Análisis y optimización de dos sistemas de refrigeración avanzados de CO2 conectados a sistemas geotérmicos

Abstract

Los supermercados usan grandes cantidades de energía; aproximadamente 3% de la electricidad consumida en Suecia se usa en supermercados (1,8 TWh/year) para abastecer las altas demandas de refrigeración, calefacción y aire acondicionado que tienen. Esto los hace grandes emisores de gases que afectan al calentamiento global. Para evitar este impacto negativo en el medio ambiente, el primer paso es pasar de usar refrigerantes artificiales a usar refrigerantes naturales. El CO2 es el refrigerante perfecto ya que es un producto secundario de la generación de energía y puede reusarse como refrigerante antes de expulsarlo a la atmósfera. Es barato, seguro y tiene un potencial de agotamiento del ozono (ODP) y un índice GWP de 1. Cuenta con ventajas termofísicas para el ciclo de refrigeración debido a las grandes presiones de trabajo. Como se puede observar en la Figura 1a, el punto crítico se encuentra a una presión de 73.8 bars y una temperatura baja de 31.06 ºC. Debajo del punto crítico (región subcrítica) la temperatura y presión están relacionadas a través de la curva de saturación. Por encima del punto crítico (región supercrítica) no hay relación entre temperatura y presión y están definidas individualmente. El CO2 tiene mayor presión de trabajo que otros refrigerantes. Esto proporciona una mayor densidad de vapor que refrigerantes con similar calor latente de vaporización/condensación, lo que se traduce en el uso de menor cantidad de caudal volumétrico de vapor para conseguir una determinada refrigeración. Consecuentemente, los componentes serán más compactos. Además, las altas presiones de trabajo tienen la ventaja de que, si la presión cae, el efecto en la temperatura de saturación será menor que en otros refrigerantes. Los componentes especialmente diseñados para trabajar con el CO2 están cada vez más disponibles y a precios más competitivos. Esto ha ampliado las posibilidades del uso de CO2 y como se puede usar eficientemente. Hasta ahora se ha usado con sistemas de refrigeración indirectos, en cascada y transcríticos, aunque los sistemas booster de CO2 transcrítico se han convertido en la solución estándar para sistemas de refrigeración en supermercados en nuevas instalaciones en países europeos, principalmente en los países escandinavos. El sistema booster de CO2 transcrítico es un sistema avanzado conocido como sistema energético “all-in-one”. Está diseñado para proporcionar todas las demandas térmicas del supermercado: aire acondicionado, refrigeración, calefacción y producción de agua caliente. Consume menos energía gracias a la integración de todas las características en un sistema en vez de usar soluciones independientes para cada demanda. Además, este sistema puede incorporar modificaciones que aumenten la eficiencia como la conexión vertical a través de agujeros en el suelo para un almacenamiento térmico estacional. Este proyecto se enfoca en el sistema booster de CO2 transcrítico con almacenamiento geotérmico. En él se investigan dos sistemas avanzados de energía instalados el año pasado en dos supermercados en Moraberg-Södertälje y Stenhagen-Uppsala. Para la realización de este proyecto, en primer lugar, se ha llevado a cabo una búsqueda de información para conocer la forma óptima de controlar este tipo de sistemas. La recopilación se ha basado en investigaciones llevadas a cabo o que actualmente se están realizando. Una vez conocido que era lo que se debía esperar obtener en los sistemas instalados en ambos supermercados de Suecia, se extrajeron los datos de las mediciones de campo durante un año, se sincronizaron y filtraron. Con los datos de las mediciones de campo sincronizados y ordenados se ha llevado a cabo un análisis de la eficiencia de los sistemas y se ha investigado de qué forma se están controlando actualmente. Así mismo se ha realizado un modelo del sistema geotérmico que permite estudiar cómo se comportará el sistema a largo plazo. Posteriormente, se ha realizado una comparativa a la forma óptima de control y se han propuesto opciones para optimizar el sistema. En la segunda parte del proyecto se comparan estos sistemas de refrigeración avanzados con las soluciones individuales típicas que abastecen cada demanda individualmente.