Sustitución de generadores de calor convencionales por bombas de calor: 5 conceptos clave

Punto de partida para sustituir los generadores por bombas de calor

En un proyecto de sustitución de generadores de calor por bombas de calor (con cambio de energía primaria), es importante obtener viabilidad económica, que se establecerá comparando el coste del consumo energético de la instalación inicial frente al coste de la inversión a realizar en la instalación de bomba de calor y el ahorro en costes de energía primaria que se espera conseguir.

Como información de partida hay que identificar la “fuente” y el “sumidero”, así como las curvas de disponibilidad de energía térmica de la “fuente” y las de demanda térmica del “sumidero”, el coste de la energía térmica de la planta, la situación en ella de la “fuente” o foco frío y la del “sumidero” o foco caliente.

El layout creado a partir de esta información será fundamental para estimar la inversión económica a realizar. En muchas ocasiones, la dificultad de realizar el transporte de la energía térmica “bombeada” desde la fuente hasta el sumidero, hace inviable económicamente el proyecto.

Factores clave que van a determinar el CAPEX de la reforma a realizar

La cantidad de calor y el nivel de temperatura requerido por el “sumidero” son los “datos de partida del problema”, identificar la “fuente” adecuada para satisfacer las demandas del “sumidero” dentro del proceso de producción de la planta y la forma de realizar el bombeo de calor, la solución al problema.

El proceso industrial idóneo para la aplicación de la bomba de calor como equipo para transferir calor de un medio a otro con elevación de temperatura, va a ser aquel en el que tanto el foco frío o “fuente” como el foco caliente o “sumidero” presenten estabilidad de carga, es decir, disponibilidad de la “fuente” y demanda en el “sumidero” de forma continua, estable y coincidente.

Los dos factores claves que van a determinar el CAPEX de la reforma a realizar en la planta la sustitución del sistema de generación existente por bomba de calor son:

1. El nivel de temperatura requerido como adelantamos en el artículo “Rangos de temperatura en bombas de calor”. Requerimientos de valores altos de temperatura en el fluido de proceso, superiores a 55ºC y hasta 100ºC, complican el diseño de la bomba de calor (bombas de calor de doble etapa por inyección, en cascada, hibridas, etc.), con materiales y aceites sometidos a mayores presiones de trabajo en el ciclo frigorífico y requiriendo fluidos refrigerantes determinados. El coste del equipo se eleva considerablemente sobre el esperado en una de calor de baja temperatura.
2. La complejidad mecánica que pueda plantear la instalación de transporte de la energía bombeada desde la bomba de calor hasta el consumidor. La distancia física en planta entre la situación de la bomba de calor y el punto de entrega de la energía bombeada puede ser elevada en ocasiones, requiriendo grandes tendidos de redes de tuberías, aislamiento térmico, intercambiadores de calor secundarios en algunos casos, valvulería, etc. En estos casos, el coste de la instalación de transporte de la energía penaliza sensiblemente el CAPEX de la inversión.

Los cinco puntos a considerar para el estudio de viabilidad de la bomba de calor

La decisión de acometer un proyecto para producción de energía térmica en forma de agua o aire caliente mediante bomba de calor como alternativa a los sistemas convencionales mediante combustión de combustibles fósiles, gas natural o efecto Joule, requiere un conocimiento profundo previo tanto del proceso productivo de la factoría como de las instalaciones de generación de energía térmica de la misma. La bomba de calor, va a utilizar “fuentes” de energía térmica disponibles en la planta, que en algunos casos podrían ser residuales, para “bombear” calor a un proceso o consumidor, con un incremento del valor de la temperatura.

Los pasos a seguir para establecer la viabilidad de la sustitución de generadores de calor por bombas de calor, son los siguientes:

1.- Identificar las disponibilidades y necesidades de energía, en “foco frio” y en “foco caliente”, respectivamente. Realizar análisis cualitativos y cuantitativos de las fuentes. Curvas de demanda de energía. Establecer valores de temperatura disponible en la “fuente” y requerida por el “sumidero”.

2.- Estudiar y definir la tipología de la bomba de calor, fluidos de intercambio en evaporador y condensador, refrigerante, tipo de compresión, etc. que mejor se adapte a las características del proyecto.

3.- Realizar balance energético en la bomba de calor, analizando el calor a absorber en el evaporador, energía a aportar al compresor, energía a entregar en el condensador. Irreversibilidades y pérdidas.

4.- Estudio económico y financiero del proyecto, considerando CAPEX, OPEX, subvenciones, amortizaciones, etc. Análisis económico del coste de la energía térmica generada con la bomba de calor frente a soluciones con combustibles convencionales. Impacto de la solución bomba de calor respecto a la Huella de Carbono. Viabilidad del proyecto como venta de energía transformada al cliente.

Beneficios y ventajas de las bombas de calor

Las bombas de calor industriales tienen un alto potencial de ahorro energético ya que recuperan el calor residual bombeándolo a una temperatura mayor y lo revaloriza para satisfacer una parte de la demanda de calor industrial. Como resultado del análisis del ciclo frigorífico, se deduce que la energía necesaria para accionar la bomba de calor es del orden de una tercera parte del calor útil producido.

Esto hace entender que se “pague” una cantidad menor que la que se “aporta”. Esta tecnología consume menor energía primaria que los sistemas convencionales. Además, se reduce el consumo de combustibles fósiles y, como consecuencia, reduce las emisiones de gases nocivos para el medio ambiente como CO₂, SO₂ y NOx.

En la siguiente figura se muestra un gráfico de las emisiones de CO₂ que producen los distintos sistemas de calefacción.

Algunas limitaciones para su uso en plantas industriales

A la hora de considerar un proyecto alternativo con bomba de calor, debe tenerse en cuenta, al hablar en la industria de bombas de calor de alta temperatura, que presentan algunas limitaciones para su uso en plantas industriales, como pueden ser las siguientes:

• • Bajo nivel de conciencia de las posibilidades técnicas y potenciales de aplicación económicamente factibles de la BCAT entre usuarios, consultores, inversores, diseñadores de plantas, productores e instaladores.
  • Falta de conocimiento sobre la integración de la BCAT en los procesos de la industria. Los diseños a medida conducen a una integración costosa en los procesos existentes.
  • Largos períodos de recuperación de la inversión (superiores a 3 años), que es mayor que para gas o calderas de aceite.
  • Tecnologías de calefacción competidoras que generan altas temperaturas utilizando combustibles fósiles a precios bajos de energía.
  • Falta de refrigerantes disponibles en el rango de alta temperatura con bajo potencial de calentamiento global (GWP).
  • Falta de instalaciones pilotos y de demostración.

• Falta de capacitación y eventos que también apoyen la difusión del conocimiento de la BCAT.

Cómo superar las limitaciones

No obstante, hay razones para pensar en un futuro próximo optimista. Por una parte, la Agencia Internacional de Energía (AIE) ha realizado varios programas sobre el estudio y desarrollo de las bombas de calor industriales para superar estos obstáculos.

Por otra parte, se está alcanzando un gran desarrollo de estas bombas de calor en los países industrializados gracias a varias asociaciones como la mencionada AIE además de ENEBC (Eastern New England Biological Conference) y EHPA (European Heat Pump Association).

Desde un terreno más próximo a nuestro trabajo, fabricantes y proveedores habituales en nuestro entorno, están desarrollando ya bombas de calor de media/alta temperatura que estamos incorporando a nuestros proyectos.

ENGIE Refrigeration GmbH desarrolla también aplicaciones de bomba de calor de alta temperatura, utilizando CO₂ como refrigerante. La bomba de calor de alta temperatura ThermeCo₂ cumple las condiciones de varios programas de financiación gestionados por la Oficina Federal de Asuntos Económicos y Control de Exportaciones (BAfA). Esto también incluye la ley sobre financiación federal para edificios eficientes (BEG), que entró en vigor el 1 de enero de 2021.

También desarrolla productos para bombear energía a media temperatura, hasta 55ºC, con los equipos Amonum.

Manuel Moratalla Loarte , Tender & Project Manager Industrial