Apunt monogràfic: infraestructura de transport amb retorn energètic.

Túnels ferroviaris subterranis i carreteres locals són infraestructures adequades per instal·lar-hi elements de recuperació o de captació de calor que permetin subministrar climatització als edificis dels voltants. Veurem aquí quatre actuacions, tres en túnels de metro de diverses ciutats i una en carreteres convencionals, totes de diferent escala i en diferents estatges de desenvolupament.

 

Lausana: avaluant el potencial geotèrmic de la futura ampliació de la xarxa de metro

En un túnel ferroviari els intercanvis de calor són nombrosos: per exemple, quan un tren accelera o frena, al túnel s'hi produeix un pic de calor, i aquest aire calent es barreja amb l'aire naturalment present al túnel i amb la calor emesa pel sòl: la temperatura tendeix a estabilitzar-se i l'excés de calor o de fred s'evacua cap a la superfície. Fins a data d'avui el càlcul de la calor total de l'aire dels túnels s'havia vingut efectuant de manera imprecisa, però ara investigadors del Laboratori de Mecàniques dels Sòls (LMS) de l'Escola Politècnica Federal de Lausana (EPFL), al cantó de Vaud (Suïssa), han quantificat amb precisió els intercanvis tèrmics del túnel de la futura línia M3 del metro de la ciutat, amb l'objectiu d’avaluar-ne el potencial geotèrmic, establir-ne l'estalvi energètic hipotètic i determinar-ne l’aptitud perquè s'acabi convertint en una font de refrigeració i de calefacció. Els treballs de l'equip de l'LMS-EPFL, que ha aconseguit donar una estimació precisa del coeficient de convecció tèrmica, s'han publicat a l'article titulat “Numerical investigation of the convection heat transfer driven by airflows in underground tunnels”, aparegut a Applied Thermal Engineering el juny de 2019.

La futura línia M3 del metro de Lausana connectarà l'estació central de la ciutat amb el barri de La Blécherette, al nord. I segons les investigacions de l'LMS-EPFL, utilitzant tot just entre el 50% i el 60% del traçat previst, fins a 60.000 m² de túnel podrien ser equipats amb tecnologia geotèrmica, cosa que permetria satisfer les necessitats de calefacció de mil cinc-cents apartaments estàndard de 80 m², o de fins a quatre mil apartaments de la categoria Minergie (un distintiu suís que reconeix els edificis amb un grau excel·lent d'eficiència energètica). Segons els investigadors, això faria possible reduir en dos milions de tones les emissions de CO₂ anuals de Lausana, en comparació amb un sistema convencional de calefacció de gas. Val a dir que aquestes dades podrien ser encara més favorables si a l'estudi s'hagués decidit de considerar també les estacions del metro i els dipòsits dels combois que es preveu de construir, que també podrien acollir aquesta mena de tecnologia.

La proposta de l'equip de l'LMS-EPFL consisteix a introduir tubs de plàstic dins l'estructura de formigó del futur túnel de metro, a intervals regulars, i connectar-los a una bomba de calor. Alguna mena de fluid calorífer, o simplement aigua, circularia per l'interior dels tubs: amb la circulació de fluid fred a l'hivern, el sistema emetria aigua calenta a la superfície, i viceversa a l'estiu. L'equipament geotèrmic del túnel suposaria una inversió i una energia grisa negligibles, per a una durabilitat del sistema d'entre cinquanta i cent anys, a més. Només les bombes de calor necessitarien una substitució més freqüent, cada vint-i-cinc anys, segons els investigadors.

 

Imatge amb la recreació del sistema, que mostra els tubs plàstics de l'interior de l'estructura de formigó (© LMS-EPFL, 2019)

  L'estudi "Numerical investigation of the convection heat..." es basa en simulacions tridimensionals de la dinàmica de fluids que es produeixen en els túnels existents i de la que hom podria esperar en túnels de diferents característiques pel que fa a la secció, a les velocitats d'entrada del flux d'aire i a l'aspresa de la superfície de les parets. Els resultats de la recerca mostren que aquestes tres variables tenen una influència crucial en la transferència convectiva de calor.

Els investigadors han presentat aquests resultats als serveis tècnics i energètics municipals, a l'empresa Transports Lausannois, a l'Administració del cantó de Vaud, al contractista de les obres del futur metro i a l'Ajuntament de la ciutat. Si s'adopta la proposta s'obrirà la porta a l'explotació d'un túnel geotèrmic del qual es beneficiaran els edificis de la superfície, que veuran satisfetes les seves necessitats energètiques en fins a un 80% –si ens referim només al consum de calefacció a l'hivern i de refrigeració a l'estiu, que el túnel també podrà proporcionar mitjançant l'evacuació d'aigua freda.

Londres: el municipi d'Islington aprofita la calor residual de la línia de metro Northern

La xarxa de calor del borough londinenc d'Islington ja abasteix unes vuit-centes cinquanta llars i equipaments de la zona gràcies a la canalització de calor de les instal·lacions de la planta de cicle combinat de gas de Bunhill. Però l'autoritat municipal volia anar més enllà, i va encarregar a la companyia danesa Ramboll (amb àmplia experiència a Copenhaguen, ciutat amb 160 km de xarxa de climatització de districte, per a més d'un milió d'habitants) un estudi de viabilitat per subministrar calefacció a unes altres cinc-centes llars i equipaments de la zona fent servir com a suplement la calor residual de la línia Northern del metro de Londres. L'estudi de Ramboll va confirmar la viabilitat de l'esquema proposat. I és així com cap a final d'aquest mateix 2019 hauria de començar el bombament de calor, des de les instal·lacions del metro als usuaris de la superfície, per complementar la calor que ja subministra Bunhill, a data d'avui amb altres fonts com ja hem apuntat.

L'Administració d'Islington volia que l'esquema resultant subministrés calor de la manera més econòmica i amb menor impacte ambiental possible, així que Ramboll va dissenyar bombes de calor amb un límit reduït fins a uns 80 ⁰C, per tal d'augmentar l'eficiència del sistema, després d'assegurar-se que aquesta temperatura, relativament baixa en comparació amb la que permeten altres bombes de calor i amb la inicialment proposada per Ramboll, de 95 ⁰C, fos suficient per a les necessitats de calefacció i aigua calenta sanitària dels residents de la zona, cosa que pel que sembla s'acomplia. També per reduir la càrrega econòmica del nou esquema, Ramboll hi va incorporar dos petits motors de cicle combinat, de gas, capaços de subministrar electricitat directament a les bombes de calor quan el preu de l'electricitat de la xarxa fos més elevat. Aquests motors van ser finançats per l'Autoritat del Gran Londres (Greater London Authority, GLA), que assegura que a la ciutat s'hi genera prou calor residual com per satisfer les necessitats de calefacció dels seus habitants en un 38%.

 

Esquema del nou procediment (© Daily Mail)

  La nova font de calor proposada per Ramboll va ser un tub de ventilació del metro ubicat a City Road, que expulsa aire entre els 18 ⁰C i els 28 ⁰C provinent d'una estació abandonada (City Road, entre les estacions Old Street i Angel) que actualment forma part de la infraestructura de ventilació de la línia Northern. La companyia va constatar la viabilitat d'aquesta instal·lació per tal que l'aprofitessin les bombes de calor, prèvies les actuacions de Metro de Londres per augmentar la capacitat d'expulsió del tub de ventilació i fer-lo reversible –a fi de poder aprofitar també les diferències tèrmiques per proporcionar refrigeració a l'estiu a la xarxa de metro, segons l'esquema de funcionament següent:

Esquema del funcionament del tub de ventilació reversible, a l'estiu (© The Civil Engineer)

  L'actuació d'Islington és només una de les moltes que s'estan duent a terme al Regne Unit per aprofitar la calor residual d'infraestructures de transport, fàbriques, centrals energètiques, pous de mines abandonades o rius. Alguns d'aquest projectes britànics inclouen la utilització d'aigües termals subterrànies per escalfar l'aigua de xarxa convencional (Stoke-on-Trent); l'aprofitament de la calor residual de la planta de British Sugar a Wissington (Norfolk) per a hivernacles propers; l'ús de les aigües acumulades en una mina de carbó en desús com a bateria tèrmica, capaç de retenir la calor a l'estiu i alliberar-la a l'hivern (Edimburg, en una actuació també de Ramboll); o l'aprofitament de les aigües del Clyde (Glasgow) mitjançant bombes de calor (podeu remetre-us al núm. 28 del butlletí, on us vam parlar de l'aprofitament tèrmic fluvial i d'aigües subterrànies, per a una breu aproximació a llur principi de funcionament).

París: el metro satisfà part de les necessitats de climatització dels immobles de l'entorn

Des de 2017, un immoble propietat de l'Ajuntament de París i situat davant el Centre Pompidou rep part de la seva calefacció de la línia 11 del metro: l'edifici hi té un accés directe des del soterrani, i la temperatura constant d'entre 18 ⁰C i 19 ⁰C que s'hi dona va suggerir la idea d'implantar-hi alguna solució d'aprofitament quan, fa uns anys, es va procedir a restaurar tot l'edifici. En el projecte hi participa també, en tant que arrendador de l'edifici, l'agència municipal d'habitatge social Paris Habitat.

La calor del túnel, dissipada pel material mòbil i acumulada al subsòl, es recupera i es canalitza vers una bomba de calor sota l'edifici. A data d'avui, el 35% de les necessitats de calefacció dels vint habitatges que componen l'immoble s'assegura gràcies a aquest sistema. Els llogaters també veuen abaratida llur factura energètica.

 

Esquema de l'actuació associada a la línia 11 del metro de París (© RATP – Paris Habitat)

  Però on potser s'està duent a terme una actuació més decidida per fer del metro una font de climatització per als immobles del seu entorn és a la línia 14: a dues de les futures estacions del seu perllongament (Porte de Clichy i Mairie de Saint-Ouen) s'utilitzarà la temperatura relativament constant del subsòl per escalfar o refredar els espais de les mateixes estacions, segons l'època de l'any. Dins les armadures metàl·liques dels mòduls que conformen les parets de les estacions (que fan 1,5 m de gruix a Porte de Clichy i 1,2 m a Mairie de Saint-Ouen) s'hi han integrat tubs per a la circulació de fluid calorífer (aigua i glicol), així com una bomba de calor per a la difusió de la calor recuperada. Amb aquest sistema geotèrmic se satisfaran la totalitat de les necessitats de climatització de les dues estacions esmentades, i un 40%-60% de les de vuitanta habitatges d'un immoble proper a la de Mairie de Saint-Ouen.

Val a dir que quan es va plantejar la possibilitat d'implantar alguna mena d'aprofitament geotèrmic a la línia 14 del metro, la RATP (Régie Autonome des Transports Parisiens) va descartar l'opció de les sondes verticals de captació, ja que implicava perforacions subterrànies més enllà dels cent metres de profunditat per bombar-ne les aigües, relativament calentes, i era difícil d'aplicar en un entorn densament urbanitzat, a més de costós econòmicament i tècnicament. D'aquesta manera, la RATP va escollir finalment el mètode de les fonamentacions termoactives, amb tubs incorporats a l'estructura de les parets, com hem dit, que en funció de la temperatura ambient dispersen calor cap a la superfície o cap al subsòl, i que com ja hem assenyalat en el cas de l'estudi de Lausana tenen una vida útil mínima de cinquanta anys.

Els dispositius de les estacions de Porte de Clichy i de Mairie de Saint-Ouen s'han proporcionat a les característiques de cadascuna d'elles:

Porte de Clichy té unes necessitats anuals de calefacció de 188 MWh, amb un pic de consum puntual de 155 kW, i necessita 130 MWh anuals per a la refrigeració, amb un pic de consum puntual de 117 kW. Els bucles de captació s'han instal·lat en una superfície de 3.750 m², i arriben als 50 m d'alçada (19 m dels quals sota la plataforma de vies) i als 120 m de longitud.

Mairie de Saint-Ouen té unes necessitats menors: 75 MWh anuals per a calefacció, amb pics de 71 kW, i 101 MWh anuals per a refrigeració, amb pics de 68 kW. El sistema geotèrmic d'aquesta estació, però, també satisfarà part de les necessitats d'un immoble proper, com hem apuntat, i per tot plegat el dispositiu de Mairie de Saint-Ouen és més gran que el de Porte de Clichy: 5.775 m² de bucles de captació, desplegats en 45 m d'alçada (19,5 m dels quals sota la plataforma de vies), i al llarg de 196 m de paret.

El sobrecost que representa la implantació de les fonamentacions termoactives es veu compensat pels estalvis d'energia que proporcionen i per la reducció d'emissions de CO₂, SO₂ i NO_X. La inversió es recuperarà, segons la RATP, en disset anys.

Aquestes pràctiques s'inscriuen en la nova política energètica adoptada per la RATP l'any 2017, que proposa ambiciosos objectius (com ara la reducció d'un 20% del consum d'energia en l'horitzó 2025, en termes viatger/quilòmetre, en comparació amb les dades de 2015, i la reducció de GEH en un 50%, en el mateix horitzó), i que abasta tots els mitjans de transport que gestiona (metro, autobús, tramvia i tren de rodalia) i diversos àmbits d'actuació (gestió de xarxa, enginyeria, manteniment i gestió del patrimoni immobiliari propi). Aquestes pràctiques li van valer a la RATP l'atorgament de la certificació ISO 50001 el gener de 2018. La companyia segueix estudiant noves maneres de millorar els seus resultats energètics, com ara amb la progressiva implantació de sistemes de recuperació d'energia de frenada, la instal·lació d'il·luminació led a les seves infraestructures, o la conversió de quatre mil sis-cents autobusos cap a les modalitats de biogàs (vegeu però aquest mateix butlletí per a una crítica d'aquesta mena de combustible) o de propulsió elèctrica.

Xarxa viària: recuperació de la calor de la calçada amb finalitats de climatització

Power Road® és un sistema de recuperació tèrmica per a carreteres que la companyia francesa Eurovia ve implantant des del final de 2017 en algunes de les seves realitzacions (us en vam donar una primera informació al butlletí núm. 25). Permet la captació i emmagatzematge de la calor, de la radiació solar o d'altres fonts, dins un sistema de tubs per tal d'alliberar-la quan convingui, al moment o de manera diferida, amb bombes de calor. L'energia capturada pot servir per escalfar edificis residencials, immobles d'oficines, comerços, ecobarris o equipaments públics com per exemple piscines climatitzades. També es pot utilitzar per al desglaçament de carreteres o de pistes d'aeroport, a l'hivern, reduint la necessitat de recórrer a sals fundents o glicol. A l'estiu pot fer-se servir per refredar les calçades i contribuir a mitigar l'efecte d'illa urbana de calor gràcies a la captació de la calor superficial de les vies.

 

Imatge de l'estructura de Power Road® (© Eurovia)

  A França trobem el sistema Power Road® implantat a Saint-Arnoult-en-Yvelines (Yvelines), amb finalitats de desglaçament de la calçada i per proporcionar la totalitat de la calefacció que necessita un edifici d'explotació viària, gràcies a 500 m² d'infraestructura alimentada per sondes geotèrmiques verticals; a Pontarlier (Doubs), amb finalitats de desglaçament en un aparcament escolar, gràcies a 3.500 m² d'infraestructura alimentada per la calor sobrera d'una planta de tractament de residus; a Fleury-sur-Orne (Calvados), amb finalitats de calefacció i de subministrament d'aigua calenta sanitària per a seixanta habitatges socials, gràcies a 1.420 m² d'infraestructura alimentada per sondes geotèrmiques i bomba de calor; a Feurs (Loira), amb finalitats d'escalfament de piscines exteriors fins als 28 ⁰C, gràcies a 750 m² d'infraestructura sota un aparcament, alimentada per un intercanviador de calor connectat a la planta de tractament d'aigües de les mateixes piscines; a Aus Gletons (Corresa), amb finalitats de desglaçament d'una via urbana, gràcies a 660 m² d'infraestructura alimentada pel sistema de distribució urbana de calor, amb origen en una planta energètica de biomassa i de tractament de residus; i a Lonzac (Erau), per cobrir la totalitat de les necessitats de calefacció de l'edifici dels serveis departamentals d'explotació viària, gràcies a 400 m² d'infraestructura sota un aparcament, alimentada per sondes geotèrmiques i bomba de calor.

La de Lonzac, inaugurada el passat mes d'octubre, és de moment la darrera instal·lació de Power Road® que ha entrat en servei, i segons Eurovia permetrà d'evitar l'emissió a l'atmosfera de 6 t de CO₂ l'any, tot emmagatzemant en les seves sondes geotèrmiques part de la calor de la calçada, que a l'estiu pot assolir els 60 ⁰C a causa de la radiació solar.

 

Imatge dels treballs d'implantació dels tubs de Power Road'® sota la capa de rodament (© Eurovia)

  Fora de França, s'ha instal·lat Power Road® a Praga, per al desglaçament d'un vial d'accés a edificis, gràcies a 300 m² d'infraestructura sota calçada, alimentada mitjançant una derivació del sistema de calefacció del mateix edifici, sense que n'augmenti el consum. Eurovia es troba actualment estudiant una cinquantena de noves possibles implantacions de Power Road®.

 

Esquema amb les possibilitats que ofereix Power Road'®, a l'estiu (a dalt) i a l'hivern (a baix). A l'estiu el sistema pot captar l'energia tèrmica de la radiació solar sobre la calçada, i transferir-la mitjançant una bomba de calor a equipaments públics com ara piscines; a més, gràcies a la captació i emmagatzemament de l'energia solar, Power Road® pot refredar les capes superiors del revestiment de la calçada i contribuir a reduir l'efecte d'illa urbana de calor. A l'hivern, l'energia acumulada a sondes i tubs es pot distribuir pels intercanviadors per fondre gel, gebre o neu de carreteres, aparcaments o pistes d'aeroports; o es pot emprar per satisfer les necessitats de calefacció dels edificis (© Eurovia)

Autors

Redactat per: Alfonso Martínez Jaume

Per saber-ne més: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), The Civil Engineer, Ramboll, Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), Power Road ®, Power Road ® [PDF]

Informació relacionada

• École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) . Obre en una nova finestra.
• The Civil Engineer . Obre en una nova finestra.
• Ramboll . Obre en una nova finestra.
• Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP) . Obre en una nova finestra.
• Power Road ® . Obre en una nova finestra.
• Power Road ® [PDF . Obre en una nova finestra.]