Estado del arte de bombas de calor de alta temperatura para aplicaciones industriales

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Estado del arte de bombas de calor de alta temperatura para aplicaciones industriales Autor: Sandra Suárez Sarmiento Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 ii iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Estado del arte de bombas de calor de alta temperatura para aplicaciones industriales Autor: Sandra Suárez Sarmiento Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor Titular de Universidad Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iv v Trabajo Fin de Grado: Estado del arte de bombas de calor de alta temperatura para aplicaciones industriales Autor: Sandra Suárez Sarmiento Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 vi El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros viii ix Agradecimientos En primer lugar, agradecer a todos los profesores que he tenido a lo largo de estos 4 cursos por la formación que me han dado, y especialmente dar las gracias a mi tutor D. Francisco Javier Pino por aceptarme para la realización del trabajo fin de carrera. A pesar de las circunstancias que se han vivido con el COVID-19 conllevando incluso a cambiar el tema del mismo, siempre he tenido su apoyo a través de los correos ayudándome en cualquier problema que me ha surgido. También agradezco a D. José Julio Guerra por recomendarme a mi tutor para la realización del trabajo. Agradezco a mi familia por estar siempre apoyándome cuando más lo he necesitado, transmitiéndome siempre fuerza y mucho cariño. Me acuerdo en este momento sobre todo de mis padres y mi hermano, espero poder dedicarles más éxitos en el futuro y evitar darles ciertos disgustos por el camino. Además, también quiero dar las gracias a mis amigas por ser siempre mi punto fuerte, obligándome a despejarme en los momentos de más estrés y por confiar en mi incluso cuando ni yo misma lo hacía. Gracias por vuestro apoyo incondicional, Mercedes y Cristina, reconozco que tuve bastante suerte en encontraros. Me gustaría agradecer a mis compañeros de la escuela, tanto a los que entraron conmigo aunque luego hayan cogido caminos diferentes, como aquellos que he tenido la oportunidad de conocer al final del grado. Han sido una gran compañía tanto en los días de estudios en la ETSI como fuera de ella. Por último, dar las gracias en general a todas las personas que me han hecho feliz en estos 5 años haciéndomelos mucho más ameno. Sandra Suárez Sarmiento Sevilla, 2020 xvi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Descripción general de los procesos en diferentes sectores industriales estructurados por rangos de temperatura típicos y nivel de preparación tecnológica (TRL) de bombas de calor, datos compilados a partir de diversos datos de literatura. 5 Figura 2: Desarrollo de niveles de temperatura para bombas de calor de compresión. (HP: bomba de calor convencional, HTHP: bomba de calor de alta temperatura, VHTHP: bomba de calor de muy alta temperatura). 6 Figura 3: Fracciones de consumo de calor en industrias de la UE según su rango de temperatura. 7 Figura 4: Consumo de calor dentro de las dos bandas de temperatura de interés por sector industrial en la UE. 9 Figura 5: Consumo de calor para las dos bandas de temperatura de interés por país de la UE. 10 Figura 6: Esquema general de un ciclo de refrigeración. 11 Figura 7: Diagrama log(p)-h para sistema frigorífico de una etapa por compresión mecánica. 14 Figura 8: esquema de un sistema de recompresión de vapor en una torre de destilación. 15 Figura 9: Bomba de calor por absorción. 15 Figura 10: Ciclo Brayton inverso. 16 Figura 11: COP Carnot y COP Lorenz en función de la fuente de calor y las temperaturas de sumidero. 17 Figura 12: Consumo de calor cubierto por las bombas de calor industriales en cada país de la UE en todas las industrias. 20 Figura 13: Consumo de calor y su fracción cubierta por bombas de calor industriales por sector industrial en la UE. 20 Figura 14: Rendimiento de la bomba de calor (COP). 21 Figura 15: Calor residual disponible y consumo total de calor cubierto por bombas de calor industriales en industrias de la UE para fracción variable de calor residual dentro de la banda de temperatura de 100–200ºC. 22 Figura 16: Período de recuperación de la bomba de calor industrial del caso de estudio para diferentes costes específicos de la bomba de calor y un COP en el rango de 2,5–5. 24 Figura 17: Emisión relativa de CO2 de diferentes sistemas de calefacción. 25 Figura 18: HTHP industriales disponibles comercialmente, ordenados por temperatura máxima del sumidero y capacidad calorífica. Tipos de compresores: tornillo (azul), pistón (amarillo) y turbocompresor (rojo). 27 Figura 19: HTHP comerciales: ciclos, COP e imágenes. 30 Figura 20: Clasificación del grupo de seguridad, según DIN EN 378-1 y ASHRAE, A: menor toxicidad, B: mayor toxicidad, 1: sin propagación de llama, 2: menor inflamabilidad y 3: mayor inflamabilidad. 33 Figura 21: Comparación de las curvas p-T (a), p-h (b) y T-s (c) de fluidos de trabajo seleccionados para HTHP. Los valores de entalpía y entropía se refieren a 200 kJ/kg y 1 kJ/kgK para líquido saturado a 0ºC (273,15 K). 37 Figura 22: Un ciclo típico de bomba de calor de alta temperatura con intercambiador de calor interno (IHX). 38 Figura 23: Número de publicaciones de bombas de calor de alta temperatura en las bases de datos en línea SCOPUS (www.scopus.com) y Web of Science (www.webofknowledge.com). 38 Figura 24: Número de publicaciones de bombas de calor de alta temperatura en las bases de datos SCOPUS y xvii Web of Science más actualizada. 39 Figura 25: Helminger (2016), Fleckl (2015) AIT, Vienna 1 ciclo con IHX, piston (Bitzer 2CES), R1336mzz (Z). 40 Figura 26: Noack (2016), ciclo de 1 etapa, HT 125. 40 Figura 27: Reißner (2015), Erlangen 1 etapa con IHX, piston (GEA Bock E3), LG6. 41 Figura 28: Ciclos y COP de calentamiento logrados de estudios de investigación experimentales sobre HTHP (TLT: temperatura de fuente [ºC], THT: temperatura de sumidero [ºC], ∆Tlift: salto de temperatura [K], COP: coeficiente de rendimiento de calentamiento, eficiencia de segunda ley η2nd = COPCOPCARNOT). 44 Figura 29: COP experimentales en función de la temperatura del sumidero a diferentes saltos de temperatura (20 a 70 K). 45 Figura 30: COP de varios HTHP industriales en función del aumento de temperatura. 47 xviii GLOSARIO HP: bomba de calor convencional HTHP: bomba de calor de alta temperatura VHTHP: bomba de calor de muy alta temperatura AIE: Agencia Internacional de Energía UE: Unión Europea COP: coeficiente de rendimiento ENEBC: Eastern New England Biological Conference EHPA: European Heat Pump Association ACS: agua caliente sanitaria MVR: sistemas de Recompresión Mecánica de Vapor POE: aceite de poliéster ODP: potencial de agotamiento del ozono PAO: potencial de cero agotamiento de la capa de ozono GWP: potencial de calentamiento global NBP: punto de ebullición normal PCA: potencial de calentamiento atmosférico SDO: sustancias que agotan al ozono VHC: capacidad calorífica volumétrica CFC: clorofluorocarbonos HCFC: hidrofluorocarbonos HFC: hidrofluorocarburos PFPE: pefluoropoliéster HFO: hidrofluoroolefinas ORC: ciclos orgánicos de Rankine HCFO: hidroclorofluoroolefinas HC: hidrocarburos IHX: Internal Heat Exchanger AIT: Instituto de Tecnología de Austria AlterECO: Análisis de Energía de baja temperatura Recuperando ECOnomy I + D: investigación y desarrollo EES: Engineering Equation Solver ASHRAE: Sociedad de Ingenieros de la Calefacción y Aire Acondicionado 1 1 INTRODUCCIÓN as bombas de calor de alta temperatura son máquinas térmicas que permiten recuperar la energía desechada y que, en muchos casos, se pierde en el ambiente sin su aprovechamiento debido a que su calor es de baja temperatura y no son útiles para la industria. Esto genera un impacto nocivo al entorno y altos consumos de energía. Esta tecnología permite operar con temperaturas de evaporación entre 40 y 90 ºC y con temperaturas de condensación entre 110 y 150ºC. Son capaces de absorber calor residual y producir un calor útil en forma de vapor o agua presurizada a alta eficiencia, pero el compresor necesita una aportación de energía eléctrica. En muchos procesos industriales se requieren condiciones de temperatura entre 80°C y 90°C, que actualmente se obtienen calentando un fluido caloportador en calderas que usan combustibles fósiles pero a un alto coste económico y de degradación del ambiente. Los desechos de energía a baja temperatura, normalmente inferiores a 40ºC, son difíciles de recuperar y de aprovechar de nuevo en el proceso, constituyéndose en una fuente de energía constante no reutilizable y contaminante, pudiendo afectar al rendimiento energético. A pesar de los inconvenientes energéticos que presenta el utilizar fluidos caloportadores en calderas y las ventajas que tiene el uso de las bombas de calor, estas últimas no se han extendido en el sector industrial como se quisiera debido a razones económicas y técnicas. La eficiencia energética produce ventajas como por ejemplo menor coste de producción al disminuir la energía por unidad producida, aumenta la capacidad de generación disponible por lo que permite la utilización del sistema eléctrico para otros usos y disminuye el desperdicio de energía y la contaminación (José Aller, 2010). La aplicación de las bombas de calor ofrece buenas oportunidades para reducir las cantidades de energía neta utilizada en diversos procesos, por la recuperación de una porción del calor descargado. Esto incluye ahorros substanciales de contaminación al reducir la utilizacón de hidrocarburos como fuente primaria de energía. La incorporación de las bombas de calor a la industria es una medida fundamentada en aspectos principalmente económicos. Por lo que, la incorporación de las bombas de calor dependerá de tres factores: 1. El capital total de inversión. 2. El coste de la energía eléctrica. 3. Los ahorros del combustible. Cuando se tiene más de una posible fuente de energía para un sistema de bombeo de calor, es más apropiado utilizar la relación de energía primaria (PER), definida como la relación del calor útil obtenido del sistema a la energía primaria utilizada. Este parámetro puede relacionarse con el COP mediante la siguiente ecuación donde n es la eficiencia con la que la energía primaria es convertida en el trabajo que mueve el compresor (Información Tecnológica, 1994): (𝑃𝐸𝑅)= 𝑛(𝐶𝑂𝑃) L 2 En este bloque se va a realizar un análisis del sector industrial consistente en diferenciar los sectores según su rango de temperatura y describir las aplicaciones potenciales según su madurez tecnológica. A continuación, se van a explicar las distintas definiciones de bombas de calor. El siguiente apartado está destinado al consumo de calor en las industrias de la Unión Europea donde se estudiará según su rango de temperatura, su ramificación y el país, finalizando con una profundización en las temperaturas de interés. Por último, se comentarán los objetivos de este trabajo. 1.1 Análisis del sector industrial Como se ha comentado antes, en este primer apartado se va a especificar a qué rango de temperatura trabajan los diferentes sectores industriales en cada proceso, asi mismo se va a indicar cuales pueden ser de interés para las HTHP. Además, se van a comentar algunas aplicaciones potenciales también por temperatura y según su madurez tecnológica. A continuación, en la tabla se pueden observar los distintos sectores industriales, qué procesos se realizan en cada uno de ellos y a qué temperatura se trabaja: Sectores Industriales Procesos Rango de temperatura de operación (ºC) Lácteos Pasteurización Esterilización Secado Concentrado Agua de alimentación de caldera 60-80 100-150 120-180 60-80 60-90 Conservas alimentarias Esterilización Pasteurización Cocción Blanqueo Escaldado 110-125 60-80 60-98 60-90 95-100 Textil Blanqueamiento, teñido Secado, desengrasado Teñido Fijación Prensado Lavado Calentamiento/cocción 60-100 100-130 70-90 160-180 80-100 40-90 140-200 Papel Cocción, secado Agua de alimentación de caldera Blanqueamiento Calentamiento de la pasta de papel Secado 60-80 60-90 130-150 170-180 130-160 3 Químicos Jabones Caucho sintético Calentamiento de proceso Precalentamiento de agua Hervido Destilación Procesos químicos varios 200-260 150-200 120-180 60-90 95-105 110-300 120-180 Cárnico Lavado, Esterilización Cocción 60-90 90-100 Alimentos y bebidas Lavado Pasteurización Hervido Esterilización Tratamiento de calor Secado 40-80 60-110 95-105 140-150 40-60 30-90 Vinos y bebidas Lavado de botellas Refrigeración 60-90 85 Harinas y productos preparados Esterilización 60-80 Productos de madera Secado Precalentamiento de agua Preparación de pulpa 60-100 60-90 120-170 Ladrillos y bloques Curación 60-140 Plásticos Preparación Destilación Separación Extensión Secado Mezclado Secado de pellets (aire) 120-140 140-150 200-220 140-160 180-200 120-140 50-150 Todas las categorías Precalentamiento de agua para caldera Clentamiento de edificios de la planta 30-100 30-80 Industria de maquinaria Limpieza Secado 40-80 30-90 Calentamiento agua para procesos 4 Curtiembre en húmedo Secado Vapor 165-180 Industria del corcho Secado, cocción del corcho, otros 40-155 Cerveza y malta Cocción del mosto Lavado de botellas Refrigeración Secado 100 60 90 60 Industria química Procesos bioquímicos Precalentamiento y procesos de polimerización 37 aproximadamente 37 aproximadamente Minería Lixiviación de óxidos Biolixiviación de sulfuros Electrorefinación Electroobtención (EW) Extracción por solvente (SX) <60 25-40 60-65 40-48 25 Harina de pescado Cocción Secado por conducción Secado por convección Desborrado Vapor 95-100 Vapor 60-105 Vapor 30-60 Vapor 92-100 Tabla 1: Sectores industriales según su rango de temperatura de consumo. (Fuenzalida, 2014) Los sectores donde puede resultar interesante trabajar con bombas de calor de alta temperatura son aquellos que operen con temperaturas superiores a 90ºC. En la tabla se puede identificar que la máxima temperatura de operación con la que se trabaja son 300ºC en el proceso de destilación dentro del sector químico. A modo de resumen, resulta interesante en la industria de lácteos para los procesos de esterilización y secado, en conservas alimentarias para esterilización, en la industria textil y de papel para calentamiento y secado, también lo sería para la mayoría de los procesos en los sectores químicos y plásticos. Por último en el caso de alimentos y bebidas puede ser de interés para los procesos de pausterización y esterilización. La figura 1 ofrece más detalladamente una visión de la distribución de calor por sectores, por rangos de temperatura y por nivel de madurez tecnológica que puede ser producida por la bomba de calor de alta temperatura. Las tonalidades en gris son aquellos que ya se están llevando acabo mientras que el color negro está investigándose en laboratorio. En general, se ha identificado un gran potencial de aplicación de HTHP en las industrias alimentaria, de papel y química, en particular en procesos de secado, así como pasteurización, esterilización, evaporación y destilación. 5 (R R. , 17/2015), (C, 8 October, 2013), (Wolf S F. U., 2014), (Lambauer J, October 8, 2012), (Wolf S L. J., September 11-14, 2012), (S K. , 2003), (Lauterbach C, 2012), (R N. , 16-18 November, 2016), (Brunner C, 2007), (W W. , Potentialstudie für Solare Prozesswärme in Österreich, 12.9.2007), (W W. , Solarwarme für industrielle Prozesse. Erneuerbare Energie, 2005), (IEA, Application of industrial heat pumps, final report, Part 1. Report no. HPP-AN35-1. IEA Heat Pump Programme, 2014), (Hartl M, 18-20 November, 2015), (K O. , 2015) Figura 1: Descripción general de los procesos en diferentes sectores industriales estructurados por rangos de temperatura típicos y nivel de preparación tecnológica (TRL) de bombas de calor, datos compilados a partir de diversos datos de literatura. 6 1.2 Definiciones Las bombas de calor de alta temperatura (HTHP) se usan principalmente para la recuperación de calor en el proceso de suministro de calor. Bauder (HJ, 1980) describió la aplicación de un HTHP con temperaturas de sumidero superiores a 100ºC. Jakobs (Jakobs R, May 4, 2015) definió el término bomba de calor industrial como bomba de calor con temperaturas de sumidero de hasta 150ºC para recuperación de calor y mejora en procesos industriales, pero también para calefacción, refrigeración y aire acondicionado en edificios comerciales e industriales. Peureux y Bobelin (Jakobs R, May 4, 2015), (IEA A. 3., 2014), (Peureux J-L, May 12, 2014), (Bobelin D, 2012), (Peureux J, 21 June, 2012) introdujeron el término bomba de calor de muy alta temperatura (VHTHP) con temperaturas de sumidero entre 100 y 140ºC. En la siguiente figura se observan las tres definiciones en función de la temperatura de la fuente de calor frente a la de sumidero. Actualmente se usa la nomenclatura de la Agencia Internacional de la Energía la cual considera que a partir de 80ºC de temperatura de sumidero son HTHP. Figura 2: Desarrollo de niveles de temperatura para bombas de calor de compresión. (HP: bomba de calor convencional, HTHP: bomba de calor de alta temperatura, VHTHP: bomba de calor de muy alta temperatura). 1.3 Consumo de calor en las industrias de la UE El consumo total de calor en las industrias de la UE se ha concluido (M. Papapetrou G. K., 2018) en 1820,73 TWh/año, dividido en la principal rama industrial. El calor de las energías renovables y el calor derivado no están incluidos en esta cantidad de calor. Para calcular el consumo de calor dentro de lo apropiado, este se divide en 10 grupos según su rango de temperatura y el tipo (calefacción de espacios, agua caliente) (P. Nellissen, 2015) o calentamiento del proceso (PH) como se muestra a continuación: • Calefacción de espacios (generalmente hasta 60–70ºC) • Agua caliente (generalmente hasta 70–80ºC) • PH por debajo de 60ºC • PH en el rango de 60–80ºC • PH en el rango de 80–100ºC • PH en el rango de 100–150ºC • PH en el rango de 150–200ºC 7 • PH en el rango de 200–500ºC • PH en el rango de 500–1000ºC • PH por encima de 1000ºC 1.3.1 Fracción de consumo de calor por rango de temperatura y ramificación Para estimar el consumo de calor en cada rango, se introduce una fracción de consumo de calor (HCF), dada por la siguiente ecuación. (𝐻𝐶𝐹)𝑇,𝐼𝑁𝐷 =(𝐻𝐶)𝑇,𝐼𝑛𝑑 (𝐻𝐶)𝐼𝑛𝑑 Este parámetro expresa la fracción de consumo de calor de un solo grupo del anterior (HCT,Ind), en comparación con el consumo de calor total (HCInd) de cada rama industrial donde los subíndices T e Ind son la temperatura y la rama industrial respectivamente. En la figura 3 se observa ya calculados, el consumo de calor en industrias de la Unión Europea por su rango de temperatura según los 10 grupos que se han mencionado. En industrias muy intensivas en energía (por ejemplo, hierro y acero, metales no ferrosos y minerales no metálicos), la mayor parte del calor se requiere en temperaturas superiores a 1000ºC siendo su HCF entre 45 y 60%, y en el rango de 20 a 30% corresponde al consumo en la banda de 500–1000ºC. Las industrias químicas requieren principalmente calor en el rango de temperatura de 200–1000ºC (65% de su consumo total de calor). Todas las demás ramas en su mayoría necesitan calor a una temperatura de hasta 200ºC. La calefacción de espacios se convierte en un importante consumidor de calor en industrias con bajo consumo de calor (HCF más del 50% para calefacción de espacios), como en maquinaria, equipos de transporte, textiles y otras industrias. Figura 3: Fracciones de consumo de calor en industrias de la UE según su rango de temperatura. (Kosmadakis, 25 June 2019), (M. Papapetrou G. K., 2018), (P. Nellissen, 2015) 1.3.2 Estimación del consumo de calor por rango de temperatura, ramificación y país de la UE El siguiente paso de la metodología es estimar el consumo total de calor según el rango de temperatura, la rama industrial y el país de la UE. (𝐻𝐶)𝑇,𝐼𝑛𝑑,𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑟𝑦 = (𝐻𝐶𝐹)𝑇,𝐼𝑛𝑑(𝐻𝐶)𝐼𝑛𝑑,𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑟𝑦 En la tabla 2 se muestra el consumo total de calor que es la suma del de cada país de la UE en los diferentes grupos. El consumo de calor por encima de 500ºC y en el rango de 100-150ºC es una gran parte del total en todos los países, aproximadamente 48% y 10% respectivamente. Alemania, Francia e Italia son los países que más calor consumen en estos rangos. La calefacción de espacios para las industrias también es un consumo importante, 14 Figura 7: Diagrama log(p)-h para sistema frigorífico de una etapa por compresión mecánica. (Wikipedia) 2.2 Clasificación 2.2.1 Según el tipo de proceso Existen distintos tipos para aplicaciones industriales: bombas de calor en ciclo de compresión cerrado, sistemas de Recompresión Mecánica de Vapor (MVR), bombas de calor de absorción de simple efecto, bombas de calor de absorción de doble efecto y ciclo Brayton inverso. Las bombas de calor en ciclo de compresión cerrado son las más extendidas en la industria. La temperatura máxima que se obtiene por los fluidos de trabajo está en torno a los 120ºC. En los sistemas MVR el fluido de trabajo es el mismo que en un ciclo abierto. Si el sistema es abierto, el vapor de un proceso industrial es comprimido, lo que conlleva a un aumento de su presión y como consecuencia, aumenta también su temperatura. El proceso cede calor por ser condensado. También puede ser semiabierto donde el calor del vapor recomprimido es cedido mediante un intercambiador de calor. Con los sistemas de MVR se pueden alcanzar temperaturas más altas y son muy utilizados en procesos de destilación. Estos sistemas trabajan con temperaturas de foco frío de 70 a 80ºC y ceden el calor a temperaturas entre 110 y 150ºC. En algunos casos pueden llegar a los 200ºC. En la Figura 8 se puede observar el esquema de un sistema de recompresión de vapor utilizado en la industria química para reemplazar el calentamiento con vapor en una torre de destilación. 15 Figura 8: esquema de un sistema de recompresión de vapor en una torre de destilación. (Mauricio Toro López) Las bombas de calor de absorción son aquellas cuya energía aportada al ciclo es térmica y no mecánica, como en los sistemas de compresión en ciclo cerrado. Un sistema de absorción se basa en la capacidad de absorber ciertas sales y líquidos del fluido refrigerante. La sustancia más utilizada es agua con bromuro de litio. Cuando el ciclo es de simple efecto se puede obtener una temperatura de salida de 100ºC y un salto térmico de hasta 65ºC, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4. Mientras que si el ciclo es de doble efecto se pueden alcanzar temperaturas de hasta 150ºC y un salto térmico de 50ºC, con un COP entre 0,45 y 0,48. En los ciclos de absorción se sustituye el compresor por un ciclo de disoluciones que realiza la misma función, es decir, eleva la presión y la temperatura del fluido refrigerante en estado de vapor. En la figura 9 se muestra el ciclo de la bomba de calor por absorción. Figura 9: Bomba de calor por absorción. (Mauricio Toro López) En Suecia y Dinamarca estas bombas de calor se han utilizado para recuperar calor de incineradoras de residuos. Los sistemas actuales alcanzan las condiciones del ciclo de simple efecto. Por último, en el ciclo Brayton inverso se pueden recuperar las sustancias disueltas en varios procesos. El aire se enfría en la expansión, y las sustancias disueltas se condensan y son recuperadas. Esta expansión tiene lugar en la turbina que acciona el compresor. En la figura 18 se observa el esquema que presenta este ciclo. 16 Figura 10: Ciclo Brayton inverso. (Otilio, 2014) 2.2.2 Según el medio de origen y destino de la energía Las bombas de calor se pueden clasificar según la naturaleza de las fuentes y el ciclo termodinámico. Estas pueden ser de aprovechamiento de aire caliente, de agua y geotérmicas. - Bombas de calor aire-aire: son las más habituales en climatización. Se suelen utilizar unidades de baja potencia. El equipo está en contacto con el exterior del edificio que es donde extrae el calor y también con el aire interior de la vivienda, a la que le cede el calor. - Bombas de calor aire-agua: se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.Se extrae el calor del aire exterior y lo transfiere a través de un circuito de agua a baja temperatura. - Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares o aguas residuales. Producen unos rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior. - Bombas de calor agua-agua: requieren también el aprovechamiento del agua en ríos, mares, etc. La temperatura de estas fuentes es prácticamente constante por lo que su COP también lo es. - Bombas de calor geotérmicas: son aquellas que aprovechan el calor de la tierra. No son instalaciones muy frecuentes debido a su coste y al requerimiento de una gran superficie de terreno. 2.2.3 Según su construcción Las bombas de calor se pueden clasificar también en función de cómo se encuentran los elementos que la componen. Hay tres tipos: - Compacta: todos los elementos que la constituyen se encuentran alojados dentro de una misma carcasa. - Split o partidas: están constituidas por dos unidades separadas. Una unidad exterior que es donde se alojan el compresor y la válvula de expansion, y una interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior local. - Multi-split: están constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores. 2.2.4 Según su funcionamiento Por último, las bombas de calor se pueden agrupar según su funcionamiento: - Reversibles: pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del fluido. 17 - No reversibles: únicamente funcionan en ciclo de calefacción. - Termofrigobombas: producen simultáneamente frío y calor. 2.3 Potencial de calor residual en las industrias El calor residual industrial representa una fuente de calor muy valiosa para las bombas de calor gracias al nivel de temperatura relativamente alto de 30 a 70ºC aproximadamente, siendo mayor que la temperatura del aire exterior, del suelo o del agua subterránea. Un ciclo ideal de bomba de calor de Carnot representa el rendimiento teórico más alto. Un ciclo de Lorenz es equivalente a un ciclo infinito de Carnot de múltiples etapas. El deslizamiento de temperatura de la fuente de calor y del sumidero puede variar significativamente dependiendo de la aplicación industrial. En la figura 11 se puede observar los cálculos del COP de Carnot a la izquierda y del COP de Lorenz a la derecha. Para el mismo salto de temperatura de 70K y 30K, se demuestra que el COP aumenta linealmente con la temperatura de la fuente de calor. El cálculo del COP de Lorenz supone un deslizamiento de temperatura de 30K en las corrientes externas de la fuente de calor y del sumidero. Figura 11: COP Carnot y COP Lorenz en función de la fuente de calor y las temperaturas de sumidero. (Arpagaus, 2018) Además del calor del espacio y del agua caliente, existe una gran demanda de procesar calor en la industria para la producción, el procesamiento o el acabado de productos. Generalmente, el calor del proceso se suministra a 80ºC. El potencial de aplicación teórico para el uso de bombas de calor en procesos industriales se puede estimar evaluando la demanda de calor de cada sector industrial y los niveles de temperatura de los procesos aplicados. Con respecto a la UE, se han utilizado los resultados de un estudio reciente sobre el potencial de calor residual en las industrias y ha sido estimado en (M. Papapetrou G. K., 2018) 304,14 TWh/año. Su metodología se basa en la estimación de fracciones de calor residual (WHF) por rango de temperatura e industria, a partir de los resultados detallados de un estudio del Reino Unido (G.P. Hammond, 2013), y luego ajustándolos para tener en cuenta los diferentes niveles de eficiencia energética de cada país de la UE y año de referencia. Cabe mencionar que la división de las ramas industriales no es exactamente la misma del consumo de calor y el análisis del calor residual. Por lo tanto, el calor residual de maquinaria, equipo de transporte, madera y productos de madera e industrias textiles se ha separado de las "otras industrias", de acuerdo con su consumo relativo de calor dentro de esta categoría. El potencial de calor residual estimado por debajo de 100 ºC es igual a 1,25 TWh/año (M. Papapetrou G. K., 2018), que es bastante limitado y se observa solo en las industrias alimentarias. Para el calor residual dentro de la banda de temperatura de 100–200ºC es necesario un ajuste apropiado para considerar la fracción de calor residual que puede suministrar las bombas de calor industriales. 18 La temperatura de calor residual que impulsa la bomba de calor es más baja que la temperatura del fluido de trabajo en la misma, suponiendo una diferencia de temperatura típica de “pinch point” de 10 K. El pinch point se aplica en la entrada del fluido de trabajo en el evaporador de la bomba de calor en caso de una bomba de calor de compresión de vapor. Considerando un intercambiador de calor a contracorriente, la temperatura de entrada del fluido de trabajo corresponde a la salida del transportador de calor residual. Para una temperatura de entrada del fluido caloportador de 120ºC, su temperatura de salida puede ser de 110ºC con una diferencia típica de 10K, y al aplicar el valor del pinch point anterior, la temperatura resultante del fluido de trabajo de la bomba de calor es de 100ºC. Por lo tanto, el rango de temperatura explotable del calor residual está dentro del rango de 100–120º C (20 grados dentro de la banda 100–200ºC) para calentar el fluido de trabajo de la bomba de calor a 80–100ºC. Suponiendo una disponibilidad de calor lineal por grado en este rango, el potencial de calor residual para impulsar el proceso de la bomba de calor corresponde al 20% del calor total dentro de la banda de temperatura de 100–200ºC (el calor residual dentro de esta banda es 102,06 TWh/año (M. Papapetrou G. K., 2018)). Esta cantidad de calor residual es 20,41 TWh/año. El enfoque anterior introduce algunas incertidumbres, ya que las diferencias de temperatura difieren según el tipo de fluido caloportador residual (diferencias menores para líquidos, iguales o mayores para gases). Sin embargo, el fluido caloportador residual es generalmente un gas en este rango de temperatura como por ejemplo, gases de combustión, vapor a baja presión, que tiende a aumentar estas diferencias de temperatura y, por lo tanto, aumenta el potencial de calor residual. El valor típico de 10K seleccionado proporciona un enfoque bastante conservador, al estar más cerca de las diferencias observadas con los gases, con el objetivo de no sobreestimar el potencial de las bombas de calor industriales. En cualquier caso, este problema se considera en el análisis de sensibilidad. Con los datos y supuestos anteriores, el potencial de suministro de calor a la bomba de calor industrial, igual al potencial de calor residual, en los principales sectores industriales de los países de la UE se ha calculado y se muestra en la Tabla 3 en GWh/año. Las industrias del hierro y el acero tienen un potencial de calor residual cero en estas bandas de temperatura y, por lo tanto, no se muestran en esta tabla. Tabla 3: Potencial de suministro de calor en GWh/año a bombas de calor industriales en cada país de la UE por sector industrial. (Kosmadakis, 25 June 2019) 19 El potencial total de calor residual o suministro de calor dentro de las dos bandas de temperatura en todas las industrias de la UE es de 21,66 TWh/año, y las industrias alemanas tienen la fracción más alta. Este potencial corresponde a aproximadamente el 7% del potencial de calor residual total en la UE (M. Papapetrou G. K., 2018). Se encuentran disponibles grandes cantidades de calor residual en las industrias de minerales, alimentos y papel no metálicos. Por otro lado, las industrias menos intensivas en energía (por ejemplo, maquinaria, productos de madera, textiles) tienen un potencial muy bajo, ya que no requieren grandes cantidades de calor de proceso y de alta temperatura que conducirían a cantidades significativas de calor residual. 2.4 Coincidencia del consumo de calor con el calor residual mejorado por la bomba de calor Esta etapa final consiste en hacer coincidir el calor residual que se puede recuperar y accionar las bombas de calor industriales para suministrar una fracción del consumo de calor. Se utiliza un COP típico igual a 4 para la bomba de calor industrial que corresponde a los rangos de temperatura (temperatura de la fuente de calor por debajo de 120ºC, temperatura de sumidero hasta 150ºC) y saltos de temperatura consideradas (en el rango de 40-50 K) (Arpagaus, 2018). El rendimiento viene dado por la siguiente ecuación para una bomba de calor de compresión de vapor, que es la estándar para las bombas de calor de accionamiento eléctrico. En el caso de una bomba de calor accionada térmicamente, el COP generalmente se da como la relación del suministro de calor a la entrada de calor con un valor típico de aproximadamente 1. 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝑐𝑑 𝑃 𝑐 Donde Qcd es la producción de calor en el condensador y PC es el consumo de electricidad de la bomba de calor. La ecuación proporciona un balance energético simplificado para correlacionar la entrada de calor (calor residual - calor de evaporación, Qev) con la producción de calor y el consumo de electricidad. 𝑄𝑐𝑑 = 𝑄𝑒𝑣 + 𝑃 𝑐 Al aplicar las dos ecuaciones en cada rama industrial y país de la UE, se calcula el calor mejorado (Qcd), sin imponer ninguna restricción para la cantidad que realmente se puede consumir. La cantidad total de calor mejorado dentro de las dos bandas de temperatura de interés es igual a 28,88 TWh/año. En realidad, esto expresa el calor máximo que las bombas de calor industriales pueden suministrar al consumo de calor, en caso de que exploten todo el calor residual disponible en las industrias de la UE. Esta cantidad es inferior al consumo de calor en casi todas las industrias, como se presenta a continuación. 2.4.1 Calor combinado dentro de las dos bandas de temperatura de interés El paso final es hacer coincidir estos dos flujos de calor, introduciendo cualquier restricción sobre el calor mejorado, ya que este calor debe ser igual o menor que el consumo de calor real. Este potencial por sector industrial en cada país de la UE se mostraba en la Tabla 3 en GWh/año mientras que los valores sumados para el sector industrial total de cada país de la UE se presentan en la figura 12. Las industrias siderúrgicas no se muestran en esta tabla, debido a su potencial cero, como se describió anteriormente. 20 Figura 12: Consumo de calor cubierto por las bombas de calor industriales en cada país de la UE en todas las industrias. (Kosmadakis, 25 June 2019) En total, se pueden cubrir 28,37 TWh/año de consumo de calor mediante el uso de bombas de calor industriales, una vez que se haya actualizado todo el calor residual. Esta cantidad representa aproximadamente el 15% del consumo total de calor dentro de las dos bandas de temperatura en las industrias de la UE, lo que reduce al 1,5% del consumo total de calor dentro de todas las bandas de temperatura. A nivel de país, el potencial combinado en Alemania, Francia, Italia, España y el Reino Unido representa más del 60% del total en la UE. El potencial total por sector industrial se muestra en la figura 13, demostrando los sectores más prometedores. La fracción del consumo de calor que el calor mejorado puede cubrir en cada sector industrial también se muestra como porcentaje en la parte superior de cada barra (dentro de las dos bandas de temperatura). Figura 13: Consumo de calor y su fracción cubierta por bombas de calor industriales por sector industrial en la UE. (Kosmadakis, 25 June 2019) 21 Las bombas de calor industriales pueden cubrir una fracción del consumo de calor dentro del rango de temperatura de 100-200ºC en todas las ramas, excepto en las industrias siderúrgicas que no rechazan ningún calor dentro de este rango de temperatura, teniendo un potencial cero como ya se mencionó. En las industrias de metales no ferrosos, la producción de la bomba de calor es un 11% más alta que su consumo de calor (4,39 TWh/año de calor mejorado disponible en comparación con 3,89 TWh/año de consumo de calor), y así poder cubrir el 100% de su consumo de calor, dentro de este nivel de temperatura. Esta fracción se reduce a aproximadamente el 35% en minerales no metálicos y a casi el 11% en las industrias papeleras. En las industrias alimentarias, la fracción es de aproximadamente 6,5% y en las químicas, incluso menos. En las industrias menos intensivas en energía, el potencial es muy bajo, tanto en términos de valores absolutos como relevantes, con un potencial que cubre solo el 1-2% del consumo de calor. Sin embargo, se pueden alcanzar soluciones sostenibles incluso para este tipo de industrias, como las industrias textiles. En caso de que solo se considere la banda de temperatura de 100–150ºC de consumo de calor, el calor combinado es ligeramente más bajo e igual a 27,32 TWh/año. Entonces queda claro que incluso la tecnología de bomba de calor industrial de hoy en día con un límite de temperatura de 150ºC es adecuada para explotar fuentes de calor residual de baja temperatura y suministrar procesos industriales de calor. Del análisis anterior, es posible identificar los sectores más prometedores para las bombas de calor industriales. Las industrias de alimentos y papel originalmente parecían ideales para este tipo de aplicaciones debido al calor residual y al consumo de calor dentro del rango de baja temperatura, pero el mayor potencial en valores absolutos se observa en las industrias de minerales no metálicos, que requieren grandes cantidades de calor. A esta rama le siguen las industrias de papel y alimentos con un potencial de aproximadamente 5 TWh/año, y las industrias de metales no ferrosos con un potencial de casi 4 TWh/año. Las industrias químicas muestran un potencial aún menor de solo 1 TWh/año, y otras industrias de 0,5 TWh/año. 2.4.2 Análisis de sensibilidad 2.4.2.1 COP de bombas de calor industriales Para la estimación del potencial de la bomba de calor industrial en las industrias de la UE, se ha considerado un valor COP típico de 4. Sin embargo, este valor de rendimiento podría variar, afectando directamente el potencial y, por lo tanto, es necesario un análisis de sensibilidad para identificar los márgenes. Este análisis se ha llevado a cabo y su resultado principal se muestra en la figura 14 que muestra el potencial total de las bombas de calor industriales para un COP que varía de 2 a 5. La misma figura también muestra el consumo total de electricidad de estas bombas de calor, identificando la potencia requerida para cubrir esta demanda de calor. Figura 14: Rendimiento de la bomba de calor (COP). (Kosmadakis, 25 June 2019) 22 Para un menor rendimiento de la bomba de calor y la misma entrada de calor residual, la producción de calor está aumentando, suministrando más calor al consumo, pero también consume más electricidad, de acuerdo con las dos ecuaciones que se observan al principio del apartado 2.4. El potencial máximo se alcanza solo en las industrias de metales no ferrosos, como se pudo ver en la figura 13, mientras que las otras industrias experimentan una mayor fracción del consumo de calor cubierto por las bombas de calor industriales. En cualquier caso, la variación del consumo de calor cubierto varía dentro del rango de 27 a 40 TWh/año, lo que demuestra que el rendimiento de las bombas de calor tiene algún efecto sobre su potencial en la industria de la UE. La variación de este potencial se vuelve importante solo para valores de COP muy bajos de menos de 2,5, con una variación relativa de hasta 40% en comparación con el caso con un COP de 4. Además, esta variación de COP trae un efecto relativo significativo en el consumo de la electricidad, especialmente para un COP más bajo, aumentando este consumo en casi tres veces en comparación con el COP igual a 4. Este aspecto debe tenerse en cuenta cuando se implementa un estudio específico del sitio, y usar los precios locales de energía para identificar el coste de esta solución. 2.4.2.2 Fracción del potencial de calor residual dentro de la banda de 100–200ºC Aquí se examina la sensibilidad de los resultados principales en la fracción del calor residual disponible dentro de la banda de temperatura de 100-200ºC. La fracción considerada del 20% corresponde a las diferencias de temperatura típicas en el caso de caloportadores gaseosos. Esta fracción varía en el rango de 10% hasta 40%, para cubrir la mayoría de los caloportadores. La fracción más baja corresponde principalmente a la extracción de calor residual de líquidos, mientras que la más alta proviene principalmente de gases con altas diferencias de temperatura durante la transferencia de calor desde la corriente de residuos a la bomba de calor. La variación de la disponibilidad de calor residual y el consumo de calor cubierto por las bombas de calor industriales en las industrias de la UE se muestra en la figura 15 en función de esta fracción, con un COP constante de 4, destacando la fracción del 20% que corresponde a los resultados presentados previamente. La variación total del consumo de calor cubierto dentro del rango de esta figura es de 15 a 51 TWh/año, muy afectada por la disponibilidad de calor residual dentro de la banda de temperatura de 100–200ºC. Como se esperaba, para una mayor fracción de la disponibilidad de calor residual, el consumo de calor cubierto aumenta. Incluso para el caso del 40%, el calor producido cubre completamente el consumo de calor solo en industrias de metales no ferrosos. En las otras ramas, todavía hay un gran margen antes de que su consumo de calor dentro de las dos bandas de temperatura esté completamente cubierto. Figura 15: Calor residual disponible y consumo total de calor cubierto por bombas de calor industriales en industrias de la UE para fracción variable de calor residual dentro de la banda de temperatura de 100–200ºC. (Kosmadakis, 25 June 2019) 23 2.5 Caso de estudio específico El apartado anterior proporcionó el potencial general de las bombas de calor industriales en las industrias de la UE. Aquí, se presenta un ejemplo típico de su uso en una industria, presentando también los costes de energía, con el fin de proporcionar una indicación de su potencial a nivel de sitio también. Una industria típica de papel y pulpa de gran tamaño en Suecia sirve como caso de estudio (Y. Chan, 2016), (M. Papapetrou G. K., 11-13 June, 2018). Esta industria incluye un molino que produce pulpa kraft blanqueada con una capacidad de producción de 250000 t/año, con una intensidad energética de 17136 MJ/t (correspondiente a 4,72 MWh/t), similar al valor promedio de la UE para este sector industrial (G.F. Frate, 2019), con el 84% de esta demanda energética en relación con el calor y el resto de la electricidad. 2.5.1 Estimación de flujos de calor Para la industria de papel y pulpa de este caso, el consumo anual de calor es de 1180 GWh/año, con aproximadamente la mitad dentro del rango de temperatura de 100–200ºC, como se presentó anteriormente. El potencial de calor residual estimado para este tipo de industria es de aproximadamente 87,2 GWh/año en el rango de 100-200ºC (M. Papapetrou G. K., 11-13 June, 2018), basado en una fracción de calor residual del 7,39% estimada para esta rama industrial en Suecia (M. Papapetrou G. K., 2018). El suministro de calor a la bomba de calor industrial es el 20% de este calor residual, equivalente a 17,44 GWh/año, con posibles fuentes de contenido de calor de los gases de escape, de los condensados y del vapor rechazado (baja presión). Con el uso del COP estándar de 4, la producción de calor es de 23,25 GWh/año. Esta cantidad de calor puede cubrir aproximadamente el 2% del consumo de calor de esta industria y aproximadamente el 4% del consumo de calor dentro del rango de 100-200ºC. Este calor se puede utilizar para los procesos de secado, ebullición y blanqueo, lo que representa más del 55% de la demanda de calor en este tipo de industria en el rango de 100- 150ºC, dentro del rango operativo de las bombas de calor. La Tabla 4 resume los flujos de calor de este estudio y el consumo eléctrico necesario. Flujos de calor y equilibrio Cantidad anual (GWh/año) Consumo total de calor Consumo de calor dentro del rango de 100–200ºC Potencial de calor residual dentro del rango de 100–200ºC Suministro de calor a la bomba de calor industrial Producción de calor de bomba de calor Consumo de electricidad de la bomba de calor 1180 590 87,20 17,44 23,25 5,81 Tabla 4: Flujos de calor de la industria típica de papel y pulpa. (Kosmadakis, 25 June 2019) 2.5.2 Rentabilidad de la bomba de calor industrial El ahorro de combustible de este caso corresponde a unos 27 GWh/año con una eficiencia estándar de la caldera del 86%. Y al introducir un precio promedio del gas de 0,03 €/kWh para las industrias de la UE con un consumo moderado de gas (Eurostat, 2018) (excluyendo impuestos reembolsables y gravámenes e IVA), el ahorro anual es de aproximadamente 810000 €/año. El precio medio de la electricidad para las industrias es de aproximadamente 0,07 €/kWh (sin impuestos, gravámenes e IVA) (Eurostat, 2018), lo que da como resultado costes anuales adicionales para la electricidad de la bomba de calor de 406900 €/año. Se selecciona un factor de capacidad del 80%, lo que lleva a la estimación de la capacidad de la bomba de calor igual a aproximadamente 3,3 MWth. Y al introducir el coste específico de la bomba de calor de 500 €/kW (S. Brückner, 2015), se puede calcular un período de recuperación simplificado (PBP) en condiciones estáticas (sin considerar la tasa de descuento), que se muestra en la ecuación: 30 (Arpagaus, 2018) Figura 19: HTHP comerciales: ciclos, COP e imágenes. 31 3.2 Fluidos de trabajo 3.2.1 Propiedades de selección La selección del refrigerante es un elemento clave en el diseño de HTHPs. La tabla 6 resume los criterios de evaluación más esenciales para la aplicación en HTHP, que se agrupan en las categorías de idoneidad térmica, compatibilidad ambiental, seguridad, eficiencia, disponibilidad y otros factores. Categoría Propiedades requeridas Idoneidad térmica  Alta temperatura crítica (>150ºC) permitiendo ciclos de bombas subcríticos  Baja presión crítica (<30 bar)  Presión en punto muerto > 1 atm  Relación de baja presión Compatibilidad ambiental  ODP = 0  GWP < 10 Seguridad  No toxicidad  Sin o poca inflamabilidad Eficiencia  Alta eficiencia (COP) para grandes saltos de temperatura  Sobrecalentamiento mínimo para evitar la compresión de líquidos  Alta capacidad de calentamiento volumétrico (VHC) Disponibilidad  Disponible en el mercado  Precio bajo Otros factores  Solubilidad satisfactoria en aceite  Estabilidad térmica de la mezcla de refrigerante y aceite  Propiedades lubricantes a altas temperaturas  Compatibilidad de materiales con aluminio, acero y cobre Tabla 6: Criterios de selección de refrigerantes para aplicación en HTHP. (R R. , 17/2015), (S K. , 2009), (Reißner F G. B., October 15-16, 2013), (Helminger F, 10-12 Februar, 2016), (Eisa MAR), (S G. ), (M B. ), (R J. , October 15-16, 2013) La tabla 7 compara las propiedades de una selección de fluidos de trabajo para la aplicación HTHP. Se enumeran la composición química, la presión crítica y temperatura, el potencial de agotamiento del ozono (ODP), el potencial de calentamiento global (GWP), el punto de ebullición normal (NBP), la clasificación del grupo de seguridad, el peso molecular y el precio actual relativo al CO2. 32 Tabla 7: Propiedades comparativas de refrigerantes para aplicación HTHP. (UNEP, 2017), (Myhre G, 2013), (EU, 2014), (378-1, 2016), (ASHRAE, 2016), (SOLKATHERM, 2016), (Lewandowski WM, 2010), (Honeywell, Solstice refrigerants roadmap: The future of refrigerants. Brochure FPR-004-2016-09-EN, 2016), (Chemicals, 2017), (3M, 9/09.2009), (Fukuda S, 2013), (JR, 14-17 May, 2017), (Honeywell, Honeywell Solstice 1233zd(e) Technical Brochure, 2013), (Honeywell, Honeywell Solstice 1233zd(e), Technical information, 2013) Los fluidos se clasifican por tipo y temperatura crítica. Las casillas en gris son los refrigerantes que tienen un PCA superior a 150, un ODP distinto de cero (excepto R1233zd (E) y R1224yd (Z)), un factor crítico de temperatura inferior a 150ºC o pertenecen al grupo de seguridad A3. El límite superior de temperatura de los ciclos subcríticos de la bomba de calor es determinado por la temperatura crítica del refrigerante. La temperatura debe mantenerse en un intervalo de 10 a 15K desde la condensación deseada para garantizar la operación de una bomba de calor subcrítica. Cuanto más cerca esté la temperatura de condensación del punto crítico, menor es la entalpía de condensación y el COP (Reißner F G. B., October 15-16, 2013), (F R. , 2015), (Fukuda S, 2013), (K K. , Zero-ODP, low GWP working fluids for high tempeature heating from low temperature heat: DR-14, DR-12 and DR-2, 2015), (K K. , Low GWP working fluid for high temperature heat pumps: DR-2, chemical stability at high temperatures, October 15, 2013), (Duclos J, September 17-19, 2014), (K K. , Zero-ODP, low-GWP, non-flammable working fluids for high temperature heat pumps, 1 July, 2014), (JR, 14-17 May, 2017), (Kondou C, 2014). También se aplica a ciclos de bombas de calor transcríticas o supercríticas, por ejemplo con R744 (IEA A. 3., 2014), (C, 8 October, 2013), (Mayekawa, 2010), (GmbH, 2017), (Thermea, October 9-11,2012). En estos procesos, la temperatura de sumidero es sensible y se requiere una gran temperatura de deslizamiento que es apta para calentar agua caliente. La resistencia de los materiales se mide en función del nivel de presión del sistema de la bomba de calor. La mayor presión debe ser mantenida por debajo de un valor práctico de 25 bares (K K. , Zero-ODP, low-GWP, non-flammable working fluids for high temperature heat pumps, 1 July, 2014), (Kleefkens O, 12-16 May, 2014), aunque los compresores con R32 y R410A puedan soportar hasta 50 bares. La presión más baja no debe estar por debajo de una atmósfera para evitar la entrada del gas (R N. , 16-18 November, 2016), (Helminger F, 10-12 Februar, 2016). La potencia del compresor y la relación de presión deben ser lo más bajas posible. La estabilidad térmica de la mezcla de refrigerante y aceite limita la temperatura de descarga por compresión. Un aceite de refrigeración debidamente seleccionado garantiza la estanqueidad, la lubricación y la estabilidad frente a la temperatura. Con la tecnología actual, la temperatura final de compresión (por ejemplo en una cabeza de pistón) no debe exceder aproximadamente de 150ºC (K B. , 2004). Una temperatura de descarga 33 elevada del compresor podría plantear desafíos en la gestión del calor del compresor y en la selección de lubricantes y materiales poliméricos de construcción de equipos. También puede conducir a una pérdida de lubricidad y estanqueidad del aceite hasta la descomposición química y su coquización (S K. , 2009). Además, los fluidos de trabajo deben ser químicamente compatibles (sin degradación) con materiales metálicos como aluminio, acero y cobre, así como con polímeros (K K. , Zero-ODP, low GWP working fluids for high tempeature heating from low temperature heat: DR-14, DR-12 and DR-2, 2015), (K K. , Low GWP working fluid for high temperature heat pumps: DR-2, chemical stability at high temperatures, October 15, 2013), (K K. , HFO-1336mzz-Z as low GWP working fluid for transcritical rankine power cycles, 2014). Por razones de seguridad, se debe evitar la inflamabilidad y la toxicidad o intentar que sean lo más bajas posibles. Las normas internacionales de seguridad (por ejemplo EN 378) regulan el uso de sistemas de las bombas de calor llenas de fluidos de trabajo inflamables. El límite de carga permitido depende de varios aspectos, como el tipo de ubicación, el tipo de presencia de la persona y el volumen de la habitación. Según el Reglamento (CE) 1272/2008, un fluido es denominado como tóxico si exhibe al menos uno de las siguientes clasificaciones de peligro para la salud: irritación de pies u ojos, toxicidad aguda, carcinogenicidad, mutagenicidad en células germinales o peligro de aspiración. Los refrigerantes con menor inflamabilidad y sin inflamabilidad, es decir A1 o A2, reducen la complejidad de los dispositivos de seguridad y, por lo tanto, los costes. La figura 20 clasifica los refrigerantes más prometedores según su inflamabilidad y toxicidad en los grupos de seguridad DIN EN 378-1 (378-1, 2016) y ASHRAE (ASHRAE, 2016). Figura 20: Clasificación del grupo de seguridad, según DIN EN 378-1 y ASHRAE, A: menor toxicidad, B: mayor toxicidad, 1: sin propagación de llama, 2: menor inflamabilidad y 3: mayor inflamabilidad. (378-1, 2016), (ASHRAE, 2016) El refrigerante debe ser seguro para el medio ambiente. Las sustancias que agotan el ozono (SDO) como los clorofluorocarbonos (CFC) e hidroclorofluorocarbonos (HCFC) se han utilizado en bombas de calor como fluidos de trabajo en el pasado pero se están eliminando gradualmente de la producción bajo el Protocolo de Montreal (UNEP, 2017) a escala mundial. El Reglamento de los Estados Unidos (CE) 1005/2009 prohíbe el uso de SAO. Los hidrofluorocarbonos (HFC) fueron designados como gases de efecto invernadero bajo el Protocolo de Kyoto (UN, 1998) y están sujetos a una reducción gradual de producción y consumo en la mayoría de los países desarrollados bajo la enmienda Kigali (UNEP, 2017) al protocolo de Montreal. En Europa, el Reglamento sobre gases fluorados (UE) nº517/2014 (EU, 2014) prevé la reducción gradual de los HFC. Para el año 2022, solo los refrigerantes con un GWP menor de 150 podrán usarse en refrigeradores y congeladores nuevos para uso comercial. En consecuencia, el GWP debe ser lo más bajo posible para el uso a prueba en HTHP en el futuro. Uno de los parámetros termodinámicos más importantes es el COP alcanzable de un fluido de trabajo en un ciclo de bomba de calor. La capacidad calorífica volumétrica (VHC) es importante para el diseño del compresor ya que determina su tamaño y coste, e influye en el COP experimental alcanzable. Otros criterios 34 de decisión para la selección de refrigerantes son su disponibilidad en el mercado y su precio. Por ejemplo, el refrigerante de bajo GWP, R1234yf (precio de venta 120 euros/kg), es actualmente unas 12 veces más caro que R134a (10 euros/kg). R1233zd (E) cuesta aproximadamente 55 euros/kg que es comparable a R245fa (57 euros/kg) o Novec649 (59 euros/kg). 3.2.2 Hidrofluorocarbonos (HFCs) En el pasado, los HTHP industriales utilizaban principalmente el hidrocarburo clorado R114 (Brown JS, 2009), (Longo GA, 2014) ya que permitía alcanzar temperaturas de condensación de hasta 130ºC (Kabelac S, 6/2006), (Zhou GH, 2012). Debido a su alto potencial de cero agotamiento de la capa de ozono (PAO), los CFC fueron reemplazados por hidrocarburos fluorados en la década de 1990. R245fa, R245ca y R365mfc ofrece cero ODP y temperaturas críticas relativamente altas de 154, 174,4 y 186,9ºC a presiones moderadas de 36,4, 39,3 y 32,7 bares (Bobelin D, 2012), (Kosmadakis G, 2008). R365mfc se desarrolló originalmente como agente espumoso para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, su GWP de 804 es bastante alto e inflamable (A2). Para superar la inflamabilidad, R365mfc a veces se mezcla con pefluoropoliéster (PFPE) o R227ea. Solkatherm SES36 (SOLKATHERM, 2016) de Solvay contiene un 35% de PFPE como componente de mezcla. Es un azeótropo con una temperatura crítica de 177,6ºC. Pero el GWP de SES36 es 3,126 (Lewandowski WM, 2010). Dos mezclas zeotrópicas que contienen R365mfc y R227ea han sido también desarrolladas. Tienen temperaturas críticas de 177,1ºC y 181,6ºC y sus GWP son aproximadamente 1,11 (International, 2017). Los nombres comerciales son Solkatherm SES24 (SOLVAY, SOLKATHERM SES24 high temperature working fluid, Product information, 35/127/06.16/007/PDF, 2016) y SES30 (SOLVAY, SOLKATHERM SES30 high temperature working fluid, Product information, 35/128/06.16/007/PDF, 2016). Sin embargo, con respecto a las crecientes restricciones impuestas por el Protocolo de Kioto (UN, 1998) y el reglamento para F-Gas (EU, 2014), R365mfc, R227ea, R245fa y R134a se reducirán gradualmente en un futuro debido a su alto PCA. Esto impulsa a la investigación y a la industria hacia la evaluación de refrigerantes alternativos con menor potencial de calentamiento atmosférico. En la siguiente tabla se han elegido algunos refrigerantes para comprobar la diferencia que tienen entre ellos con respecto a su contenido en cloro, su ODP y su vida media. Se demuestra que los CFC's tienen una vida media atmosférica muy larga lo que les permite conservar su estructura molecular intacta hasta que alcanzan la estratosfera al cabo de 3 a 5 años después de su emisión. Por otro lado, los HCFC's tienen una vida media atmosférica más corta que los CFC's, por lo que su capacidad de destrucción es menor. Sólo una pequeña parte de las moléculas de HCFC's descargadas a la atmósfera alcanzan la estratosfera y contribuyen a la destrucción del ozono de la misma manera que lo hacen los CFC's. Los HCFC's tiene una incidencia 20 veces menor que el R11. Al detectarse las implicaciones de estos productos como modificadores del medio ambiente, se decidió a nivel mundial eliminarlos y sustituirlos por los HFC's ya que son semejantes en seguridad y prestaciones pero no dañan la capa de ozono. Refrigerante Contenido en cloro ODP Vida media estimada R11 (CFC) 77,4% 1 60 años R12 (CFC) 58,6% 0,95 130 años R22 (HCFC) 41% 0,05 15 años R134a (HFC) 0% 0 16 años Tabla 8: Relación de algunos refrigerantes con el contenido en cloro, ODP y vida media estimada. (El rincón del vago) Centrándonos en el mercado español, realizándose un estudio sobre un total de 2707 modelos diferentes de bombas de calor, se obtiene como conclusión principal que prácticamente en su totalidad utilizan R22. Sólo en un caso se ha detectado una bomba de calor que utiliza el R134a. En el sector residencial se detectan 1000 bombas de calor con el refrigerante R22, en el de comercio unas 4000 y en el industrial 500. En total se estima una cantidad de 5500 toneladas de R22 entre los tres sectores. 35 3.2.3 Hidrofluoroolefinas (HFO) Los refrigerantes de hidrofluoroolefina (HFO) se consideran alternativas ecológicas (bajo PCA) para reemplazar a los HFC. R1234yf y R1234ze (E) se tienen en cuenta como sustitutos de R134a (C, 8 October, 2013), (Honeywell, Solstice ze refrigerant (HFO-1234ze), 2014). Las temperaturas y presiones críticas son comparables. Las principales áreas de aplicación son aires acondicionados, refrigeradores y congeladores automotrices. También podrían servir como refrigerantes para una primera etapa de una cascada HTHP de dos etapas. También se ha demostrado en varios estudios que R1336mzz (Z) y R1234ze (Z) son reemplazos atractivos para el refrigerante R245fa el cual era bueno hasta ahora pero su alto PCA de 1030 hizo necesario examinar alternativas (IEA A. 3., 2014), (K K. , Zero-ODP, low GWP working fluids for high tempeature heating from low temperature heat: DR-14, DR-12 and DR-2, 2015), (K K. , Low GWP working fluid for high temperature heat pumps: DR-2, chemical stability at high temperatures, October 15, 2013), (K K. , Zero-ODP, low-GWP, non-flammable working fluids for high temperature heat pumps, 1 July, 2014), (Myhre G, 2013), (Brown JS, 2009), (Longo GA, 2014), (K K. , HFO-1336mzz-Z as low GWP working fluid for transcritical rankine power cycles, 2014), (Moles F, 2014), (Loh G, October 11, 2010). Una de las ventajas de R1336mmz (Z) es que presenta una temperatura crítica alta de 171,3ºC a una presión bastante baja de 29 bares. Además, es de clase de seguridad A, tiene un PCA de 2, cero ODP y un valor de vida atmosférica de 22 días. Chemours está a punto de comercializar R1336mzz (Z) (anteriormente denominado DR-2) bajo la marca Opteon ™ MZ, que puede entregar temperaturas de sumidero superiores a 160ºC. Es estable hasta 250ºC para ciclos orgánicos de Rankine (ORC), aplicaciones de recuperación de calor residual y generación de vapor. Pruebas de laboratorio han demostrado que la compatibilidad del material con respecto al cobre y al acero es similar a los R245fa, que es ampliamente utilizado en aplicaciones de alta temperatura y no muestra problemas en los materiales. El fluido permaneció transparente y las superficies metálicas limpias. Ahí solo se producen interacciones leves entre R1336mzz (Z), plásticos y elastómeros comunes. Como lubricante, se recomienda el POE con alta viscosidad, ya que es completamente miscible en todo el rango de temperaturas y composiciones. La insignificante temperatura de deslizamiento hace que el refrigerante también sea adecuado para grandes temperaturas en bombas con evaporadores inundados. R1336mzz (Z) es líquido a temperatura ambiente (a 1 atm) y tiene un peso molecular de 164,1 g/mol. Su isómero R1336mzz (E) es un fluido de trabajo novedoso, no inflamable con un GWP de 18 y una temperatura crítica de 137,7ºC. Tiene ODP cero y un perfil de toxicidad favorable basado en las pruebas realizadas hasta la fecha. Eso podría usarse en plataformas de tecnología HTHP y ORC para recuperar calor de varias fuentes. El VHC es comparable a R245fa y aproximadamente 54% más alto que para R1336mzz (Z) a 130ºC de temperatura de condensación y un salto de temperatura de 50K. Hay poca información disponible sobre el isómero R1234ze (Z). Su temperatura crítica son 150ºC y su presión 35,3 bares, lo que permite operaciones del ciclo subcrítico a altas temperaturas. La inflamabilidad se clasifica con A2L. Las propiedades termodinámicas parecen prometedoras. Su GWP es menor que 1. R1234ze (Z) se evalúa como sustituto directo de R114 en aplicaciones HTHP y como una alternativa a R245fa. 3.2.4 Hidroclorofluoroolefinas (HCFO) El hidroclorofluoroolefinas R1233zd (E) cuya temperatura y presión criticas son 165,5ºC y 35,7 bares y correspondiente a la clase de seguridad A1, está disponible en Honeywell bajo la marca Solstice®ze que se recomienda como refrigerante para aplicaciones HTHP (Honeywell, Solstice refrigerants roadmap: The future of refrigerants. Brochure FPR-004-2016-09-EN, 2016), (Honeywell, Honeywell Solstice 1233zd(e), Technical information, 2013). A pesar de que R1233zd (E) contiene cloro, su ODP es extremadamente pequeño debido a la muy corta vida atmosférica de 40,4 días. Por otro lado, los estudios térmicos de cobre y acero mostraron turbidez y decoloración del acero después de 7 días a 250ºC. Además, la presión de vapor a temperatura ambiente es solo 1,079 bares (20ºC). Esto podría conducir a la infiltración de aire en el circuito de la bomba de calor en tiempos de inactividad, incluso aunque se le haya sometido a una prueba de fugas antes de su puesta en marcha. En Octubre de 2017, el fabricante japonés de refrigerante AGC Asahi Glass ha obtenido la certificación ASHRAE por su nuevo refrigerante R1224yd (Z) (Chemicals, 2017) con bajo PCA. Es un A1 no inflamable diseñado principalmente para su uso en enfriadores centrífugos y bombas de calor de recuperación de calor 36 residual. AGC comercializó el refrigerante como Amolea® 1224yd con producción comercial a principios de 2018. Con un ODP casi cero (vida atmosférica de 21 días) y un valor de GWP inferior a 1, R1244yd (Z) tiene poco impacto en el ambiente. Se dice que sus propiedades físicas son muy cercanas a R245fa y R1233zd (E). Además, también tiene buena compatibilidad con los metales, plásticos y elastómeros más utilizados, y es miscible con aceites sintéticos como los POE. 3.2.5 Refrigerantes naturales e hidrocarburos (HC) Los refrigerantes naturales adecuados para aplicaciones de alta temperatura son R718 (agua), R744 (CO2), R717 (amoniaco) e hidrocarburos. Cuando se usa agua, la mayor parte del ciclo de la bomba de calor está bajo presión atmosférica debido al alto punto de ebullición normal de 100ºC. El calor latente del agua es aproximadamente 15 veces mayor que el de R134a a 50ºC (A P. , 2012). Esta propiedad hace que el agua sea muy atractiva para temperaturas superiores a 150ºC (S D. , 1995). Sin embargo, debido a la poca densidad del vapor de agua, el volumen barrido requerido y la relación de presión son muy altos. Por ejemplo, para aumentar la temperatura del agua de 50ºC (0,1 bar) a vapor a 150ºC (5 bares), la relación de presión es 50. Para mantener la temperatura de descarga a un nivel tolerable se requieren varias etapas de compresión con enfriamiento intermedio. Por lo general, los sistemas de recompresión de vapor de agua funcionan con compresores grandes o turbocompresores sin aceite de alta velocidad con alto caudal y baja relación de presión para compensar por la baja densidad del vapor de agua. Las bombas de calor de CO2 son comunes en tamaños más pequeños. Estas también se han comercializado en el rango más amplio. A pesar de la baja temperatura crítica de 31ºC y la alta presión crítica de las bombas de calor de CO2 de 73,6 bares también son capaces de alcanzar temperaturas de 90ºC a 120ºC en ciclos transcríticos. R744 es factible como un fluido HTHP si la temperatura de entrada del sumidero no está muy por encima de la temperatura crítica. El deslizamiento de alta temperatura transcrítica en el refrigerador de gas hace que R744 sea un refrigerante particularmente adecuado para el calentamiento de ACS y otros procesos con grandes diferencias de temperatura de sumidero. El amoníaco se usa ampliamente en bombas de calor industriales de hasta 90ºC de temperatura de sumidero. Su alto VHC es beneficioso en comparación con otros refrigerantes. Para temperaturas más altas, la tecnología del compresor existente es limitada debido a la alta descarga de presiones. Con una construcción especial de acero fundido, los compresores NH3 pueden soportar presiones de hasta 76 bares y 110ºC (EMERSON, VILTER - single screw ammonia heat pumps, Brochure OTH002-EN-1009, 2010). Sin embargo, se deben implementar ciertas precauciones de seguridad debido a la toxicidad del amoníaco (B2L). Los hidrocarburos n-butano (R600) y pentano (R601) son refrigerantes sin ODP y muy bajo GWP. Son relativamente baratos (18 y 49 CHF por kg) y tienen altas temperaturas críticas de 152ºC y 196,6ºC a 38 y 33,7 bares, respectivamente. R600 es considerado como un medio adecuado en HTHP con temperaturas de licuefacción de hasta 120ºC. Estas temperaturas se pueden lograr en compresores estándar (IEA, Industrial heat pumps. Newsletter 2012;30(1):1-46, 2012), (Kleefkens O, 12-16 May, 2014). Por otro lado, debido a la alta inflamabilidad (A3), se deben implementar medidas especiales de seguridad y HC, por lo tanto, se recomiendan para sistemas pequeños con volúmenes de carga. Según la norma EN 378 (378-1, 2016), la capacidad máxima de HC para equipos de laboratorio está limitada a 150 g, para sistemas comerciales supervisados con la explosión correspondiente con protección hasta 2,5 kg. 3.2.6 Novec 649 3M ™ Novec ™ 649 (3M, 9/09.2009) es otro refrigerante con propiedades termodinámicas para su uso en HTHP. Ha sido diseñado como reemplazo para compuestos con alto ODP y GWP, como hexafluoruro de azufre (SF6) y HFC como R134a y R245fa. El fluido tiene una temperatura crítica bastante alta de 168,6ºC y una masa molar de 316 g/mol. Es un fluido de transferencia de calor efectivo usado para aplicaciones de refrigeración electrónica. 3.2.7 Propiedades termodinámicas La figura 21 compara las propiedades termodinámicas de los refrigerantes R365mfc, R245fa, SES36, R1234ze (Z), R1233zd (E), R1336mzz (Z), R1224yd (Z), R600, R601 y Novec649 que tienen una temperatura crítica superior a 150ºC y son adecuados para HTHP. La figura 21 (a) muestra las curvas de presión de vapor de los refrigerantes. A 130ºC, las presiones de vapor de R1234ze (Z), R245fa y R600 están a unos 25 bares. R1336mzz (Z) es aproximadamente equivalente a R365mfc, SES36 y R601 cuya presión es alrededor de 12 37 bares. Las presiones R1224yd (Z) y R1233zd (E) están en el medio, unos 20 bares, y Novec649 a unos 10 bares. Generalmente, a presiones de vapor más bajas se permiten temperaturas de condensación más altas sin exceder los límites de operación de compresores centrífugos grandes comúnmente disponibles (K K. , Zero- ODP, low GWP working fluids for high tempeature heating from low temperature heat: DR-14, DR-12 and DR-2, 2015). La figura 21 (b) muestra el diagrama p-h y la (c) los diagramas T-s para estos fluidos. Son curvas características de vapor saturado con una pendiente positiva (dT/ds>0) (F R. , 2015), (Moisi H R. R., Erforderliche Sauggasüberhitzung bei einer R600 Hochtemperaturwärmepumpe e Nutzung der Motorabwärme, 16-18 November 2016), (Moisi H R. R., Refrigerant selection and cycle development for a high temperature vapor compression heat pump, May 14-17, 2017), (K K. , Zero-ODP, low GWP working fluids for high tempeature heating from low temperature heat: DR-14, DR-12 and DR-2, 2015), (Kosmadakis G, 2008), (Biederman BP), (Yoo JW, May 14-17, 2017). Las regiones bifásicas de los fluidos se inclinan significativamente hacia la derecha, que puede reconocerse a partir de las formas de los gráficos p-h y T-s. Como resultado, se necesita un control especial de sobrecalentamiento para evitar la humedad y los daños en el compresor. Es necesario un sobrecalentamiento suficientemente elevado para garantizar una compresión en seco con un alto salto de temperatura. Figura 21: Comparación de las curvas p-T (a), p-h (b) y T-s (c) de fluidos de trabajo seleccionados para HTHP. Los valores de entalpía y entropía se refieren a 200 kJ/kg y 1 kJ/kgK para líquido saturado a 0ºC (273,15 K). (Arpagaus, 2018) El sobrecalentamiento mínimo depende del refrigerante, de las temperaturas de condensación y evaporación, y de la eficiencia del compresor isentrópico. Este puede variar entre 0 y 35K. Para R600, se encuentra en el rango de 5K (a 0ºC de evaporación y 50ºC de temperatura de condensación) a 18K (0ºC/125ºC). Al menos 14K son necesarios para un sobrecalentamiento mínimo que evite la curva de saturación durante la compresión a 40ºC de evaporación y 125ºC de temperatura de condensación basada en compresión isentrópica. R1233zd (E) y R245fa requieren menos de 10K para sobrecalentamiento mínimo, que es posible lograr en un evaporador de un ciclo de bomba de calor simple. En contraste, fluidos como R1336mzz (Z) requieren más de 11K de sobrecalentamiento (para un salto de temperatura de 40K). Un concepto simple para la realización del sobrecalentamiento requerido es el uso de un IHX (Internal Heat Exchanger), que simultáneamente calienta el gas de succión y subenfría el líquido después de la condensación. Además, un ciclo de una sola etapa con IHX es más favorable tanto en complejidad del ciclo como en la eficiencia del mismo. En la figura se muestra el diseño de este tipo de ciclo. 38 Figura 22: Un ciclo típico de bomba de calor de alta temperatura con intercambiador de calor interno (IHX). 3.3 Proyectos experimentales de bombas de calor de alta temperatura Históricamente, la tendencia de las publicaciones sigue el nivel de los precios de la energía, especialmente el precio del petróleo (BP, 2017). La figura 23 ilustra el número de publicaciones en el SCOPUS y la base de datos en línea de Web of Science. El shock del precio del petróleo en la década de 1970 llevó un auge en la investigación energética conllevando a un gran interés en el desarrollo de bombas de calor estableciéndose así grupos de investigación en este campo. El número de publicaciones científicas alcanzaron un pico a principios de la década 1980. Como ejemplo, en 1982, la promoción de la investigación sobre bombas de calor alcanzó también un máximo histórico en Alemania (Wolf S F. U., 2014). Con la disminución de los precios de la energía, en las décadas 1980 y 1990, las bombas de calor estaban algo desenfocadas, especialmente HTHPs. Desde 2007 ha habido de nuevo un aumento en publicaciones debido al apoyo de actividades sobre energías renovables y cambio climático. La investigación de hoy sobre HTHP ha cambiado más hacia aplicaciones industriales y de gran escala. Entre 2008 y 2016, en promedio, se han publicado alrededor de 12 documentos sobre HTHP publicado anualmente. En la figura 24 se expone un gráfico de las publicaciones de las HTHP en los últimos años y como se puede observar, en los años 2017 y 2018 ha habido un importante crecimiento de las mismas, en concreto, se han superado las 25 publicaciones en 2018, llegando incluso a 30 en el caso de SCOPUS. Figura 23: Número de publicaciones de bombas de calor de alta temperatura en las bases de datos en línea SCOPUS (www.scopus.com) y Web of Science (www.webofknowledge.com). 39 Figura 24: Número de publicaciones de bombas de calor de alta temperatura en las bases de datos SCOPUS y Web of Science más actualizada. Hay varios proyectos de investigación en curso en todo el mundo en el campo de HTHP con temperaturas de sumidero superiores a 100ºC. La tabla 9 da una visión general de la investigación de proyectos experimentales más relevantes ordenados según las temperaturas máximas de sumidero alcanzadas siendo su última actualización en 2018. Se muestran los ciclos correspondientes de la bomba de calor y el COP alcanzado para un aumento de temperatura dado. A continuación, los principales resultados de estos proyectos de investigación serán discutidos en breve. Helminger (Helminger F, 10-12 Februar, 2016) del Instituto de Tecnología de Austria (AIT) investigó un ciclo HTHP de una sola etapa con IHX usando R1336mzz (Z). Se midió un COP de 2,7 con una temperatura de la fuente de 109ºC y la de sumidero de 1560ºC. Como se dijo, el uso de un IHX en el ciclo aumentó significativamente el COP en un 4% hasta un 47% en comparación con un circuito simple con saltos de temperatura de 45K (datos en la tabla 10). Tabla 9: Proyectos de investigación de HTHPs ordenados por la temperatura de sumidero. Se brinda más información sobre la organización, los socios del proyecto, el ciclo de la bomba de calor, el tipo de compresor, el refrigerante y la capacidad de calentamiento. (Arpagaus, 2018) En estudios anteriores con un ciclo simple de una sola etapa, Freckl (Fleckl T W. V., 31 August 2015), (Fleckl T H. M., October 20-21, 2015) logró un COP de 2,4 a una temperatura de sumidero de 150ºC. Se pudo alcanzar un COP de 4,3 y 5,8 con un salto de temperatura de 35K y de 2,1 y 2,5 a 70K (Fleckl T H. M., 46 Los resultados de vanguardia de las HTHP disponibles en el mercado son mostrados como área sombreada en la figura 29. Se puede observar que en varias investigaciones los proyectos llevan las temperaturas de sumidero a niveles más altos en comparación con el calor comercial disponible en bombas de calor. Se dedican más esfuerzos de I + D para aumentar el nivel de preparación tecnológica y la eficiencia de las HTHP. Se han realizado numerosos estudios teóricos para evaluar la eficiencia de un ciclo de bomba de calor simple de una etapa con varios refrigerantes con saltos de temperaturas de 30 a 80K, sobrecalentamiento de 3 a 20K, subenfriamiento de 5 a 60K y compresor de eficiencia isentrópica de 0,7 a 1 (Bobelin D, 2012), (Reißner F G. B., October 15-16, 2013), (F R. , 2015), (Fukuda S, 2013), (K K. , Zero-ODP, low GWP working fluids for high tempeature heating from low temperature heat: DR-14, DR-12 and DR-2, 2015), (K K. , Low GWP working fluid for high temperature heat pumps: DR-2, chemical stability at high temperatures, October 15, 2013), (KA, May 12-16, 2014), (Duclos J, September 17-19, 2014), (Kondou C, 2014), (JR, 14-17 May, 2017), (KA, May 12-16, 2014). La tabla 11 resume estos estudios teóricos y los datos se ordenan por saltos de temperatura de la bomba de calor. También se muestra el ancho de banda respectivo de las temperaturas de condensación y los COP calculados. Por ejemplo, Kondou y Koyama (Kondou C, 2014) revelaron un COP notable de 5,3 con R1233zd (E) y un salto de temperatura de 80K (70ºC/150ºC), similar a la de R245fa, debido a la gran cantidad de subenfriamiento. Tabla 10: Comparación del COP de un ciclo de bomba de calor de una etapa con diferentes refrigerantes a diferentes saltos de temperaturas ∆𝑇𝑙𝑖𝑓𝑡 (30 a 80 K) suponiéndose sobrecalentamiento ∆𝑇𝑆𝐻 (3 a 20K), subenfriamiento ∆𝑇𝑆𝐶 (5 a 60 K), y eficiencia isentrópica del compresor ηis (0,7 a 1). (Arpagaus, 2018) 3.3.1 Ciclos y COP de HTHP La mayoría de los circuitos son de una etapa y difieren especialmente en el refrigerante aplicado y tipo de compresor. En la tabla 12 se muestran los diagramas de ciclo junto con el COP de los diversos HTHP en el mercado que se describieron en el apartado de fabricantes en la Tabla 5. Los ciclos de dos etapas son aplicados por Friotherm (AG, 2005), (L., 22 Juni 2016), Mitsubishi (IEA A. 3., 2014), (C, 8 October, 2013), (ETW, 2016) y Ochsner (K O. , 2015), (F Z. , 22 Juni 2016), (Ochsner, Wärmepumpen für grosse Leistungen, Broschüre ET04 P 03/2017, 2017), (Ochsner, Wärmepumpen für grosse Leistungen, Broschüre ET04 P 03/2017, 2017), (Rieberer R, May 12, 2014). Friotherm optimizó el circuito R1234ze (E) de la bomba de calor de dos etapas del Unitop con economizador de flash abierto. Un COP de 3,5 se midió experimentalmente en un punto operativo de 33,8ºC de fuente y 95ºC (L., 22 Juni 2016) de temperatura de sumidero. La cascada de dos etapas de Ochsner usa R134a en la primera etapa y OK01 (contiene R245fa) en la segunda etapa. En el punto de operación, 45ºC de fuente y 90ºC de sumidero, se logra un COP de 4 aproximadamente (K O. , 2015), (Ochsner, Hochtempertur-Industriewärmepumpen - Vorlauftemperaturen bis 100ºC., 2012). Varios compresores de pistón conectados en paralelo son utilizados por Viessmann (Viessmann, 2016), (B, 2015) y Dürr thermea (IEA A. 3., 2014), (GmbH, 2017), (Thermea, October 9-11,2012) para lograr mayores capacidades caloríficas. Los intercambiadores de calor internos instalados (IHX), por ejemplo por Viessmann, 47 Mayekawa (IEA A. 3., 2014), (C, 8 October, 2013), (Mayekawa, 2010), Ochsner y Vikingo (Nilsson M, May 14-17, 2017), (HeatBooster, 2017), aseguran sobrecalentamiento suficiente del fluido de trabajo en la línea de succión aguas arriba del compresor. Se reportan aumentos de eficiencia de 10 a 25% para CO2 en ciclos transcríticos (R R. , 17/2015). Mayekawa y Dürr thermea dependen del refrigerante natural CO2. Debido al ciclo transcrítico y al deslizamiento de alta temperatura presente en el refrigerador de gas con una mínima diferencia de temperatura entre el refrigerante y el suministro de fluido, las bombas de calor de CO2 son particularmente eficientes para la generación de agua caliente. Friotherm y Viessmann aplican el refrigerante de bajo GWP R1234ze (E), que se considera como un posible refrigerante de reemplazo para R134a. Mitsubishi Heavy Industries optimizó el ciclo R134a de la bomba de calor de agua caliente ETW-L compacta con economizador cerrado y turbocompresor de dos etapas con inyección intermedia. Se puede generar agua caliente de hasta 90ºC a partir del calor residual de aproximadamente 10 a 50ºC (ETW, 2016). La potencia calorífica es de 547 kW a una fuente de 50ºC y una temperatura de sumidero de 90ºC, lo que resulta en un COP de 4,1. El ETW-L está controlado por la posición de la cuchilla de la primera etapa del compresor, la velocidad del motor y un bypass de gas caliente. La figura 30 muestra los valores de COP que se dan en la tabla 12 en la siguiente página para las diversas bombas de calor industriales en función del aumento de temperatura respectivo. Los valores de COP varían entre 1,6 y 5,8 con un aumento de temperatura de 130 a 25K, respectivamente. El COP medio de esta composición de datos es 3,3 a un salto de temperatura promedia de 61K. También se trazan las curvas COP Carnot a 140ºC de temperatura de sumidero. El rango de datos más experimental de eficiencia de Carnot es entre 40 y 60%. Los ciclos transcríticos de CO2 (Mayekawa Eco Sirocco, Thermeco2) no se muestran en la figura ya que las eficiencias dependen principalmente de temperaturas de retorno en el refrigerador de gas. Figura 30: COP de varios HTHP industriales en función del aumento de temperatura. (IEA A. 3., 2014), (C, 8 October, 2013), (Y, October 15, 2012), (Kaida T, 2015), (Nilsson M, May 14-17, 2017), (HeatBooster, 2017), (M N. , September 9, 2017), (K O. , 2015), (F Z. , 22 Juni 2016), (Ochsner, Maschinendaten 1-stufige Wasser-Wasser Hochsttemperatur Industrie-Wärmepumpen IWWDS ER3c4, 2017) , (Ochsner, Wärmepumpen für grosse Leistungen, Broschüre ET04 P 03/2017, 2017), (SA, 2017), (Jensen JK O. T., 2015), (Jensen JK M. W., 2015), (AG, 2005), (L., 22 Juni 2016), (Wolf S F. U., 2014), (Blesl M, May 20, 2014), (Combitherm, 2017), (EMERSON, Neatpump: The high temperature ammonia heat pump, Brochure DV143-EN-1209, 2012), (Dietrich W, June 13, 2012), (Controls, 2017), (Viessmann, 2016). 48 (Arpagaus, 2018) Tabla 11: COP de calentamiento y ciclos de HTHP industriales disponibles en el mercado (TLT: temperatura de la fuente de calor [ºC], THT: temperatura de sumidero [ºC], ∆𝑇: salto de temperatura [K], tipos de compresores. 49 4 CONCLUSIONES na vez realizado el análisis de las bombas de calor de alta temperatura se ha podido llegar a varias conclusiones las cuales se van a exponer a continuación. En primer lugar relativo al análisis realizado en la introducción, se ha presentado un mapeo de las posibilidades de recuperación de calor residual con el uso de bombas de calor industriales en la Unión Europea, desarrollándose una metodología, utilizando fracciones de consumo de calor apropiadas, para estimar el consumo de calor de cada rama industrial por rango de temperatura en los países de la UE. Esto era necesario para identificar si la producción de calor de las bombas de calor es adecuada para cubrir el consumo y en qué medida. Esta producción se estima de acuerdo con el potencial de calor residual por país, industria y nivel de temperatura y el rendimiento típico de una bomba de calor. Se han utilizado los principales resultados del potencial de calor residual de un trabajo reciente (Kosmadakis, 25 June 2019), con resultados más ajustados en los rangos de temperatura requeridos para la operación de la bomba de calor. También se ha estimado la cantidad de calor que se puede usar para luego hacer coincidir este calor con el consumo de calor en cada rama. Hay oportunidades concretas de recuperación de calor residual en todos los sectores industriales, excepto en las industrias del hierro y el acero, que tiene un potencial cero. El mayor potencial en valores absolutos se observa en las industrias de minerales no metálicos, seguido de las industrias de papel, alimentos y metales no ferrosos. Las industrias químicas y otras muestran un potencial mucho menor. En valores relativos, es posible cubrir el 100% del consumo de calor dentro del rango de temperatura de 100-200ºC solo en industrias de metales no ferrosos. Esta fracción oscila entre 2 y 35% en todas las demás ramas. En total, las bombas de calor industriales pueden cubrir 28,37 TWh/año en las industrias de la UE, una vez que se considera un COP de bomba de calor de 4. Esto corresponde a aproximadamente el 15% del consumo de calor dentro de las dos bandas de temperatura (100–200ºC), y aproximadamente 1,5% del consumo total de calor. El resultado principal se refiere a la estimación del potencial total, mostrando algunas conclusiones claras para la descarbonización del sector de calefacción en las industrias de la UE, y hacia la eliminación de las barreras restantes. Este mapeo se ha llevado a cabo tanto a nivel de sucursal como de país de la UE, presentando muchos datos y resultados que pueden utilizarse para examinar más a fondo las tecnologías y aplicaciones de recuperación de calor en el sector industrial. Aunque las incertidumbres y suposiciones se incluyen en el análisis, y las más críticas se revelan en el análisis de sensibilidad, este estudio proporciona una buena idea del potencial total para el uso del calor residual en la industria, sin considerar ningún uso alternativo del calor residual como suministro de calor de redes de calefacción urbana, uso directo del calor recuperado o suministro de calor a la bomba de calor por calor rechazado de las unidades de refrigeración. Además, se ha presentado un ejemplo de industria papelera con una bomba de calor industrial, con el fin de proporcionar alguna primera evidencia del potencial a nivel de implantación. Sin embargo, es necesario un estudio de viabilidad más detallado a nivel local que considere las restricciones operativas o las variaciones temporales de calor, así como la tecnología de extracción de calor. U A continuación, dejando atrás este estudio, se va a comentar sobre las bombas que están en el mercado: - Las bombas de calor de alta temperatura (HTHP) son eficaces para la recuperación de calor residual a baja temperatura en diversos procesos industriales como secado, esterilización, evaporación, fabricación de papel o preparación de alimentos. - Se han identificado más de 20 HTHP de 13 fabricantes en el mercado. Existe una amplia gama capaz de proporcionar temperaturas de sumidero de al menos 90ºC. Solo unos pocos productos pueden suministrar temperaturas de hasta 120ºC. El equipo con mayor temperatura de sumidero es el HeatBooster de Vicking con 150ºC, seguido de los HTHP de Ochsner con 130ºC. Kobelco SGH120, Mayekawa Eco Sirocco e Hibrid Energy Heat Pump es capaz de alcanzar hasta 120ºC. - Las capacidades caloríficas de los HTHP comerciales van desde aproximadamente 20 kW a 20 MW. - Los valores de COP varían entre 2,4 y 5,8 con un salto de temperatura de 95 a 40K, respectivamente. La mayoría de los datos experimentales trata entre 40 y 60% de eficiencia de la segunda ley (η2nd = COP COPCARNOT). - En general, los conceptos de ciclo de bomba de calor se aplican para una etapa. Las optimizaciones del ciclo se logran mediante la implementación de un intercambiador de calor interno (IHX) entre el gas de succión y el subenfriamiento líquido, compresores paralelos, circuitos economizadores con inyección de vapor intermedia en el compresor, o dos etapas cascadas. - Los principales refrigerantes aplicados en los HTHP comerciales son R245fa, R717, R744, R134a y R1234ze (E). - Los principales inconvenientes son la falta de conocimiento acerca de la tecnología HTHP, la ausencia de refrigerantes disponibles en el rango de alta temperatura con bajo GWP y la alta relación de precio de la electricidad a los combustibles fósiles. Además de las bombas de calor que ya están en el mercado, existen varios proyectos de I + D en curso orientados a mejorar el COP y aumentar la temperatura de producción de calor a niveles más altos en comparación con los resultados de última generación de HTHP disponibles comercialmente. Se han identificado 17 proyectos de investigación experimental con HTHP capaces de alcanzar una temperatura de sumidero de más de 100ºC. Varios estudios experimentales informan sobre dichas temperaturas superiores a 120ºC. La máxima se consiguió con el refrigerante R1336mzz (Z) y fue de 160ºC. Según los análisis que se han realizado: - Los ciclos de bomba de calor aplicados también son principalmente de una sola etapa, o están adicionalmente equipado con un IHX y/o un economizador con inyección intermedia en el compresor. - Las capacidades caloríficas varían de escala de laboratorio en el orden de 10 kW hasta prototipos más grandes con más de 100 kW. - Los compresores de pistón se utilizan principalmente en los sistemas de laboratorio, mientras que los tornillos se aplican en sistemas de prueba más grandes. - A una temperatura de sumidero de 120ºC, se alcanzan COP entre 5,7 a 6,5 (con un salto de temperatura de 30K) y entre 2,2 y 2,8 (con salto de 70K). - Existe una importante investigación para probar nuevos refrigerantes ecológicos con bajo GWP para uso en HTHP. Se están investigando los refrigerantes R1336mzz (Z), R718, R245fa, R1234ze (Z), R600 y R601, así como fluidos sin ninguna otra información publicada sobre la composición química, como LG6, OKO1, ECO3, HT125, BY-4 o BY-5. Como perspectiva, existe una fuerte suposición de que los HTHP con temperaturas de sumidero de 160ºC alcanzarán la madurez del mercado en los próximos años. Varios proyectos de investigación y demostración están en progreso o en la fase de concepto. Las temperaturas más altas de sumidero abrirán nuevas áreas de 51 aplicación, en particular los procesos de secado en las industrias de papel y alimentos. Las futuras actividades de investigación se dirigen principalmente a las siguientes áreas: - Optimización y desarrollo de componentes y sistemas de bombas de calor como por ejemplo, intercambiador de calor y compresor, reducción de pérdidas de calor, selección de lubricantes con el objetivo de resistir a temperaturas más altas. - Incremento de la eficiencia del ciclo, por ejemplo a través de circuitos de etapas múltiples y la combinación con turbocompresores sin aceite. - Escalado de modelos funcionales a escala industrial. - Desarrollo de refrigerantes sintéticos ecológicos con bajo PCA y uso de refrigerantes naturales, como hidrocarburos o agua. Por otro lado, hay nuevas tecnologías prometedoras de bomba de calor cerca del lanzamiento al mercado, como la bomba de calor de rotación k7 de ecop Technologies GmbH con capacidad calorífica de 400 a 700 kW (Adler B, ECOP Rotationaswärmepumpe auf Basis eines Joule Prozesses, Feb. 10-12, 2016), (Adler B, Rotation heat pump (RHP), 14-17 May, 2017) o las bombas de calor industriales SPP HighLify de Olvono Tecnología AS con una potencia calorífica típica de 500 kW (S V. , September 9, 2017), (AS, 2017), (Høeg A, 6-18 November, 2009), (T-M, 14-17 May, 2017). Ambas tecnologías hacen uso de un trabajo medio que permanece en la fase gas durante todo el ciclo y ofrece flexibilidad a altas temperaturas. La bomba de calor SPP HighLift se basa en el ciclo de Stirling utilizando helio (R704) y alcanza una temperatura máxima de 195ºC a alta eficiencia, por ejemplo reciclaje de calor residual a 45ºC y agua caliente de producción a 120ºC con un COP de 2,2 (AS, 2017). La bomba de calor de rotación utiliza fuerzas centrífugas para la compresión y posterior aumento de temperatura que permite realizar un proceso eficiente de Joule (también conocido como ciclo de Brayton) (Adler B, Rotation heat pump (RHP), 14-17 May, 2017). En comparación con un ciclo de transferencia de calor de dos fases, las temperaturas de la fuente y del sumidero son sensibles y el proceso es flexible. Una mezcla de gas inerte natural (ECP Fluid 1, extraído del aire y que contiene argón, helio y criptón) se utiliza como gas de trabajo. Son posibles temperaturas de hasta 150ºC. Los cálculos detallados en la combinación con mediciones produce COP de 5,5 a 60ºC de calor de fuente (deslizamiento de 30K) y temperaturas de sumidero de 100ºC (deslizamiento de 40K) (Adler B, ECOP Rotationaswärmepumpe auf Basis eines Joule Prozesses, Feb. 10-12, 2016), (Adler B, Rotation heat pump (RHP), 14-17 May, 2017). 5 BIBLIOGRAFÍA 378-1, D. E. (2016). 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