Tras más de cinco años de duración, el proyecto SWS-Heating ha desarrollado una unidad de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) que almacena la energía solar recolectada durante el verano para trasladarla a los periodos estacionales menos soleados, cubriendo así la demanda de calefacción y agua caliente sanitaria en los edificios situados en regiones con una disponibilidad solar limitada durante determinados meses del año. Posee una pérdida de calor mínima y puede cubrir hasta el 60% de las necesidades energéticas anuales de un edificio residencial.
La Universidad Técnica Nacional de Atenas (Grecia) ha sido la entidad encargada de coordinar el proyecto, en el que han colaborado tres entidades españolas: la Universidad de Lleida, E3G Ingeniería y Energía, y User Feedback Program S.L. En total, el consorcio del proyecto reúne a 16 entidades de 7 países diferentes.
El proyecto SWS-Heating se inició en junio de 2018 y finalizó el 30 de noviembre de 2023. El coste total de la iniciativa ha sido de 5.236.488,75 euros, con una cofinanciación del programa europeo Horizon 2020 de la Comisión Europea de 4.994.926,25 euros.
Objetivos del proyecto
El proyecto SWS-Heating arrancó con el objetivo de desarrollar un sistema de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) con un material de almacenamiento de sorbente integrado en una unidad STES de sorción multimodular compacta. Esto permitirá aprovechar la energía solar recolectada durante los periodos estacionales con mayor actividad solar, y autoabastecerse con esta energía durante los meses menos soleados.
El concepto de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) compacto solar selectivo – sorbente de agua (SWS ) se basa en la aplicación de una clase innovadora de material absorbente de agua integrado en una configuración inteligente con un sistema de control avanzado.
El calor solar se utilizará para proporcionar agua caliente sanitaria (ACS) hasta 60 °C, mientras que el resto se utilizará principalmente para cargar la unidad de almacenamiento estacional durante el verano, lo que permitirá almacenar el calor durante varios meses. Durante el invierno, el calor almacenado se utilizará preferentemente para calefacción de espacios y un calentador de respaldo funcionará solo cuando todo el calor almacenado se haya descargado por completo para cubrir la demanda de calor.
Incluyendo también el almacenamiento de calor para ACS, la recuperación del calor producido durante el ciclo de carga y el uso incluso de las cantidades de calor más bajas (entre 5 y 30 °C), el sistema permitirá alcanzar una fracción solar que actualmente no se puede lograr a un precio razonable y en un espacio reducido (por ejemplo, con colectores solares y TES a base de agua).
Así, esta tecnología de almacenamiento estacional de energía térmica (STES, por sus siglas en inglés) busca alcanzar y superar una fracción solar del 60% en el centro y norte de Europa, y del 80% en el sur de Europa, con un sistema STES compacto y de alto rendimiento a bajo coste. Así, la ambición de los investigadores es que el desarrollo de este sistema impulse la adopción generalizada de sistemas solares activos para uso residencial en cualquier parte del mundo, con independencia del tiempo o el clima.
Un material que almacena el calor solar durante meses
En la actualidad, los sistemas solares residenciales comercializados para calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria incluyen un acumulador de calor de corta duración. El depósito puede almacenar calor durante unas horas, prolongando el funcionamiento brevemente si se ciernen nubes o cuando cae la noche. Sin embargo, no puede adaptarse a zonas con menos luz solar durante todo el año, como el centro y el norte de Europa, ni al tiempo cada vez más lluvioso incluso en regiones históricamente soleadas debido al cambio climático.
Uno de los conceptos sencillos de STES que se está desarrollando se basa en depósitos de agua subterráneos de gran capacidad, pero los elevados costes de fabricación y los importantes requisitos de espacio limitan sus aplicaciones, sobre todo para las necesidades energéticas residenciales.
El equipo de SWS-Heating se centró en los sorbentes de agua selectivos (SWS, por sus siglas en inglés), que utilizan una sal inorgánica impregnada en una matriz porosa hospedadora para adsorber moléculas de agua. Se puede utilizar muchas matrices y sales para adaptar las propiedades a las aplicaciones. Además, los SWS tienen varias ventajas sobre otros sorbentes, como una mínima pérdida de calor, algo idóneo para aplicaciones de almacenamiento a largo plazo; alta densidad de almacenamiento de calor y producción de bajo coste.
Así, SWS-Heating ha desarrollado un nuevo material de SWS con una densidad de almacenamiento un 20% mayor que la de los materiales de SWS existentes. Además, no se degradó ni perdió capacidad de adsorción tras mil ciclos de ensayos de envejecimiento en condiciones de funcionamiento más severas que las reales.
Un intercambiador de calor de una sola placa (HEX, por sus siglas en inglés) para el SWS diseñado por el equipo de SWS-Heating puede utilizarse como adsorbente y desorbente, así como evaporador y condensador. Esto reduce considerablemente los costes, ya que solo se fabricará un tipo de HEX, montado de forma diferente para cada aplicación.
En concreto, el HEX adsorbente y desorbente de SWS-Haeting tiene un volumen adsorbente casi 3 veces mayor que el volumen de fluido transmisor térmico (2,73 frente a entre 1,1 y 1,4 de los HEX comerciales). Ello implica un adsorbente mucho mayor para atrapar moléculas de agua, lo que mejora la densidad de almacenamiento y el rendimiento del sistema. Además, los investigadores desarrollaron un control inteligente y adaptable para gestionar eficientemente el suministro y la demanda de calor.
En el marco del proyecto se diseñó y fabricó con éxito el prototipo integral SWS-Heating, que incluye su SWS, HEX y el sistema de control inteligente, lo que posibilitó probar el concepto en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Ratisbona (Alemania) y en el Real Instituto de Tecnología de Estocolmo (Suecia) con resultados satisfactorios. Su diseño podría suponer un gran avance para el sector residencial al permitir reducciones significativas de los costes energéticos y las emisiones, así como apoyar la independencia energética de la Unión Europea.
En el futuro, los investigadores de SWS-Heating esperan poder incluir mejoras en el sistema de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) desarrollado en el marco del proyecto, para almacenar energía solar durante periodos de tiempo aún más largos.