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May 26, 2023

En la transición de energía limpia de Europa, la industria recurre a las bombas de calor

Con los precios de la gasolina en alza debido a la guerra de Ucrania y el impulso de la UE para reducir

Con el aumento de los precios del gas debido a la guerra de Ucrania y el impulso de la UE para reducir las emisiones, las industrias europeas están cambiando cada vez más a bombas de calor de alta temperatura y alta eficiencia. Combinado con el auge del uso residencial, la UE espera ahora una revolución de las bombas de calor.

Por Paul Hockenos

1 de febrero de 2023

Una bomba de calor industrial en Mars Confectionery en Veghel, Países Bajos. GEA

La fábrica de ladrillos Wienerberger en Uttendorf, Austria, en los Alpes tiroleses, siempre ha requerido un flujo constante de calor de 194 grados Fahrenheit para secar sus bloques de construcción. Este proceso habría sido una propuesta costosa para la empresa después de que Rusia cortara las exportaciones de gas a Europa, como lo fue para la mayor parte de la industria de la construcción de Europa, que consume mucha energía. Pero hace cuatro años, Wienerberger, el productor de ladrillos más grande del mundo, hizo una inversión en el futuro que está dando sus frutos: reemplazó la caldera de gas de Uttendorf con una bomba de calor a escala industrial, lo que reduce la factura de energía de la fábrica en alrededor de $456,000. un año.

Durante décadas, las bombas de calor eléctricas se han utilizado en los hogares europeos y otros edificios para calentar y enfriar, pero nunca ganaron mucha fuerza en la fabricación, que tiene demandas de energía mucho más altas para producir agua caliente y vapor. Y debido a que los combustibles fósiles habían sido relativamente baratos durante mucho tiempo, las industrias tenían pocos incentivos para reemplazar los sistemas que funcionan con gas y petróleo con equipos más ecológicos. Ahora, con el desarrollo de bombas de calor que pueden entregar temperaturas de hasta 320F a una fracción del precio de las calderas de gas, y con los precios del gas disparados debido a la guerra en Ucrania, ese cálculo se está poniendo patas arriba. Muchas empresas europeas están repensando sus fuentes de energía al tiempo que reducen drásticamente sus emisiones de gases de efecto invernadero, un requisito de la UE. La industria europea es responsable de más de una cuarta parte de los gases de efecto invernadero del bloque.

Para alcanzar sus elevados objetivos energéticos y acabar con su dependencia del gas ruso, la UE cuenta nada menos que con una revolución de las bombas de calor. En muchos países, las ventas de bombas de calor, principalmente para uso residencial, se duplicaron en la primera mitad de 2022. En Alemania, el mayor consumidor europeo de gas ruso, la demanda aumentó un 52 % el año pasado, mientras que el crecimiento en toda la UE en 2021 fue del 35 %. Mientras tanto, una transición algo menos anunciada a las bombas de calor para la fabricación se está acelerando. Wienerberger, por ejemplo, está instalando bombas similares en sus fundiciones de ladrillos en los Países Bajos, el Reino Unido, Polonia, Rumania y otros lugares de Austria.

"Hace cinco años, la mayoría de las empresas no sabían casi nada acerca de las bombas de calor", dice Veronika Wilk, ingeniera de investigación sénior del Instituto de Tecnología de Austria. “Ahora las empresas las conocen, y cada vez se instalan más bombas de calor en la industria”.

Una bomba de calor de compresión puede calentar y enfriar el aire. En el invierno, eleva la temperatura interior extrayendo el calor del agua, de las profundidades de la tierra o del aire exterior, luego aumenta su temperatura usando una pequeña cantidad de electricidad y mueve ese aire al interior. Incluso el aire tan frío como 10F contiene suficiente energía para que una bomba de calor extraiga y aumente su temperatura. En el verano, las bombas de calor eléctricas reducen la temperatura interior al extraer el calor del aire interior y desviarlo al exterior. Las bombas de calor de absorción no funcionan con electricidad sino con una fuente de calor, que puede ser gas natural, pero también agua calentada por energía solar o incluso calor residual de centros de datos o alcantarillas. Llevan este calor a una temperatura "útil" y luego lo entregan como aire caliente o agua caliente.

Las bombas de calor usan electricidad para comprimir un refrigerante, elevando su temperatura.

Dependiendo de la forma en que se mueva el calor, adentro o afuera, los pistones de la bomba de calor comprimen o expanden un fluido, lo que hace que se caliente o se enfríe, respectivamente. Debido a que las bombas de calor solo mueven fluidos, pueden ser más del doble de eficientes energéticamente que los calentadores que queman combustible.

Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), las bombas de calor son entre tres y cinco veces más eficientes que las de gas. Y si funcionan con energía solar, eólica, hidroeléctrica o calor residual, no tienen ninguna emisión.

A diferencia de las bombas de calor residenciales, cuyos componentes exteriores tienen aproximadamente el tamaño de una lavadora, las versiones industriales, tan grandes como una casa, pueden aprovechar la "energía de proceso" desperdiciada de las fábricas para aumentar la temperatura del agua a más de 374F. En las fábricas de Wienerberger, por ejemplo, los secadores de ladrillos consumen inmensas cantidades de energía y la cámara de secado libera principalmente vapor de agua. Esto se condensa en agua caliente. Luego, las bombas de calor elevan su temperatura de aproximadamente 104F a alrededor de 194F y la devuelven al proceso de secado. Debido a que la fuente de energía para la bomba de calor es el propio calor residual, esta secuencia consume casi un 80 por ciento menos de energía que cuando la planta funcionaba con gas.

"El sistema es un circuito cerrado", dice Johannes Rath, director de tecnología de Wienerberger. “Debido a que comenzamos con temperaturas más altas, obtenemos temperaturas más altas” que las que producen las bombas residenciales.

Los prototipos de bombas de calor fabricados en Noruega ya funcionan a alrededor de 356F, y los expertos esperan que los ingenieros diseñen una tecnología que alcance temperaturas superiores a los 392F dentro de una década. Este avance abriría cada vez más procesos en los sectores químico, papelero, alimentario y de refinería, que consumen mucha energía, a la tecnología de bombas de calor.

Este tipo de bombas de calor de servicio pesado se utilizan en hoteles, restaurantes, confiterías, almacenes, piscinas, invernaderos, fabricación de productos químicos y en el secado de materiales como papel y almidón. Las bombas de calor de absorción están especialmente indicadas para instalaciones que utilizan tanto calefacción como refrigeración.

La empresa finlandesa Kiilto, por ejemplo, fabrica productos químicos, como colas, para el sector de la construcción. Su planta Lempäälä utiliza una bomba de calor industrial híbrida para recuperar el calor de los procesos de enfriamiento eléctrico en el sitio, así como de una fuente geotérmica cercana, para elevar las temperaturas hasta 167F.

En Mars Wrigley Confectionery en los Países Bajos, la fábrica de chocolate más grande del mundo, la bomba de calor extrae y aumenta el calor de escape de sus unidades de refrigeración que de otro modo sería inutilizable, produciendo agua a una temperatura de hasta 145F. El agua se canaliza a través de la red de tuberías de la fábrica para mantener caliente el chocolate y el almíbar. La tecnología ha reducido la factura energética de la fábrica en un 6 por ciento y ha ahorrado a la planta unos 26 terajulios de gas, equivalente a la cantidad de energía consumida por 625 hogares europeos. Una segunda bomba de calor calienta el agua para la limpieza a 176 °F, lo que genera un ahorro adicional de 12,25 terajulios.

El agua es otra fuente viable de calor. Inntal Nursery (alemán) en Baviera, Alemania, utiliza agua subterránea de pozos cerca del río Inn y una sola bomba de calor de agua a aire del tamaño de un tanque Sherman para calentar 30 000 metros cuadrados de invernaderos durante todo el año. El agua se introduce en la bomba de calor, aumenta a 95F, se envía a través del sistema de calefacción por suelo radiante, luego se enfría y se devuelve al río.

Un converso reciente es el gigante químico alemán BASF, que contrató a MAN, una empresa de ingeniería alemana conocida por sus camiones y autobuses, para construir la bomba de calor más grande del mundo en el sitio Ludwigshafen de BASF en el oeste de Alemania. El sistema, del tamaño de una central eléctrica convencional, aprovechará el calor residual de los procesos de refrigeración para producir 150 toneladas de vapor por hora, evitando así que unas 390.000 toneladas anuales de dióxido de carbono lleguen a la atmósfera.

Además de los beneficios de una operación más eficiente, las empresas con procesos bajos en carbono también pueden reducir el costo de sus emisiones de CO2, por lo que son facturadas por tonelada a través del Sistema de Comercio de Emisiones de la Unión Europea. A alrededor de $92 por tonelada métrica de dióxido de carbono, el precio de diciembre, los ahorros son significativos.

La UE considera que la construcción de bombas de calor, tanto para edificios industriales como no industriales, es crucial para su objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en al menos un 55 por ciento antes de 2030. Su iniciativa REPowerEU tiene como objetivo acelerar el reemplazo de hasta un tercio de los 150 millones de calderas térmicas en uso con bombas de calor. Un número cada vez mayor de bombas de calor a gran escala suministrará vapor o agua caliente a las redes de calefacción urbana, como se hace en Noruega, Suecia y Dinamarca. Escribir códigos de construcción amigables con el clima, usar material reciclado en la construcción de edificios, instalar aislamiento de última generación y aumentar la conservación de energía podría impulsar aún más el ahorro de energía.

El grupo de expertos alemán Agora Energiewende estima que una conversión generalizada a bombas de calor residenciales e industriales, combinada con medidas de eficiencia, podría reducir el uso de gas natural en la UE en un 32 por ciento en cinco años. Junto con un mayor suministro de gas natural licuado, esto podría obviar por completo la necesidad de gas ruso en Europa. Y a medida que los avances en la tecnología a escala industrial permitan que las bombas de calor alcancen temperaturas de 932F en un futuro cercano, predice el grupo de expertos, la electricidad puede suplantar al gas aún más ampliamente.

Tasas de crecimiento de las ventas de bombas de calor 2020-2021 en varios países.

En un artículo publicado recientemente, la Agencia Internacional de Energía estima que la UE podría recortar $65 mil millones de sus importaciones de gas si el bloque en su conjunto cambiara a bombas de calor, para uso doméstico, comercial e industrial. Sostiene que para 2050, las bombas de calor satisfarán la mayoría de las necesidades de calefacción y refrigeración del mundo.

Se espera que los incentivos y subsidios nacionales y de la UE aceleren la transición de la industria europea. Wienerberger, el fabricante de ladrillos, por ejemplo, espera pagar de $2,72 millones a $3,26 millones cada uno por los nuevos sistemas de bombas de compresión en toda Europa, de los cuales los subsidios cubrirán del 20 al 40 por ciento de los costos. Funcionarán con electricidad generada por paneles solares.

En cuanto a los Estados Unidos, que depende en gran medida de los combustibles fósiles para la calefacción, un informe muestra que la expansión de las bombas de calor domésticas en viviendas unifamiliares podría reducir las emisiones en 142 millones de toneladas métricas por año, reduciendo las emisiones del sector energético en un 14 por ciento. Para los propietarios de viviendas de EE. UU., una bomba de calor de fuente de aire estándar cuesta entre $ 3,500 y $ 7,500. La Ley de Reducción de la Inflación del presidente Joe Biden proporciona subsidios y créditos fiscales de hasta el 30 por ciento del precio de una bomba de calor doméstica (o más para hogares de ingresos bajos y moderados). La Ley también autoriza incentivos para las instalaciones industriales. Pero para muchos en los EE. UU., los costos de inversión siguen siendo un gran obstáculo, incluso con los subsidios.

En Europa, sin embargo, el entusiasmo por esta tecnología —en los hogares, los edificios comerciales y la industria— es notorio. En la mayoría de los lugares, hay que esperar un año para instalar una bomba de calor.

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