Equipo de Soluciones | Octubre 2023
Explore el potencial sin explotar del Almacenamiento de Energía Térmica (TES por sus siglas en inglés) para revolucionar los sistemas de refrigeración para edificios de alto consumo energético. Como una tecnología emergente arraigada en principios establecidos, TES promete reducir los costos de aire acondicionado hasta en un 50%, al tiempo que allana el camino para edificios ecológicos de próxima generación. Este artículo técnico está dirigido a profesionales de la industria de la construcción en América del Norte y del Sur, proporcionando una mirada en profundidad sobre cómo los sistemas TES pueden ser una piedra angular para edificios sostenibles y de alto rendimiento.
Soluciones de Construcción para Edificios Sostenibles.
El aire acondicionado de los edificios comerciales, particularmente durante los sofocantes meses de verano, es el principal impulsor de la demanda máxima eléctrica. Esto requiere que los proveedores de electricidad implementen equipos de generación adicionales, a menudo menos eficientes, para atender el aumento. Las empresas comerciales, responsables de cargas sustanciales de aire acondicionado, son penalizadas con altos costos de energía "Horas Pico", ya sea a través de mayores cargos de energía o "Cargos por Demanda", a menudo calculados en función del consumo máximo durante un período de tiempo específico. Tales ineficiencias operativas no solo contribuyen a aumentar los gastos operativos, sino que también exacerban la carga ambiental a través de mayores emisiones de carbono.
En este escenario, el Almacenamiento de Energía Térmica (TES) emerge como una solución transformadora, prometiendo no solo ahorros económicos significativos, sino también un enfoque más sostenible para la gestión de edificios. Los sistemas TES permiten el consumo de energía fuera de las horas pico, lo que resulta en una menor demanda durante las horas pico, huellas de carbono más pequeñas y menos tensión en las redes eléctricas. Diseñado para los profesionales de la industria de la construcción que operan en América, este artículo técnico profundizará en cómo TES puede ser una tecnología instrumental para lograr un estado de edificio ecológico, de alto rendimiento o de cero emisiones de carbono al tiempo que mitiga los desafíos energéticos y ambientales asociados con los sistemas de enfriamiento convencionales.
¿Qué es un Sistema de Almacenamiento en frío de Banco de Hielo?
Un sistema de almacenamiento en frío de banco de hielo, comúnmente conocido como Almacenamiento de Energía Térmica (TES por sus siglas en ingles), es una tecnología de gestión de energía de vanguardia diseñada específicamente para cambiar la carga eléctrica de períodos pico de alta demanda a horas de baja demanda fuera de las horas pico. Este sistema optimiza las capacidades de refrigeración de edificios comerciales e industriales, ofreciendo reducciones significativas tanto en el consumo de energía (medido en kilovatios-hora o kWh) como en los cargos por demanda.
¿Cómo Funciona el Sistema de Bancos de Hielo?
El sistema de almacenamiento en frío de Banco de Hielo ofrece un enfoque multifacético para la sostenibilidad, equilibrando los objetivos económicos y ambientales de manera efectiva. Su aplicación es fundamental para cualquier edificio intensivo en energía que apunte al estado verde o carbono neutral:
Utilización de Energía Fuera de las Horas Pico: En el núcleo del sistema de banco de hielo hay un enfriador estándar, que funciona predominantemente durante las horas pico nocturnas cuando la carga eléctrica del edificio es mínima. Durante estas horas, las tarifas de los proveedores de electricidad son sustancialmente más bajas debido a la capacidad de generación subutilizada. El enfriador produce hielo sólido, que luego se almacena en tanques de hielo modulares.
Cambio de Carga en Horas Pico: El hielo almacenado se utiliza al día siguiente para cumplir con los requisitos de enfriamiento del edificio, lo que permite que el enfriador se reduzca o se apague por completo durante las horas pico. Esto reduce drásticamente la demanda instantánea de electricidad durante los períodos de alta demanda, disminuyendo tanto los costos de energía como los cargos por demanda.
Reducción de los Costos Operativos: Al cambiar la carga de energía a las horas de menor actividad, los sistemas de bancos de hielo ofrecen ahorros sustanciales en los costos operativos. Esto mejora el poder de negociación de un usuario en los mercados de energía desregulados al aumentar el "Factor de Carga" (carga promedio ÷ demanda máxima) del edificio.
Ahorro de Gastos de Capital: En instalaciones nuevas, especificar enfriadores de tamaño medio que operan casi continuamente puede resultar en ahorros de capital en comparación con la instalación de enfriadores de tamaño completo que operan durante horas limitadas. En aplicaciones de modernización, el sistema Banco de Hielo a menudo puede proporcionar enfriamiento adicional sin requerir un aumento en la capacidad del enfriador.
Eficiencia Energética Mejorada: Operar enfriadores casi a plena carga mejora continuamente la eficiencia energética del sistema, ya que la mayoría de los enfriadores son menos eficientes cuando funcionan a carga parcial.
Menores Emisiones de Gases de Efecto Invernadero: Al reducir la necesidad de plantas pico durante los períodos de alta demanda, el sistema contribuye indirectamente a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
Estabilidad de la Red: El almacenamiento de energía fuera de las horas pico mejora la estabilidad de la red y permite a los proveedores de energía administrar sus recursos de manera más eficiente, evitando los desembolsos de capital necesarios para las nuevas plantas generadoras.
Versatilidad en la Instalación: Los tanques de banco de hielo son modulares y se pueden acomodar fácilmente en diferentes configuraciones, ya sea en interiores o exteriores, proporcionando flexibilidad en el diseño del edificio.
Adopción Global del Banco de Hielo: Con más de 6.000 instalaciones en todo el mundo, la tecnología es madura y probada, lo que proporciona confianza en su viabilidad y rendimiento a largo plazo.
Análisis Conceptual del Sistema de Almacenamiento en frío de Banco de Hielo.
En el sistema tradicional de aire acondicionado (A/C), las cargas de refrigeración se cuantifican utilizando unidades denominadas "toneladas de refrigeración" o equivalentemente en kilovatios (kW). Sin embargo, los sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES) como el almacenamiento en frío emplean una métrica diferente: "Toneladas-Horas" o kilovatios-hora (kW-h). En un escenario hipotético representado por la Figura 1, la carga de enfriamiento es de 100 toneladas sostenidas durante una duración de 10 horas, lo que equivale a una carga acumulada de 1000 toneladas-hora. Cada bloque en el diagrama significa 10 toneladas-hora.
Es crucial tener en cuenta que los sistemas de aire acondicionado de los edificios rara vez funcionan a plena capacidad durante todo el ciclo de enfriamiento diario. Las cargas pico suelen materializarse entre las 1400 y las 1600 horas, coincidiendo con las temperaturas ambiente máximas. La figura 2 delinea un perfil de carga de enfriamiento diurno típico en condiciones de diseño. Aquí, un enfriador de 100 toneladas funciona a plena capacidad simplemente durante una ventana de dos horas; una capacidad inferior basta para el período operativo restante. Cuando se cuantifican los bloques sombreados en la figura, la suma asciende a 750, cada bloque simboliza 10 toneladas-hora.
El "factor de diversidad" se define formalmente como la relación entre la carga de enfriamiento real y la salida máxima del enfriador prospectivo. Matemáticamente, Factor de Diversidad (%) = (Toneladas-hora reales / Toneladas-horas potenciales totales) = (750 / 1000). En consecuencia, el enfriador en este ejemplo exhibe un factor de diversidad del 75%. El sistema está diseñado para suministrar 1000 toneladas-hora, mientras que el requisito real es de 750 toneladas-hora. Un factor de diversidad bajo es un indicador de rentabilidad del sistema subóptimo. El potencial de ventaja económica a través de la implementación de un sistema de almacenamiento frío es directamente proporcional al inverso del factor de diversidad.
Para determinar la carga media del edificio a lo largo del ciclo de enfriamiento, se divide el total de toneladas-hora por las horas operativas del enfriador. Si la carga de enfriamiento se desplazara a períodos de menor actividad o se equilibrara a este promedio, se necesitaría una menor capacidad de enfriador, logrando así una diversidad del 100% y mejorando la rentabilidad.
Almacenamiento Completo vs. Almacenamiento Parcial: Una Perspectiva Técnica.
Los sistemas de Banco de Hielo ofrecen una gama de metodologías de control para capitalizar sus ventajas inherentes; sin embargo, hay dos estrategias fundamentales, almacenamiento completo y almacenamiento parcial, que sirven como piedras angulares para el diseño del sistema. Los mecanismos de control específicos elegidos a menudo dependen de la estructura de tarifas eléctricas.
En escenarios donde las tarifas de electricidad corroboran la transferencia total de la carga de aire acondicionado a los períodos de menor actividad, se puede implementar un sistema de almacenamiento completo, que generalmente aprovecha la infraestructura de enfriadores existentes, especialmente en aplicaciones de modernización. En esta configuración, que se muestra en la Figura 3, el enfriador está operativo solo durante las horas de menor actividad para acumular hielo en los depósitos del Banco de Hielo. La energía térmica, almacenada a una temperatura de 32 °F (0 °C), se aprovecha posteriormente para cumplir con una carga de enfriamiento de 750 toneladas-hora durante las horas pico. La carga media se reduce así a 53,6 toneladas (750 toneladas-hora ÷ 14 horas), eliminando la necesidad de operaciones de enfriadores durante el día y, en consecuencia, minimizando los cargos por demanda.
Por el contrario, los sistemas de almacenamiento parcial son con frecuencia las soluciones más pragmáticas y económicamente viables para nuevas construcciones. Bajo esta estrategia, representada por la línea punteada en la Figura 4, un enfriador reducido opera durante todo el ciclo de 24 horas. Acumula hielo en tanques de almacenamiento durante las horas nocturnas fuera de las horas pico y utiliza en colaboración esta energía térmica almacenada para el enfriamiento diurno. Al extender las horas de operación de 14 a 24, la carga promedio se desploma a 31.25 toneladas (750 toneladas-hora ÷ 24 horas), lo que permite reducciones considerables en los cargos por demanda y, a menudo, facilita la reducción del tamaño del enfriador en un 50-60% o más.
Cabe destacar que la carga media de 24 horas es de 31,25 toneladas, pero la capacidad real del enfriador oscila, siendo ligeramente elevada durante el día y reducida por la noche. Esto es atribuible a una capacidad de enfriador reducida del 30-35% para la formación de hielo, discutida en la sección siguiente, que no debe combinarse con una reducción de la eficiencia.
Sistema de Almacenamiento Térmico del Banco de Hielo
El componente central del Sistema de Almacenamiento en frío Banco de Hielo es un depósito de polietileno modular con aislamiento térmico que incorpora un intercambiador de calor de tubo de plástico enrollado en espiral sumergido en agua. Las dimensiones del tanque varían, ofreciendo capacidades de almacenamiento de 45 a más de 500 toneladas-hora. Durante las horas nocturnas, fuera de las horas pico, un enfriador enfría una mezcla de etilenglicol y agua al 25%, que luego circula a través del intercambiador de calor. Este proceso conduce a la extracción de energía térmica hasta que aproximadamente el 95% del volumen acuoso dentro del depósito alcanza un estado sólido y congelado (Figura 5). En particular, el proceso de congelación está diseñado de tal manera que el agua no está encapsulada por el hielo, lo que garantiza el flujo laminar y evita daños estructurales en el depósito.
En el sistema de almacenamiento parcial, ejemplificado en las figuras 6 y 7, una mezcla de etilenglicol y agua se somete a un ciclo de enfriamiento nocturno a través del enfriador y el intercambiador de calor integral en el tanque de almacenamiento, eludiendo la bobina del controlador de aire. El medio criogénico alcanza una temperatura de 25 °F, lo que facilita la transición de fase del agua adyacente al hielo dentro del intercambiador de calor.
Posteriormente, durante las operaciones diurnas, la energía térmica almacenada como hielo reduce la temperatura de la solución de glicol-agua de un valor de entrada de 52 °F a un valor de salida de 34 °F. Una válvula de control accionada térmicamente, ajustada a 44 °F y colocada en un conducto de derivación paralelo al tanque de almacenamiento de hielo, modula el flujo para amalgamar las corrientes de 52 °F y 34 °F, logrando una temperatura de fluido homogeneizada de 44 °F. Este medio acondicionado interactúa termodinámicamente con el aire a través de la bobina del controlador de aire, alterando típicamente la temperatura del aire de una condición de entrada de 75 °F a una condición de salida de 55 °F. Luego, el fluido térmico se reacondiciona en el enfriador de 60 °F a 52 °F antes de volver a ingresar al ciclo.
Es pertinente señalar que, durante la fase de generación de hielo, el enfriador opera a una capacidad efectiva reducida, lo que requiere temperaturas de fluido criogénico de 25 °F en lugar de los 44 °F o 45 °F estándar. Esto da como resultado una reducción nominal de la capacidad del enfriador en aproximadamente 30 a 35 por ciento. Sin embargo, las métricas de rendimiento del compresor permanecen casi estables debido a las temperaturas de condensación favorables asociadas con las operaciones nocturnas.
La válvula accionada térmicamente en el conducto de derivación ofrece un mecanismo de modulación de capacidad ilimitado. Durante las condiciones climáticas templadas en las estaciones de transición, el enfriador por sí solo puede ser suficiente para satisfacer toda la carga térmica del edificio. En tales escenarios, el medio glicol-agua se dirige exclusivamente a través del bucle de derivación, como se muestra en la Figura 8.
El etilenglicol empleado es un refrigerante de grado industrial, formulado específicamente para baja viscosidad y conductividad térmica optimizada. Su inclusión de un sistema de inhibición de corrosión multicomponente lo hace compatible con los componentes convencionales del sistema, como bombas, sellos y bobinas de tratamiento de aire. Es posible que se requieran ajustes en la temperatura de suministro del fluido térmico, que generalmente requieren una disminución de 1-2 ° F, para compensar la pequeña disparidad en los coeficientes de transferencia de calor entre la mezcla de glicol y agua y agua pura.
Cómo el Almacenamiento de Energía Térmica Optimiza la Rentabilidad y la Sostenibilidad
Afeitado de Picos para una Operación Económica: La utilización del enfriador durante las horas de menor actividad puede generar ahorros de costos considerables, hasta un 90% en algunos casos, gracias a las tarifas de energía más bajas ofrecidas para incentivar el cambio de carga (Figura 9). Esta estrategia operativa eleva su instalación a un "Usuario Avanzado Preferido", lo que lo hace elegible para negociaciones de tarifas especiales.
Eficiencia a Plena Carga: Los sistemas de aire acondicionado tradicionales funcionan con la máxima eficiencia menos de una cuarta parte del tiempo debido al ciclo intermitente. Sin embargo, el sistema de banco de hielo permite que el enfriador funcione continuamente a plena carga o cerca de ella, evitando las ineficiencias de la operación a carga parcial (Figura 9).
Funcionamiento Nocturno Óptimo: Los enfriadores refrigerados por aire exhiben un rendimiento mejorado durante las horas nocturnas más frías. Hacer funcionar el sistema por la noche con temperaturas de condensación reducidas puede mejorar la eficiencia energética entre un 2 y un 8% en comparación con las operaciones diurnas (Figura 10).
Distribución de Aire frío para Ahorrar Costos: La implementación de aire de 44 °F en lugar del aire típico de 55 °F a través del Sistema de Banco de Hielo conduce a ahorros iniciales y continuos sustanciales. Los requisitos de flujo de aire reducidos significan reducciones del 20% al 40% en el costo y el tamaño de los manejadores de aire, motores, conductos y bombas. Además, este aire más frío promueve la comodidad en los ajustes de termostato de bajo consumo. Los estudios EPRI indican que dicho sistema puede reducir los costos operativos generales de HVAC entre un 20% y un 60%.
Despliegue Rápido y Mantenimiento Mínimo: Los tanques de Banco de Hielo son unidades modulares y fáciles de instalar que vienen con una garantía limitada de 10 años. Ofrecen flexibilidad en la colocación, en interiores, exteriores o incluso en configuraciones apiladas, y requieren un mantenimiento mínimo debido a sus componentes estáticos no corrosivos.
Beneficios Ambientales y de Proveedores
El Sistema de Banco de Hielo Ofrece una Doble Ventaja: Es beneficioso tanto para los proveedores eléctricos como para los usuarios finales. Operar fuera de las horas pico reduce significativamente la tasa de calor (BTU de combustible por kWh), lo que se traduce en hasta un 30% menos de consumo de combustibles fósiles (informe CEC). Esto resulta en una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, contribuyendo positivamente a la administración ambiental.
Al invertir en almacenamiento de energía térmica como el Sistema de Bancos de Hielo, las empresas no solo pueden reducir sustancialmente los costos operativos, sino que también contribuyen significativamente a la sostenibilidad ambiental.
Análisis del Retorno de la Inversión
Supuestos de Descripción de Instalaciones y Tarifas
Carga máxima de refrigeración de 400 toneladas
Día de enfriamiento de 10 horas
75% factor de diversidad
Cargo por demanda de servicios públicos de $ 13.00 / kW / mes
emporada de enfriamiento de 7 meses.
Desglose de Costos
Sistema Convencional: Se instalan dos enfriadores refrigerados por aire de 240 toneladas para proporcionar un factor de seguridad y redundancia.
(2) enfriador refrigerado por aire de 240 toneladas: $480,000*
Sistema de distribución aérea: $240,000
Costo total instalado: $720,000
(*) Los $ 1,000 / ton para enfriadores refrigerados por aire incluyen todos los accesorios como bombas, tuberías, controles, etc.
Sistema de Almacenamiento Parcial del Tamaño Correcto: Utiliza dos enfriadores refrigerados por aire de 160 toneladas y enfriamiento almacenado.
(2) enfriador refrigerado por aire de 160 toneladas: $320,000*
Sistema de almacenamiento refrigerado para bancos de hielo: $210,000**
Sistema de distribución aérea: $240,000
Costo total instalado: $770,000
(**) Los $ 150 / tonelada-hora para la instalación del tanque de hielo están al aire libre en una plataforma, con glicol, tuberías, controles, etc.
Diferencial de inversión inicial:
Diferencial total: $50,000
Cálculo del ROI
Ahorros anuales de los cargos por demanda:
(400-160) toneladas x 1,2 kW/tonelada x 7 meses x 13 kW USD = 26.208 USD
Período de amortización:
$50,000 / $26,208 = 1.9 años
Con un período de amortización de menos de 2 años, el sistema de almacenamiento parcial del tamaño adecuado presenta un caso convincente para la inversión, ofreciendo no solo ahorros de energía, sino también flexibilidad operativa y redundancia.
Análisis de Reducción de la Huella de Carbono
Al reducir la demanda máxima de 400 toneladas a 160 toneladas, hay menos tensión en la red eléctrica, que a menudo depende de plantas de pico menos eficientes e intensivas en carbono para satisfacer los altos niveles de demanda.
Ahorro de Emisiones de Carbono:
Reducción de la demanda máxima:
240 toneladas x 1,2 kW/tonelada = 288 kW
Factor de emisión para electricidad (promedio en los EE.UU.):
0,4 kg CO2/kWh
Ahorro de emisiones de carbono por hora:
288 kW x 0,4 kg CO2/kWh = 115,2 kg CO2
Ahorro de emisiones de carbono para la temporada de enfriamiento de 7 meses:
115,2 kg CO2/hora x 10 horas/día x 7 meses = 80.640 kg CO2
(Aprox. 81 toneladas métricas)
Beneficios Adicionales:
Al permitir el almacenamiento de energía fuera de las horas pico, el sistema también fomenta el uso de fuentes de energía renovables, que a menudo generan energía en las horas no pico.
Conclusiones
El almacenamiento de energía térmica, particularmente los sistemas de almacenamiento parcial del tamaño correcto, emerge como un cambio de juego para los edificios comerciales que consumen mucha energía. Esta tecnología no es solo una opción fiscalmente responsable, con un rápido período de recuperación de la inversión de menos de dos años, sino que también sirve como piedra angular en la búsqueda de la sostenibilidad. El sistema proporciona una reducción significativa de la huella de carbono, lo que se alinea perfectamente con los requisitos contemporáneos de cumplimiento de ESG.
Al cambiar el uso de electricidad a las horas de menor actividad, alivia efectivamente la tensión en la red y, al mismo tiempo, reduce los cargos por demanda. Esto posiciona su edificio como un cliente atractivo para los proveedores de energía, abriendo potencialmente las puertas para negociaciones de tarifas beneficiosas. El menor consumo de energía y las menores emisiones de gases de efecto invernadero contribuyen directamente a lograr el estado de construcción ecológica, haciendo que su propiedad sea más comercializable para los inquilinos y socios conscientes del medio ambiente.
En resumen, el almacenamiento de energía térmica no es solo una tecnología emergente; Es una inversión inteligente y con visión de futuro para los propietarios de edificios.
Recomendaciones
Realice un Estudio de Viabilidad: Antes de sumergirse en la instalación, consulte con ingenieros de energía para evaluar las necesidades y limitaciones específicas de su edificio. Esto garantiza que la tecnología se ajuste a sus requisitos operativos y objetivos de sostenibilidad.
Ajuste el Tamaño de sus Enfriadores: Opte por estrategias de almacenamiento parcial que le permitan "dimensionar correctamente" sus enfriadores. Este enfoque no solo minimiza la inversión de capital inicial, sino que maximiza los ahorros operativos y la eficiencia.
Negociar Tarifas de Energía: La tecnología mejora significativamente el "Factor de Carga" de su edificio, lo que lo convierte en un cliente atractivo para los proveedores de energía. Utilice esto como una palanca de negociación para asegurar tarifas de energía más favorables.
Preste Atención al ROI y al Período de Recuperación: Según las estructuras de costos actuales, el período de recuperación es notablemente corto, generalmente menos de dos años. Tenga esto en cuenta al planificar su presupuesto y los hitos de sostenibilidad.
Planifique el Crecimiento y la Escalabilidad: A medida que su edificio escala, la naturaleza modular del almacenamiento de energía térmica permite una fácil expansión, proporcionando una solución a prueba de futuro para la gestión de la energía.
Aproveche la Sostenibilidad para el Marketing: Una vez instalado, use su estado de edificio ecológico para atraer a inquilinos e inversores con conciencia ecológica. Esto podría traducirse en mayores tasas de alquiler y un mayor valor de la propiedad.
Mantenimiento Regular: Como cualquier sistema mecánico, el almacenamiento de energía térmica requiere un mantenimiento regular. Tenga en cuenta los costos de mantenimiento al calcular el ROI y establezca un programa de mantenimiento sólido después de la instalación.
Consultar Programas de Incentivos: Algunas regiones ofrecen incentivos financieros para iniciativas verdes. Investigue y solicite estos, ya que pueden compensar sustancialmente los costos iniciales de instalación.
Cumplimiento Legal: Asegúrese de que la tecnología cumpla con todas las regulaciones locales y federales, incluidas las relacionadas con la protección ambiental y los códigos de construcción, para evitar posibles sanciones o desafíos legales.
Involucrar a las Partes Interesadas: Mantener a los accionistas y ocupantes del edificio informados y comprometidos en el proceso de sostenibilidad puede facilitar la transición y generar defensores internos para sus iniciativas ecológicas.
Para concluir, para los propietarios de edificios intensivos en energía que buscan sostenibilidad, el almacenamiento de energía térmica no es solo una opción, es un imperativo estratégico que promete ahorros operativos sustanciales y un paso decisivo hacia un futuro más verde.