un modelado análisis dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ofrece la primera visión detallada de cómo la energía geotérmica puede aliviar el sistema de energía eléctrica y reducir las emisiones de carbono si se implementa ampliamente en todo Estados Unidos en las próximas décadas.
El estudio de ORNL proyecta cómo las bombas de calor geotérmicas que obtienen calefacción y refrigeración del suelo mejorarían la confiabilidad de la red y reducirían los costos y las emisiones de carbono cuando se implementaran ampliamente. Crédito: Chad Malone/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Los investigadores crearon un modelo de simulación del despliegue masivo de bombas de calor geotérmicas, o GHP, en edificios comerciales y residenciales desde 2022 hasta 2050. Los resultados de la simulación indicaron que si las GHP, también conocidas como bombas de calor geotérmicas, se implementaran a escala nacional Junto con las mejoras en la envolvente de los edificios en viviendas unifamiliares, se aliviaría la tensión en la red eléctrica, se reducirían los costos de energía y se reducirían sustancialmente las emisiones de dióxido de carbono.
«Las GHP se han visto tradicionalmente como una tecnología de eficiencia energética en los edificios», dijo Xiaobing Liu de ORNL, quien fue el investigador principal del estudio. «Este análisis encontró que las BPH tienen un impacto tremendo en los sistemas de energía eléctrica al reducir los requisitos de capacidad, generación y transmisión, así como las emisiones de carbono».
Cifras innovadoras
Las BPH proporcionan una alternativa respetuosa con el medio ambiente y energéticamente eficiente a los sistemas convencionales de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Funcionan transfiriendo calor hacia y desde el suelo a través de tuberías subterráneas. El sistema de tuberías extrae calor del suelo para calentar los edificios en invierno y utiliza el suelo como disipador de calor para enfriar los edificios en verano.
Liu dijo que la implementación masiva de GHP en edificios comerciales y residenciales, junto con mejoras en la envolvente de los edificios en viviendas unifamiliares, puede reducir más de 7.000 millones de toneladas métricas de emisiones de carbono hasta 2050, con más de 3.000 millones de toneladas métricas de reducción provenientes de la sector eléctrico y el resto procedente de la sustitución del gas natural para calefacción en el sector de la edificación.
«Es bien sabido que las BPH son beneficiosas para reducir los costos de energía de los edificios debido a su alta eficiencia y capacidad de suministrar calor sin necesidad de comprar combustible, lo que resulta en cero emisiones en el sitio», dijo Liu. «Sin embargo, hasta ahora, pocos estudios han investigado los impactos del despliegue a gran escala de BPH en la red eléctrica».
Los investigadores de electrificación y edificios de ORNL trabajaron con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, o NREL, para crear co-simulaciones del parque de edificios de EE. UU. y los sistemas de energía eléctrica utilizando la herramienta de simulación de sistemas GHP de ORNL y los datos de construcción disponibles en el NREL. Perfiles de carga de uso de energía. El primer estudio de su tipo simula los impactos en el uso de energía si se implementaran GHP en el 68% del espacio de los edificios nuevos y existentes en los Estados Unidos contiguos.
Los investigadores estudiaron tres escenarios: continuar operando la red como está hoy; alcanzar una reducción del 95 % en las emisiones de la red para 2035 y un 100 % de electricidad limpia para 2050; y ampliar la descarbonización de la red para incluir la electrificación de amplios sectores de la economía, incluida la calefacción de edificios. El equipo de análisis modeló cada uno de estos tres escenarios con y sin implementación masiva de GHP junto con mejoras en la envolvente de los edificios en viviendas unifamiliares.
«Los resultados se desarrollaron utilizando la capacidad actual de las herramientas y datos existentes», añadió Liu. “Combinamos el modelo del Sistema de Despliegue de Energía Regional de NREL y PLEXOS, un software comercial para una simulación más detallada de sistemas de energía eléctrica, para realizar simulaciones de varios años de sistemas de energía eléctrica de EE. UU. en diferentes escenarios en regiones contrastantes, en diferentes estaciones y durante momentos de pico y bajo. demanda de energía.»
Aunque se lograron ahorros en la demanda de electricidad y reducción de las emisiones de carbono en casi todas las regiones del país, las simulaciones indicaron que en climas fríos, las BPH son más efectivas para reducir las emisiones de carbono y el consumo de energía en comparación con los sistemas HVAC convencionales como resultado del desplazamiento natural. hornos de gas y reducir el uso de calentadores eléctricos.
En climas más cálidos, como en el sur y otras zonas climáticas más suaves, las BPH generan mayores ahorros de electricidad. La reducción de la demanda eléctrica máxima también es mayor en las zonas densamente pobladas del Sur.
«Demostramos que un despliegue masivo de GHP junto con mejoras en la envolvente de los edificios pueden reducir las necesidades de generación y capacidad del sistema de energía eléctrica de EE. UU. hasta en un 11% y un 13%, respectivamente, en 2050», afirmó Liu. «La demanda máxima de electricidad en algunas zonas de clima cálido también se puede reducir hasta un 28%, lo que facilitará las operaciones de la red».
Estos porcentajes se traducen en un ahorro de aproximadamente 600 teravatios-hora de electricidad en 2050 y al mismo tiempo eliminarán más de 5 billones de megajulios de combustibles fósiles, lo que equivale al 5% de la energía primaria consumida en Estados Unidos en 2022, incluido el gas natural, el combustible para calefacción y propano.
Si la implementación de GHP aumentara de manera constante desde 2022 hasta 2050, también se ahorrarían más de $300 mil millones en pagos acumulados de electricidad. Liu dijo que esto requeriría el despliegue de aproximadamente cinco millones de BPH por año.
Interrupciones decrecientes
A medida que los fenómenos meteorológicos extremos continúan ejerciendo presión sobre la red eléctrica, en los últimos años se han producido cortes de energía prolongados o apagones continuos. Las GHP podrían ser una solución para mejorar la estabilidad de la red. Para demostrar la capacidad, el estudio analizó el impacto del despliegue masivo de GHP en la red eléctrica de Texas, que experimentó una pérdida significativa de energía con las tormentas invernales en 2021.
«Durante estos intensos fenómenos meteorológicos, el despliegue masivo de GHP podría haber mejorado el funcionamiento de la red al reducir la demanda total de electricidad», dijo Liu. «Este análisis preliminar puede proporcionar información valiosa a Texas y otras regiones que han experimentado una mayor demanda de electricidad que la que las plantas de energía pueden proporcionar durante períodos de clima severo prolongado».
Liu dijo que aunque la evaluación inicial indica que el despliegue masivo de GHP puede mejorar la confiabilidad de la red en Texas, se necesita un análisis más detallado para obtener una imagen precisa de cómo se comportarían en diferentes regiones.
Jamie Lian, quien actuó como coinvestigador del estudio, agregó que si se implementaran GHP en los Estados Unidos, muchas instalaciones las realizarían las empresas de servicios públicos en sistemas a escala de distrito para que se pueda aprovechar la perforación terrestre en numerosos edificios. El estudio proporciona una base para que las empresas de servicios públicos evalúen la inversión en la implementación de GHP.
«Un beneficio duradero de este estudio es que hemos desarrollado un análisis a nivel nacional que amplía desde el análisis del edificio hasta el impacto regional y toda la red», dijo Lian.
Herramientas oportunas
Para comprender mejor los costos y beneficios de las aplicaciones de GHP, el equipo de investigación de ORNL ha desarrollado una herramienta basada en web fácil de usar para estimar el costo y los beneficios de la aplicación de GHP en edificios residenciales y comerciales.
El herramienta gratuita es de libre acceso para propietarios de viviendas, constructores, instaladores y fabricantes. Permite a los usuarios calcular el ahorro de energía que pueden lograr los GHP cuando se instalan en cualquier tipo de edificio residencial o comercial en cualquier zona climática de EE. UU. La herramienta aprovechó las ventajas de ORNL. AutoBEM software, que puede crear automáticamente un modelo de simulación energética de edificios para casi cualquier edificio existente en el país basándose en información mínima, incluida la huella del edificio, la antigüedad, la función principal y otra información de los modelos de edificios prototipo del DOE.
«Cuando hay un despliegue masivo de sistemas GHP, ahora tenemos un punto de partida de cómo sería en términos de capacidad, generación, emisiones, costo y resiliencia para los sistemas de energía eléctrica», dijo Liu. «Esa imagen parece muy prometedora».
Además de Liu y Lian, los investigadores que contribuyen al estudio incluyen a Xiaofei Wang, Mini Malhotra, Yanfei Li y Jyothis Anand de ORNL; Jonathan Ho y Weijia Liu de NREL; y Sean Porse y Jeff Winick, del DOE.
El análisis fue financiado por la Oficina de Tecnologías Geotérmicas del DOE.
UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.
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