Recuperación y uso de los recursos térmodinámicos del sistema de túneles de Calle 30 en Madrid

La operación Madrid Río es uno de los casos más emblemáticos de recuperación para la ciudad y los ciudadanos de los recursos desperdiciados en términos de espacio urbano, calidad ambiental y valor añadido para la ciudad. El instrumento que sustenta esta operación ha sido la red de túneles e infraestructura enterrada de movilidad, gestionada y operada por la sociedad Madrid Calle 30, que ha puesto en juego recursos subterráneos disponibles y no utilizados hasta ahora.

Esta comunicación expone e ilustra la experiencia, ejecutada y en curso de monitorización, de transferencia de recursos energéticos entre la infraestructura subterránea de túneles y galerías del sistema de movilidad Calle 30 y los sistemas técnicos que resuelven la refrigeración de los sistemas de ventilación de la red de túneles. La vinculación termodinámica permite el flujo bidireccional de la energía térmica, producto de la interacción geotérmica entre la estructura construida de los túneles y el terreno, uno de los varios recursos energéticos disponibles en el sistema de túneles, hoy desperdiciado, y su aplicación como recurso primario y distribuido a la cobertura de la demanda térmica de edificios e instalaciones con consumos importantes.

En la gestión eficiente de la producción y el consumo de energías de fuentes renovables, energías residuales y energías de generación y microgeneración distribuida, cobran especial importancia como componentes de la red los dispositivos que permiten la acumulación, el almacenamiento y el uso de energías de media y baja potencia.

Nuestras ciudades disponen de numerosas y extensas redes y sistemas de infraestructuras que interaccionan con el medio generando, captando y canalizando campos energéticos de distintos tipos. Entre ellas hay un buen número de redes y sistemas de infraestructuras subterráneas: aparcamientos, sótanos, galerías de circulación, galerías de servicios, grandes galerías de saneamiento urbano, infraestructuras completas como el Metro, túneles de circulación de vehículos, redes de distribución de agua y un largo etcétera que se encuentran enterradas y en contacto directo con el terreno.

Precisamente este contacto directo brinda a todas estas infraestructuras la capacidad de intercambiar térmicamente con el terreno y de preservar en un medio geotérmicamente atemperado la energía que se inyecta para los usos de transporte y que en gran parte emiten los vehículos que circulan por los túneles o los equipos alojados en ellos.

Algunos de estos sistemas de infraestructuras subterráneas son redes de conductos por los que circulan fluidos que intercambian directamente energía con el terreno y con los que podemos intercambiar energía de baja intensidad y moderada temperatura, pero el caso que vamos a exponer, el de los túneles e infraestructura enterrada de Calle 30, pertenece a la amplia familia de las estructuras subterráneas habitables que son un poderoso medio donde realizar la transferencia energética que permite el aprovechamiento a través del intercambio geotérmico con el terreno, de la energía de las aguas de infiltración y de la energía inyectada por miles de vehículos en los túneles y acumulada el aire que contienen y en su masa construida.

Enormes cantidades de energía en forma de calor, que en términos generales son consideradas como un residuo no aprovechable, cuyo potencial de utilización se desperdicia y en cuya eliminación se invierten importantes recursos y energía.

El conjunto de túneles de la red de Calle 30 en Madrid constituye un gigantesco intercambiador energético con un potencial geotérmico de enorme magnitud y donde contamos con la posibilidad de recuperar una parte significativa de la energía que procede de la introducción de calor por parte de los cientos de miles de vehículos que circulan a través de esta infraestructura enterrada.

Desde el punto de vista energético las infraestructuras enterradas de C30 tienen aspectos particulares:

• Enormes cantidades de la energía se propagan dentro de la red subterránea en forma de calor procedente de los motores y los frenos de los vehículos que circulan por los túneles.
• Una parte del calor se extrae con medios de ventilación, que renuevan el aire, en los túneles y en los recintos de instalaciones, ventilación, iluminación, control y gestión que permiten la operación del sistema. El efecto sobre las personas, los equipos y el medio del calor restante se atenúa en muchos casos con dispositivos de refrigeración, que extraen calor del aire de los recintos y salas técnicas. Ambos sistemas, ventilación y refrigeración, consumen una cantidad significativa de energía.
• Una parte del calor se distribuye por los túneles y acaba siendo transferida, a través del forro de los túneles, al terreno que progresivamente se va recargando de energía, y recalentando. Los túneles se comportan como una estructura de intercambio geotérmico que atempera el aire que circula a su través.
• Los vehículos empujan el aire, que se mueve a gran velocidad dentro de los túneles.
• Los túneles son un sistema energético que simultáneamente absorbe enormes cantidades de energía y expulsa enormes cantidades de energía residual.
• Los túneles se interponen en las vías naturales del sistema hidrogeológico y en las vías de drenaje y filtrado natural del agua. Esto provoca la captura de enormes cantidades de agua de infiltración, gran parte de la cual está atemperada por el terreno. Cantidades importantes de agua son drenadas, recogidas y bombeadas sin ningún aprovechamiento energético.

La infraestructura enterrada de los túneles de C30, sistemas de ventilación, de drenaje, estructuras auxiliares, medios de transformación de energía, etc., está inserta en un contexto urbano, climático, hidrogeológico, de utilización, que determina su potencial uso como sistema intercambiador de energía. Son las condiciones de contorno de un sistema con muchas posibilidades:

• La red de C30 es, en potencia, una red distribuida de generación de energía, y, por su estructura en red, muy próxima a una nube extensa de potenciales consumidores, lo que hace la recuperación de energía no sólo viable sino rentable.
• Los túneles tienen un importante potencial de intercambio de energía que puede utilizarse para resolver las necesidades de refrigeración y/o calefacción de la propia infraestructura y los espacios habitables, y para suministrar energía a baja potencia para la climatización y/o el acondicionamiento de los edificios, infraestructuras y espacios situados en su proximidad.

El interés de Madrid Calle 30 por el potencial aprovechamiento geotérmico de su infraestructura enterrada hace que en la primavera de 2011, Eneres inicie una fase de estudios orientados a definir las primeras actuaciones:

1. Evaluación del potencial energético de las estructuras e instalaciones enterradas del sistema Calle 30.
2. Evaluación del potencial de integración de sistemas termoactivos y geotérmicos, alimentados por intercambiadores instalados en las infraestructuras de los túneles en proyectos de nueva construcción o de rehabilitación de edificios o espacios en el ámbito de Calle 30.
3. Potencial de producción de energía mediante el intercambio con el agua recogida en las redes de drenaje.
4. Potencial de producción de energía mediante el intercambio con el aire expulsado de los túneles.
5. Potencial de producción de energía mediante la termoactivación de tramos de túnel o de estructuras subterráneas para su aprovechamiento como intercambiador geotérmico.
6. Campos de aplicación:

• Refrigeración de equipos e instalaciones del sistema técnico de C30 a partir de sistemas con intercambio térmico y geotérmico con el agua de drenaje y el aire de los túneles
• Aplicación de la geotermia y de energía del aire y el agua drenada de los túneles para la calefacción de edificios públicos y privados situados en la zona de influencia a lo largo del recorrido de C30.

La primera actuación realizada en el sistema de túneles de C30 ha sido un proyecto piloto de refrigeración de equipos e instalaciones del sistema técnico de C30 a partir de sistemas con intercambio térmico y geotérmico con el agua de drenaje y el aire de los túneles que ha permitido evaluar el rendimiento del intercambio y la aplicación de recursos térmicos existentes en un caso real.

El proyecto piloto realizado y actualmente en monitorización (los resultados del primer ciclo de monitorización arrojan unos porcentajes de ahorro entre el 65% y el 80%) implementa medidas de ahorro de energía que consisten en la implantación de un sistema de refrigeración mediante aire captado en la galería de servicio de los túneles, en paralelo y como alternativa al sistema de refrigeración por compresión actualmente instalado en dos salas técnicas en cada Centro de Transformación, CT. Estas dos salas técnicas tienen un uso distinto, ya que en una de ellas se disponen equipos de comunicaciones, y en la otra se disponen los variadores de frecuencia de los ventiladores de aspiración y extracción de las galerías.

Este sistema alternativo introduce aire de la galería de emergencia que habitualmente está a menor temperatura que la consigna de refrigeración de las salas técnicas, pudiendo refrigerar en condiciones normales de uso dichas estancias mediante la introducción de un caudal suficiente de aire, sin necesidad de que entren en funcionamiento los sistemas de generación de frío por compresión.

No obstante, los sistemas actuales se mantienen operativos para que puedan ser accionados cuando sea requerido un enfriamiento adicional, bien porque el sistema alternativo basado en ‘free-cooling’ o enfriamiento gratuito no sea capaz de alcanzar la temperatura de consigna debido a las altas cargas internas, o porque se haya realizado una parada técnica en el propio sistema.

La temperatura del aire en el interior de la galería de emergencia, que como se ha dicho sería de donde tomaría el aire el sistema alternativo, por encontrarse emplazada a varios metros bajo tierra, se ve amortiguada por efecto del intercambio geotérmico debido a la inercia térmica del subsuelo, de manera que la variación de la misma a lo largo del año es reducida, 2/3 grados, entre 18 y 21 ºC.

En el caso de la refrigeración alternativa propuesta, la potencia máxima de refrigeración está supeditada a la diferencia de temperatura entre la sala técnica a refrigerar y la galería, y al caudal máximo de aire que puede impulsarse. Si no fuera suficiente para alcanzar la temperatura de consigna establecida para la sala para el correcto funcionamiento de los equipos eléctricos, entraría en funcionamiento el sistema por compresión convencional.

Los ventiladores de admisión y extracción de aire exterior en los túneles tienen una potencia nominal elevada, alcanzando los 630 kW. A fin de evitar el funcionamiento de los mismos al 100%, se instalaron unos variadores de frecuencia que normalmente, salvo caso de emergencia, hacen funcionar a los ventiladores al 30%, logrando un ahorro energético importante.

Estos variadores de frecuencia tienen un rendimiento elevado. No obstante, a pesar de que las pérdidas porcentuales de energía son reducidas, dado que la potencia es elevada, las pérdidas globales de energía emitidas a la sala también serán elevadas. Además, la sala deberá estar a una temperatura de consigna para que los variadores de frecuencia no se deterioren, por lo que se debe eliminar el calor aportado a la sala, por medio de un sistema de climatización, encargado de aportar la potencia frigorífica necesaria para mantener dichas condiciones de temperatura.

Por otro lado actuamos en las Salas de Comunicaciones CPD destinadas a las comunicaciones en el túnel. Al igual que en el caso de los cuartos de variadores de frecuencia, estos cuartos disponen de una temperatura de consigna que no deberá ser sobrepasada.

Las cargas internas en estos cuartos que hacen incrementar la temperatura interna son debidas al consumo de los propios equipos informáticos y de comunicaciones. Asimismo, la temperatura en el exterior será registrada, ya que el rendimiento de los equipos de refrigeración o las demandas internas pudieran verse afectadas por incrementos en la temperatura exterior.

El diseño y la aplicación de un Plan de Medida y Verificación de Ahorros en colaboración con el Centro Nacional de Energías Renovablñes, Cener, fue una parte fundamental del proyecto.

Las características que definen un Plan de Medida y Verificación son precisión, generalización, coherencia, relevancia y transparencia, todo ello bajo el denominador común de realizar el desarrollo desde un punto de vista conservador.

Las ventajas principales de adecuar un Plan de Medida y Verificación siguiendo el protocolo IPMVP tienen que ver con las características anteriores, pero pueden resumirse en una, que es la estandarización del proceso de verificación de ahorros obtenidos al implantar una medida de ahorro de energía, pudiendo referirse al plan las partes implicadas e interesadas en la verificación de ahorros para resolver cualquier punto discordante en lo relativo a la determinación de los mismos.

Para ello Calle 30 ha suministrado en tres períodos de tiempo el régimen de funcionamiento de los 16 ventiladores, 8 por cada uno de los CT. Los tres períodos de tiempo abarcan desde el 22 de agosto de 2013 hasta el 12 de febrero de 2014, y recogen las revoluciones por minuto de cada ventilador cuando entran en funcionamiento.

Se han traducido estas revoluciones por minuto a potencia eléctrica consumida, para establecer a lo largo de un día la energía consumida por los equipos, y ver la relación con el consumo de energía de los equipos de refrigeración.

Para realizar este cálculo de manera automática, se ha desarrollado una aplicación que facilita la adquisición de los datos.

Por último, registrando la temperatura exterior, se analizó la dependencia del consumo eléctrico en función de incrementos en la temperatura exterior.

En los Cuartos de Comunicaciones se realizó una medición del consumo de los equipos eléctricos para ver la variabilidad de los datos y su evolución en el tiempo. Para ello, se midió el consumo eléctrico de los CPD desde el 22 de octubre de 2013 hasta el 29 de noviembre de 2013.

La realización de este proyecto piloto ha permitido:

• Validar las posibilidades de aplicación directa a través del aire de los recursos geotérmicos del túnel del bypass.
• Implementar y validar la metodología de medición y verificación de ahorros.
• Adquirir una experiencia real de diseño, desarrollo, ejecución y monitorización que ya se está aplicando a otros proyectos, en otras escalas, sobre otros medios y con otros recursos energéticos extraídos de los túneles.