Un equipo de investigación en China ha desarrollado una estrategia optimizada de gestión energética para sistemas híbridos de bomba de calor (HP) eólica-fotovoltaica.
Su enfoque combina el almacenamiento de energía térmica y eléctrica con un marco de interacción energética estacional que incluye el preenfriamiento geotérmico en primavera, la refrigeración en verano, el precalentamiento geotérmico en otoño y la calefacción en invierno.
«La novedad de la metodología desarrollada en este trabajo es triple», afirman los investigadores. «En primer lugar, proponemos una nueva estrategia de gestión de la interacción energética. En segundo lugar, introducimos nuevos indicadores para evaluar la capacidad de interacción entre la potencia y la carga y las características de una red desconectada. En tercer lugar, llevamos a cabo optimizaciones en dos etapas para determinar la configuración óptima del sistema y el estado de control de la interacción dinámica semanal entre la potencia y la carga para los sistemas fotovoltaicos-HP y eólicos/fotovoltaicos-HP, teniendo en cuenta la tecnología, la economía y el medio ambiente».
El equipo basó su análisis en un edificio residencial de bajo consumo energético (LERB) en Shenyang, al noreste de China. El edificio de dos plantas y 334,8 m² se modeló utilizando TRNSYS y SketchUp. De los aproximadamente 160 m² de superficie del tejado, 130 m² eran aptos para la instalación fotovoltaica. La radiación solar por hora oscilaba entre 0 y 0,3 kWh/m², mientras que las temperaturas ambientales variaban entre –26,54 °C y 32,18 °C a lo largo del año.
El sistema híbrido eólico/fotovoltaico-HP también se modeló en TRNSYS. Incluye módulos fotovoltaicos de 550 W, turbinas eólicas de 3 kW, una bomba de calor geotérmica (GSHP), intercambiadores geotérmicos (GSE), una bomba de calor aerotérmica (ASHP), baterías de 40 kWh y un tanque de agua con materiales de cambio de fase (PCM). La electricidad renovable alimenta las bombas de calor, y el excedente de energía se almacena en baterías o se exporta a la red. La GSHP sirve como unidad de suministro principal, mientras que la ASHP proporciona calefacción o refrigeración secundaria.
Los investigadores evaluaron cuatro escenarios: un sistema de referencia sin estrategias de interacción avanzadas (caso 1); el caso 1 más la estrategia de interacción y la ASHP (caso 2); el caso 2 más la optimización en dos etapas y la energía fotovoltaica (caso 3); el caso 3 más la generación eólica (caso 4).
La primera etapa de optimización utilizó el algoritmo NSGA-II para el dimensionamiento del sistema; la segunda aplicó la optimización de enjambres de partículas para gestionar el estado de carga semanal de la batería.
Se diseñaron estrategias de interacción estacionales para maximizar el uso de energías renovables. En primavera y otoño, el preenfriamiento y el precalentamiento geotérmicos ayudan a regular la temperatura del suelo. En verano, la electricidad renovable impulsa la refrigeración y el almacenamiento térmico. En invierno, la previsión de la carga para el día siguiente y la gestión de la batería mantienen la calefacción y reducen la dependencia de la red.
Los científicos descubrieron que la adopción de la estrategia de interacción mejoraba la interacción entre la energía y la carga del sistema y permitía un rendimiento energético nulo. El factor de carga de energía alcanzó 1,45 y 1,34, mientras que el factor de independencia del sistema se redujo en un 75,15 % y un 69,82 % en los casos de PV-HP y eólico/PV-HP, respectivamente. El costo nivelado de la energía se redujo al menos en un 54,70 % y el rendimiento del sistema aumentó al menos en un 4 %. La temperatura del suelo disminuyó solo 0,42 °C en diez años, lo que mitigó el desequilibrio del suelo a largo plazo.
La configuración óptima para el sistema eólico/fotovoltaico-HP incluye 13,12 kW de energía fotovoltaica, dos aerogeneradores, 25,46 kWh de baterías, una GSHP de 6,17 kW y un tanque de agua de 2,76 m³. La capacidad fotovoltaica en el caso fotovoltaico-HP es un 18,14 % mayor que en el caso híbrido eólico/fotovoltaico-HP.
«La optimización de la segunda etapa determina el estado de control de la interacción dinámica semanal de la potencia a la carga basándose en la configuración optimizada del sistema», subrayaron los investigadores. En comparación con la primera etapa, la optimización de la segunda etapa redujo el SIF en un 15,00 % y un 16,00 %, disminuyó el LCOE en un 4,70 % y un 4,62 %, aumentó la tasa de autoconsumo en un 5,88 % y un 4,76 %, y elevó las emisiones de carbono en un 4,70 % y un 4,62 % en los casos fotovoltaico-bomba de calor y eólico/fotovoltaico-bomba de calor -HP, respectivamente.
El sistema se presentó en «An optimized energy management strategy for wind-PV hybrid heat pump systems with dual storage: Enhancing power-to-load interaction» (Una estrategia optimizada de gestión energética para sistemas híbridos de bomba de calor eólica-fotovoltaica con doble almacenamiento: mejora de la interacción entre la energía y la carga), publicado en Energy. Científicos de la Universidad Jianzhu de Shenyang y la Universidad Jiao Tong de Shanghái (China) han llevado a cabo la investigación.
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