Hibridación de energía fotovoltaica con bombas de calor y almacenamiento en perforaciones

Un grupo de científicos europeos ha tratado de combinar la energía fotovoltaica-térmica (PVT, por sus siglas en inglés) acoplada a una bomba de calor (HP) y al almacenamiento de energía térmica en perforaciones (BTES) para alimentar una granja porcina italiana.

“Esta investigación es significativa y oportuna, ya que faltan sistemas integrados en el sector agrícola que combinen colectores PVT con BTES y bombas de calor”, explicaron, y añadieron que el trabajo combina “tecnologías de vanguardia para abordar los retos energéticos del sector agrícola, examinando la sinergia entre la generación de energía solar, el almacenamiento térmico eficiente y la aplicación de bombas de calor”.

El novedoso sistema se instaló para dar apoyo al establo de un vivero de una granja situada en la provincia de Módena, al norte de Italia. Antes de la puesta en marcha del proyecto, el establo consumía 90 MWh anuales de gas licuado de petróleo (GLP), de los cuales 30 MWh se destinaban a calefacción y 60 MWh a agua caliente sanitaria. Según los investigadores, la calefacción no es necesaria en verano.

Los científicos construyeron un sistema que utilizaba 24 colectores PVT basados en células monocristalinas y un absorbedor térmico. Cada uno tenía una potencia máxima de 320 W, para una capacidad total del proyecto de 25 kW de calor y 7,68 kW de electricidad, utilizándose esta última para alimentar las necesidades del granero y la bomba de calor. La bomba de calor agua-agua de 35 kW utiliza una mezcla de agua y glicol anticongelante con una concentración del 35%.

“El sistema PVT se diseñó para utilizar la energía térmica de los colectores para calentar el fluido caloportador (HTF)”, explicaron. “A continuación, el fluido calentado se conducía al acumulador de energía térmica de perforación (BTES) mediante tuberías en U, donde el calor se almacenaba en el acuífero arenoso poco profundo. Otro conjunto de tuberías en U estaba presente en el BTES para transferir el calor almacenado al lado frío del HP”.

En ese sistema, el BETS se utiliza como almacenamiento de calor estacional que puede calentar el granero en los meses de invierno. La perforación tiene una capacidad de almacenamiento de 22 MWh, en un volumen de 5.405 m3. Todas las operaciones del sistema están controladas y optimizadas por una central solar (SC) desarrollada para este proyecto.

“Se diseñó una SC novedosa y modular para conseguir un diseño estandarizado que sirviera de base para otras instalaciones del proyecto RES4LIVE”, declaró el grupo. “Esto se hizo para abordar una de las principales barreras a la adopción de tecnologías solares térmicas y fotovoltaicas, que es la relativa complejidad de su instalación y configuración en comparación con los sistemas convencionales.”

Como el sistema se instaló hace poco, los científicos pudieron proporcionar resultados térmicos y análisis BTES para mayo y junio de 2023. Sin embargo, debido a la normativa local, no pudieron realizar la medición eléctrica y, por tanto, utilizaron un software para simularla.

Según su análisis, la energía térmica total producida por el sistema PVT fue de 1.807 kWh en mayo y de 2.200 kWh en junio. “El análisis de la producción de calor reveló que la energía térmica disponible para el almacenamiento durante mayo fue inferior a la de junio, lo que podría atribuirse a la menor cantidad de insolación”, destacaron.

En cuanto al sistema BTES, los científicos comprobaron que todo el calor se mantenía dentro de los límites de la perforación sin disiparse debido al flujo de agua subterránea. Mediante simulaciones numéricas, también llegaron a la conclusión de que los acuíferos pueden manejar mucha más energía solar térmica para soportar una PVT de hasta 50 kW.

La producción de electricidad, según las simulaciones, fue de 0,86 MWh en mayo y de 1,11 MWh en junio. “El proyecto permitió sustituir el consumo de energía fósil del vivero por una fuente de energía renovable (FER) y medidas adicionales de mejora de la eficiencia, con lo que se redujeron 20.850 kg de CO2 al año”, afirman los científicos.

Sus conclusiones se recogen en el estudio “Experimental assessment of a solar photovoltaic-thermal system in a livestock farm in Italy” (Evaluación experimental de un sistema solar fotovoltaico-térmico en una explotación ganadera en Italia), publicado en Solar Energy Advances. El grupo está formado por investigadores de la Universidad sueca de Gävle y MG Sustainable Engineering, así como de la Universidad italiana de Bolonia.

El sistema, que se encendió en abril de 2023, forma parte del proyecto de fuentes de energía renovables para la ganadería (RES4LIVE), financiado por el programa Horizonte 2020 de la UE.