Muchos estados han establecido objetivos ambiciosos para reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en un intento por cumplir los objetivos establecidos por el Acuerdo Climático de París. California quiere ser carbono neutral para 2045, Nueva York apunta a un recorte del 100 por ciento de las emisiones de 1990 para 2050, y Florida se ha comprometido a una reducción del 80 por ciento en el mismo período de tiempo.
Pero si vamos a tener alguna oportunidad de alcanzar estos objetivos y evitar algunas de las peores consecuencias del cambio climático, debemos mirar hacia adentro, dentro de nuestros edificios, eso es. Los edificios son la fuente de 40 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU., y más de un tercio de esas emisiones provienen de calefacción, refrigeración y ventilación. Calentar nuestros espacios interiores es responsable de una décima parte de las emisiones anuales. La mayoría de las estructuras actuales usan gas natural, petróleo o propano para mantenerse calientes, creando millones de pequeñas fuentes de contaminación de carbono con un gran impacto acumulativo.
Afortunadamente, ya hay otra opción disponible: bombas de calor. Algunos absorben calor del aire, otros del suelo, y todos son más eficientes y menos contaminantes que su horno de gas torpe.
Cómo funcionan las bombas de calor
No hay nada nuevo sobre la tecnología fundamental de las bombas de calor. Tu refrigerador es una bomba de calor. Absorbe el calor del interior y lo expulsa, es por eso que el compresor en la parte posterior se siente caliente. Incluso a bajas temperaturas, hay calor en el aire, y el ciclo de compresión de vapor que usan los refrigeradores y aires acondicionados esencialmente concentra ese calor y lo aleja. Calienta un espacio para enfriar otro.
Las bombas de calor son básicamente un aire acondicionado reversible. Cuando hace frío en el interior, pueden aspirar el calor de una fuente externa (el aire o el suelo, en el caso de las unidades geotérmicas) y usarlo para calentar el aire o el agua para las bombas de agua caliente en el interior. Cuando hace demasiado calor adentro, pueden mover ese calor afuera.
Las bombas de calor de fuente de aire concentran el calor del aire exterior y lo usan para calentar espacios interiores, y funcionan de manera similar a un acondicionador de aire cuando hace calor adentro. Las bombas de calor geotérmicas, o de fuente subterránea, también tienen termodinámica en su lado para calefacción y refrigeración. De 30 a un par de cientos de pies debajo de la superficie, la Tierra mantiene una temperatura bastante constante durante todo el año. En los EE. UU., Esa temperatura está entre 45 y 75ºF dependiendo de dónde se encuentre, con muchos estados que caen justo en el medio de ese rango. Estas temperaturas son cercanas a las confortables para los humanos, y la bomba de calor puede aprovechar esto para calentar y enfriar con eficiencia energética.
Las bombas geotérmicas usan un circuito de tuberías llenas de líquido, principalmente agua con un poco de anticongelante agregado, para aprovechar las temperaturas ideales del suelo profundo. En los meses fríos, el suelo es cálido en relación con la superficie, por lo que las tuberías trasladan el calor a un edificio, donde el aparato de la bomba de calor, la unidad en el interior que expulsa el aire, puede usarlo para calentar el aire o el agua. En el verano, cuando el suelo es frío en relación con el aire de arriba, el calor se bombea desde un edificio hacia el suelo.
Reducción de facturas de energía y emisiones
La transferencia de calor es inherentemente más eficiente energéticamente que generar calor, por lo que las bombas de calor usan mucha menos energía que un horno convencional. De hecho, todas las bombas de calor son técnicamente más del 100 por ciento eficientes, lo que significa que produce más energía como calor de la que consume para la electricidad. Mientras tanto, incluso un calentador de gas especialmente eficiente solo podría alcanzar 90 por ciento
Debido a que las bombas de calor geotérmicas tienen un gradiente de temperatura favorable, ya que el suelo es cálido en relación con la superficie en invierno y frío en relación con la superficie en verano, pueden ser aún más eficientes que las bombas de fuente de aire. Hannun dice que la eficiencia de las bombas de calor geotérmicas es entre 400 y 500 por ciento, entregando de cuatro a cinco veces más energía térmica que la que está comprando en electricidad. "Es un popote que absorbe calor, y es muy, muy eficiente hacerlo porque el suelo siempre está a 50 ° F, siempre es templado", dice Kathy Hannun, presidenta y cofundadora de Dandelion, una empresa que instala calefacción geotérmica en los hogares. "Es por eso que las bombas de calor geotérmicas son la forma más eficiente de calentar y enfriar".
En un experimento, Jeff Spitler, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Oklahoma que estudia el uso de energía en edificios, descubrió que un sistema geotérmico era más del 60 por ciento más eficiente en calefacción y refrigeración de un edificio comercial que una bomba de calor de fuente de aire. Agrega que se necesita más investigación sobre la eficiencia de los diferentes sistemas de bombas de calor.
La ampliación de las bombas de calor es muy prometedora para frenar las emisiones de calentamiento climático. En un estudio de 2018 preparado para el Consejo de Defensa de los Recursos Naturales, los investigadores estimaron que cambiar a bombas de calor para calentar el espacio y el agua podría reducir las emisiones de los hogares de California a la mitad. Con la gran cantidad de energía utilizada en todo el país para calentar y enfriar hogares, un cambio a nivel nacional también fomentaría grandes reducciones de gases de efecto invernadero. La estrategia de mediados de siglo de los Estados Unidos para la descarbonización profunda, un documento oficial Desde 2016, que establece cómo el país cumpliría con el Acuerdo de París (antes de que la Administración Trump retirara a los EE. UU. del acuerdo), menciona específicamente las bombas de calor como parte de las estrategias para reducir las emisiones de los edificios. "Las bombas de calor geotérmicas utilizan electricidad para proporcionar calefacción, refrigeración y calentamiento de agua a los edificios con mayor eficiencia energética que los sistemas convencionales de aire acondicionado de calefacción y refrigeración", dice Xiaobing Liu, investigador de bombas de calor geotérmicas del Laboratorio Nacional Oak Ridge. "Aunque todavía usamos la electricidad generada en las centrales eléctricas, las bombas de calor geotérmicas aún pueden reducir las emisiones relacionadas con la electricidad debido a su eficiencia".
Las bombas de calor también pueden resolver un problema crítico con los sistemas de servicios eólicos y solares: la variabilidad del suministro de energía causada por los vientos fluctuantes y la luz solar. Liu explica que los sistemas de bombas de calor geotérmicas pueden diseñarse para almacenar energía adicional como calor bajo tierra, ahorrándola para cuando los molinos de viento y los paneles no satisfagan la demanda de energía. "El sistema no solo calentará y enfriará, sino que también puede conectarse con la red", dice. "Por lo tanto, la red no tendrá ese aumento (de la producción de energía variable)".
Disparando el mercado
En este momento, el 10 por ciento de los hogares de EE. UU. Usa bombas de calor, la mayoría de las cuales son fuentes de aire. Las bombas de calor geotérmicas representan específicamente un mísero uno por ciento del mercado de HVAC.
En un estudio de 2017, Liu y sus colegas identificaron las principales barreras para aumentar esa cuota de mercado. Lo más significativo son los altos costos. En un espacio comercial, un sistema geotérmico puede costar $ 20.75 por pie cuadrado de espacio de construcción, y Liu estima que el costo de una casa de tres dormitorios oscila entre $ 9,000 y $ 15,000. Esto se debe a que la perforación de agujeros en el suelo para las tuberías es costosa, al igual que el sistema de tuberías en sí. "Podría ser el doble del costo de un sistema convencional", dice Liu. "Esa es la mayor barrera".
Además, Liu explica que hay un problema de huevo y gallina debido al pequeño mercado de las bombas de origen. Debido a que hay poca inversión, se está haciendo poca investigación sobre cómo mejorar y ampliar la tecnología. Y debido a que el mercado es pequeño, la gente no está invirtiendo en su desarrollo. "Todas las nuevas tecnologías siempre tienen altos costos", dice, y agrega que si bien las bombas de calor geotérmicas no son nuevas, ha habido muy poco desarrollo en la tecnología en los últimos años. "Pero se vuelven más baratos a través de la mejora". Y existen los "costos blandos" de educar a los consumidores y capacitar a los contratistas sobre las bombas de calor.
Si bien el movimiento aún es pequeño, algunas compañías han comenzado a abordar estos problemas. Hunnan, de Dandelion Energy, dice que pueden reducir los costos iniciales al combinar esencialmente lo que antes eran oficios separados (perforación y plomería) en uno. Sin una empresa como Dandelion, un propietario tendría que trabajar con varios contratistas para realizar una instalación. Es similar a cómo la energía solar se volvió más barata después de convertirse en su propio oficio, combinando techos y habilidades de electricista para crear compañías unificadas que podrían proporcionar todo el servicio. Dandelion también ofrece financiamiento, y Hunnan dice que un propietario típico de una casa en Nueva York paga entre $ 135 y $ 140 por mes durante 20 años por una instalación geotérmica, un sistema que dura 25 años. En el noreste, a menudo eso es menos de lo que los propietarios pagan por su combustible para calefacción, por lo que su costo mensual de calefacción disminuye después de la instalación, después de lo cual solo pagan una pequeña cantidad de electricidad para hacer funcionar la bomba de calor.
Las compañías de servicios privados, que ya tienen sistemas subterráneos de gas natural, también pueden desempeñar un papel en la transición a la calefacción y la refrigeración eléctrica. En Massachusetts, estación de radio. WBUR informó recientemente que una organización sin fines de lucro relacionada con el cambio climático, el Equipo de Eficiencia Energética del Hogar, trabajó con una empresa de servicios públicos local para considerar reemplazar las viejas tuberías de gas natural con tuberías geotérmicas. Ahora, la compañía de servicios públicos ha propuesto tres proyectos piloto para probar un "sistema en red", en el que administran las tuberías bajo tierra mientras los propietarios y las empresas poseen su propia bomba de calor en los edificios. Tal sistema podría reducir los costos para los propietarios y facilitarles la conexión a la calefacción y refrigeración geotérmica.
Sin embargo, en la mayoría de los lugares en este momento, todavía es barato y fácil aprovechar el gas natural para calefacción. Por ejemplo, en Nueva York, las empresas de servicios públicos deben conectar las viviendas a menos de 100 pies de las líneas de gas natural sin costo para el propietario. "Si usted es una nueva tecnología, es difícil competir con la gratuita", dice Hunnan. "Tenemos que examinar las políticas vigentes hoy y asegurarnos de incentivar lo que queremos".
Con incentivos y políticas gubernamentales, y más inversión y capacitación de la fuerza laboral, las bombas de calor tienen el potencial de ayudarnos a cumplir con nuestros objetivos de emisiones. Hunnan, por su parte, cree que estamos viendo el comienzo de una revolución. "Fui cofundador de Dandelion hace tres años e incluso en el tiempo que ha existido hemos visto un cambio tremendo", dice ella. "Así que siento que el movimiento está ganando impulso".