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Nov 29, 2023

Las enormes bombas de calor que calientan las ciudades

Es otra ola de frío y los campos de Cornualles, en el suroeste de Inglaterra, están

Es otra ola de frío y los campos de Cornualles, en el suroeste de Inglaterra, están cubiertos de nieve. Pero al final de un camino ventoso, la casa de Ceri Simmons está calientita. Su sala de estar es una jungla de plantas colgantes y, a través de la cocina, se vislumbra un estudio revestido de madera que revela el trabajo de Simmons como profesora de yoga aéreo. "No solo es encantador para mí tener una casa cálida, también es importante para mis clientes", dice.

El remoto pueblo de Stithians, cerca del extremo suroeste de la parte continental del Reino Unido, donde vive la familia Simmons, se ha convertido en una frontera improbable en la carrera por descarbonizar la calefacción. Está probando un nuevo enfoque para la calefacción con bajas emisiones de carbono que podría ser clave para la rápida ampliación necesaria en todo el mundo.

El proyecto se aleja de los obstáculos que enfrentan los propietarios individuales y diseña un sistema de bomba de calor que se puede entregar a escala en calles, pueblos y ciudades. Al hacerlo, podría proporcionar un modelo para los espacios urbanos de todo el mundo que reflexionan sobre cómo descarbonizar sus sistemas de calor de manera rápida y efectiva.

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Actualmente, en el Reino Unido, el 74 % de las personas calientan sus hogares con calderas de gas, y el resto son principalmente calentadores eléctricos y aceite. Esto lleva al sector de la calefacción a representar un tercio de las emisiones de gases de efecto invernadero del Reino Unido, comparables a las emisiones de todos sus automóviles de gasolina y diésel. Se observan valores similares en los EE. UU., donde alrededor de la mitad de la calefacción proviene del gas.

Para limitar el calentamiento global, esto debe cambiar drásticamente y, en muchos lugares, eso significa instalar muchas más bombas de calor. Para 2030, alrededor de una cuarta parte de los edificios del Reino Unido deberían calentarse usándolos, según el organismo asesor climático del gobierno del Reino Unido, aumentando al 52% para 2050. La calefacción electrizante también será clave para descarbonizar los edificios en los EE. UU., dice Melissa Lott, directora de investigación en el Centro de Política Energética Global de la Universidad de Columbia. Un estudio en San Francisco se refirió a las bombas de calor como la "palanca más impactante" para reducir las emisiones.

En lugar de quemar un combustible, las bombas de calor concentran la energía térmica ya presente en el aire, el suelo o el agua y la bombean a través de las tuberías y radiadores de un edificio.

Hacen esto con una eficiencia increíble, convirtiendo 1 kilovatio (kW) de electricidad en 3-5kW de calor, a diferencia de 1kW para un calentador eléctrico directo y 0,9kW para una caldera de gas. Esto significa que proporcionan prácticamente "calor gratis", dice Lott. Sin embargo, como con todos los sistemas de calefacción, la eficiencia depende de qué tan bien esté aislado el edificio para minimizar la pérdida de calor, señala.

Si la fuente de electricidad es renovable, las bombas de calor no emiten carbono. En el Reino Unido, casi la mitad de la electricidad suministrada a la red nacional proviene de fuentes renovables, en comparación con el 20 % en los EE. UU. Ambos países apuntan a fuertes aumentos en estos porcentajes.

La bomba de calor de Ceri Simmons, que se ve aquí afuera de su casa, ahora suministra toda su calefacción y agua caliente desde una red de tuberías debajo de la calle (Crédito: Evie Townend)

El proyecto Heat the Streets en Stithians proporciona una plantilla completamente nueva sobre cómo pueden funcionar las bombas de calor de fuente terrestre.

Las bombas de calor de fuente terrestre son más eficientes que sus contrapartes de fuente de aire. Esto se debe a que el suelo tiene una temperatura constante. La mayoría de las bombas de calor geotérmicas tienen una tubería vertical que requiere la perforación de un pozo profundo y costoso de 60 a 200 m (200 a 650 pies) en el suelo. Alternativamente, pueden usar un bucle horizontal que es mucho menos profundo en el suelo pero requiere una gran área de superficie que la mayoría de la gente no tiene, especialmente en las ciudades.

Además, la instalación de bombas de calor tiende a ser responsabilidad de los propietarios individuales. A pesar de incentivos como el Esquema de actualización de calderas del Reino Unido y los créditos fiscales federales de EE. UU. en virtud de la Ley de reducción de la inflación de Biden, siguen existiendo barreras importantes para una implementación generalizada. A menudo existe una falta de comprensión y conocimiento de la tecnología, lo que, combinado con los grandes costos iniciales y la escasez de instaladores capacitados, puede impedir que los propietarios realicen el cambio. La arquitectura también puede ser una barrera: las casas simplemente necesitan suficiente espacio exterior para instalar las bombas de calor, algo que obviamente falta en los pisos y los entornos urbanos densos.

Sin embargo, en lugar de que cada hogar perfore un solo pozo para una sola bomba de calor, Heat the Streets utiliza más de 200 pozos perforados 100 m (330 pies) debajo de la calle conectados a una enorme red comunal de tuberías subterráneas horizontales justo debajo del nivel de la calle, conocida como principal

El glicerol, un líquido viscoso inodoro, no tóxico, se pasa verticalmente a través de los pozos para absorber el calor y luego hacerlo circular en estas tuberías horizontales, que a su vez alimentan bombas de calor en propiedades individuales a lo largo de toda la calle y, eventualmente, todo el vecindario. .

Las bombas de calor, no más grandes que una caldera de gas típica, se instalan dentro o fuera de las casas individuales, según el tamaño de la propiedad, la idoneidad y la preferencia del propietario.

A solo unos metros por debajo de la superficie de Cornualles, el suelo tiene una temperatura constante de alrededor de 11 °C (52 °F) debido a la absorción de la luz solar durante milenios, dice Max Bridger, gerente de operaciones de proyectos de Heat the Streets, y es este calor el que recolecta la tubería de calor. .

Las bombas de calor funcionan de manera más eficiente cuando los edificios están aislados para minimizar la pérdida de calor (Crédito: sturti/Getty Images)

Luego, las bombas de calor realizan otra serie de intercambio, compresión y evaporación que lleva la temperatura a alrededor de 50 °C (122 °F). Finalmente, este calor se transfiere al agua, que se bombea a través de tuberías y radiadores especialmente mejorados de una casa.

Kensa Utilities, la empresa a cargo de instalar la red en Stithians, seguirá siendo propietaria de la infraestructura. Para los residentes, la conexión a la red de calefacción funciona como lo hace con otros servicios públicos, como la banda ancha o el agua. Los residentes son dueños de sus bombas de calor individuales y pagan una tarifa de conexión para unirse cuando estén listas.

"Cuando se rompe una caldera [de gas], ahora habrá una alternativa para simplemente reemplazarla. Pero este sistema también significa que las personas no tienen que financiar los grandes costos iniciales de infraestructura o conectarse todo a la vez", dice Bridger.

Las bombas de calor geotérmicas proporcionan toda la calefacción y el agua caliente que necesita la casa y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero que liberan en un 70 %. Los residentes mantienen el control total de su calefacción y pueden cambiar de proveedor de energía cuando lo deseen.

La casa de Simmons estaba equipada con una bomba de calor que comparte una tubería de calor con varios vecinos. Tomó alrededor de una semana hacer el trabajo interior y exterior y "realmente no fue demasiado molesto o ruidoso", dice ella. El cilindro de agua, escondido dentro de un viejo armario de ropa blanca, es casi exactamente del mismo tamaño que una caldera promedio.

En última instancia, planea usar sus paneles solares, actualmente configurados para vender la electricidad a National Grid, para alimentar directamente la bomba de calor, lo que, según ella, haría que su hogar fuera casi completamente autosuficiente.

Los trabajadores operan una plataforma de perforación para un pozo en Enfield, Londres, donde están instalando bombas de calor geotérmicas en pisos de gran altura (Crédito: Kensa Utilities)

Este concepto de una tubería de calefacción enterrada debajo de una calle comunal no se limita de ninguna manera a las propiedades de una sola planta como la de Simmons. Otro proyecto de Kensa en Enfield, Londres, es la instalación de bombas de calor geotérmicas en pisos de gran altura.

Heatmains se han desarrollado debajo de cada uno de los ocho bloques de pisos, con un total de 400 viviendas, utilizando sus aparcamientos para perforar los pozos requeridos.

Un eje vertical que se utiliza para transportar otros servicios públicos por todo el edificio, conocido como elevador de servicio, permite que la tecnología utilizada en Stithians funcione para edificios de varios pisos, dice Bridger. Con espacios más pequeños, adaptar cada apartamento con una bomba de calor "caja de zapatos" puede suministrar suficiente calor y minimizar el espacio ocupado en el interior, agrega.

El futuro de las bombas de calor en edificios de gran altura está recibiendo una atención cada vez mayor en todo el mundo. En la ciudad de Nueva York, son las bombas de calor de fuente de aire las que se han convertido en el foco de los esfuerzos para descarbonizar los 6000 edificios de gran altura de la ciudad.

Actualmente, la mayoría de ellos cuentan con una única y gran caldera de gas que controla la calefacción de todo el edificio. Cada apartamento individual también utiliza una unidad de aire acondicionado conectada a una ventana exterior que funciona por separado del sistema de calefacción.

En 2021, la Asociación de Vivienda de la Ciudad de Nueva York lanzó el Desafío Calor Limpio para Todos, una competencia para fomentar la innovación de la industria en línea con una próxima ley local que limitará las emisiones de gases de efecto invernadero de los edificios a partir de 2024. El diseño que resultó ganador es una bomba de calor de fuente de aire que cuelga "como alforjas de caballos" de la base de las ventanas de los apartamentos, sin bloquear la luz ni ocupar espacio dentro de los apartamentos, dice Lott.

"La belleza de las bombas de calor es que pueden calentar y enfriar espacios, utilizando el mismo proceso a la inversa", agrega Lott. "Es una unidad modular que realiza dos funciones".

El diseño también daría a los apartamentos el control de su propia calefacción y refrigeración. "Es más eficiente porque tiene la capacidad de personalizar su apartamento para su propia comodidad, por lo que no habrá más ventanas abiertas por los apartamentos sobrecalentados en invierno", dice Lott.

Las nuevas bombas de calor se están implementando este año para una prueba en Woodside Houses, un complejo de 20 edificios de ladrillo en Queens donde los residentes se quedaron sin calefacción ni agua caliente el invierno pasado después del huracán Ida.

Si bien no se espera que la infraestructura de la red local deba actualizarse de inmediato, una mayor demanda de electricidad es una consideración importante en el aumento del uso de bombas de calor en general.

Jan Rosenow, director de programas europeos en Regulatory Assistance Project (RAP), dice que el Reino Unido podría ver cómo la presión sobre la red se duplica o incluso triplica en los próximos 20 a 30 años. "Se necesitarán formas de almacenar electricidad que no sean baterías grandes en los hogares de las personas", dice. Hay una gama de tecnologías prometedoras, agrega, como las baterías de flujo y el hidrógeno verde.(Lea más sobre si las baterías de gravedad pueden resolver nuestros problemas de almacenamiento de energía).

La red de calefacción urbana de Estocolmo suministra electricidad a 800.000 hogares mediante bombas de calor a escala industrial y otras fuentes de calor (Crédito: Christine Olsson/Getty Images)

En cierto sentido, Heat the Streets aprovecha otra solución importante para calentar hogares en un mundo con bajas emisiones de carbono: la calefacción urbana.

En esencia, las redes de calor distrital están "simplemente golpeando recipientes vacíos que conectan propiedades", dice David Barns, experto en descarbonización de calor de la Universidad de Leeds. "Cómo se obtiene energía térmica en esa red de calor es una pregunta relacionada pero separada".

La calefacción urbana tuvo un auge en los países nórdicos durante la crisis del petróleo de la década de 1970, pero los sistemas funcionaban principalmente con la quema de combustibles fósiles en grandes plantas combinadas de calor y energía. Aún así, este diseño de un solo sistema centralizado puede hacer que sea mucho más fácil cambiar un número significativo de hogares a calefacción con bajas emisiones de carbono, sin que se "arranquen" miles de calderas, dice Barns.

Las emisiones de los viajes que se necesitaron para informar esta historia fueron de 3 kg de CO2. Las emisiones digitales de esta historia se estiman entre 1,2 ga 3,6 g de CO2 por página vista. Obtenga más información sobre cómo calculamos esta cifra aquí.

Por ejemplo, la red de calefacción urbana de Estocolmo tiene 3000 km (1860 millas) de tuberías y ahora suministra electricidad a 800 000 hogares mediante bombas de calor a escala industrial que capturan el calor de las aguas residuales domésticas, los centros de datos y el agua de mar, junto con los residuos incinerados no reciclables y los biocombustibles forestales. .

El modelo Heat the Streets en Stithians utiliza "calefacción de distrito de quinta generación", una red localizada combinada con tecnología de bomba de calor. La ventaja de este tipo de proyecto calle por calle es poder concentrarse en cualquier recurso energético que haya cerca para hacer la mejor combinación, dice Caroline Haglund Stignor, investigadora en tecnologías energéticas en Rise Research Institutes de Suecia. "Empiezas poco a poco y luego construyes poco a poco", dice ella.

Esto puede permitir métodos más innovadores de obtención de calor, como una red en Islington que aprovecha el calor de las corrientes calientes de los túneles subterráneos de Londres o agua de inundación en minas antiguas.

En el Reino Unido, sin embargo, hay una falta de conciencia y regulación sobre la calefacción urbana, lo que está retrasando su expansión, dice Barns.

El gobierno del Reino Unido se ha comprometido a designar zonas de redes de calor a más tardar en 2025 que ubicarán las redes de calor en los mejores lugares y exigirán que las personas se conecten a ellas. Esto ayudará a que el modelo comercial para construir redes de calor sea más viable financieramente, explica Barns, porque los inversionistas privados tendrán más certeza de que la gente los usará.

Este tipo de trabajo a gran escala se puede coordinar con otros trabajos básicos, como cables para puntos de carga de vehículos eléctricos, para reducir las interrupciones, dice Rosenow. Pero estos despliegues a nivel local requieren un "cambio radical" en la planificación que aún no se refleja en políticas o marcos, agrega.

Es mucho más común ver bombas de calor de fuente de aire en casas individuales que en bloques de apartamentos (Crédito: Mark Morgan/Alamy)

Aún así, la calefacción urbana no es necesariamente la respuesta correcta en todas partes. Es más adecuado para áreas densamente pobladas debido a la importante pérdida de calor que se produce al transportar agua a altas temperaturas a largas distancias.

La calefacción urbana ya existe en algunas ciudades de EE. UU., como Milwaukee y Baltimore, pero el país no tiene la misma densidad de población que el Reino Unido y la mayor parte de Europa occidental, salvo algunas excepciones, dice Lott. "Para la mayoría de los EE. UU., estamos hablando de calentar edificios individuales y, por lo tanto, las redes de calefacción urbana no tienen sentido. Las bombas de calor [individuales], tanto de fuente de aire como de tierra, son una opción mucho mejor para nosotros".

El camino hacia la calefacción descarbonizada no es simple, pero las bombas de calor son una tecnología más o menos lista y esperando, siempre que se puedan superar los obstáculos de costos. Pero incluso cuando los signos de interrogación se ciernen sobre la seguridad energética, los precios del combustible y los extremos climáticos relacionados con el clima, el estudio de yoga en la casa de la familia Simmons se siente como un lugar acogedor para capear la incertidumbre.

Este artículo se actualizó el 2/2/23 para aclarar una cita sobre las soluciones de almacenamiento a largo plazo de Jan Rosenow.

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