Las bombas de calor y la energía fotovoltaica reducen a la mitad el consumo y las emisiones de CO2 en edificios inteligentes

Como parte del proyecto «Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach«, se han iniciado los trabajos de construcción de un concepto innovador de suministro de energía para cinco edificios multifamiliares, en los que el suministro convencional actual está siendo reemplazado por un sistema de energía que utiliza dos bombas de calor, sistemas fotovoltaicos (PV), estaciones de energía térmica tipo bloque de gas natural (CHP) y administración de energía con detección de errores basada en inteligencia artificial (AI). El objetivo es reducir a la mitad el consumo de energía primaria y las emisiones de CO₂ asociadas y probar un concepto de operador económico.

En el proyecto, financiado por BMWi, Volkswohnung y Stadtwerke Karlsruhe, cuenta con el apoyo del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) y el Instituto de Sistemas Técnicos Sostenibles INATECH de la Universidad Albert-Ludwigs-Friburgo en el desarrollo del concepto y el respaldo científico a la operación.

El concepto de energía desarrollado para la renovación energética se basa en una combinación de tecnologías comprobadas. Por ejemplo, los sistemas fotovoltaicos se instalan en los techos de todos los edificios. Tres de los edificios están conectados a una tubería de calor local, en la que dos unidades de gas natural CHP alimentan el calor. Un prerrequisito esencial para la implementación del concepto es el enfoque de vecindario, es decir, la conexión en red de varios edificios tanto a través del intercambio de energía como de una gestión y control operativo integral.

Los sistemas de bomba de calor descentralizada suministran a dos edificios fuentes de calor innovadoras: una bomba de calor grande de múltiples fuentes (aire exterior, sondas geotérmicas), que se está desarrollando en el proyecto de investigación “LowEx in stock-HEAVEN”, y un sistema de bomba de calor con colectores fotovoltaico-térmicos como fuente de calor. Hasta ahora, las bombas de calor solo se han utilizado raramente en edificios de apartamentos existentes. La integración en los edificios de apartamentos existentes es técnicamente exigente en términos de nivel de temperatura, disponibilidad de fuentes de calor y suministro de electricidad renovable.

“La combinación de bombas de calor con energía fotovoltaica y una planta combinada de calor y energía, junto con el almacenamiento de calor, tiene un gran potencial tanto en términos energéticos como económicos. Con un diseño óptimo, las empresas de vivienda pueden operar económicamente como parte de un modelo de contratación”, dice Stefan Storz, director general de Volkswohnung.

Para crear el concepto del sistema energético, Fraunhofer ISE simuló el distrito con todos los productores y consumidores y el concepto de suministro se optimizó de tal manera que las emisiones de CO₂ del consumo de gas natural y electricidad de la red se redujeron al mínimo y se logró la rentabilidad requerida para los inquilinos.

Esto se logra, entre otras cosas, mediante la gestión inteligente de la energía, que controla las bombas de calor y el funcionamiento de CHP de tal manera que las bombas de calor pueden funcionar preferiblemente con electricidad fotovoltaica o CHP autogenerada. Para optimizar las operaciones, se están desarrollando y probando nuevos algoritmos de detección de errores, que se basan en procesos de inteligencia artificial.

«Los resultados de la simulación muestran que la integración inteligente de las tres tecnologías significa un ahorro de CO₂ de más del 50% y, al mismo tiempo, se puede esperar un alto nivel de eficiencia para el operador», dice Manuel Lämmle de Fraunhofer ISE en Friburgo.

El monitoreo asegura una operación óptima

Como parte del proyecto, el Instituto INATECH de la Universidad de Friburgo y Fraunhofer ISE están instalando un sistema de monitoreo y evaluando los datos de medición recopilados durante tres años de operación. «La medición precisa y la documentación de los ahorros logrados por el nuevo concepto de energía deberían apoyar a tantas compañías del sector de la vivienda como sea posible para decidir invertir también en conceptos de suministro ambiciosos y amigables con el clima», explica Stefan Hess, líder del grupo de investigación en INATECH.

Según BMWi, el consumo de energía relacionado con la construcción en Alemania es alrededor del 35% del requerimiento total de energía final. El 54% de los apartamentos y el 41% del espacio habitable total se encuentran en edificios de apartamentos. Estos se calientan principalmente con gas natural. El sector de la construcción y el concepto energético del Smart Quarter Karlsruhe-Durlach tienen un gran potencial para reducir las emisiones de CO₂.