Ducharse al sol: aprovechamiento de excedentes de fotovoltaica de autoconsumo para la producción de Agua Caliente Sanitaria en una Passivhaus

Publicado por Oliver Style

STYLE, Oliver; FULCARÀ, Vicenç; CLAVERO, Bega

RESUMEN

Se presenta la implementación de una instalación fotovoltaica de autoconsumo en una vivienda unifamiliar con certificación Passivhaus Classic, en donde se desvían los excedentes de la producción fotovoltaica a una resistencia eléctrica en el depósito de Agua Caliente Sanitaria. Dado las trabas burocráticas para el autoconsumo con balance neto en nuestro país y la necesidad de reducir el tiempo de amortización de una instalación fotovoltaica, se ha diseñado e instalado un sistema que permite convertir la energía eléctrica que no se auto-consume en la vivienda, en energía térmica en el depósito de ACS para su uso posterior. Ya que los consumos de ACS son casi siempre superiores a los de climatización en una Passivhaus, una solución de este tipo reduce la factura energética y aprovecha una fuente de energía renovable para producir agua caliente, evitando muchos de los problemas de mantenimiento que suelen sufrir los sistemas de energía solar térmica.

Introducción

En comparación con edificios convencionales, los edificios Passivhaus monitorizados demuestran una reducción muy importante en los consumos de climatización y electricidad [1]. Este hecho mejora la viabilidad económica de generar energía renovable in-situ con la fotovoltaica, ya que se necesita un generador de menor potencia y menor superficie en cubierta, que siempre es un limitante. La reducción de los consumos de calefacción también pone en relieve la importancia de atacar el consumo de Agua Caliente Sanitaria, con las altas pérdidas que conlleva su producción, almacenamiento, distribución y recirculación [2]. En un país con un recurso solar inmenso y en donde las actuales políticas del estado impiden el autoconsumo con balance neto, volcar los excedentes de la producción fotovoltaica de autoconsumo (sin inyección a red) a una resistencia eléctrica en el depósito de ACS es una manera de aumentar el aprovechamiento de la fotovoltaica y reducir la factura por ACS usando energías renovables. Se presenta la implementación de esta solución en una vivienda situada en la ciudad de Girona, diseñada por Tigges Architekt y Energiehaus Arquitectos, que consta de 180 m2 de superficie útil. La obra se terminó en agosto del 2017, recibiendo la certificación Passivhaus Classic en diciembre del mismo año (Figura 1).

Planteamiento inicial: ¿desconectamos de la red?

En fase de proyecto se estudió la viabilidad de prescindir por completo de la conexión a red, a través de un cálculo de coste de ciclo de vida, de un sistema fotovoltaico aislado con baterías y un grupo electrógeno de apoyo, con diferentes tamaños de generador. Los resultados del estudio se ven en la Figura 5. Gracias al consumo casi nulo de la vivienda bajo estándar Passivhaus, y con una buena orientación e inclinación en cubierta para el generador, se calculó que con 5kWp (20 placas 250Wp) se necesitaría tan solo la aportación de un 2% del grupo electrógeno (durante los meses de invierno). Con un generador de 4kWp (16 placas), una aportación del 6% desde el grupo; y con un generador de 3,5kWp (14 placas), 10% del grupo. Esto se refleja en que el coste de ciclo de vida es menor para el sistema fotovoltaico aislado, comparado con la conexión a red. A pesar de estos resultados, se descartó la opción de un sistema desconectado de la red, debido principalmente al alto coste de la inversión inicial. La solución escogida se describe a continuación, con un análisis previo de los consumos previstos y el peso importante del ACS y sus pérdidas. 

El ACS, sus pérdidas y la factura energética

Aún con un sistema de ACS bien diseñado, altamente aislado y correctamente ejecutado, las pérdidas siguen siendo importantes. Para demostrar esto, se ha realizado una serie de cálculos con el PHPP de la vivienda, para determinar las demandas, consumos (tomando en cuenta el rendimiento de la bomba de calor) y la factura energética. Para el cálculo de la factura, el precio de la energía de la red se ha calculado en 0,21 €/kWh. Adicionalmente, se ha hecho un análisis de la demanda de ACS y las pérdidas por categoría. La Tabla 1, Tabla 2,  Figura 6 y Figura 7 muestran los resultados. 

Se aprecia que el consumo de ACS aparece como el segundo más importante, un 34 % del total. Respecto a la demanda de ACS y las pérdidas, tan solo un 33% se debe a la demanda, y 67 % a las pérdidas, con 44 % por la recirculación, 18 % por las tuberías individuales, y 5 % por el depósito. El consumo total anual previsto para ACS es de 1.764 kWh, siendo una media de 147 kWh/mes.

Tabla 1: Demanda, consumo y factura energética prevista por categoría, según el PHPP

Tabla 2: Demanda de ACS y pérdidas, según el PHPP

Planteamiento final: fotovoltaica de autoconsumo con producción de ACS

Se optó por un sistema que incorpora lo siguiente: un generador fotovoltaico con 12 módulos policristalinos de 265 W potencia nominal y una potencia pico de 3,18 kWp (Figura 2), con un inversor de 3kW. Los módulos están inclinados a 17º, orientados perfectamente a sur. El principal equipo de producción de ACS es una bomba de calor aire-agua de 6kW de potencia nominal, con un depósito de ACS de 500 litros, con una resistencia eléctrica de 3 kW (Figura 3). La producción de ACS es instantánea. 

Hay un sistema de control que monitoriza el consumo de electricidad de la casa y la producción fotovoltaica (Figura 4), enviando excedentes de la producción que no se consume de manera instantánea, a la resistencia eléctrica en el depósito de ACS. La potencia de la resistencia se modula a través de un regulador de tensión, debido a que la potencia de salida del generador fotovoltaico varía continuamente según el nivel de radiación solar, y el excedente disponible depende del consumo de electricidad momentáneo de la vivienda. 

Los datos de monitorización disponibles al momento de redacción, para el mes de mayo 2018, muestran que se desvió 774 kWh de producción fotovoltaica a la resistencia eléctrica en el depósito de ACS. Lógicamente no se aprovechará el 100 % de esta energía, al menos de que al consumo de ACS sea igual o mayor. El consumo medio mensual se calcula entorno a los 147 kWh/mes. Esto implica que la desviación de producción excedente de la fotovoltaica al ACS es capaz de cubrir el 100% del consumo de ACS durante los meses de verano (Mayo – Septiembre). Durante el mismo mes de mayo se alcanzaron temperaturas superiores a 60ºC en el depósito de ACS gracias a la aportación de la fotovoltaica.

Figura 1: Vista de la fachada sur de la vivienda

Figura 2: Vista del generador fotovoltaico de 3,18 kWp

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Figura 3: Depósito de ACS con resistencia eléctrica de 3 kW

Figura 4: Cuadro de control y domótica

Figura 5: Coste de ciclo de vida de la desconexión de la red

Figura 6: Factura energética prevista por categoría, según el PHPP

Figura 7: Factura energética prevista por categoría

Figura 8: Demanda de ACS y pérdidas

 

Discusión y conclusiones

Passivhaus se complementa muy bien con la generación de energía renovable in-situ mediante la fotovoltaica, y responde a la principal definición de un edificio de consumo casi nulo según la Directiva Europea 2010/31/EU, de un “edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto (…). La cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno” [3]. A través del caso presentado, se aprecia lo siguiente:

  • Es necesario prestar especial atención a los consumos de ACS en una Passivhaus, que suelen superar ampliamente los consumos de climatización.
  • El importante peso de las perdidas en el sistema de ACS por recirculación requiere su control para que solo se recircule cuando hay ocupación.
  • Con un generador fotovoltaico de autoconsumo de ~ 3kWp y buena orientación e inclinación, es posible cubrir gran parte del consumo de ACS durante los meses de verano con un sistema de este tipo. Si hay una sola bomba de calor para la producción de ACS y refrigeración, esto libera la bomba de calor de tener que producir calor para calentar agua en verano, dejándola para la producción de frío únicamente. La histéresis puede ser de unas 3 horas entre que produce calor a que produzca frío, cosa que puede incidir en el sobrecalentamiento de la vivienda.
  • Asumiendo un precio de la electricidad de 0,19 €/kWh (restando 0,02 €/kWh para la parte proporcional de la potencia contratada), se puede estimar que el sistema descrito aquí genera un ahorro de unos 140 € en la producción de ACS durante los meses de verano para una vivienda unifamiliar.  

Una aportación de Progetic

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Feist W., Peper S., 2015, “Energy efficiency of the Passive House Standard: Expectations confirmed by measurements in practice”. Passive House Institute Dr. Wolfgang Feist, Rheinstraße 44/46, 64283 Darmstadt, Alemania.

[2] Grant N., Clarke A., 2010, “The importance of hot water system design in the Passivhaus”. Elemental Solutions, Withy Cottage, Little Hill, Orcop, Hereford, HR2 8SE, Reino Unido.

[3] Parlamento Europeo, 2010, “DIRECTIVA 2010/31/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO, de 19 de mayo de 2010 relativa a la eficiencia energética de los edificios (refundición)”.

 

 

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