Bombas de calor: visión vs. realidad

Visión frente a realidad: por qué la intervención política es esencial para liberar el potencial de ahorro energético de las bombas de calor en aplicaciones industriales y comerciales.

Los edificios necesitan una temperatura interior y una calidad del aire confortables, los niveles de temperatura en los procesos industriales deben estar regulados al punto, las mercancías en el almacenamiento y el transporte requieren una atmósfera controlada: estos son sólo algunos ejemplos en los que la calefacción y la refrigeración son esenciales en una sociedad moderna.

Con demasiada frecuencia, ambos servicios se siguen abordando por separado. Las calderas se instalan para calentar, los equipos de aire acondicionado y refrigeración para enfriar. Rara vez se ven ambos como dos caras de la misma moneda. Como consecuencia, la energía almacenada en el aire o el agua residual se vierte al medio ambiente y, por tanto, se pierde para su uso posterior.

Si en un edificio se calienta agua caliente con una caldera y se utiliza un sistema de aire acondicionado para enfriar la temperatura del aire interior, se desperdicia energía. Si en un proceso industrial se quema energía fósil para proporcionar calefacción en el primer paso y luego se enfría un producto intermedio o final, se desperdicia energía. Si las instalaciones de producción industrial se enfrían con equipos de refrigeración/refrigeración o las oficinas cercanas se calientan con aparatos independientes, se desperdicia energía. En resumen, siempre que las necesidades de calefacción y refrigeración se resuelven de forma independiente, sin tener en cuenta la perspectiva del sistema, la probabilidad de desperdiciar energía es alta . La tecnología de las bombas de calor proporciona calefacción y

refrigeración al mismo tiempo, siempre. Es cuestión de un diseño adecuado del sistema para aprovechar ambas partes y convertir así el camino unidireccional del uso de la energía en una economía energética circular. El potencial de los ciclos cerrados es especialmente alto en las aplicaciones industriales. En 2015, el grupo de trabajo de bombas de calor industriales y comerciales (ICHP) de la Asociación Europea de Bombas de Calor ha estudiado el potencial de las aplicaciones de bombas de calor no domésticas para calefacción y refrigeración. Los autores de ese estudio, Philippe Nellissen y Stefan Wolf, han bautizado el informe como "potencial para una revolución industrial" [1].

Las tecnologías de las bombas de calor son reconocidas por su contribución a los objetivos energéticos y climáticos de la UE. En efecto,

• reducen la demanda de energía y las emisiones de CO2
• integran energías renovables y ayudan a descarbonizar el sistema
• Pueden aprovechar el calor residual.
• proporcionan un potencial de respuesta a la demanda y ayudan a estabilizar la red eléctrica.
• proporcionan empleo local y mantienen los conocimientos técnicos en I+D
• utilizar la energía local y reducir la dependencia de las importaciones.

La tecnología de las bombas de calor está ampliamente aceptada como una solución viable en el sector residencial, donde utilizan principalmente la energía renovable del aire, el agua y el suelo para proporcionar calefacción y agua caliente. Mucho menos conocida es la oportunidad de valorizar los flujos de calor residual mejorando su temperatura y utilizándolos así para cubrir las demandas de calor de los usuarios situados cerca. Esto se aplica cuando se necesita simultáneamente refrigeración y calefacción, por ejemplo, en muchos procesos industriales de la industria alimentaria, papelera o química.[1]

La tecnología de las bombas de calor puede aumentar o reducir el nivel de energía de estas fuentes hasta el nivel deseado de otra aplicación, conectando así los bucles de energía individuales en una cascada que puede volver a cerrarse. Aunque el mercado de las bombas de calor residenciales está dominado por las bombas de calor de compresión eléctrica, en las aplicaciones industriales y comerciales se utilizan diversas tecnologías de bombas de calor (véase la figura 1).

Figura 1: Clasificación de las tecnologías de bombas de calor. Fuente: Wolf/Nellissen 2015 [1]

Con la tecnología disponible actualmente, las bombas de calor pueden proporcionar calor en niveles de temperatura de hasta 100 °C con una diferencia entre la temperatura de la fuente y la del sumidero de aproximadamente 50 K por etapa. Esto es importante, ya que las instalaciones de bombas de calor de dos etapas pueden cubrir un margen mayor.

El uso de bombas de calor para aplicaciones con una demanda de calor superior a 100 °C sigue siendo un reto. Aunque se conocen los principios subyacentes de estas bombas de calor y existen prototipos para estos niveles de temperatura, todavía no están disponibles en productos estándar. El nivel actual de los proyectos de investigación y desarrollo, así como el creciente interés de los nuevos actores por entrar en el segmento de las bombas de calor de gran tamaño, deja espacio para el optimismo. En los próximos años, se espera la aparición de nuevos productos en el mercado.

Al no existir soluciones para aplicaciones de bombas de calor para niveles de temperatura superiores a 150°C , este segmento no se ha incluido en la evaluación actual del potencial. Teniendo esto en cuenta, se evaluaron los datos disponibles de Eurostat para determinar el potencial de aplicación de las bombas de calor en estos sectores industriales:

1. Hierro y acero/metales no ferrosos
2. Química y petróleo
3. Minerales no metálicos
4. Papel, pasta de papel e imprenta
5. Maquinaria para la alimentación y el tabaco
6. Madera y productos de madera
7. Equipos de transporte
8. Textil y cuero
9. Otros

Los datos de 2012 para la UE-28 revelan que la industria utiliza 3200 TWh de energía final y una demanda de calor de aproximadamente 2000 TWh. La figura 2 muestra la división de esta demanda de calor por sector analizado y rango de temperatura cubierto.

Figura 2: Distinción de la demanda de calor en la industria por sector y rango de temperatura. [1]

Esta evaluación revela un potencial prácticamente alcanzable para las bombas de calor en el rango de temperaturas de hasta 100 °C de 68 TWh, principalmente en las industrias química, papelera, alimentaria/tabaco y maderera (véanse las barras sombreadas en azul en la figura 2). Si se añaden los sectores del agua caliente y la calefacción de espacios, se obtienen otros 74 TWh (véanse las barras sombreadas en naranja en la figura 2). Con el progreso técnico, se puede acceder a un potencial adicional de 32 TWh en el rango de temperaturas de 100 a 150°C (véase la barra azul más oscura de la fig. 2). En total, las bombas de calor pueden suministrar 174 TWh o el 8,7% de toda la demanda de calor de la industria.

Los rangos de temperatura más altos mostrados en gris en el gráfico anterior siguen siendo inaccesibles para la tecnología de las bombas de calor.

El resultado de esta evaluación muestra el potencial realista de las aplicaciones de las bombas de calor. El potencial técnico es mucho mayor, pero a menudo no puede aprovecharse plenamente debido a consideraciones prácticas . Un análisis más refinado, basado en modelos, realizado por Wolf y Blesl llega a la conclusión de que el potencial técnico del uso de las bombas de calor en la industria de los 28 Estados miembros de la UE es de 1.717 PJ (477 TWh), de los cuales sólo 270 (75 TWh) o el 15% son accesibles si se aplican consideraciones económicas y prácticas. 2] Por tanto, el enfoque basado en modelos conduce a un mayor potencial técnico, pero a un potencial económico mucho menor.

Los principales factores que influyen en la perspectiva económica del funcionamiento de las bombas de calor son

• El coste de los combustibles fósiles
• El coste de la electricidad
• El tipo de interés
• Eficiencia del sistema de bomba de calor
• Disponibilidad simultánea de suministro y demanda de calor, demanda simultánea de calefacción y refrigeración
• Diferencias en los costes de inversión.

El ahorro de costes de funcionamiento por el uso de la bomba de calor es posible si el coste relativo de los combustibles fósiles y la electricidad es menor que la eficiencia del sistema de la bomba de calor. Con un precio de la energía bastante distorsionado, esto es cada vez más difícil, ya que muchos gobiernos recuperan el coste de la ecologización del sistema eléctrico a través del propio coste de la electricidad. Al mismo tiempo, el precio de los combustibles fósiles no refleja el impacto medioambiental negativo de su uso. Así, el coste relativo del suministro de calor apunta a favor de los combustibles fósiles.

Figura 3: Potencial de las bombas de calor industriales en la UE-28 [2]

Dado que existe una relación directa entre la reducción de la demanda de energía y las emisiones de CO2, la ampliación del potencial económico de la reducción de la demanda también reducirá las emisiones de CO2 del sector industrial. El estudio concluye un potencial total de reducción de las emisiones de CO2 de 86,2 Mt, de las cuales 21,5 Mt (25%) son económicamente viables.

Obstáculos, retos y oportunidades

Los principales obstáculos que limitan el uso de la bomba de calor en la industria son los siguientes

• Exigencias extremas en cuanto al retorno de la inversión, a menudo no se aceptan más de 2 años. Esto se complica aún más por el precio comparativamente bajo de la energía fósil.
• La aversión al riesgo, en particular frente a las bombas de calor, que no son de confianza, sino que se perciben como una tecnología nueva y no probada.
• Disponibilidad limitada o nula de ejemplos de buenas prácticas que puedan generar confianza en las nuevas soluciones.
• Barreras estructurales en la industria

o

Alto coste de transacción para la conversión de procesos, ya que muchos procesos antiguos se basan en el vapor

o

Necesidad de integrar las competencias y responsabilidades para realizar una perspectiva de sistemas con el fin de optimizar energéticamente los procesos industriales y las aplicaciones comerciales

El potencial de ahorro energético y de reducción de CO2 de las bombas de calor en las aplicaciones industriales sigue sin utilizarse en gran medida. La creación de un marco político más favorable permitirá invertir esta tendencia. Estas condiciones incluyen

• Añadir una señal de precio al uso de combustibles fósiles
• Reducir la carga de los impuestos y gravámenes sobre la electricidad cada vez más limpia
• Ofrecer tipos de interés bajos y garantías de préstamo a las inversiones en eficiencia energética que utilicen tecnologías de bajas emisiones de carbono, como las bombas de calor
• Aumentar la investigación y el desarrollo de soluciones estandarizadas de bombas de calor para los sectores industriales identificados
• Proporcionar más ejemplos de buenas prácticas.

Es necesario un esfuerzo conjunto de los responsables políticos y de la industria para desarrollar el potencial técnico y económico de las aplicaciones de las bombas de calor en la industria. Es necesario que ambos tiren de la misma cuerda (y en la misma dirección) para liberar todo el potencial.

Autor: Thimas Nowak, EHPA

El autor agradece a Stefan Wolf, de la Universidad de Stuttgart, y a los miembros del grupo ICHP de la EHPA su aportación.

Fuentes:

[1] Nellissen, P.; Wolf, S.: Heat pumps in non-domestic applications in Europe: Potential for an energy revolution. Presentación realizada en el 8º Foro Europeo de Bombas de Calor de la EHPA, 29.5.2015, Bruselas, Bélgica .

2] Wolf, S.; Blesl, M.: Cuantificación basada en modelos de la contribución de las bombas de calor industriales a la estrategia europea de mitigación del cambio climático. En: 2016: Actas de la Conferencia de ECEEE sobre eficiencia industrial 2016. Berlín, 12.-14.09.2016. Estocolmo, 2016

Nota sobre la Asociación Europea de Bombas de Calor (EHPA) aisbl:

La EHPAes una asociación industrial con sede en Bruselas que tiene como objetivo promover el conocimiento y el despliegue adecuado de la tecnología de las bombas de calor en el mercado europeo para aplicaciones residenciales, comerciales e industriales. La EHPA proporciona información técnica y económica a las autoridades europeas, nacionales y locales en materia legislativa, reglamentaria y de eficiencia energética. La EHPA ha creado recientemente un grupo de trabajo sobre bombas de calor industriales y comerciales (ICHP) para aumentar el reconocimiento de este ámbito de aplicación y su potencial de contribución a los objetivos climáticos y energéticos de la UE.