Al ser una tecnología con varias décadas a sus espaldas, el mundo de los aires acondicionados es objeto de estudio por cientos de grupos de científicos a lo largo y ancho del mundo. España, como uno de los países más cálidos de Europa, se suele aprovechar de estas innovaciones que periódicamente protagonizan las publicaciones de las revistas científicas.

La última novedad proviene del Instituto Fraunhofer de Alemania, donde han desarrollado una nueva tecnología de "bomba de calor electrocalórica" como alternativa a la tecnología de compresores que predomina actualmente el mercado. "Prometen una mayor eficiencia [energética] y no requieren de ningún refrigerante", según una nota de prensa publicada por los investigadores.

El secreto del éxito radica, tal y como explican, en una topología de circuito que alcanza una eficiencia del 99,74% en el apartado de la electrónica de potencia y hasta un 85% en el rendimiento total. "Este resultado establece estándares en todo el mundo y es un paso importante en el camino hacia bombas de calor de estado sólido más eficientes".

Menos consumo

Aunque las bombas de calor ya son sistemas de generación —tanto de frío como de calor— extremadamente eficientes, los investigadores del Instituto Fraunhofer han querido ir un paso más allá. Llevan desde el 2019 trabajando en nuevos esquemas que no requieren compresores para lograr mayores eficiencias energéticas.

Los sistemas tradicionales disponibles en la actualidad que mencionan en el estudio alcanzan alrededor del 50% del límite físico de Carnot, que establece el rendimiento máximo absoluto con la que el calor puede ser transformado en trabajo útil. Mientras que la bomba de calor electrocalórica teóricamente puede alcanzar el 85%, un rendimiento que ya tiene en cuenta la elevadísima eficiencia de la electrónica de potencia.

Aires acondicionados instalados en la fachada Kévin Jiner vía Unsplash

Aunque en última instancia también depende en gran medida de la eficiencia de la electrónica de potencia integrada, señalan. En esta línea, se encuentran trabajando con componentes basados en el semiconductor nitruro de galio (GaN) para aumentar la densidad de potencia y la propia eficiencia.

El principio de la bomba de calor electrocalórica se basa en la aplicación de tensión eléctrica a un material electrocalórico fabricado con cerámicas o polímeros especiales, que consigue calentar el sistema. Tan pronto como se elimina la tensión, el material se enfría de nuevo, siendo todo el proceso casi completamente reversible.

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Según indican desde el Instituto Fraunhofer, dado que los materiales electrocalóricos forman una capacidad eléctrica por sí mismos, la electrónica de potencia en el sistema tiene la tarea de cargar y descargar esa capacidad varias veces por segundo. Y lo debe hacer de la manera más eficiente posible, bombeando calor en cada ciclo.

"Gracias a nuestra electrónica de potencia ultraeficiente, es realista por primera vez lograr más del 50% del coeficiente de rendimiento teórico máximo con bombas de calor electrocalóricas", ha declarado Stefan Mönch, investigador en el campo de la electrónica de potencia en el Instituto Fraunhofer. "Todavía queda mucha investigación por hacer, pero en el futuro esta tecnología podría convertirse en una solución más eficiente y completamente libre de emisiones para la calefacción y la refrigeración".

Módulo de potencia eléctrica que alcanza un 99,75% de eficiencia Fraunhofer IAF

"Es esencial para la consecución de un alto coeficiente de rendimiento de las bombas de calor electrocalóricas una muy alta eficiencia de los materiales, la electrónica y la transferencia de calor", explica en este caso Kilia Bartholomé, jefe del proyecto. "Si se tiene todo eso bajo control, la tecnología tiene un potencial enorme".

Alternativas

El gran consumo energético al que están asociados los aires acondicionados tradicionales ha llevado al desarrollo de innumerables alternativas. Una de ellas es la climatización evaporativa especialmente útil en las zonas con poca humedad. Pero su rendimiento, por ejemplo, en zonas costeras es muy pobre.

Otras iniciativas como la que está impulsando el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California (Estados Unidos) mediante el potencial que ofrece el ciclo inocalórico. Según los resultados obtenidos, puede competir o incluso mejorar la eficiencia de los refrigerantes que se utilizan hoy en día, sin contaminar y con un gasto energético mínimo.

La técnica se basa en iones parte de la misma física que motiva a echar sal al pavimento cuando se avecina un fuerte temporal en invierno para que no se forme hielo. Esa sal supone aplicar un flujo de iones en el suelo con el fin de afectar al ciclo ioncalórico que se produce cuando un líquido se congela y se descongela.

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"El primer experimento mostró un cambio de temperatura de 25 grados centígrados utilizando menos de un voltio (0,22 voltios), un aumento de temperatura mayor que el demostrado por otras tecnologías calóricas", aseguran sus responsables, actuales investigadores en el mismo Berkeley Lab del que han salido 16 premios Nobel.

"Tenemos un ciclo termodinámico y un marco totalmente nuevos que reúnen elementos de distintos campos y hemos demostrado que pueden funcionar", afirma Prasher. "Ahora, es el momento de la experimentación para probar distintas combinaciones de materiales y técnicas que permitan superar los retos de ingeniería", concluye.

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