Hibridación de generadores termoeléctricos con bombas de calor fotovoltaicas geotérmicas

Científicos de Corea del Sur han realizado un análisis de viabilidad para combinar generadores termoeléctricos (TEG) con bombas de calor acopladas a sistemas fotovoltaicos-térmicos (FPT).

Los TEG pueden convertir el calor en electricidad mediante el “efecto Seebeck”, que se produce cuando la diferencia de temperatura entre dos semiconductores distintos produce una diferencia de tensión entre dos sustancias. Estos dispositivos se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales para convertir el exceso de calor en electricidad. Sin embargo, su elevado coste y escaso rendimiento han limitado hasta ahora su adopción a mayor escala.

Según los investigadores, los TEG son fundamentales para conseguir edificios de consumo energético cero (ZEB), aunque todavía no suministran energía suficiente para los sistemas de calefacción y refrigeración de los edificios debido a la escasa generación eléctrica actual. “De hecho, se prevé que los avances tecnológicos que se están produciendo en los materiales termoeléctricos ofrezcan un mayor potencial de recuperación de energía. Por consiguiente, es imperativo llevar a cabo una evaluación exhaustiva de la viabilidad de la integración y el avance de las aplicaciones de los TEG”, añaden.

En su trabajo, los investigadores trataron de aprovechar las diferencias de temperatura en los conductos de entrada y salida de una bomba de calor para generar electricidad adicional. Para ello, diseñaron y modelaron un sistema híbrido para una vivienda residencial compuesto por una PVT con un rendimiento eléctrico del 16%, un intercambiador de calor de tierra (GHE) y unidades de acumulador de calor (HST).

Modelización
También modelaron una bomba de calor agua-agua de 10,5 kW, con calefacción y refrigeración suplementarias proporcionadas por una unidad de ventiloconvector. Se utilizó un acumulador solar (SST) para el control adicional del ajuste del caudal. Los TEG se instalaron en la entrada y la salida del PVT, el GHE y el HST y tenían una aplicación de 0,1 m × 1 m en cada unidad.

“Las generaciones eléctricas de los TEG se comparan en función de la eficiencia de conversión (zT)”, explicó el grupo de investigación. “La generación eléctrica de TEG producida en cada unidad se calculó con un valor zT de 1. Un elemento termoeléctrico disponible en el mercado tiene un valor zT de aproximadamente 1, con una eficiencia de conversión del 10-15%”.

Se supuso que la casa modelada estaba situada en Seúl, Corea del Sur, y se simularon las temperaturas y la irradiación solar entre noviembre y marzo. La radiación solar máxima durante el periodo de calefacción fue de 899,7 W/m2, mientras que la radiación solar media diaria fue de 247,7 W/m2.

Según el equipo de investigación, la radiación solar y la temperatura exterior influyeron significativamente en la tasa de intercambio de calor del PVT y, por tanto, en su capacidad para generar electricidad en el TEG. El TEG produjo 85 Wh en noviembre, 18 Wh en diciembre, 8 Wh en enero, 44 Wh en febrero y 196 Wh en marzo.

“Durante el mes más frío del año, enero, se utilizó el GHE para calentar la casa en lugar del agua circulante almacenada en el PVT. Por tanto, en enero se generó bastante menos electricidad que en otros meses, debido al número limitado de días de funcionamiento del PVT y a la ausencia de diferencias de temperatura entre la entrada y la salida”, explican.

En cambio, el GHE fue capaz de mantener una diferencia de temperatura constante de aproximadamente 4-6 ºC entre la entrada y la salida, lo que se tradujo en una producción más estable”. El TEG produjo 591 Wh en noviembre, 1.170 Wh en diciembre, 1.389 Wh en enero, 1.050 Wh en febrero y 675 Wh en marzo.

Para el TEG, la temperatura de salida del agua era de 42-47 ºC, mientras que la temperatura de entrada variaba en función de la demanda de calefacción. Esto hizo que el TEG registrara una generación de 768 Wh en noviembre, 1.309 Wh en diciembre, 1.530 Wh en enero, 1.196 Wh en febrero y 921 Wh en marzo.

Viabilidad
“En este estudio se estimó la superficie de TEG necesaria para lograr una ZEB”, explican los investigadores, que señalan que la bomba de calor utilizó 10.413 kWh de electricidad durante todo el periodo de calefacción, mientras que la PVT produjo 3.432 kWh. “Por lo tanto, se necesitaba una potencia adicional de 6.980 kWh para lograr un ZEB, y se calculó la superficie de instalación del TEG basada en zT para la generación de energía adicional. En este caso, la superficie de instalación para la aplicación del TEG corresponde a la longitud de la tubería. Cuando zT era 1, el espacio de instalación del TEG necesario en cada unidad se calculó en 64,5 m2”.

El equipo llegó a la conclusión de que la generación de electricidad del TEG aplicado al sistema activo era “relativamente pequeña” y se necesitaba una gran superficie para suministrar energía adicional a la bomba de calor.

Los académicos afirmaron que el TEG mostraba suficiente aplicabilidad como fuente de energía para registradores de datos y otros sensores en un sistema de edificios, y confían en que los TEG puedan aplicarse más y alcanzar posteriormente la madurez comercial.

Sus conclusiones se presentan en el estudio “Feasibility study on energy harvesting with thermoelectric generators in a photovoltaic-ground source heat pump system” (Estudio de viabilidad de la captación de energía con generadores termoeléctricos en un sistema fotovoltaico-bomba de calor geotérmica), publicado en Energy Reports. El grupo estaba formado por investigadores de las universidades surcoreanas de Pusan National University y Hanyang University.