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Las bombas de calor facilitan la transición global hacia cero emisiones

En el esfuerzo global para reducir las emisiones de carbono, hay motivos para pensar que las bombas de calor se convertirán en el sistema de calefacción dominante. Para que esto pueda pasar, se necesitará financiación, voluntad política e innovación tecnológica.

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En la conferencia de la ONU sobre el cambio climático (COP26), celebrada en 2021, se fijó como prioridad llegar a acuerdos para reducir las emisiones con el fin de limitar el incremento de la temperatura global a 1,5 °C. Para alcanzar este objetivo, deben fomentarse las inversiones en energías renovables al tiempo que se elimina progresivamente el uso de combustibles fósiles. En este sentido, la tecnología de las bombas de calor se considera importante para reducir las emisiones de carbono. Algunos incluso vaticinan que las bombas de calor serán tan determinantes como lo han sido los vehículos eléctricos.

La ventaja de esta tecnología está en que se puede extraer calor de un abanico de fuentes renovables, como la energía eólica, la hidroeléctrica, la geotérmica y el calor residual, sin producir emisiones locales directas. Las bombas de calor industriales y urbanas suelen aprovechar el calor residual derivado de procesos industriales en los sectores de alimentos y bebidas, papelero, químico y petroquímico, o también en las refinerías, plantas cementeras y fábricas de ladrillos, e incluso en los grandes centros de procesamiento de datos que requieren importantes instalaciones de refrigeración.

Por otra parte, eliminar los combustibles fósiles e implementar la generación eléctrica a partir de fuentes sostenibles favorece un aprovechamiento más eficiente de la energía térmica renovable y flexibiliza el consumo eléctrico, lo que a su vez ayuda a estabilizar las redes eléctricas.

Según las proyecciones, las bombas de calor serán la tecnología dominante para aplicaciones de calefacción tanto domésticas como industriales. La Agencia Internacional de la Energía prevé que hasta el 90 % de las necesidades mundiales de calefacción de edificios y calentamiento del agua podrían cubrirse con bombas de calor. En 2021, solo del 3 al 5 % de las necesidades mundiales se abastecían de bombas de calor y menos del 10 % del calor de proceso mundial procedía de fuentes renovables.

Los rodamientos de SKF allanan el camino hacia una nueva economía sin combustibles fósiles

Ambiciones para las bombas de calor

De acuerdo con la estrategia de la UE para la integración del sistema energético, la Comisión Europea prevé que el 40 % de los edificios residenciales y el 65 % de los comerciales se calentarán con electricidad para 2030, para lo cual harán falta 50 millones de bombas de calor. El Reino Unido también ha fijado planes ambiciosos para las bombas de calor y propone instalar 600 000 bombas de calor al año en hogares, escuelas y hospitales hasta 2028.

Por lo tanto, la tecnología de las bombas de calor, impulsada por la transición global hacia la energía verde, está llamada a tener un auge espectacular. Entre 2021 y 2027, se prevé un crecimiento superior al 10 % del mercado de las bombas de calor industriales. En el caso de las bombas de calor utilizadas en la calefacción urbana, se espera una tasa de crecimiento anual compuesta del 7 % entre 2021 y 2026, desde una base de 450 millones de dólares (396 millones de euros) en 2020.

Calor residual acumulado <200 °C en la UE28 identificado en los procesos incluidos en el estudio del mercado de bombas de calor.

La inversión, un gran desafío

La ventaja de esta tecnología está en que se puede extraer calor de un abanico de fuentes renovables

La inversión es uno de los facilitadores clave del sector de las bombas de calor. Para que pueda cumplirse la ambición de la UE de alcanzar cero emisiones netas, se necesitaría una inversión mensual mínima de 200 millones de euros (más de 227 millones de dólares) a lo largo de varias décadas. A nivel global, generar calor suficiente para la industria desde fuentes renovables (solar térmica, geotérmica, biomasa y electrificación, incluidas las bombas de calor) supondrá una inversión acumulada de 3,7 billones de euros hasta 2050. De este total, el 65 % corresponde a la electrificación.

Por otra parte, el mayor costo de la electricidad, comparado con el petróleo y el gas en mercados como el de los Estados Unidos y con el carbón en mercados como el de China, está frenando su crecimiento, a pesar de los daños medioambientales provocados por estos.

Obstáculos técnicos

Además de los económicos, también hay que superar algunos obstáculos técnicos, sobre todo por el mayor tamaño de las instalaciones necesarias para los sistemas de calefacción industrial y urbana. Un ejemplo es el uso de amoníaco en las grandes bombas de calor urbanas: aunque se asocia a una eficiencia termodinámica muy alta, puede acortar la vida útil de los rodamientos.

Por otra parte, la industria trabaja con temperaturas superiores a las necesarias para la calefacción doméstica y, para alcanzar temperaturas superiores a 100 °C (por ejemplo, de 150 a 300 °C), deben superarse obstáculos tanto técnicos como comerciales.

Con temperaturas más altas, pueden aparecer problemas de lubricación y termodinámicos, y el coeficiente de rendimiento de estas bombas de calor es relativamente bajo. Además, requieren refrigerantes especiales que pueden ser más químicamente activos y más corrosivos, y las temperaturas de funcionamiento mucho más altas suponen una carga adicional para materiales, sellos y rodamientos.

Un futuro prometedor

Algunas empresas, como SKF, ya están trabajando en el desarrollo de ideas, tecnologías y estrategias que permitan potenciar el uso de las bombas de calor en la calefacción industrial. El Instituto de Procesos Industriales Bajos en Carbono del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) ya ha desarrollado modelos prototipo capaces de suministrar calor a 500 °C.

La empresa Envola GmbH ha lanzado la primera bomba de calor con depósitos de almacenamiento integrados, una solución económica y ecológica. Otro avance importante es la incorporación de sistemas digitales para controlar todos los aspectos del funcionamiento. Así, la demanda puede equilibrarse con la carga, lo que permite optimizar el consumo eléctrico, los perfiles de carga y los costos operativos de los sistemas.

Las bombas de calor serán uno de los ejes de un futuro más sostenible para nuestro planeta. La velocidad a la que se produzca esta transformación vendrá determinada por la voluntad política, la disponibilidad de recursos financieros y el respaldo de la industria.

La participación de SKF en la tecnología de las bombas de calor

SKF aporta una tecnología de vanguardia derivada de sus conocimientos sobre enfriadoras, las cuales, al igual que las bombas de calor, utilizan compresores. La empresa acumula una experiencia considerable en el diseño de sistemas de lubricación y rodamientos para compresores, especialmente para los compresores helicoidales, scroll y centrífugos utilizados en las enfriadoras.

SKF trabaja con casi todos los fabricantes de equipos originales que construyen compresores helicoidales y centrífugos para enfriadoras, bombas de calor industriales y sistemas geotérmicos.

Sin embargo, para fabricar una bomba de calor industrial eficiente de alta temperatura, aún hay que hacer avances significativos en los planos del desarrollo y de la industrialización. En las aplicaciones avanzadas con bombas de calor, los rodamientos se enfrentan a varios desafíos: el refrigerante puede diluir el aceite lubricante y reducir el grosor de la película lubricante resultante; los refrigerantes líquidos, como el amoníaco, pueden contaminar el aceite; y la corrosión, la fragilización por hidrógeno (que es cuando un metal pierde ductilidad y capacidad de carga por la absorción de hidrógeno), y la aplicación de cargas y temperaturas más elevadas también pueden reducir el grosor de la película lubricante. Todos estos factores pueden influir negativamente en la vida útil de la máquina.

SKF está inmersa en tareas de investigación y desarrollo a gran escala para perfeccionar sus soluciones de rodamientos, y está investigando las propiedades de distintos refrigerantes y mezclas de aceite y refrigerante. También está explorando el uso de rodamientos cerámicos híbridos, materiales inoxidables, recubrimientos, jaulas de PEEK (polieteretercetona) y su avanzada tecnología de lubricación en el diseño de compresores, además de estudiar mejoras en el diseño de la disposición de los sistemas de lubricación y de rodamientos para compresores.

Este trabajo parte de la actual gama de soluciones de rodamientos de SKF para satisfacer las necesidades que presentan las aplicaciones exigentes con bombas de calor. Entre ellas, se incluyen las soluciones de SKF para aceites muy diluidos y entornos corrosivos, concretamente, rodamientos híbridos que incorporan elementos rodantes de cerámica (generalmente, nitruro de silicio sinterizado), sus “rodamientos híbridos de acero inoxidable superresistente” (Nitromax, sufijo VC444) y, en algunos casos, rodamientos con un recubrimiento tribológico especial de SKF a base de óxido negro. También pueden emplearse rodamientos magnéticos en las enfriadoras utilizadas para climatizar centros de datos, que trabajan a temperaturas más altas en comparación con las enfriadoras normales.

Calefacción urbana y procesos industriales

Varios proyectos actualmente en marcha evidencian el potencial de las bombas de calor de gran tamaño que aprovechan el calor residual de los procesos industriales para la calefacción de viviendas. La necesidad de refrigerar los grandes centros de datos ofrece una oportunidad en este sentido. En la ciudad danesa de Odense, Facebook ha aunado fuerzas con una empresa local de calefacción urbana, Fjernvarme Fyn, que utiliza 100 000 MWh de energía residual al año, recuperada del centro de datos de Facebook, para calefaccionar 6900 viviendas locales. En la ciudad estadounidense de Seattle (Washington), la sede de Amazon se calefacciona con el calor residual generado por un centro de datos vecino; y en una localidad próxima a Zúrich (Suiza), un centro de datos de IBM calienta el agua de una piscina desde 2008.

En Canadá, dos proyectos en Quebec están liderando el uso de bombas de calor eléctricas en aplicaciones industriales. En un proyecto, dos queserías comparten la misma infraestructura de calefacción y refrigeración. Es posible utilizar dos bombas de calor a temperaturas de 82 °C y 87 °C en la producción de yogur y queso.