Una herramienta de simulación avanza en la gestión de la calefacción urbana respetuosa con el clima

Las redes de calefacción urbana son cada vez más complejas como resultado de la alimentación de energías renovables y la tendencia hacia la descentralización. En el proyecto AD Net Heat, los investigadores de Fraunhofer simulan flujos de calor en toda la red, predicen picos de carga y ayudan a planificar nuevas redes.

Se supone que las empresas de servicios públicos municipales y los proveedores de calor cambiarán sus redes de calefacción urbana al CO₂-Funcionamiento gratuito en los próximos años. Pero las fluctuaciones de la red causadas por la alimentación de energía renovable y la creciente descentralización de estas redes hacen que sea más difícil gestionarlas de manera eficiente.

Los investigadores de Fraunhofer han desarrollado una herramienta de software de simulación llamada AD Net Heat que simula y visualiza los flujos de calor en la red. «Esto nos permite hacer predicciones sobre los flujos de calor y la demanda en los puntos de consumo durante el funcionamiento en vivo. Las empresas de servicios públicos municipales y los proveedores de energía pueden utilizar estos datos para observar y gestionar la red, con todas sus diversas dinámicas, en tiempo real.

«Las cargas máximas en diferentes momentos del día también se detectan y compensan a tiempo», explica el Dr. Matthias Eimer del Instituto Fraunhofer de Matemática Industrial ITWM. Esto hace que la red de calefacción urbana sea más estable en general y el funcionamiento diario se vuelve más eficiente y económico.

Control de redes de calefacción urbana en tiempo real

Los investigadores de Fraunhofer han desarrollado un gemelo digital de la red física. Al modelo fluye información fundamental como la topología de la red, las longitudes y secciones de las tuberías, así como el número y la posición de los puntos de alimentación y consumo. También se tienen en cuenta aspectos como los datos meteorológicos, la exposición a la luz solar y el perfil de consumo típico en determinados momentos del día y del año. También se especifican datos de inyección reales o previstos, como la temperatura de ida y la potencia de inyección.

Sobre esta base, AD Net Heat simula la dinámica de la red en su conjunto, proporciona indicadores clave relacionados con puntos en las afueras de la red (normalmente sitios problemáticos) y proporciona advertencias de estados operativos críticos. También es posible optimizar el control de la red y enviar la información al centro de control.

Gracias al modelado directo de procesos físicos, el gemelo digital sólo necesita un número mínimo de sensores. Los sensores se utilizan únicamente para calibrar parámetros desconocidos, como propiedades de tuberías que ya no se alinean con la condición original debido a procesos de envejecimiento. Luego se pueden utilizar sensores adicionales para validar los resultados de la simulación.

El gemelo digital ofrece múltiples ventajas para los operadores de redes de calefacción y empresas de servicios públicos municipales. Un funcionamiento optimizado significa, en muchos casos, que no es necesario recurrir a fuentes de energía adicionales que resultan muy caras en ese momento debido a las fluctuaciones de los precios de la electricidad. Además, se puede reducir la temperatura de ida, por ejemplo, para reducir pérdidas de energía innecesarias, sin poner en peligro la fiabilidad del suministro.

También se incorporan a la planificación operativa grandes eventos que tienen lugar en la comunidad, como un concierto o una feria comercial que requiere el suministro de calefacción a grandes espacios interiores. Una vez introducidos la ubicación del destinatario y la demanda estimada de calor, el software simula el transporte de calor y genera en respuesta sus previsiones de consumo.

Ayuda con la planificación de nuevas redes

Pero eso no es todo; La solución de software también ayuda en la planificación y puesta en marcha de nuevas redes. Si se define la topología de una red, incluidos los puntos de alimentación de fuentes de energía fluctuantes como el calor solar y el calor residual industrial, la herramienta de software calcula la distribución de los flujos de calor y el consumo esperado. Para ello, las empresas de planificación contemplan una amplia gama de escenarios diferentes, como el consumo en diferentes momentos del día o del año, diferencias en la ubicación de los generadores y cambios estructurales como nuevas líneas de transporte.

«De este modo, las empresas municipales de servicios públicos y los proveedores de calefacción urbana dan un gran paso hacia un suministro de calor climáticamente neutro que conserva los recursos. También reducen sus costes.

«Hay dos razones para esto. En primer lugar, la simulación en el gemelo digital permite el máximo uso de fuentes de energía renovables en los momentos en que están disponibles. Y en segundo lugar, las previsiones de demanda de calor son muy precisas y fiables. Esto hace posible diseñar las secciones de los tubos sean un poco más pequeñas, lo que ahorra material», afirma Eimer.

Los investigadores de Fraunhofer están trabajando actualmente para que la interfaz de usuario de AD Net Heat sea aún más sencilla y clara para los usuarios de proveedores de calor y empresas de planificación.

Dado que el núcleo de cálculo está diseñado fundamentalmente para funcionar con todos los tipos de redes, la función de simulación también podría utilizarse en el futuro para diferentes redes energéticas, como las que transportan electricidad o gas.