Energía
Materiales electrocalóricos: avances y retos para la calefacción y refrigeración
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La demanda energética de calefacción y refrigeración
La sociedad industrial consume grandes cantidades de energía. La calefacción y la refrigeración, incluidos los procesos industriales, representan una parte importante de esa demanda. Según IRENA, la calefacción y la refrigeración suponen aproximadamente la mitad del consumo energético mundial. La cifra abarca más que la climatización de edificios.
Electrificar estos usos y mejorar su eficiencia puede reducir las emisiones, según la fuente de electricidad y la tecnología empleada. El crecimiento previsto de la refrigeración en países cálidos y poblados refuerza esta necesidad.
Fuente: Daikin
Las bombas de calor por compresión de vapor son una tecnología consolidada para proporcionar calefacción y refrigeración eficientes.
La refrigeración electrocalórica es otra vía de investigación, basada en cambios térmicos de ciertos materiales al aplicar o retirar un campo eléctrico.
Cómo funcionan las bombas de calor
Las bombas de calortrasladan calor entre una fuente y un destino, en lugar de obtener todo el calor suministrado mediante combustión o resistencia eléctrica.
Los sistemas de combustión convierten la energía del combustible en calor; los calefactores resistivos convierten electricidad directamente en calor.
Una bomba de calor puede captar calor del exterior y transferirlo al edificio. Los equipos reversibles invierten el ciclo para extraer calor del interior durante la refrigeración.
En condiciones adecuadas, una bomba de calor puede transferir entre 2 y 4 W de potencia térmica por cada W eléctrico consumido. Este coeficiente depende de las temperaturas y del equipo; no significa crear energía.
Fuente: RMI
Las fuentes térmicas más habituales incluyen el aire exterior y el terreno, mediante circuitos enterrados.
Las bombas de calor se utilizan en viviendas y edificios comerciales, así como en procesos industriales donde pueden aprovechar calor residual.
Fuente: Sintef
Bombas de calor electrocalóricas para ir más allá de la compresión
Progresos en la tecnología electrocalórica
Las bombas de calor convencionales emplean refrigerantes y ciclos de compresión y expansión. Algunos hidrofluorocarburos tienen un potencial de calentamiento global elevado si se liberan. El amoníaco, en cambio, no es un refrigerante de alto impacto climático directo, aunque exige precauciones por su toxicidad.
En un material electrocalórico, un cambio del campo eléctrico modifica el orden de sus dipolos y su entropía. En un ciclo adecuado, esto permite calentamiento y enfriamiento y, con un sistema de transferencia térmica, transporte de calor.
Fuente: Fraunhofer IPM
El efecto electrocalórico se estudia desde hace décadas. Los primeros resultados ofrecían cambios de temperatura modestos.
Un avance importante se comunicó en 2006, con un cambio de temperatura de unos 12 °C en una película delgada de titanato-zirconato de plomo.
Más recientemente, un dispositivo desarrollado por investigadores del Luxembourg Institute of Science and Technology, en Belvaux, alcanzó un salto térmico de unos 20,9 K. Este resultado de laboratorio no equivale por sí solo a un sistema comercial terminado.
Prototipo electrocalórico
El equipo utilizó condensadores multicapa de tantalato de escandio y plomo, PST, un material cerámico ferroeléctrico, no un polímero.
Fuente: UPCommons
El prototipo se estudió con campos eléctricos de hasta 10 V/μm y alcanzó una potencia máxima de refrigeración de 4,2 W. El campo eléctrico y la potencia son magnitudes distintas, y los máximos de potencia y salto térmico corresponden a condiciones de operación diferentes.
Fuente: Techspot
Los autores comunicaron mejoras frente a dispositivos electrocalóricos anteriores: un salto térmico aproximadamente un 50 % mayor y una potencia de refrigeración unas 15 veces superior en las comparaciones descritas.
Estas cifras comparan prototipos electrocalóricos concretos; no demuestran superioridad frente a todos los sistemas comerciales de compresión.
Fuente: UPCommons
Fuente: UPCommons
Los ensayos de ciclos repetidos aportaron información sobre estabilidad del material. La duración de un equipo comercial completo requiere evaluación adicional.
Los materiales electrocalóricos podrían permitir dispositivos compactos. Además de sistemas de climatización, se investigan posibles usos en refrigeración de electrónica y baterías.
La eficiencia del sistema depende también de la recuperación de energía eléctrica, la transferencia de calor y los componentes auxiliares. No puede deducirse una ventaja universal sobre las bombas de calor convencionales.
Mejoras adicionales
La investigación publicada en la revista Science describe un prototipo y varias posibles mejoras.
El dispositivo emplea un fluido dieléctrico para evitar cortocircuitos. Sus propiedades de transferencia térmica pueden ser menos favorables que las del agua.
Desarrollar condensadores multicapa adecuadamente aislados del agua podría mejorar la transferencia de calor y la capacidad de refrigeración.
Aumentar el número y la densidad de condensadores es otra opción, con sus correspondientes necesidades de fabricación y control térmico.
Los módulos más delgados y planos también podrían ayudar. Los campos más intensos deben evaluarse frente al riesgo de ruptura dieléctrica y otros límites del material.
Empresas avanzadas de bombas de calor
En el contexto de 2024, la tecnología descrita se encontraba principalmente en investigación y desarrollo. El prototipo no era una bomba de calor doméstica disponible de forma generalizada.
La comercialización requiere demostrar fiabilidad, costes competitivos y fabricación reproducible. Los resultados de laboratorio no garantizan licencias ni ventas futuras.
Los fabricantes de climatización podrían tener conocimientos útiles para desarrollar estos sistemas, aunque aquí no se demuestra que las empresas siguientes hayan adoptado esta tecnología.
El paso a equipos comerciales y redes de distribución puede requerir capital considerable, pero el tamaño de una empresa no garantiza su éxito.
1. Carrier Global
CARR Gráfico de precios
Carrier desarrolla equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado para edificios comerciales y residenciales, además de actividades históricas en cadena de fríoy protección contra incendios y seguridad. La descripción refleja la estructura histórica del grupo, que ha cambiado mediante adquisiciones y desinversiones. Las bombas de calor forman parte de su oferta de climatización.
La climatización representaba una parte importante de sus ventas, con una presencia destacada en América.
Fuente: Carrier Global
La empresa comunicaba una amplia base instalada de equipos comerciales, residenciales y de refrigeración. Las cifras de categorías históricas no deben confundirse con ventas anuales ni con la estructura actual.
Carrier ha anunciado objetivos de reducción de emisiones para 2030, sujetos a sus respectivos alcances y métodos de cálculo.
La refrigeración electrocalórica podría reducir la necesidad de ciertos refrigerantes. El impacto total seguiría dependiendo de la electricidad, los materiales y la fabricación; no se limita a dos fuentes ni implica que la electricidad sea automáticamente renovable.
Fuente: Carrier Global
2. Daikin Industries
Daikin es una empresa japonesa fundada en 1924 y uno de los grandes fabricantes mundiales de aire acondicionado.
Cuenta con una larga trayectoria en bombas de calor y anunció en 2008 una alianza con Gree Electric Appliance, importante fabricante chino de climatización.
Daikin tiene una presencia amplia en América, Europa y Asia. El fuerte crecimiento de sus ventas en la India citado en la documentación de 2023 corresponde al período 2009–2022.
Fuente: Daikin
El refrigerante R32 tiene menor potencial de calentamiento global que R410A, pero no que todos los refrigerantes alternativos. Su uso también exige medidas de seguridad.
La aparición de tecnologías nuevas puede cambiar la competencia, aunque un prototipo electrocalórico no demuestra una amenaza comercial inmediata para Daikin.
Fuente: Daikin
La empresa también ha invertido en investigación sobre climatización, por ejemplo en su centro tecnológicoinaugurado en 2015 con una inversión anunciada de unos 300 millones de dólares. Esta capacidad puede ser relevante para el desarrollo de nuevos sistemas, sin garantizar su adopción.
Daikin ha ampliado el acceso gratuito a determinadas patentes relacionadas con equipos que usan R32. Las medidas no equivalen a liberar todas las patentes del grupo en cualquier área.
3. NIBE Group
NIBE ofrece otra vía para estudiar empresas vinculadas a calefacción eficiente, aunque también desarrolla otras tecnologías y actividades.
El grupo sueco fabrica bombas de calory también estufas de leña . La combustión de madera emite CO₂ y no es automáticamente neutra en carbono; el balance depende del origen de la biomasa y del horizonte temporal.
NIBE tiene una presencia importante en los países nórdicos y otros mercados europeos. Su plantilla era de 21.333 personas en 2022.
Fuente: Nibe
La compañía estimó que determinadas bombas de calor vendidas durante 2021 permitirían evitar unas 360.000 toneladas de CO₂ durante un año de funcionamiento. Se trata de un cálculo corporativo histórico con hipótesis de comparación, no de una reducción medida universal para todos sus equipos.
NIBE es un fabricante relevante de bombas de calor. Comparar su tamaño con Daikin o Carrier exige definir el segmento, el período y la métrica.
La investigación europea podría abrir oportunidades de colaboración. La ubicación geográfica no garantiza relaciones privilegiadas, adopción temprana ni éxito comercial.
