Primer prototipo de bomba de calor de alta temperatura para la recuperación de calor residual industrial

La preocupación por mitigar el cambio climático reclama nuevos sistemas energéticos cada vez más eficientes y sostenibles que sean capaces de producir energía de forma eficiente, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero.  De esta necesidad nacen las bombas de calor de alta temperatura para la recuperación de calor residual industrial. 

Actualmente, gran parte de la energía en el sector industrial es vertida al ambiente sin posibilidad de recuperarla por la inexistencia de tecnología capaz de ello. El aceite de refrigeración de los motores, lo humos de escape o la refrigeración de procesos industriales son algunos ejemplos de fuentes de calor residual industrial que por su baja temperatura no son útiles para la industria y por falta de tecnología no se pueden reaprovechar. Es aquí donde la bomba de calor de alta temperatura tiene un prometedor futuro como sistema capaz de recuperar dicho calor industrial a baja temperatura y revalorizarlo para que vuelva a ser útil en los procesos industriales.

La bomba de calor de alta temperatura, a diferencia de otros sistemas de compresión de vapor, es capaz de operar con temperaturas de evaporación entre 60-90 °C y con temperaturas de condensación entre 110-150 °C. Con un pequeño aporte de energía eléctrica para alimentar al compresor, este tipo se sistemas son capaces de absorber calor residual y producir un calor útil para la industria, entre 120-150 °C, en forma de vapor o agua presurizada con una alta eficiencia. Dicho calor generado es utilizado en procesos de industrias petroquímicas, alimentarías, cerámicas entre otras, reduciendo el consumo de combustible fósil de los sistemas de generación de calor y con ello, las emisiones de gases de efecto invernadero.

Siguiendo esta motivación, investigadores de la Universitat Jaume I del grupo de investigación ISTENER en colaboración con la empresa Rank®, han desarrollado el primer prototipo de bomba de calor de alta temperatura de España, para la recuperación de calor residual industrial. Gracias a la amplia experiencia, tanto del grupo de investigación cómo de la empresa, en la tecnología de ciclos orgánicos de Rankine (ORC), ha sido posible aplicar ese conocimiento en las bombas de calor para que puedan operar a altas temperaturas y desarrollar así el primer prototipo funcional.

Este prototipo emplea como refrigerante el HFC-245fa, muy conocido en ciclos orgánicos de Rankine pero no tan conocido en refrigeración o bombas de calor convencionales. Su principal ventaja es la alta temperatura crítica de este fluido (153.86 °C), que permite producir vapor o agua presurizada hasta 140 °C. Sin embargo, este refrigerante posee un alto Poder de Calentamiento Global (PCG) de 858, con lo que es necesario la búsqueda de refrigerantes más sostenibles que proporcionen similares prestaciones energética que dicho refrigerante. Es por ello, que este prototipo también establece una referencia para investigar nuevos refrigerantes con bajo PCG que sean sostenibles con el medioambiente.

Los primeros resultados experimentales de este prototipo demuestran que esta tecnología tiene un prometedor futuro en la descarbonización del planeta, ya que se ha generado calor útil a 140 °C a partir de una fuente de calor residual de baja temperatura a 80 °C, obteniendo un COP de 2.23.

Además, se ha demostrado que la integración de esta tecnología en sistemas de cogeneración para recuperar el calor del aceite de refrigeración del motor, consigue reducir las emisiones de CO₂ equivalente hasta un 57% en comparación a los sistemas convencionales de generación de calor, como las calderas de gas natural.

Se ha realizado un estudio semi-empírico con diferentes alternativas de bajo PCG para sustituir el HFC-245fa a partir de los datos experimentales del prototipo. Los resultados muestran que el HCFO-1233zd(E), también empleado en enfriadoras, y el HCFO-1224yd(Z) son potenciales candidatos para sustituir al HFC-245fa en este tipo de sistemas, ya que proporcionan una mejor eficiencia energética, en este caso COP, con un similar caudal volumétrico en la succión al HFC-245fa, es decir, que tanto el tamaño del compresor cómo de la instalación serán muy similares al HFC-245fa para proporcionar las mismas prestaciones. Esto quiere decir, que el HCFO-1233zd(E) y el HCFO-1224yd(Z) permiten una sustitución directa al HFC-245fa, posicionándose, así como las principales alternativas.

Por último, destacar que los primeros resultados experimentales de este prototipo y los diferentes análisis realizados han sido recientemente publicados en Applied Energy, una de las revistas de investigación más prestigiosas del sector de la energía con un factor de impacto de 9.54. Además, el prototipo y los resultados experimentales van a ser presentados en el “25th IIR INTERNATIONAL CONGRESS OF REFRIGERATION” el 28 de agosto en Montreal, Canadá. En los próximos meses, se investigarán experimentalmente los potenciales refrigerantes con bajo PCG que sustituirán al HFC-245fa en las bombas de calor de alta temperatura.

Artículo elaborado por el equipo ISTENER de la Universitat Jaume I de Castellón