El sector de la construcción representa el 40% del consumo total de la energía en toda Europa y tiene la intención de ser casi cero en 2050. Para lograrlo, el proyecto europeo SCORES ha demostrado un sistema de energía híbrido integrado que combina soluciones que captan energía solar térmica y fotovoltaica, almacenan electricidad y la convierten en calor, almacenan calor y gestionan los flujos de energía en el edificio, brindando nuevas fuentes de flexibilidad a la red. La demostración ha tenido lugar con éxito en dos edificios reales, uno en Austria y otro en Francia.
Alcanzar el objetivo de consumo de energía casi nulo para 2050 exige aumentar la proporción de energía renovable generada a nivel local y autoconsumida en la construcción y el almacenamiento híbrido —es decir, electricidad y calor—, indispensable para crear flexibilidad.
En este contexto nació en 2017 el proyecto SCORES (acrónimo de Self Consumption Of Renewable Energy by hybrid Storage systems), cuyo objetivo es demostrar que los edificios autónomos o los vecindarios con energía y calefacción inteligentes, incluidas las opciones de almacenamiento de energía, ofrecen una solución prometedora.
Se trata, por tanto, de un enfoque interdisciplinario que engloba tres líneas de desarrollo de tecnologías y tres líneas de integración y demostración.
El consorcio de SCORES
El proyecto SCORES vio la luz en noviembre de 2017 y finalizó en abril de 2022. Para su desarrollo, ha contado con un presupuesto de 5.998.598,75 euros financiados en su totalidad por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea.
El consorcio está formado por actores clave en el campo de las tecnologías integradas en el proyecto, actores que representan a los OEM (Original Equipment Manufacturers), es decir, a los socios con más peso en la cadena de valor de la futura explotación del sistema de energía híbrido.
Bajo la coordinación de la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada (TNO), los socios de SCORES son EDF, Campa, Siemens, König Metall, AEE Intec, RIA, Stadtwerke, Fenix.tnt, IPS (Instituto Politécnico de Setúbal), Heliopac y Forsee Power.
Combinación de tecnologías
El conjunto de tecnologías integradas en el proyecto incluye energía solar térmica, fotovoltaica solar, bombas de calor agua y aire-aire, un sistema de batería de iones de litio de segunda vida para el almacenamiento de electricidad, un sistema de batería de calor redox para almacenamiento de calor, materiales de cambio de fase (PCM) para almacenamiento térmico compacto y un depósito de inercia bien aislado para almacenar agua caliente sanitaria durante más de una semana con pérdidas mínimas.
Las tecnologías de demostración y los prototipos desarrollados en los primeros años de SCORES se instalaron en dos edificios de demostración, uno en Francia y otro en Austria. En cada ubicación se realizó un sistema de gestión de energía de edificios programado para optimizar el autoconsumo total de energía de los edificios. Además, se diseñó un modelo de software que se utilizó para evaluar futuros sistemas de energía híbridos a gran escala.
Debido a la pandemia de 2020, el proyecto se vio obstaculizado en su fase de puesta en marcha. Aunque no se pudo completar el programa de prueba completo, sí que se pudo obtener y difundir mucha experiencia con el desarrollo y la integración de sistemas híbridos de energía en talleres y sesiones de capacitación.
No obstante, la implementación del sistema SCORES ya ha generado importantes ahorros energéticos y financieros, incluso con menos de un sistema completo. Especialmente exitosa ha sido una tecnología de almacenamiento de calor doméstico que ha dado lugar a Newton Energy Solutions, una empresa que actualmente comercializa esta solución.
Basándose en datos de prueba y simulaciones, el equipo desarrolló algoritmos para impulsar un sistema de gestión de energía para edificios que conectaba, controlaba y optimizaba las diversas tecnologías para equilibrar el suministro con el consumo. Las tecnologías más innovadoras se demostraron físicamente a una escala relativamente pequeña, mientras que los datos del proyecto se utilizaron para simular sistemas a escala completa.
Como ya se ha comentado, la demostración del sistema de energía híbrido integrado se ha llevado a cabo en dos edificios reales representativos de diferentes configuraciones de sistemas de clima y energía para tres casos: en el sur de Europa (Francia) sin red de calefacción y en el norte de Europa (Austria) con red de calefacción y sin ella.
Demostrador francés
Los primeros sitios de demostración de las tecnologías SCORES se encuentran en el sur de Francia, en Agen, donde se ha construido un nuevo edificio de última generación que consta de 115 pequeños apartamentos y áreas colectivas para jubilados.
Una de las tecnologías aplicadas fue el sistema de calefacción de espacios (SHS, Space Heating System), basado en calentadores eléctricos con subsistema PCM instalados en uno de los apartamentos.
Por su parte, el sistema de agua caliente sanitaria (DHWS, Domestic Hot Water System) se compone de dos subsistemas que trabajan en estrecha colaboración para satisfacer las necesidades de agua caliente sanitaria (ACS) del edificio. Los subsistemas que forman parte del DHWS incluyen dos tecnologías SCORES: una planta fotovoltaica y una bomba de calor agua-agua.
Se integró también un sistema de conversión y almacenamiento de electricidad (ESCS, Electricity Storage and Conversion System), compuesto por baterías de segunda vida, lo que permite la recolección y el almacenamiento de energía eléctrica. La planta fotovoltaica del subsistema entrega la energía eléctrica hacia el ESCS.
Por último, se incorporó un sistema de gestión de datos y energía (EDMS, Energy and Data Management System), compuesto por dos subsistemas que trabajan en estrecha colaboración para permitir la optimización de las tecnologías SCORES hacia el autoconsumo, la autogeneración y la flexibilidad de la red. Aquí se incluye un subsistema de administración de energía del edificio y otro de monitorización de la demostración.
Las simulaciones para el edificio de demostración francés mostraron que la integración de sistemas de bomba de calor aire-aire y bomba de calor agua-agua, con energía fotovoltaica como fuente, logró una reducción neta del 37,7% en el consumo de electricidad de la red. Agregar paneles fotovoltaicos montados en el techo aumentó el ahorro al 56%.
El equipo SCORES descubrió que incluir tres tecnologías de almacenamiento en esta simulación, es decir, la batería eléctrica de segunda vida, los elementos de almacenamiento PCM y una batería de calor redox mejorada para el almacenamiento de calor, conduciría a reducciones netas de hasta el 60%, si se optimizara únicamente para el consumo del edificio.
Demostración austriaca
El segundo sitio de demostración de las tecnologías SCORES se encuentra en Gleisdorf, en Austria, concretamente en un edificio residencial ya existente conectado tanto a la red eléctrica como a la red de calefacción local.
En este caso, el sistema de calefacción espacial (SHS) se compone de un subsistema que ya está instalado en el edificio de Gleisdorf. El sistema de calefacción de espacios existente tal como está instalado no es parte del sistema SCORES, sin embargo, interactúa con el sistema SCORES.
El Sistema de Agua Caliente Doméstica (DHWS) se compone de un subsistema que proporciona agua caliente sanitaria para cada apartamento y oficina del bloque de edificios en Gleisdorf. Tampoco forma parte de la demostración; sin embargo, sí interactúa con el sistema SCORES.
El sistema de bomba de calor (HPS) es un sistema de calentamiento de agua centralizado con bomba de calor agua-agua, instalado por el equipo SCORES. Este sistema proporciona el agua caliente necesaria para la calefacción de espacios y el consumo de agua caliente sanitaria en el edificio de Gleisdorf. La fuente térmica de las bombas de calor es una red de agua a baja temperatura.
El sistema de almacenamiento de calor a largo plazo (LHSS) se compone de un subsistema que trabaja en estrecha colaboración con los subsistemas que proporcionan agua caliente sanitaria al edificio. La parte del subsistema del LHSS incluye la tecnología de combustión en bucle químico (CLC).
Por su parte, el sistema de conversión y almacenamiento de electricidad (ESCS) de la demostración se compone de tres subsistemas que trabajan en estrecha colaboración para permitir la recolección y el almacenamiento de energía eléctrica.
El Sistema de Gestión de Energía y Datos (EDMS) está compuesto por dos subsistemas, uno administra la energía del edificio y el segundo monitoriza la demostración. El EDMS permite la optimización de las tecnologías SCORES hacia el autoconsumo, la autogeneración y la flexibilidad de la red.
Para la simulación austriaca, el equipo descubrió que el uso de una sola bomba de calor ya podría producir un ahorro de energía del 70%. Todas estas reducciones estuvieron muy por encima del objetivo del 30%, incluso antes de incluir cualquier tecnología de almacenamiento.
Batería de calor redox
El calor redox es un sistema modular de almacenamiento de calor. Puede implementarse fácilmente en una casa unifamiliar, un edificio de apartamentos o un vecindario y escalarse al tamaño adecuado. La tecnología ha sido desarrollada por TNO y su demostración en el entorno de construcción se ha llevado a cabo en el proyecto SCORES.
La batería de calor redox utiliza las reacciones de reducción y oxidación para almacenar calor. En esta tecnología, el núcleo de metal se oxida usando aire, mientras que el calor generado se usa para suministrar agua caliente sanitaria y calefacción. Después de la reacción, el núcleo se regenera mediante el suministro de hidrógeno producido por electricidad renovable. Este funcionamiento cíclico permite utilizar este sistema de almacenamiento de energía de forma similar a como actualmente se utiliza una batería recargable estándar doméstica, con la diferencia de almacenar calor en lugar de electricidad.
Impacto del proyecto
El sistema SCORES ofrece múltiples beneficios, incluidas la reducción de las emisiones de CO2, la autosuficiencia energética y la estabilidad de la red. Las innovaciones también podrían generar baterías mejoradas para vehículos eléctricos, así como ayudar a aumentar la competitividad y el empleo para la industria energética europea.
Si bien la mayoría de las tecnologías del proyecto requieren más investigación antes de su comercialización, las bombas de calor agua-agua junto con los colectores térmicos fotovoltaicos ya están disponibles en el mercado.
“Para que los sistemas híbridos de almacenamiento de energía ganen más aceptación, debemos superar la barrera de su inversión inicial relativamente alta. Para ello, los gobiernos podrían ofrecer subsidios y mejorar las leyes y reglamentos. También debemos comunicar de manera más efectiva sus ventajas a los consumidores”, explica el coordinador del proyecto, Erwin Giling, de TNO.
Con el fin de difundir sus logros, SCORES lanzó una serie de ocho vídeos educativos que ofrecen información sobre las tecnologías del proyecto. Además, IPS, socio del consorcio, organizó un curso de formación y un seminario sobre los sitios de demostración, mientras que otro socio, EDF, organizó un taller sobre políticas.