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Aug 01, 2023

Las bombas de calor eléctricas para los hogares podrían ser una tecnología limpia y ecológica del futuro

CRÉDITO: DANA SMITH Las bombas de calor ofrecen una forma ecológica y eficaz de calentar los hogares usando

CRÉDITO: DANA SMITH

Las bombas de calor ofrecen una forma ecológica y eficaz de calentar los hogares utilizando electricidad, no combustibles fósiles. Los nuevos diseños los están haciendo más eficientes y adecuados para más condiciones.

El pensamiento innovador ha eliminado los problemas que durante mucho tiempo persiguieron a los dispositivos eléctricos, y tanto los científicos como los ecologistas están entusiasmados con las posibilidades.

Por Chris Baraniuk 11/01/2023

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Era un problema de ingeniería que había molestado a Zhibin Yu durante años, pero ahora tenía la oportunidad perfecta para solucionarlo. Atrapado en casa durante el primer confinamiento del Reino Unido por la pandemia de covid-19, el ingeniero térmico de repente tuvo todo el tiempo que necesitaba para refinar la eficiencia de las bombas de calor: dispositivos eléctricos que, como su nombre lo indica, mueven el calor del exterior a los hogares de las personas. .

Las bombas son mucho más eficientes que los calentadores de gas, pero los modelos estándar que absorben el calor del aire son propensos a la formación de hielo, lo que reduce en gran medida su eficacia.

Yu, que trabaja en la Universidad de Glasgow, Reino Unido, reflexionó sobre el problema durante semanas. Leyó papel tras papel. Y entonces tuvo una idea. La mayoría de las bombas de calor desperdician parte del calor que generan, y se dio cuenta de que si pudiera capturar ese calor residual y desviarlo, eso podría resolver el problema de descongelación y aumentar el rendimiento general de las bombas. "De repente encontré una solución para recuperar el calor", recuerda. "Ese fue realmente un momento increíble".

La idea de Yu es una de varias innovaciones recientes que tienen como objetivo hacer que la tecnología de bomba de calor de 200 años sea aún más eficiente de lo que ya es, abriendo potencialmente la puerta a una adopción mucho mayor de bombas de calor en todo el mundo. Hasta la fecha, solo alrededor del 10 por ciento de los requisitos de calefacción de espacios en todo el mundo se satisfacen con bombas de calor, según la Agencia Internacional de Energía (AIE). Pero debido a la actual crisis energética y la creciente presión para reducir el consumo de combustibles fósiles a fin de combatir el cambio climático, se puede decir que estos dispositivos son más cruciales que nunca.

Desde su lluvia de ideas sobre el encierro de 2020, Yu y sus colegas han construido un prototipo funcional de una bomba de calor que almacena el calor sobrante en un pequeño tanque de agua. En un artículo publicado en el verano de 2022, describen cómo su diseño ayuda a que la bomba de calor use menos energía. Además, al redirigir por separado parte de este calor residual a una parte de la bomba de calor expuesta al aire frío, el dispositivo puede descongelarse solo cuando sea necesario, sin tener que interrumpir el suministro de calor a la casa.

La idea se basa en el principio mismo por el que funcionan las bombas de calor: si puede aprovechar el calor, puede usarlo. Lo que hace que las bombas de calor sean especiales es el hecho de que, en lugar de solo generar calor, también capturan el calor del medio ambiente y lo trasladan a su casa, transfiriendo eventualmente ese calor a radiadores o sistemas de calefacción de aire forzado, por ejemplo. Esto es posible gracias al refrigerante que circula por el interior de una bomba de calor. Cuando el refrigerante encuentra calor, incluso una pequeña cantidad en el aire en un día frío, absorbe ese mínimo de calor.

Luego, un compresor fuerza el refrigerante a una presión más alta, lo que eleva su temperatura hasta el punto en que puede calentar su casa. Funciona porque un aumento de presión empuja las moléculas de refrigerante más juntas, aumentando su movimiento. El refrigerante luego se expande nuevamente, enfriándose mientras lo hace, y el ciclo se repite. El ciclo completo también puede funcionar a la inversa, lo que permite que las bombas de calor proporcionen refrigeración cuando hace calor en verano.

Las bombas de calor de fuente de aire, el diseño más común, capturan el calor del aire exterior.

La magia de una bomba de calor es que puede mover varios kilovatios-hora de calor por cada kWh de electricidad que utiliza. Las eficiencias de las bombas de calor generalmente se miden en términos de su coeficiente de rendimiento (COP). Un COP de 3, por ejemplo, significa que 1 kWh de jugo produce 3 kWh de calor, eso es efectivamente una eficiencia del 300 por ciento. El COP que obtiene de su dispositivo puede variar según el clima y otros factores.

Es un concepto poderoso, pero también antiguo. El matemático, físico e ingeniero británico Lord Kelvin propuso utilizar sistemas de bomba de calor para calentar espacios allá por 1852. La primera bomba de calor se diseñó y construyó unos años más tarde y se usó industrialmente para calentar salmuera con el fin de extraer la sal del fluido. En la década de 1950, los miembros del parlamento británico hablaron sobre las bombas de calor cuando las existencias de carbón se estaban agotando. Y en los años posteriores a la crisis del petróleo de 1973-74, las bombas de calor se promocionaron como una alternativa a los combustibles fósiles para la calefacción. "La esperanza está en la futura bomba de calor", escribió un comentarista en la Revisión anual de energía de 1977.

Ahora el mundo se enfrenta a otro ajuste de cuentas sobre el suministro de energía. Cuando Rusia, una de las mayores fuentes de gas natural del mundo, invadió Ucrania en febrero de 2022, el precio del gas se disparó, lo que a su vez puso a las bombas de calor en el centro de atención porque, con pocas excepciones, funcionan con electricidad, no con gas. El mismo mes, el ambientalista Bill McKibben escribió una publicación de blog ampliamente compartida titulada "Bombas de calor para la paz y la libertad" en la que, refiriéndose al presidente ruso, argumentó que Estados Unidos podría "golpear pacíficamente a Putin en los riñones" implementando bombas de calor. a gran escala mientras se reduce la dependencia de los estadounidenses de los combustibles fósiles. Las bombas de calor pueden obtener energía de paneles solares domésticos, por ejemplo, o de una red eléctrica alimentada principalmente por energías renovables.

Hacer funcionar los dispositivos con electricidad verde también puede ayudar a combatir el cambio climático, señala Karen Palmer, economista y miembro principal de Resources for the Future, una organización de investigación independiente en Washington, DC, quien es coautora de un análisis de políticas para mejorar la eficiencia energética en la Revisión anual de economía de recursos de 2018. "Avanzar hacia un mayor uso de la electricidad para satisfacer las necesidades energéticas de los edificios tendrá que suceder, en ausencia de un avance tecnológico en otra cosa", dice.

Este video ilustra el principio detrás de las bombas de calor.

CRÉDITO: ESTA CASA ANTIGUA

La AIE estima que, a nivel mundial, las bombas de calor tienen el potencial de reducir las emisiones de dióxido de carbono en al menos 500 millones de toneladas métricas en 2030, el equivalente a las emisiones anuales de CO2 producidas por todos los automóviles en Europa en la actualidad.

A pesar de su larga historia y virtudes potenciales, las bombas de calor han luchado por convertirse en algo común en algunos países. Una de las razones es el costo: los dispositivos son sustancialmente más caros que las unidades de calefacción a gas y, debido a que el gas natural se ha mantenido relativamente barato durante décadas, los propietarios de viviendas han tenido pocos incentivos para cambiar.

También ha existido durante mucho tiempo la percepción de que las bombas de calor no funcionan tan bien en climas fríos, especialmente en casas mal aisladas que requieren mucho calor. En el Reino Unido, por ejemplo, donde las casas tienden a tener corrientes de aire, algunos propietarios han considerado durante mucho tiempo que las calderas de gas son una opción más segura porque pueden suministrar agua más caliente (alrededor de 140 a 160 grados Fahrenheit) a los radiadores, lo que facilita el calentamiento. un cuarto. Por el contrario, las bombas de calor tienden a ser más eficientes cuando calientan el agua a unos 100 grados Fahrenheit.

Sin embargo, podría decirse que el problema del clima frío es un problema menor de lo que algunos piensan, dado que existen múltiples dispositivos modernos de fuente de aire en el mercado que funcionan bien incluso cuando las temperaturas exteriores descienden hasta menos 10 grados Fahrenheit. Noruega, por ejemplo, es considerada uno de los líderes mundiales en el despliegue de bombas de calor. Palmer tiene una bomba de calor en su casa de EE. UU., junto con un horno como respaldo. "Si hace mucho frío, podemos confiar en el horno", dice ella.

Las innovaciones en el diseño de bombas de calor están dando lugar a unidades que son incluso más eficientes, más adecuadas para casas con bajos niveles de aislamiento y, potencialmente, también más baratas. Por ejemplo, Yu dice que el nuevo diseño de bomba de calor de fuente de aire de él y sus colegas podría mejorar el COP entre un 3 y un 10 por ciento, mientras cuesta menos que los diseños de bombas de calor existentes con una funcionalidad comparable. Ahora están buscando comercializar la tecnología.

El trabajo de Yu es innovador, dice Rick Greenough, un ingeniero de sistemas de energía ahora jubilado de la Universidad De Montfort en el Reino Unido. "Debo admitir que este es un método en el que en realidad no había pensado", dice.

Este nuevo diseño de bomba de calor, del ingeniero térmico Zhibin Yu de la Universidad de Glasgow, almacena el calor residual que de otro modo se desperdiciaría y lo usa para ayudar a calentar la casa o descongelar parte de la bomba. Esto hace que el sistema sea más eficiente.

Y hay muchas más ideas en marcha. Greenough, por ejemplo, ha experimentado con el almacenamiento de calor en el suelo durante los meses más cálidos, donde puede ser aprovechado por una bomba de calor cuando el clima se vuelve más frío. Su diseño utiliza un fluido circulante para transferir el exceso de calor de los paneles solares de agua caliente a pozos poco profundos en el suelo. Eso eleva la temperatura del suelo alrededor de 22 grados Fahrenheit, hasta un máximo de aproximadamente 66 grados Fahrenheit, dice. Luego, en el invierno, una bomba de calor puede extraer parte de este calor almacenado para funcionar de manera más eficiente cuando el aire se enfría. Esta tecnología ya está en el mercado, ofrecida por algunos instaladores en el Reino Unido, señala Greenough.

Pero la mayoría de las bombas de calor actuales solo generan temperaturas de salida relativamente bajas, por lo que los propietarios de casas con corrientes de aire pueden necesitar asumir el costo adicional del aislamiento al instalar una bomba de calor. Afortunadamente, puede estar surgiendo una solución: bombas de calor de alta temperatura.

"Dijimos: 'Oye, ¿por qué no hacer una bomba de calor que realmente pueda reemplazar una caldera de gas sin tener que aislar completamente tu casa?'", dice Wouter Wolfswinkel, gerente de programa para desarrollo de negocios en Energía sueca. firma Vattenfall, que fabrica bombas de calor. Vattenfall y su filial holandesa Feenstra se han asociado para desarrollar una bomba de calor de alta temperatura, que se espera debute en 2023.

Al igual que los acondicionadores de aire que funcionan en reversa, las bombas de calor como la que se está instalando aquí usan refrigerantes para capturar el calor del exterior y moverlo al interior para calentar la casa.

CRÉDITO: PHYXTER HOME SERVICES

En su diseño utilizan CO2 como refrigerante. Pero debido a que las condiciones de operación calientes y de alta presión del sistema de bomba de calor evitan que el gas se condense o se enfríe muy fácilmente, tuvieron que encontrar una manera de reducir la temperatura del refrigerante para que pudiera absorber suficiente calor del aire una vez más cuando regresa al inicio del circuito de la bomba de calor. Con este fin, agregaron un "amortiguador" al sistema: un tanque de agua donde una capa de agua más fría descansa debajo del agua más caliente arriba. La bomba de calor utiliza la capa inferior de agua más fría del tanque para ajustar la temperatura del refrigerante según sea necesario. Pero también puede enviar el agua más caliente en la parte superior del tanque a los radiadores, a temperaturas de hasta 185 grados Fahrenheit.

El dispositivo es un poco menos eficiente que una bomba de calor convencional de baja temperatura, reconoce Wolfswinkel, y ofrece un COP de alrededor del 265 por ciento frente al 300 por ciento, según las condiciones. Pero eso sigue siendo mejor que una caldera de gas (no más del 95 por ciento de eficiencia), y mientras los precios de la electricidad no sean significativamente más altos que los precios del gas, la bomba de calor de alta temperatura aún podría ser más barata de operar. Además, la temperatura más alta significa que los propietarios de viviendas no necesitan actualizar su aislamiento o aumentar el tamaño de los radiadores de inmediato, señala Wolfswinkel. Esto podría ayudar a las personas a hacer la transición a la calefacción eléctrica más rápidamente.

Una prueba clave era si los propietarios de viviendas holandeses lo aceptarían. Como parte de una prueba piloto, Vattenfall y Feenstra instalaron la bomba de calor en 20 hogares de diferentes tamaños en la ciudad de Heemskerk, no lejos de Ámsterdam. Tras unos años de pruebas, en junio de 2022 dieron la opción a los propietarios de viviendas de recuperar su vieja caldera de gas, que tenían guardada en sus casas, o de utilizar la bomba de calor de alta temperatura de forma permanente. "Todos cambiaron a la bomba de calor", dice Wolfswinkel.

En algunas situaciones, las instalaciones de bombas de calor hogar por hogar pueden ser menos eficientes que construir un sistema grande para servir a todo un vecindario. Durante aproximadamente una década, Star Renewable Energy, con sede en Glasgow, ha estado construyendo sistemas de distrito que obtienen calor de un río cercano o de una entrada de mar, incluido un sistema de calefacción de distrito conectado a un fiordo noruego. Es posible que un fiordo escandinavo no sea lo primero que le venga a la mente si dice la palabra "calor", pero el agua en lo profundo del fiordo en realidad mantiene una temperatura bastante estable de 46 grados Fahrenheit, que las bombas de calor pueden aprovechar.

Las bombas de calor geotérmicas y de agua se diferencian de las bombas de aire en que capturan el calor del suelo o de las masas de agua.

A través de una tubería muy larga, el sistema de calefacción urbana extrae esta agua y la utiliza para calentar el refrigerante, en este caso el amoníaco. Un aumento posterior y serio de la presión del refrigerante, a 50 atmósferas, eleva su temperatura a 250 grados Fahrenheit. El refrigerante caliente luego pasa su calor al agua en el circuito de calefacción del distrito, elevando la temperatura de esa agua a 195 grados Fahrenheit. El sistema en expansión proporciona el 85 por ciento del agua caliente necesaria para calentar los edificios en la ciudad de Drammen.

"Ese tipo de cosas es muy emocionante", dice Greenough.

No todos los hogares serán adecuados para una bomba de calor. Y no todos los presupuestos pueden acomodar uno tampoco. El mismo Yu dice que el costo de reemplazar la caldera de gas en su propia casa sigue siendo prohibitivo. Pero es algo que sueña con hacer en el futuro. Con eficiencias cada vez mejores y ventas en aumento en varios países, las bombas de calor son cada vez más difíciles de descartar para sus detractores. "Eventualmente", dice Yu, "creo que todos cambiarán a bombas de calor".

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Chris Baraniuk es un periodista científico independiente y amante de la naturaleza que vive en Belfast, Irlanda del Norte. Su trabajo ha sido publicado por la BBC, The Guardian, New Scientist, Scientific American y Hakai Magazine, entre otras publicaciones.

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