Bombas de calor: ¿una oportunidad olvidada?

Recuperar la energía, no desperdiciarla

¿Qué tienen en común un fiordo noruego, una cervecería belga, una central lechera danesa, un centro de datos finlandés, un edificio de oficinas alemán y un centro deportivo francés (y muchos más)? Utilizan bombas de calor, y nadie lo sabe.

La tecnología de las bombas de calor es bien conocida por suministrar calefacción, refrigeración y agua caliente a edificios residenciales de forma eficiente y fiable. Menos conocidos son los primos mayores de las bombas de calor residenciales:las unidades industrialesy comerciales. Aunque también proporcionan los mismos servicios primarios, añaden un factor importante a los sistemas energéticos de las ciudades, los grandes edificios o los procesos industriales: Las grandes bombas de calor cierran los circuitos energéticos.

Allí donde el ser humano está activo, necesita energía. La energía siempre "fluye" de un nivel de temperatura superior a otro inferior. El resultado es un excedente de energía a un nivel que normalmente se considera inútil. En un edificio residencial típico, los usuarios necesitan calefacción y refrigeración, iluminación, entretenimiento, etc., y mientras los habitantes disfrutan de estos servicios, la energía se acaba perdiendo. Lo mismo ocurre con los edificios comerciales, los hospitales y las escuelas.

Las bombas de calor pueden proporcionar energía, pero también pueden ayudar a reducir la demanda absoluta de energía si se integran en sistemas de recuperación de calor. En los edificios más grandes, una gestión inteligente de la energía basada en las bombas de calor puede distribuir la energía entre las partes del edificio que necesitan calefacción y las que necesitan refrigeración. Esto también podría hacerse entre diferentes edificios.

El efecto es aún mayor en la industria. Aparte de la necesidad de calentar/enfriar los edificios y de suministrar agua caliente para la cocina y las duchas, muchos procesos industriales funcionan hoy en día a temperaturas inferiores a 100°C. Esto los hace aptos para el uso de bombas de calor. Los prototipos pueden incluso proporcionar temperaturas de hasta 170°C. Una evaluación del potencial técnico de las bombas de calor en aplicaciones industriales reveló un potencial de ahorro de energía de 174TWh o aproximadamente el 10% de la demanda de energía de calefacción de la industria. La cantidad de ahorro es aún mayor si se tiene en cuenta la integración de los procesos de enfriamiento y refrigeración en el sistema.

Conectar los puntos es un reto clave para aprovechar plenamente el potencial.

Los flujos de energía en la industria suelen ser complejos. Requieren y proporcionan energía en diferentes momentos, lugares y niveles de temperatura, así como en diferentes cantidades.

Cada entrada de energía da lugar a un desperdicio de energía en un nivel inferior, cada proceso de refrigeración/refrigeración produce calor residual e incluso si se utiliza una bomba de calor para la calefacción, da lugar a un desperdicio de refrigeración. Esta energía puede desecharse al medio ambiente o recuperarse para mejorar la eficiencia energética general.

Es necesario entender este proceso para decidirse favorablemente por su implantación. Es posible que los expertos responsables del diseño y la explotación de los procesos industriales tampoco conozcan estas oportunidades. Un comentario típico de un director de planta fue "un subproducto de nuestro proceso principal es la energía a 50°C, pero no nos sirve para nada. Y lo que es peor, se convierte en un factor de coste, ya que tenemos que invertir en instalaciones para deshacernos de él".

El reto es conectar las áreas de aplicación y encontrar un uso para el calor residual de un proceso de refrigeración o para el frío residual de un proceso de calefacción es el reto. A veces sólo hace falta un poco de creatividad, otras veces sólo se puede conseguir rediseñando todo el proceso de producción. Si se consigue, las mejoras de eficiencia son enormes. Hasta el punto de que los beneficiarios de estas mejoras no quieren que los demás lo sepan; prefieren aprovechar la ventaja de los costes durante el mayor tiempo posible.

Las bombas de calor se están convirtiendo en la tecnología más avanzada en aplicaciones comerciales

Los edificios de oficinas, los hoteles, los restaurantes, los hospitales y las instalaciones deportivas necesitan calefacción y refrigeración, y a menudo requieren más calefacción que refrigeración. La mayoría de ellos también necesitan agua caliente para distintos fines. La instalación de una bomba de calor como solución independiente o en una configuración híbrida es cada vez más común. El uso de una sola máquina para proporcionar calefacción y refrigeración es aún más eficiente desde el punto de vista económico.

Procesos industriales

Las bombas de calor pueden aplicarse en muchos procesos de producción industrial. Las áreas de aplicación incluyen

• Calefacción/refrigeración de edificios
• Limpieza
• Secado - normalmente los bucles de energía se cierran conectando el lado de la energía residual con el lado de la energía de origen y salvando la diferencia de temperatura a través de la bomba de calor. Si es necesario, se añade un quemador fósil como fuente de energía de reserva o para cubrir los picos de demanda.
• Producción y procesamiento de alimentos (copos, elaboración de cerveza, malta, frutas y verduras, fideos de levadura, patatas, así como carne, leche y queso),
• Producción general (como textiles, industrias madereras, caucho y plásticos, papel, elaboración de cerveza, producción de ladrillos de malta y revestimiento de metales).

Conectar los bucles de energía utilizando la energía residual de un proceso, trasladándola a un nivel útil y proporcionándola a otro proceso es el santo grial del diseño de procesos eficientes.

Los siguientes ejemplos muestran las ventajas de las grandes instalaciones de bombas de calor en diversas áreas de aplicación, como edificios de oficinas, calefacción urbana, fábricas de papel, fábricas de productos lácteos y de bebidas. Sólo pueden servir de inventiva para seguir considerando las aplicaciones de las bombas de calor. Para liberar todo este potencial, no sólo será necesario que la industria desarrolle aún más la tecnología, sino también que los responsables políticos creen marcos y mercados que favorezcan los sistemas basados en bombas de calor como soluciones más sostenibles. Deberían favorecer la reducción de la demanda de energía mediante el uso de energía recuperada de forma similar a como favorecen el uso de las energías renovables en la actualidad.

Por último, pero no menos importante, arreglar el actual mecanismo de mercado es el elefante en la habitación. Los tiempos de amortización de las bombas de calor que son aceptables para la industria, así como la disponibilidad de opciones de financiación, dependen en gran medida de la comparación con el coste de las alternativas de combustibles fósiles. Si los responsables políticos quieren utilizar el mecanismo de mercado para la transición energética, tienen que establecer una señal de precio correcta.

Los Jefes de Estado y de Gobierno firmaron el pasado diciembre en París los acuerdos de la COP21 para limitar el calentamiento global a un nivel significativamente inferior a 2 grados centígrados.

Aprovechar al máximo el potencial de las grandes bombas de calor en los edificios residenciales y comerciales, en los procesos industriales y en las ciudades facilitará la consecución de este objetivo, pero aún más: la descarbonización del sistema energético es imposible sin la descarbonización del sector de la calefacción; la descarbonización del sector de la calefacción y la refrigeración es imposible sin las bombas de calor.

Antecedentes: la tecnología de las bombas de calor

Las bombas de calor convierten el aire, el calor del suelo y el agua en energía: ¡así de sencillo! El principio general de la tecnología es idéntico e independiente de la aplicación. Una bomba de calor puede proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria para aplicaciones residenciales, comerciales e industriales. Las bombas de calor transforman la energía procedente de fuentes de energía renovables (aire | aerotermia, suelo | geotermia y agua | hidrotermia) en calor útil. También pueden utilizar la energía recuperada de los procesos industriales, las instalaciones de infraestructura (alcantarillado, metro, aparcamiento subterráneo) o el aire de salida de los edificios. La transformación se realiza mediante el ciclo de refrigeración. Consta de una fuente de calor, la unidad de bomba de calor y un sistema de distribución para calentar/enfriar el edificio, normalmente conductos de aire o tuberías de agua.

Aunque existen diversas variantes técnicas de la tecnología de las bombas de calor, el ciclo de compresión eléctrica es el más utilizado. En una bomba de calor de compresión eléctrica, un fluido de transferencia (refrigerante) transporta el calor desde una fuente de baja energía a un sumidero de mayor energía. Para hacer funcionar el compresor y las bombas de calor se necesita energía auxiliar, normalmente electricidad o gas.

El ciclo del refrigerante proporciona calefacción y refrigeración, de forma continua

Los sistemas de bomba de calor están optimizados para la calefacción o la refrigeración. En el modo de calefacción, la energía ambiental es la fuente de calor y el edificio/proceso es el disipador de calor. En el modo de refrigeración, el edificio/proceso se enfría utilizando el exterior como disipador de calor. Obviamente, la eficiencia del sistema aumenta en gran medida en áreas de aplicación con una demanda paralela de calefacción y refrigeración, lo que supone una ventaja económica adicional para estos sistemas.

Los efectos secundarios positivos del uso de las bombas de calor son el empleo local, la reducción de la dependencia de las importaciones, la mayor estabilidad y previsibilidad del coste de la energía y el establecimiento de un puente entre los sectores eléctrico y térmico al ofrecer un potencial de respuesta a la demanda y estabilizar la red eléctrica.

Las bombas de calor son transversales al sistema energético moderno y orientado al futuro. La descarbonización necesaria del sistema energético no puede lograrse sin descarbonizar el sector de la calefacción. El sector de la calefacción no puede descarbonizarse sin las bombas de calor.

Este artículo se publicó por primera vez en Revolve "Renewing Energy", verano de 2016