Hibridación de bomba de calor fotovoltaica

Si hablamos de energías renovables, no cabe duda de que los primeros conceptos que aparecen en nuestra cabeza son la energía solar térmica y la fotovoltaica. Otras como la eólica, la geotérmica o la mareomotriz, aunque también las conocemos, quedan en un segundo plano. 

Tradicionalmente las dos primeras han sido las reinas de la renovabilidad. La que seguro que no aparece, salvo para los que estamos iniciados en este mundo de la climatización, es la generada por la Bomba de Calor (BdC).

La última modificación del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) así lo avala, considerándola parcialmente renovable. Este nuevo concepto de BdC como energía parcialmente renovable debe ser alimentado para que en el futuro cercano sea común su uso. En este artículo vamos a analizar, solo por encima, cómo hacer que el concepto BdC parcialmente renovable sea cada vez menos parcial.

Ambas hibridaciones, solar fotovoltaica y solar térmica, son ya un hecho

Hasta ahora, ninguna de las anteriores energías renovables es capaz de ser, por ella sola, la solución definitiva, por lo que tomamos como fuente renovable un mix de las anteriores, y alguna otra, para hacer que nuestro consumo energético diario sea más renovable. Si miramos datos de Red Eléctrica Española, nuestro consumo energético eléctrico está formado por un 42,75% de ese mix de energías renovables. 

Pero ¿y si a ese mix le sumamos la BdC? ¿Qué ocurre si hibridamos energías térmicas, fotovoltaicas y BdC? Pues que obtenemos, dependiendo de la instalación, una combinación muy muy cercana a lo que podríamos considerar totalmente renovable.

Imaginemos que consiguiéramos climatizar nuestros edificios de esta forma, que elimináramos de la ecuación un 40 o un 45% del consumo actual eléctrico. Las cosas empezarían a cuadrar. Las emisiones bajarían, el consumo de Energía Primaria No Renovable caería y nuestra dependencia de otras fuentes, hasta ahora consideradas no verdes, desaparecería.

Esta hibridación se puede hacer en tres vertientes, climatización, generación de ACS e industria.

Climatizacion + solar fotovoltaica

Esta combinación es sencilla de entender porque simplemente con conectar un campo solar fotovoltaico a una BdC no bastaría. Se complica un poco ya que el funcionamiento de la BdC debe ser variable en función de la producción del campo fotovoltaico. Pero ese problema ya está superado dado que la Reglamentación de EcoDiseño nos ha enseñado a regular haciendo los equipos completamente Inverter.

La penetración de la BdC en la industria es muy profunda 

Los compresores se pueden regular mediante variadores de frecuencia, de forma que su funcionamiento, y por tanto la potencia frigorífica, queda totalmente a merced de nuestras premisas.

En la expansión, las válvulas electrónicas controlan perfectamente la evaporación en función de los vaivenes del compresor. Los tiempos de reacción son muy bajos y por tanto el equipo es muy adaptable.

Los ventiladores hace tiempo que ya eran casi invertir; en la actualidad lo son, por lo que su funcionamiento también se acopla a cada estado de funcionamiento.

De esta forma tenemos un conjunto totalmente modulable. Por tanto, podemos hacer que el sistema de BdC se adapte completamente a la producción fotovoltaica y, en caso de necesitarlo, que se alimente de la red eléctrica. De aquí nacen los conceptos de Instalación en Isla, solo se alimenta del campo solar fotovoltaico, o Conectada a Red, ayudándose de ella cuando la irradiancia sea baja. Incluso el campo solar fotovoltaico, en media estación o en días de poca carga térmica puede ceder esta producción eléctrica a la red. 

Podríamos trabajar como un District Heating eléctrico, contra otros edificios o contra otras instalaciones del edificio. Si gozamos de baja carga térmica, nuestro alumbrado podría ser alimentado por el campo fotovoltaico y todo quedaría en casa.

Otra forma sería acumular electricidad mediante baterías. Es completamente posible, pero encarece muchísimo la solución… ¿Y si acumulamos en cambio de fase? Esta tecnología ya existe, o casi. Conseguir acumular energía eléctrica en una sustancia que cambie de fase y que luego devuelve esa energía al sistema suena casi a ciencia ficción, en poco tiempo será solo ciencia, sin nada de ficción.

En este escenario, Keyter ha desarrollado software de gestión que controla este consumo mediante seguimientos muy precisos de la producción fotovoltaica que generan estados de funcionamiento óptimos dentro de la BdC. Que un equipo sea alimentado por fotovoltaica implica que debe ser altamente eficiente, en caso contrario lo ganado por un sitio se pierde por el otro.

Cada uno de los regímenes de funcionamiento del equipo deben ser adaptativos, adelantarse a la tendencia de la generación. Para esto contamos con antiguos conocidos, los sistemas PID, que nos facilitan el camino para generar estos estados eficientemente energéticos.

Acs + solar fotovoltaica + solar térmica

La segunda vuelta de tuerca es la generación de ACS, para su uso humano o como agua caliente para calefacción. Si ya sabemos como alimentar una BdC mediante fotovoltaica, ahora tenemos que enseñarle que la temperatura del agua de entrada es variable, agua de red o agua de calefacción. Así conseguiremos un equipo que necesita comprimir menos ya que el primer escalón de temperatura del agua lo da el campo solar térmico. 

En el caso de agua de red a 10-12ºC, podríamos subir esta temperatura hasta los 45-50ºC fácilmente, con lo que el objetivo está casi conseguido. En calefacción, con estas temperaturas también podríamos trabajar y con radiadores de baja temperatura, sin problemas. La dificultad de esta hibridación es la poca producción de ACS del campo solar térmico, pero ese primer escalón está conseguido, y no es poco.

El uso de calderas de gas natural queda relegado a un segundo plano o casi con tendencia a desaparecer 

La realidad es que, en ciertas ubicaciones, la BdC solo entraría como energía auxiliar. El primer paso lo realizaría el campo solar térmico y en caso de ser necesario la BdC ocuparía el puesto de la tradicional caldera, pero con el pequeño gran detalle de ser renovable.

Ambas hibridaciones, solar fotovoltaica y solar térmica, son ya un hecho. Ya existen paneles solares térmicos en el mercado que combinan ambas tecnologías, como Abora Solar. Son fotovoltaicos y térmicos, con lo que el espacio en cubierta es menor, o energéticamente bien mirado, con la misma superficie generamos el doble. Otra ventaja de este tipo de paneles es que el paso de agua por ellos refrigera, o por lo menos capta, parte del calor que baja el rendimiento de la generación fotovoltaica. Este punto es importante: los paneles fotovoltaicos pierden mucha eficiencia cuando alcanzan altas temperaturas, lo que no es deseable, esta “refrigeración” optimiza el rendimiento completo del sistema.

En este sentido, Keyter ha desarrollado equipos que usan también este tipo de panel dual con excelentes prestaciones para la producción tanto en ACS como de calefacción, así como de forma combinada.

Industria + solar fotovoltaica + solar térmica

El siguiente escalón pasa por la industria, donde los consumos hoy en día son más elevados. Antes las exigencias eran más bajas, actualmente las exigencias de un proceso industrial son muy elevadas. La producción industrial no se puede parar por el paso de una nube, por lo que el funcionamiento en Isla no es posible. 

La hibridación se puede hacer en tres vertientes, climatización, generación de ACS e industria 

¿Como se puede vencer este problema?: acumulando en alta temperatura. Hay que ver los depósitos de inercia como acumuladores energéticos, no como acumuladores de agua caliente de uso directo. Con inercias suficientemente altas podemos conseguir que el funcionamiento de la BdC sea estable en estados de funcionamiento muy eficientes y, por tanto, la producción, energéticamente hablando, barata.

No solo conseguimos esto. Los nuevos refrigerantes nos dan la posibilidad de generar agua caliente a 90ºC, o incluso vapor a 120ºC, por lo que la penetración de la BdC en la industria es muy profunda. Procesos que pensábamos inviables mediante BdC hace no tantos años ahora son totalmente viables. Por ello, el uso de calderas de gas natural queda relegado a un segundo plano o casi con tendencia a desaparecer.

Este es el horizonte que vemos desde Keyter, la completa eliminación del consumo de energías primarias no renovables mediante equipos hibridados y aún así ofreciendo mayores prestaciones que los sistemas tradicionales.  

No cabe duda de que el camino solo se ha empezado, las nuevas tecnologías en compresión con envelopes extendidos dan mucho margen de maniobra para conseguir las altas temperaturas necesarias en agua caliente.

El uso de nuevos refrigerantes, como el propano, abre una nueva gama de BdC que posibilitarán este objetivo. Con el añadido de ser de muy bajo PCA (GWP – 3), lo que lo hace perfecto y duradero en el tiempo ante las nuevas exigencias en aspectos medioambientales.

Artículo elaborado por José J. Arboledas | Responsable de Formación y Proyecto Especiales | Keyter