Investigadores británicos identifican el diseño óptimo de bomba de calor que minimiza los costes de transición del sistema

Un equipo internacional de investigación ha integrado modelos tecnoeconómicos de bombas de calor dentro de un modelo de sistema energético completo para investigar el impacto de una mayor adopción de bombas de calor aire-agua residenciales en el sistema energético del Reino Unido.

Su análisis se basó en datos de más de 100 productos disponibles en el mercado, con los que desarrollaron un modelo termodinámico y de costes de componentes de las bombas de calor.

“Se espera que un sistema eléctrico totalmente renovable requiera elevadas proporciones de tecnologías eólica y solar, una ampliación y refuerzo de la red eléctrica y un almacenamiento de energía a gran escala”, señalaron. “Estas implicaciones del sistema dependen en gran medida del coste y el rendimiento de las bombas de calor, que a su vez se ven influidos por la elección de los componentes, la demanda de calor y las condiciones de funcionamiento”.

Tras su análisis de mercado, los científicos agruparon las bombas de calor en función de tres tipos distintos de compresor -de pistón alternativo, rotativo de paletas y scroll-, así como de diez fluidos de trabajo actuales y futuros, y de una gama de superficies de intercambiador de calor que oscilaba entre 0,5 m2 y 4 m2. En todos los casos, el compresor se dimensionó para una potencia térmica máxima de 10 kW.

Mediante este análisis, el grupo descubrió que, a nivel de bomba de calor, el coste medio de los compresores de pistones alternativos, de paletas rotativas y scroll es igual a 2.560 libras (2.988 euros), 790 libras y 2.690 libras, respectivamente. El análisis también demostró que el coeficiente de rendimiento (COP, por sus siglas en inglés) oscila entre 1,6 y 3,8 y que puede alcanzarse un COP más alto con una mayor inversión de capital en componentes.

Entre los diez fluidos de trabajo, el amoníaco obtuvo el mejor rendimiento, con el COP más alto de 2,8 y el coste nivelado del calor (LCOH) más bajo, de aproximadamente 0,17 libras/kWh. El fluido de trabajo R1234yf tuvo el peor COP, de aproximadamente 2,3, y un LCOH de 0,22 libras/kWh; el LCOH más alto, de aproximadamente 0,225 libras/kWh, correspondió al butano, que también tuvo un COP de aproximadamente 2,75.

La evaluación también mostró que la mayoría de las bombas de calor de alto rendimiento (COP mayor o igual a 3,2) y costosas (precio superior a 750 libras/kWth) tenían grandes intercambiadores de calor y compresores rotativos de paletas o scroll. La mayoría de las de bajo rendimiento (COP pequeño o igual a 2,8) y bajo coste (precio inferior a 600 libras/kWth) tenían intercambiadores de calor pequeños y compresores rotativos de paletas.

Para extraer implicaciones sobre el sistema energético del Reino Unido en su conjunto hasta 2050, los datos resultantes se introdujeron en el modelo de infraestructuras y tecnologías de calor, electricidad y gas (HEGIT).

“HEGIT es un modelo integrado multiescala de planificación de la capacidad de los sistemas de calor, electricidad y gas y de compromiso de unidades que se utiliza para optimizar simultáneamente las estrategias de instalación y funcionamiento de las tecnologías de electricidad, gas y calor de todo el sistema energético”, explican los académicos. “El objetivo del modelo es minimizar el coste total del sistema necesario para alcanzar un sistema energético neto cero cumpliendo todos los objetivos medioambientales y manteniendo la seguridad de suministro HEGIT”.

Según los resultados que los científicos obtuvieron con HEGIT, el uso de bombas de calor de alto rendimiento y coste puede reducir sustancialmente la capacidad de generación de electricidad necesaria en hasta 50 GW. Es decir, aproximadamente un 20% menos que las unidades de bajo rendimiento/bajo coste. “Esto es importante, ya que significa que una gran adopción de bombas de calor de alto rendimiento puede reducir significativamente los índices de expansión de la red eléctrica y de adopción de tecnología necesarios para alcanzar los objetivos medioambientales del país”, subrayaron.

También descubrieron que los distintos diseños de bombas de calor están asociados a la capacidad de generación de electricidad renovable, especialmente la solar fotovoltaica. “Las bombas de calor de bajo rendimiento están asociadas con hasta 9 GW más de capacidad de generación de electricidad renovable (de los cuales 7 GW son de energía solar fotovoltaica) instalada en el sistema energético que las bombas de calor de alto rendimiento”, señalaron.

Además, los académicos comprobaron que, aunque las bombas más caras ofrecen un mejor COP y una menor capacidad de generación, existe un punto de rendimiento decreciente. Según ellos, un compromiso entre lograr una transición energética y minimizar las inversiones necesarias del gobierno y el usuario final se encuentra con las bombas de calor con COP de entre 2,8 y 3,2.

“Desde la perspectiva de un sistema energético, los diseños que minimizan el coste total del sistema tienen COP de 2,8, 3, 3,2 y 3 cuando se utiliza R410a, R32, amoníaco o propano como fluido de trabajo, respectivamente”, concluyen. “En lugar de invertir en nuevas mejoras del COP de las bombas de calor más allá de estos diseños, los resultados indican que es económicamente favorable invertir en un mayor almacenamiento centralizado de energía, captura y almacenamiento de carbono (CAC) y generación de energía renovable”.

Sus resultados se presentaron en el estudio “Toward optimal designs of domestic air-to-water heat pumps for a net-zero carbon energy system in the UK” (Hacia diseños óptimos de bombas de calor domésticas aire-agua para un sistema energético con cero emisiones netas de carbono en el Reino Unido), publicado en Cell Reports Sustainability. El grupo estaba formado por científicos del Imperial College de Londres (Reino Unido) y de la Universidad de Chipre.