En la transición a las energías limpias en Europa, la industria recurre a las bombas de calor

Un sistema de bomba de calor en el Instituto Fraunhofer en Bochum, Alemania. Fabián Strauch / Picture-Alliance / dpa / AP Images

Con los crecientes precios del gas debido a la guerra de Ucrania y el impulso de la UE para reducir las emisiones, las industrias europeas están cambiando cada vez más a bombas de calor de alta temperatura y alta eficiencia. Combinado con el auge del uso residencial, la UE espera ahora una revolución de las bombas de calor.

Por Paul Hockenos • 19 de enero de 2023

La fábrica de ladrillos Wienerberger en Uttendorf, Austria, en los Alpes tiroleses, siempre ha necesitado un flujo constante de calor de 90 grados C (194 grados F) para secar sus bloques de construcción. Este proceso habría sido una propuesta costosa para la compañía después de que Rusia cortara las exportaciones de gas a Europa, como lo fue para la mayor parte de la industria de la construcción europea, que consume mucha energía. Pero hace cuatro años, Wienerberger, el mayor productor de ladrillos del mundo, hizo una inversión de futuro que ahora está dando sus frutos: reemplazó la caldera de gas de Uttendorf por una bomba de calor a escala industrial, lo que reduce la factura energética de la fábrica en aproximadamente 425,00 euros al año.

Durante décadas, las bombas de calor eléctricas se han utilizado en hogares y otros edificios europeos para calefacción y refrigeración, pero nunca han ganado mucha fuerza en la industria manufacturera, que tiene demandas de energía mucho mayores para producir agua caliente y vapor. Y como los combustibles fósiles habían sido relativamente baratos durante mucho tiempo, las industrias tenían pocos incentivos para reemplazar los sistemas impulsados ​​por gas y petróleo por equipos más ecológicos. Ahora, con el desarrollo de bombas de calor que pueden generar temperaturas de hasta 160 grados C (320 grados F) a una fracción del precio de las calderas de gas, y con los precios del gas disparándose debido a la guerra en Ucrania, ese cálculo se está activando. su cabeza. Muchas empresas europeas están reconsiderando sus fuentes de energía y al mismo tiempo recortando sus emisiones de gases de efecto invernadero, un requisito de la UE. La industria europea es responsable de más de una cuarta parte de los gases de efecto invernadero del bloque.

Para cumplir sus elevados objetivos energéticos y romper su dependencia del gas ruso, la UE cuenta nada menos que con una revolución de las bombas de calor. En muchos países, las ventas de bombas de calor, principalmente para uso residencial, se duplicaron en el primer semestre de 2022. En Alemania, el mayor consumidor europeo de gas ruso, la demanda aumentó un 52 por ciento el año pasado, mientras que el crecimiento en toda la UE en 2021 fue del 35 por ciento. Mientras tanto, se está acelerando una transición algo menos anunciada a las bombas de calor para la fabricación. Wienerberger, por ejemplo, está instalando bombas similares en sus fundiciones de ladrillos de los Países Bajos, el Reino Unido, Polonia, Rumania y otros lugares de Austria.

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"Hace cinco años, la mayoría de las empresas no sabían prácticamente nada sobre las bombas de calor", afirma Veronika Wilk, ingeniera investigadora del Instituto Austriaco de Tecnología. "Ahora las empresas son conscientes de ello y cada vez se instalan más bombas de calor en la industria".

Una bomba de calor por compresión puede calentar y enfriar aire. En invierno, eleva la temperatura interior extrayendo calor del agua, de las profundidades de la tierra o del aire exterior, luego aumenta su temperatura utilizando una pequeña cantidad de electricidad y mueve ese aire al interior. Incluso el aire tan frío como -12 grados C (10 grados F) contiene suficiente energía para que una bomba de calor la extraiga y aumente su temperatura. En verano, las bombas de calor eléctricas reducen la temperatura interior al eliminar el calor del aire interior y desviarlo hacia el exterior. Las bombas de calor de absorción no funcionan con electricidad sino con una fuente de calor, que podría ser gas natural pero también agua calentada por energía solar o incluso calor residual de centros de datos o alcantarillas. Llevan este calor a una temperatura "útil" y luego lo entregan como aire tibio o agua caliente.

Las bombas de calor utilizan electricidad para comprimir un refrigerante, elevando su temperatura. AIE

Dependiendo de la dirección en la que se mueva el calor (dentro o fuera), los pistones de la bomba de calor comprimen o expanden un fluido, lo que hace que se caliente o enfríe, respectivamente. Debido a que las bombas de calor solo mueven fluidos, pueden ser más del doble de eficientes energéticamente que los calentadores que queman combustible.

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), las bombas de calor son de tres a cinco veces más eficientes que las de gas. Y si funcionan con energía solar, eólica, hidroeléctrica o calor residual, no generan ninguna emisión.

A diferencia de las bombas de calor residenciales, cuyos componentes exteriores son aproximadamente del tamaño de una lavadora, las versiones industriales, tan grandes como una casa, pueden aprovechar la “energía de proceso” desperdiciada en las fábricas para elevar la temperatura del agua a más de 190 grados C (374 grados Fahrenheit). F). En las fábricas de Wienerberger, por ejemplo, los secadores de ladrillos consumen enormes cantidades de energía y la cámara de secado libera principalmente vapor de agua. Esto se condensa en agua caliente. Luego, las bombas de calor aumentan su temperatura de unos 40 grados C a unos 90 grados C y la devuelven al proceso de secado. Dado que la fuente de energía de la bomba de calor es el propio calor residual, esta secuencia consume casi un 80 por ciento menos de energía que cuando la planta funciona con gas.

"El sistema es un circuito cerrado", afirma Johannes Rath, director tecnológico de Wienerberger. “Como comenzamos con temperaturas más altas, obtenemos temperaturas más altas” que las producidas por las bombas residenciales.

Los prototipos de bombas de calor fabricados en Noruega ya funcionan a unos 180 grados C, y los expertos esperan que dentro de una década los ingenieros diseñen tecnología que alcance temperaturas superiores a los 200 grados C. Este avance abriría aún más procesos en los sectores de productos químicos, papel y alimentos que consumen mucha energía. y refinerías hasta la tecnología de bombas de calor.

Este tipo de bombas de calor de alta potencia se utilizan actualmente en hoteles, restaurantes, pastelerías, almacenes, piscinas, invernaderos, fabricación de productos químicos y en el secado de materiales como papel y almidón. Las bombas de calor de absorción son especialmente adecuadas para instalaciones que utilizan tanto calefacción como refrigeración.

La empresa finlandesa Kiilto, por ejemplo, fabrica productos químicos, como colas, para el sector de la construcción. Su planta de Lempäälä utiliza ahora una bomba de calor industrial híbrida para recuperar calor de los procesos de refrigeración eléctrica in situ, así como de una fuente geotérmica cercana, para elevar las temperaturas hasta 75 grados C.

Una bomba de calor industrial en Mars Confectionery en Veghel, Países Bajos. GEA

En Mars Wrigley Confectionery, en los Países Bajos, la fábrica de chocolate más grande del mundo, una bomba de calor extrae y aumenta el calor de escape de sus unidades de refrigeración, que de otro modo sería inutilizable, produciendo agua a una temperatura de hasta 63 grados C. El agua se canaliza a través de la red de tuberías de la fábrica hasta Mantenga calientes el chocolate y el almíbar. La tecnología ha reducido la factura energética de la fábrica en un 6 por ciento y ha ahorrado a la planta unos 26 terajulios de gas, equivalente a la cantidad de energía consumida por 625 hogares europeos. Una segunda bomba de calor calienta el agua para limpieza a 80 grados C, lo que supone un ahorro adicional de 12,25 terajulios.

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El agua es otra fuente viable de calor. Inntal Nursery en Baviera, Alemania, utiliza agua subterránea de pozos cerca del río Inn y una única bomba de calor agua-aire del tamaño de un tanque Sherman para calentar 30.000 metros cuadrados de invernaderos durante todo el año. El agua se introduce en la bomba de calor, se eleva a 35 grados C, se envía a través del sistema de calefacción por suelo radiante, luego se enfría y se devuelve al río.

Un converso reciente es el gigante químico alemán BASF, que contrató a MAN, una empresa de ingeniería alemana conocida por sus camiones y autobuses, para construir la bomba de calor más grande del mundo en las instalaciones de BASF en Ludwigshafen, en el oeste de Alemania. El sistema, del tamaño de una central eléctrica convencional, aprovechará el calor residual de los procesos de refrigeración para producir 150 toneladas de vapor por hora, evitando así que unas 390.000 toneladas de dióxido de carbono al año lleguen a la atmósfera.

Además de los beneficios de una operación más eficiente, las empresas con procesos bajos en carbono también pueden reducir el coste de sus emisiones de CO2, por las que se les factura por tonelada a través del Sistema de Comercio de Emisiones de la Unión Europea. A unos 85 euros por tonelada métrica de dióxido de carbono (el precio de diciembre pasado), los ahorros son significativos.

La UE considera que la instalación de bombas de calor, tanto para edificios industriales como no industriales, es crucial para su objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en al menos un 55 por ciento antes de 2030. Su iniciativa REPowerEU tiene como objetivo acelerar la sustitución de hasta un tercio de ellas. de los 150 millones de calderas térmicas actualmente en uso con bombas de calor. Un número cada vez mayor de bombas de calor a gran escala suministrarán vapor o agua caliente a las redes de calefacción urbana, como se hace actualmente en Noruega, Suecia y Dinamarca. Escribir códigos de construcción respetuosos con el clima, utilizar material reciclado en la construcción de edificios, instalar aislamientos de última generación y aumentar la conservación de energía podrían impulsar aún más el ahorro de energía.

El grupo de expertos alemán Agora Energiewende estima que una conversión generalizada a bombas de calor residenciales e industriales, combinada con medidas de eficiencia, podría reducir el uso de gas natural en la UE en un 32 por ciento en cinco años. Junto con un mayor suministro de gas natural licuado, esto podría obviar por completo la necesidad de gas ruso en Europa. Y a medida que los avances en la tecnología a escala industrial permitan que las bombas de calor alcancen temperaturas de 500 grados C (932 grados F) en un futuro próximo, predice el grupo de expertos, la electricidad puede suplantar al gas de manera aún más amplia.

Tasas de crecimiento de las ventas de bombas de calor en 2020-2021 en varios países. AIE

En un artículo publicado recientemente, la Agencia Internacional de Energía estima que la UE podría recortar 60 mil millones de euros de sus importaciones de gas si el bloque en su conjunto cambiara a bombas de calor, para uso doméstico, comercial e industrial. Sostiene que para 2050, las bombas de calor cubrirán la mayor parte de las necesidades de calefacción y refrigeración del mundo.

Se espera que los incentivos y subsidios nacionales y de la UE aceleren la transición de la industria europea. El fabricante de ladrillos Wienerberger, por ejemplo, espera pagar entre 2,5 y 3 millones de euros por unidad por nuevos sistemas de bombas de compresión en toda Europa, de los cuales las subvenciones cubrirán entre el 20 y el 40 por ciento de los costes. Funcionarán con electricidad generada por paneles solares.

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En cuanto a Estados Unidos, que depende en gran medida de combustibles fósiles para calefacción, un informe muestra que la expansión de las bombas de calor domésticas en viviendas unifamiliares podría reducir las emisiones en 142 millones de toneladas métricas por año, reduciendo las emisiones del sector energético en un 14 por ciento. Para los propietarios de viviendas estadounidenses, una bomba de calor de aire estándar cuesta entre 3.500 y 7.500 dólares. La Ley de Reducción de la Inflación del presidente Biden proporciona subsidios y créditos fiscales de hasta el 30 por ciento del precio de una bomba de calor doméstica (o más para hogares de ingresos bajos y moderados). La Ley también autoriza incentivos para las instalaciones industriales. Pero para muchos en Estados Unidos, los costos de inversión siguen siendo un obstáculo importante, incluso con los subsidios.

En Europa, sin embargo, el entusiasmo por esta tecnología (en hogares, edificios comerciales e industrias) es notorio. En la mayoría de los lugares, hay que esperar un año para instalar una bomba de calor.

Paul Hockenos es un escritor radicado en Berlín cuyo trabajo ha aparecido en The Nation, Foreign Policy, New York Times, Chronicle of Higher Education, The Atlantic y otros lugares. Es autor de varios libros sobre asuntos europeos, el más reciente Berlin Calling: A Story of Anarchy, Music, the Wall and the Birth of the New Berlin. Fue miembro de la Academia Americana de Berlín. Más sobre Paul Hockenos →

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