Estudio de viabilidad para bombas de calor

Un factor clave para el éxito del proyecto es la realización de un estudio de viabilidad adecuado. Nos permitirá definir de manera razonada la rentabilidad económica óptima de nuestra instalación de bomba de calor. Adicionalmente, desde el punto de vista técnico se identificarán parámetros tales como la potencia óptima de la instalación, condicionantes de operación, integración energética con los sistemas existentes, etc.

En los apartados siguientes desarrollaremos los siguientes conceptos necesarios para la realización de estudios de viabilidad de bombas de calor:

• Consideraciones sobre el Coeficiente de Rendimiento COP
• Otras consideraciones de diseño
• Optimización de la potencia de instalación

COP: Coeficiente de rendimiento de las bombas de calor

Para empezar, vamos a ver cómo podemos estimar definir un parámetro básico para el análisis del proyecto: el rendimiento (COP) de la bomba de calor.

Ya hemos visto como estimar el COP de una bomba de calor. ¿En qué medida este COP nos servirá para ver la viabilidad de una bomba de calor? Deberemos compararlo contra algún otro parámetro, que este caso será la relación entre nuestro precio de combustible (fuente de calor actual) y nuestro precio eléctrico (coste de operación con bomba de calor).

Si, por ejemplo, para nuestras calderas tenemos un precio de gas natural de 25 €/MWh PCS, entonces el coste de energía térmica útil será de aproximadamente 30 €/MWh (considerando una eficiencia aproximada del 92%). Con un coste de CO₂ de 55 €/tCO₂ añadiríamos 10 €/MWh. Si comparamos con un coste de electricidad de 100 €/MWh tendremos que la relación entre ambos es de 2,5:1.

En relación al COP de nuestra bomba de calor, esto significa lo siguiente:

• COP < 2,5 el coste variable térmico con calderas es menor que con la bomba de calor
• COP = 2,5 el coste variable térmico es idéntico en ambos casos
• COP > 2,5 el coste variable térmico con calderas es mayor que con la bomba de calor

Esta relación de precios nos marca un primer filtro para la viabilidad de las bombas de calor, en este caso descartaríamos aquellos proyectos cuyo COP no fuera claramente superior a 2,5 (debemos generar ahorros suficientes para el retorno de la inversión).

Otras consideraciones de diseño

El punto anterior nos indica un criterio básico, COP vs relación de precios de energías, para analizar la viabilidad de una bomba de calor. A continuación, veremos otros criterios a considerar en el estudio inicial.

• Operación anual. En general se trata de proyectos relativamente intensivos en CAPEX. Para rentabilizar los mismos, seleccionaremos proyectos en que la bomba de calor trabaje como mínimo 4.000 h/a, idealmente en carga base.
• Curvas de demanda. Compararemos el calor residual disponible con la demanda de calor a cubrir con la bomba de calor. Si están disponibles, utilizaremos las curvas horarias de ambas que nos permitirán ajustar el diseño y ver la necesidad o no de un incluir un almacenamiento térmico.
• Temperaturas de trabajo. La temperatura de impulsión no el único condicionante a nivel de temperatura.
  • Algunas tecnologías pueden tener limitaciones en las temperaturas de alguno de los fluidos, condicionando la selección de equipos. Por ejemplo, en los equipos de CO₂ la temperatura de retorno del fluido caliente está limitada a 40º C.
  • En función de la tecnología, los saltos de temperatura entre el fluido frío y el caliente por encima de 30 – 40ºC pueden requerir el empleo de dos etapas de compresión. Este punto impacta en COP y en el CAPEX de la instalación.
  • El salto de temperaturas impulsión y retorno define el caudal del fluido a emplear y en consecuencia el diámetro de las tuberías a instalar, incidiendo en el CAPEX global.
• Otros parámetros de estudio.
  • Consumo de auxiliares. El cálculo de COP presentado no incluye los consumos de bombeos, otros accionamientos, etc.
  • Disponibilidad. Se trata de equipos con una disponibilidad elevada, pero se recomienda incluir un factor de disponibilidad en el cálculo del balance energético.
  • Costes mantenimiento. Costes propios del sistema de la bomba de calor, pero también reducción de costes en las instalaciones actuales.

Optimización potencia instalación

Una vez dispongamos del balance energético preliminar y de una estimación del CAPEX, podremos realizar una estimación de la potencia óptima de la bomba de calor.

A través del balance energético calcularemos los ahorros económicos anuales y parametrizaremos el CAPEX en función de la potencia. Considerando una vida útil de, por ejemplo, 15 años, podemos calcular el Valor Anual Neto (VAN) correspondiente a los flujos económicos del CAPEX y de los ahorros para diferentes potencias de equipo. Analizando los resultados podremos identificar el diseño óptimo de la instalación, como por ejemplo en la siguiente gráfica.

Esta metodología nos permite ajustar el diseño de la instalación a su punto óptimo, consiguiendo dar la mejor respuesta a las necesidades del cliente.

ENGIE tiene entre sus objetivos ofrecer a sus clientes el aprovechamiento de todas las posibilidades de eficiencia energética, contribuyendo así a la reducción de costes y a la descarbonización de sus procesos.

Josep Maria Ribera – Project Manager Decarbonisation & Asset-Based Engineering