios deben desarrollar estrategias a largo plazo que tengan en cuenta los sistemas de almacenamiento de calor como parte integrante de los sistemas energéticos sostenibles.

Con el avance del desarrollo tecnológico y el aumento de la experiencia en la planificación y el funcionamiento de grandes sistemas de almacenamiento, los sistemas de almacenamiento de calor desempeñarán un papel aún mayor en el suministro energético urbano en el futuro. Son un elemento clave en la realización de ciudades climáticamente neutras y contribuyen de forma significativa a superar los retos del cambio climático en las zonas urbanas.