La ingeniosa bomba de calor que calienta la casa gastando el mínimo: bate el récord de eficiencia

Investigadores de Luxemburgo desarrollan prototipos de estado sólido que marcan grandes diferencias con los sistemas tradicionales.

22 noviembre, 2023 01:50

Ismael Marinero @ismarmed

Con la llegada del invierno a España vuelve a preocupar el precio de la energía, especialmente el del gas natural. Este combustible fósil está presente en el 40% de los hogares que tienen calefacción en nuestro país, especialmente en la Comunidad de Madrid (el 67,3%), según datos del INE. Sin embargo, cada vez más usuarios apuestan por las bombas de calor, una alternativa energética más amigable con el medioambiente y muy eficiente a la hora de calentar o enfriar cualquier espacio utilizando poca energía.

En los últimos años, la mejora de estos dispositivos se ha convertido en un objeto de estudio habitual entre científicos e investigadores de todo el mundo, que buscan maneras de aumentar aún más su eficiencia con nuevos diseños y tecnologías de vanguardia. Uno de los más prometedores es la bomba de calor electrocalórica, una alternativa a la tecnología de compresores que predomina en el mercado. Sin embargo, hasta ahora no se ha conseguido ningún dispositivo de este tipo comercialmente viable.

Una nueva investigación, a cargo de un equipo de ingenieros del Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo (LIST) y publicada en Science, ha abierto un importante camino gracias a un enfoque basado en fluidos. Tras varios experimentos en laboratorio, sus responsables han conseguido crear prototipos viables de una bomba de calor electrocalórica regenerativa mucho más eficientes a la hora de generar calor que los aires acondicionados convencionales.

Sin compresión

El funcionamiento habitual de los aires acondicionados y frigoríficos requiere la compresión de vapores para que luego se expandan una y otra vez. Es un método relativamente ineficaz, ruidoso y perjudicial para el medioambiente, ya que utiliza refrigerantes, la mayoría de ellos muy dañinos para la capa de ozono y responsables, al menos en parte, del calentamiento global.

Para remediarlo, uno de los grandes candidatos a sustituir estos sistemas es la bomba de calor electrocalórica de estado sólido, que puede diseñarse para calentar o enfriar el aire que la rodea según se necesite. El último avance en este sentido utiliza material ferroeléctrico expuesto a un campo eléctrico, lo que provoca un cambio en la polarización que altera la temperatura del material.

Varias fases del proyecto de bomba de calor electrocalórica Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo Omicrono

La clave radica en usar unas tiras de tantalato de plomo y escandio, colocadas unas sobre otras, sumergidas en aceite de silicona. Este líquido se usa a menudo como lubricante, pero también como fluido térmico, ya que es un excelente aislante eléctrico y, a diferencia de sus análogos de carbono, no es inflamable. Además, tiene muy buenas propiedades transfiriendo calor.

"El fluido fluye de un lado a otro entre los condensadores, creando un gradiente de temperatura", explica Emmanuel Defay, que dirige la unidad de Nanotecnología del departamento de Investigación y Tecnología de Materiales (MRT) del LIST. Al añadir electricidad, los capacitores se calientan, y eso empuja el fluido en una dirección. Por el contrario, cuando se enfrían, la corriente eléctrica redirige el fluido en la dirección opuesta, con lo que se logran unas diferencias de temperatura de unos 20 ºC.

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Una vez comprobadas estas propiedades, para utilizar los prototipos como calefactores o aires acondicionados, los investigadores hicieron circular aceite de silicona por el sistema. Eso permitió que uno de ellos alcanzara un 64% de la eficiencia de Carnot, el máximo obtenido hasta el momento por las bombas de calor (muy por encima del 50% máximo de los aires acondicionados).

De momento, el equipo de investigación, que también contó con la colaboración de dos ingenieros de la empresa japonesa Murata Manufacturing Company, reconoce que es una versión muy preliminar de los dispositivos. Es decir, que aún no se ha comprobado si pueden lograr esa eficiencia en un entorno real, aunque los resultados obtenidos son muy prometedores.

Otros enfoques

Varias empresas del sector de la climatización llevan años lanzando al mercado modelos de bombas de calor capaces de enfriar en verano y calentar en invierno y sus principales diferencias se basan en la fuente de la que reciben el calor.

Entre las más sorprendentes está el de la empresa francesa Equium, que ha presentado una nueva bomba de calor termoacústica, que utiliza ondas acústicas para producir frío y calor. El núcleo de estas máquinas se caracteriza por permanecer en estado gaseoso y, como el helio sigue siendo un gas hasta los -200 °C, les permite alcanzar temperaturas más altas dentro del propio núcleo de la bomba de calor.

El núcleo de la bomba de calor termoacústica. Equium Omicrono

Para conseguirlo, utiliza ciclos de compresión (calor) y expansión (frío). Como el núcleo de la bomba está lleno de agua, en Equium recomiendan que se utilice mejor como bomba de calor geotérmica y fuente de agua, pues podría generar agua caliente sanitaria a temperaturas de hasta 80 °C.

Un enfoque más parecido al propuesto por los investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo proviene del Instituto Fraunhofer de Alemania, donde sus ingenieros han presentado recientemente una nueva tecnología de bomba de calor electrocalórica.

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

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".