Recuperación de calor residual en supermercados con la integración de bombas de calor y redes de calor urbano

Sin embargo, gran cantidad de energía se sigue disipando al ambiente a través del condensador o gas cooler, puesto que, debido a su bajo nivel térmico, resulta técnicamente imposible la recuperación de dicha energía, ¿O quizás sí? Investigadores del grupo ISTENER de la Universitat Jaume I junto a investigadores del Real Instituto Tecnológico de Estocolmo (KTH) han realizado un estudio donde se integran bombas de calor de alta temperatura a los sistemas de refrigeración CO₂ y a redes de calor urbano con el fin de recuperar el calor residual que no se utiliza para la calefacción en los sistemas de refrigeración, subir su nivel térmico con la bomba de calor hasta niveles dónde se puede inyectar a la red de distribución de calor urbano y ser utilizado por toda la población e industria.

Como se puede observar en la siguiente figura, tras el condensador o gas cooler se plantea integrar un nuevo intercambiador de calor para la recuperación del calor residual sobrante de la calefacción. Este intercambiador de calor resulta ser el evaporador de la bomba de calor de alta temperatura, cuya temperatura de evaporación estará sobre los 15 ºC. Gracias a un pequeño consumo de energía por parte del compresor, la bomba de calor de alta temperatura es capaz de revalorizar el calor residual hasta temperaturas entre 60 – 90 ºC, dónde vuelve a ser útil y por lo tanto, es inyectado al sistema de distribución de calor residual urbano (District Heating). Estos sistemas de distribución de calor urbano están formados por una serie de tuberías por las que circula agua caliente entre 60 – 90 ºC de impulsión. Estas tuberías son conectadas a los hogares e industrias, dónde intercambian el calor con los sistemas térmicos individuales de cada hogar o industria, obteniendo así un sistema centralizado de calor a nivel de distrititos o ciudades.

Si analizamos la eficiencia de este novedoso sistema integrado, vemos que, para el caso de Estocolmo, obtenemos un COP de recuperación elevado de hasta 5.4, tal y como muestra el próximo gráfico. Además, en las temperaturas más altas de la época invernal coincide con que la demanda de calor por parte de los supermercados es menor y con ello, se disipa más cantidad energía al ambiente y a su vez, es cuando más horas de operación hay. Es por ello, que la integración de la bomba de calor de alta temperatura como vector térmico supone un interesante avance para mejorar la eficiencia energética, no directamente en los sistemas de refrigeración, pero si en el conjunto global, con el fin de reducir al máximo las emisiones de gases de efecto invernadero.

Se han comparado las emisiones de CO₂ equivalentes que emitiría el sistema integrado en comparación con lo que está emitiendo el actual mix de tecnologías de la red de distribución de calor urbano. Para generar la misma cantidad de energía anual, el sistema integrado conseguiría reducir hasta un 60% de las emisiones de CO₂ equivalente. Por este motivo, la integración de estos sistemas supondría una notable reducción global de emisiones que podrían sumar a la lucha contra el cambio climático.

El refrigerante utilizado en el modelado en la bomba de calor de alta temperatura se trata del HFC-134ª, dado que tiene una temperatura crítica de 101.1 ºC y por ello, puede llegar a producir a temperaturas de 90 ºC en condiciones subcríticas. Sin embargo, este refrigerante tiene un alto Poder de Calentamiento Global, concretamente 1430. Esto quiere decir, que una emisión de 1 kg de HFC-134a sería equivalente a 1430 kg de CO₂, con todo lo que ello conlleva para agravar el cambio climático. Es por ello, que se ha realizado un análisis de alternativas al HFC-134a para aplicaciones de calor a alta temperatura (hasta 90 ºC), dónde se han incluido refrigerantes sintéticos como HFOs, además de refrigerantes naturales como hidrocarburos.

Se han considerado como alternativas de bajo PCG los siguientes refrigerantes: Butano (HC-600), Isobutano (HC-600a), Propano (HC-290), HFO-1234yf, HFO-1234ze(E) y el HFC-152a, ya que tiene un PCG menor a 150. Todos estos refrigerantes tienen un PCG bajo, pero además tienen una temperatura crítica similar o incluso mayor al HFC-134a, pudiendo producir hasta 90 ºC en subcrítico, tal y cómo se muestra en la siguiente gráfica.

Finalmente, se ha comparado los refrigerantes alternativos frente al HFC-134a, para poder observar las diferencias en COP, tal y como se muestra en la imagen siguiente. Los hidrocarburos muestran una notable mejora del COP seguido por los HFOs, por lo que hay que fijarse en otro parámetro llamado capacidad calorífica volumetría (CCV), dónde se tiene en cuenta la capacidad calorífica y el caudal volumétrico de succión en el compresor.

En este caso, los hidrocarburos sufren una reducción de la CCV entre 40-60%. Esto quiere decir que, a igualdad de capacidad calorífica, los hidrocarburos necesitarían mayores compresores que los demás refrigerantes. Es por ello, que para nuevas instalaciones podrían utilizarse los hidrocarburos si se busca mayor eficiencia o los HFO si se busca un compromiso entre eficiencia y tamaño de la instalación. Tanto los hidrocarburos como los HFOs están catalogados como refrigerantes inflamables, siendo A3 y A2L, respectivamente. Por este motivo, es necesario prestar especial atención en los componentes de la instalación y su correcto mantenimientos, hasta que no se encuentre una alternativa eficiente, sostenible y no inflamable.

Finalmente, se ha realizado un estudio TEWI (Total Equivalent Warming Impact) de los refrigerantes propuestos, con el fin de cuantificar tanto el ahorro directo de emisiones, que hace referencia a las fugas de refrigerante, como las emisiones indirectas, que se refiere a la mejora energética de las alternativas frente al refrigerante referencia HFC-134a, tal y como muestra a continuación.

Observamos que las alternativas reducen notablemente las emisiones de CO₂ equivalente, con lo que aun se mejoraría los porcentajes de reducción de emisiones presentados anteriormente frente al mix energético de la red de calor urbano. Es por este motivo, que este estudio supone un primer paso en la integración de las bombas de calor de alta temperatura en los supermercados y redes de calor urbano con el fin de recuperar y reutilizar la mayor cantidad de calor residual y poder llegar ganar la batalla a un gran reto de este siglo como es la mitigación del cambio climático. 

C. Mateu-Royo, S. Sawalha, A. Mota-Babiloni, J. Navarro-Esbrí. High temperature heat pump integration into district heating network, Energy Conversion and Management,Volume 210,2020. Se puede consultar el estudio completo aquí.