Environmental assessment of central solar heating plants with seasonal storage located in Spain

Renewable energies can play a very important role in the development of a new energy model contributing effectively towards a more sustainable development in the mid and long term. In this context Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage (CSHPSS) are able to provide space heating and Domestic Hot Water (DHW) to residential buildings with high solar fractions (>50%). These systems are already being used in Central and Northern Europe, as well as in Canada, where there is an important experience in district heating systems. The study presented herein presents an environmental assessment, applying the Life Cycle Assessment (LCA) method, of a CSHPSS, which should cover the space heating and DHW demand of 500 dwellings of 100 m2, located in Zaragoza, Spain. Environmental burdens through the life cycle of the system are estimated based on greenhouse gas emissions, and comprehensive environmental indicators as the ReCiPe and Cumulative Energy Demand (CED). These indicators allow to evaluate the reduction of the environmental load achieved by the CSHPSS analyzed with respect to conventional space heating and DHW systems, as well as to identify the most critical aspects from the environmental perspective. In this article, the environmental behavior of the CSHPSS is decoupled into the two demands covered, heating and DHW, in order to quantify the environmental impact of each generation system. A detailed life cycle inventory is presented with the aim of promoting the development of increasingly efficient technologies from the environmental point of view, not only in the operation phase but also in the construction of the equipment. Furthermore, an in-depth analysis is performed to evaluate the variation of the environmental impact depending on the climatic conditions. The CSHPSS is also dimensioned in different Spanish cities and a LCA is carried out for nine locations. The results can help different stakeholders to make decisions in order to optimize the renewable energy generation systems taking in account its whole life cycle and to point out the necessity to evaluate the environmental impact essentially in the production phase for all renewable energy systems

Evaluación de centrales solares térmicas con acumulación estacional para el sector residencial en España

Las centrales solares térmicas con acumulación estacional, denominadas CSHPSS por sus siglas en ingles (Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage) aprovechan la radiación solar para producir energía térmica a lo largo del año, incluido el periodo de verano, para cubrir parte de las necesidades de calefacción en invierno y las de ACS durante todo el año. Estos sistemas de gran tamaño (ejemplo planta en Marstal: 17.000 m2 de captadores solares y 10.000 m3 de acumulador de agua) producen energía térmica de forma centralizada y la distribuyen a través de una red de distrito para cubrir parte de las necesidades térmicas de una comunidad que en la mayoría de los casos supera las 1000 viviendas. En este trabajo se presenta: I) Un estudio del desarrollo actual de los sistemas CSHPSS y de las posibilidades de integración energética que ofrecen. II) Un modelo de simulación dinámica de estos sistemas con la aplicación informática TRNSYS. El modelo toma en cuenta las características específicas de la demanda de energía térmica y de los datos climatológicos en España, y es capaz de calcular sistemas CSHPSS con una fracción solar superior al 50%. Con este modelo se ha estudiado un subconjunto representativo de ciudades españolas con consumos elevados de calefacción determinando el área de captadores y el volumen de acumulación necesario según la localización. Para cada ciudad de estudio se han utilizado datos climáticos representativos de radiación y temperatura, así como demandas de calefacción obtenidas mediante la simulación térmica de edificios que cumplen la normativa española de eficiencia energética. III) La tercera parte del proyecto consiste en la propuesta de un método simplificado de cálculo de los sistemas CSHPSS que ha sido validado con el modelo TRNSYS. Este método simple supone un avance en el desarrollo de herramientas de cálculo de estas instalaciones. Se pretende con ello facilitar la evaluación del potencial de estos sistemas y servir como aproximación al diseño en España de sistemas CSHPSS. El método permite su estudio y pre-diseño conociendo una mínima información de la localidad de ubicación. La aplicación del modelo simple ha facilitado la evaluación del potencial económico de estos sistemas en España; se han obtenido criterios de diseño para distintas zonas geográficas en función de la fracción solar deseada, el número de viviendas atendidas, etc. Se ha elaborado un mapa en el que puede verse cómo la localización geográfica afecta a las necesidades de instalación de campos de captadores y de acumuladores estacionales para demandas de 1000 ó más viviendas, consiguiendo fracciones solares superiores al 50%. También se ha establecido en qué zonas los sistemas CSHPSS están próximos a alcanzar el umbral de rentabilidad respecto al aprovisionamiento convencional de ACS y calefacción; e incluso en qué condiciones pueden resultar económicamente viables

Comparison of Simple Methods for the Design of Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage

AbstractThe development of central solar heating plants with seasonal storage (CSHPSS) to cover part of the heating demand of buildings with district heating in the residential sector is becoming an economically viable option that can contribute significantly to the reduction of the consumption of fossil fuels. The calculation of CSHPSS systems, with a highly dynamic behaviour, is a complex process in which climatic, demand and design data are required. Simple calculation methods can be used to perform feasibility and pre-design studies enabling an estimation of the annual result. A review of several simple methods that have been proposed for the evaluation and design of the main components of CSHPSS is presented. The methods share some characteristics: main equipments considered, dependence with solar radiation and heating demand; and differ in other aspects: design parameters of the main equipments, secondary equipment considered, degree of detail of climatic and demand input data and equations of the model used to calculate the performance of the system. In this paper a description of each method is presented and results obtained for a base case (installation that produce 50% of the space heating demand for a community of 1000 dwellings in Zaragoza, Spain) are compared