El uso de bombas de calor para precalentar sistemas industriales de hidrógeno (H2) podría reducir su necesidad en más de un 20% y disminuir el costo del calor de proceso para la industria pesada en más de un 10%, según una nueva investigación del Reino Unido.
El grupo de investigadores, dirigido por la Universidad de Leeds, afirma que la utilización de bombas de calor para precalentar el hidrógeno a temperaturas muy elevadas podría reducir la demanda de la industria europea en aproximadamente 200 TWh al año, con una reducción de 40 TWh al año sólo en el Reino Unido.
En el estudio “Reducing industrial hydrogen demand through preheating with very high-temperature heat pumps” (Reducción de la demanda industrial de hidrógeno mediante el precalentamiento con bombas de calor de muy alta temperatura), publicado en Applied Energy, los científicos afirman que sus conclusiones se derivan de los recientes avances en el campo del almacenamiento termomecánico de energía, que permiten a las bombas de calor funcionar a temperaturas muy elevadas.
“Las bombas de calor se han considerado normalmente para aplicaciones de baja temperatura en edificios, calefacción urbana e industria, con temperaturas máximas de hasta unos 75-100 ºC”, señala el estudio, que añade que la combinación de bombas de calor con almacenamiento de energía térmica ha permitido a los científicos alcanzar una temperatura de funcionamiento de 500 ºC con argón como fluido de trabajo.
Los investigadores afirman que, aunque por ahora las bombas de calor están lejos de alcanzar la temperatura extrema que requieren muchos procesos térmicos industriales, como los altos hornos, pueden aprovecharse para precalentar el aire de combustión o el hidrógeno. El artículo evaluó el rendimiento del precalentamiento a temperaturas de 300-500 ºC, y descubrió un mayor ahorro de costos en el punto más alto.
“Para una combinación dada de capital invertido en el electrolizador y precio de la electricidad, la relación entre el ahorro relativo de costos y la temperatura es lineal en el intervalo de temperaturas de 300 a 500 ºC”, explican. “Añadir una bomba de calor Joule-Brayton inversa a un sistema de calefacción ecológico basado en hidrógeno supone un ahorro de costos cuando los precios de la electricidad superan las 5 libras esterlinas (6,35 dólares)/MWh. Con precios de la electricidad superiores a 30 libras esterlinas/MWh y costos del electrolizador superiores a 400 libras esterlinas/kW, el ahorro de costos supera el 5% cuando se precalienta a 300 ºC y el 8% cuando se precalienta a 500 ºC”.
Las bombas de calor basadas en el ciclo inverso Joule-Brayton se utilizan habitualmente en aplicaciones a pequeña escala. Suelen aspirar aire ambiente en un compresor y luego transportan el aire comprimido caliente a un intercambiador de calor donde se enfría, entregando así calor a un radiador por el que circula agua o a un sistema de agua caliente. Por último, expande el aire mediante un expansor alternativo hasta alcanzar la presión atmosférica y lo expulsa a la atmósfera.
Los científicos explicaron que el ahorro de costos que garantiza este sistema de bomba de calor es posible en parte por el hecho de que las bombas de calor absorben calor del ambiente y, por tanto, reducen la demanda de electricidad. En la configuración del sistema propuesto, el grupo supuso que la bomba de calor transfiere el calor de una fuente de agua, como el agua de una mina, a una planta industrial. El mayor ahorro de costos está relacionado con el uso de menos combustible, hidrógeno en este caso, que es posible gracias a su precalentamiento.
“Las bombas de calor parecen ser una opción de precalentamiento de menor costo que las calderas eléctricas a precios de la electricidad superiores a unas 25 libras esterlinas/MWh, con un ahorro de costos nivelado sobre la opción de la caldera eléctrica que alcanza aproximadamente el 4% a precios de la electricidad superiores a 130 libras esterlinas/MWh”, explican los académicos. “Sin embargo, la cuestión de si el ahorro derivado del uso de bombas de calor compensa su complejidad añadida requiere más investigación y debe considerarse en función de cada aplicación”.
Según ellos, su trabajo podría ayudar a descarbonizar la economía mundial, ya que el calor de proceso que puede utilizar bombas de calor representa alrededor del 11% de la demanda mundial de energía.
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