Nuevos diseños de bombas de calor eliminan los refrigerantes en favor de imanes

Mejorando la generación de calor

Entre todas las posibles demandas de energía, el calor es el uso final más alto (incluyendo, por ejemplo, la electricidad transformada en calor). Por lo tanto, tiene sentido que la descarbonización solo ocurra si la generación de calor se realiza de la manera más ecológica posible y con gran eficiencia.

Esto está lejos de estar logrado, ya que los combustibles fósiles representan el 63% del uso global de energía para la calefacción relacionada con edificios, una disminución de solo 4 puntos porcentuales desde 2010.

Fuente: IEA

Esto es un obstáculo importante para cualquier escenario de cero neto, requiriendo al menos tanto esfuerzo como cambiar los métodos de transporte individuales a vehículos eléctricos.

Por ahora, el método principal ha sido recurrir a bombas de calor, que, en lugar de quemar combustibles para producir calor, lo trasladan de un punto a otro.

Aunque sean más eficientes, las bombas de calor aún pueden mejorarse. Esto es en lo que están trabajando investigadores del Laboratorio Nacional Ames (EE. UU.) y de la Universidad Estatal de Iowa, con un nuevo tipo de bomba de calor llamado “bomba de calor magnetocalórica”.

Recientemente publicaron sus últimos resultados en la revista Applied Energy, bajo el título “Tecnología de bomba de calor magnetocalórica escalable y compacta¹“.

¿Cómo funcionan las bombas de calor tradicionales?

El concepto clave de una bomba de calor es “capturar” energía en un lugar y transportarla a otro.

Normalmente, extrae calor del entorno alrededor de una casa u otros edificios y lo inyecta de nuevo en el interior.

Debido a que no se genera calor, solo se desplaza, puede mostrar índices de eficiencia superiores al 100% cuando se mide en vatios‑hora (Wh) de electricidad consumida.

Este sistema también es más polivalente que un sistema de calefacción tradicional, ya que también puede funcionar en reversa. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, puede servir también como refrigeración durante los meses de verano.

Fuente: The Heat Pump Warehouse

La bomba de calor típica utiliza un sistema de compresión de gas para mover el calor, ya que los gases absorben o liberan calor cuando se comprimen o descomprimen.

La compresión de gas es el método más utilizado, porque es una tecnología muy conocida, basada en válvulas, tuberías y compresores no muy diferentes de los que se usaban hace décadas.

Sin embargo, este podría no ser el mejor diseño posible de bomba de calor, ya que el imán se está convirtiendo en un fuerte competidor.

Tipos de bombas de calor

Los diferentes diseños de bombas de calor difieren en varios aspectos, incluyendo dónde extraen la energía, a dónde la envían y si están adaptados o no a climas fríos

Fuentes de energía

• Fuente terrestre: También conocidas como bombas de calor geotérmicas, aprovechan el calor del subsuelo y son reconocidas por su alta eficiencia.
• Fuente de aire: El tipo más común, extraen calor del aire y son más fáciles de instalar que las bombas de fuente terrestre.
• Fuente de agua: Utilizan fuentes de agua cercanas como lagos o pozos para el intercambio de calor.

Instalación

• Canalizado: Integradas en el conducto de una vivienda, proporcionan calefacción y refrigeración centralizadas.
• Mini‑Split: Ideal para viviendas sin conductos, permiten el control individual de la temperatura de cada habitación.

Clima

• Clima frío: Diseñadas específicamente para regiones con inviernos severos, estas bombas de calor mantienen la eficiencia incluso en temperaturas extremadamente bajas gracias a características avanzadas como compresores de velocidad variable.
• Clima templado: Ideales para climas moderados, son bombas de calor estándar adecuadas para necesidades típicas de calefacción y refrigeración.

Método de transferencia de calor

• Compresión de gas: Funciona razonablemente bien, con una tecnología simple y conocida.
• Imanes: Un subconjunto de la mayor bomba de calor calórica de “estado sólido”, que no requiere refrigerante.

Tecnología de bomba de calor magnetocalórica (MCHP)

MCHP utiliza los principios de los efectos magnetocalóricos, es decir, el enfriamiento o calentamiento de materiales magnéticos mediante la variación de un campo magnético aplicado externamente.

Fuente: DST

En teoría, este puede ser un sistema mucho mejor, ya que elimina la necesidad de materiales refrigerantes, que generalmente son tóxicos y/o dañinos para el medio ambiente, y con frecuencia se filtran de las bombas de calor tradicionales, especialmente cuando el equipo envejece.

A lo largo de los años, se han propuesto muchos diseños diferentes de bombas de calor magnetocalóricas utilizando distintas configuraciones:

• Diferente intensidad de los campos magnéticos.
• Diferentes materiales magnetocalóricos, como gadolinio puro, aleaciones de gadolinio y aleaciones de LaFeSi (lantano‑hierro‑silicio).
• Diferentes formas del material magnetocalórico.

Estos sistemas han demostrado una eficiencia superior a la de los mejores sistemas de compresión de vapor. Su rango de temperatura y potencia térmica también fueron una buena combinación.

Sin embargo, aún no se había demostrado que estos sistemas pudieran igualar a las bombas de calor tradicionales en cuanto a costos, masa y tamaño, consideraciones importantes para el éxito comercial potencial.

Rendimiento variable

Los investigadores midieron la densidad de potencia del sistema (SPD) de los diferentes diseños propuestos de MCHP, es decir, la potencia térmica en vatios dividida por la masa del dispositivo en kg.

La literatura científica existente muestra una amplia variedad de SPD, que va desde aproximadamente 1 hasta 40 W/kg.

Curiosamente, dos de los diseños con mayor SPD tenían enfoques completamente diferentes: uno utilizó campos magnéticos altos a altas frecuencias, y otro utilizó campos bajos a bajas frecuencias. Por lo tanto, probablemente existan múltiples enfoques que son técnicamente viables.

Compitiendo con compresores

Los investigadores han examinado múltiples formas de aumentar la SPD, un área de investigación descuidada hasta ahora, con la eficiencia absoluta y más el foco de los investigadores de ciencias de materiales.

Sin embargo, es la SPD la que probablemente importe más para la adopción masiva de estas bombas de calor, ya que ningún usuario final, tanto consumidores como constructores, aceptará bombas de calor del tamaño de una habitación completa o demasiado pesadas para manipularse fácilmente.

Utilizaron una variedad de métodos:

• Variación en la aleación magnética utilizada:
  • La potencia por masa fue de 374 W/kg para gadolinio puro.
  • Fue de 854 W/kg para materiales basados en LaFeSi.
• Diferentes diseños del material magnético, desde placas hasta perlas.
• Diferentes impulsos magnéticos, variando en frecuencia e intensidad.

A través de estas pruebas sistemáticas, los investigadores descubrieron que, partiendo de una línea base técnica de 5,9 W/kg, los sistemas MCHP pueden incrementarse hasta 81,3 W/kg, o casi 14 veces más en densidad de potencia del sistema.

A partir de estos hallazgos, parece que los MCHP pueden acercarse a la SPD de algunas bombas de calor basadas en compresores que se usan actualmente, especialmente para potencias de refrigeración bajas o moderadas (< 200 W).

Empresas de bombas de calor magnetocalóricas

La siguiente no parece ser una empresa cotizada públicamente que actualmente venda MCHP. Sin embargo, es un campo muy activo con muchas startups, a menudo spin‑offs de investigaciones de vanguardia realizadas en universidades de primer nivel. Por ejemplo:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, es una subsidiaria del grupo alemán HYDAC Group (también de capital privado).
• Camfridge

Así que, aunque no sea muy fácil de acceder, puede ser una idea interesante para personas que son inversores acreditados y tienen acceso a dichas inversiones.

Empresa de gadolinio

El gadolinio es una tierra rara, y el 97% de la producción mundial (dióxido de gadolinio) es producido por China.

Curiosamente, el metal actualmente tiene pocas aplicaciones más allá de usos de nicho como la absorción de neutrones en algunos reactores nucleares o agentes de contraste magnético para resonancia magnética, y por lo tanto sería un recurso perfecto para utilizar en lugar del refrigerante contaminante que se usa actualmente en las bombas de calor.

A medida que las tensiones comerciales entre EE. UU. y China han aumentado continuamente desde la primera presidencia de Trump, es probable que cualquier inversor occidental dispuesto a apostar por tierras raras, incluido el gadolinio, prefiera fuentes alternativas.

Una empresa potencial de este tipo es Neo Materials.

Neo Materials se especializa en la producción de tierras raras y materiales críticos. Esto incluye gadolinio, pero también otras tierras raras y materiales críticos actuales, como hafnio, niobio, galio y imanes de tierras raras.

Fuente: Neo Materials

Todos estos productos son críticos para la producción de semiconductores, imanes de turbinas eólicas, vehículos eléctricos, etc. Y en la mayoría de los casos, son suministrados en un 90‑99% por China.

La empresa obtiene la mayor parte de sus ingresos de “Magnequench”: polvos magnéticos y imanes de neodimio‑hierro‑boro (NdFeB) utilizados en motores eléctricos (incluidos los VE).

El segundo mayor proviene de Químicos y Óxidos utilizados en petróleo y catalizadores químicos, híbridos y VE, purificación de agua, pantallas de alta eficiencia, lentes ópticas, electrónica de consumo, etc.

Fuente: Neo Materials

Los ingresos de Neo también están muy diversificados geográficamente, lo que la hace más segura frente a tormentas geopolíticas que la mayoría de las empresas del sector. Fabrica algunos productos en China y ha convertido a AsiaMag, una adquisición de 2019, en uno de los 5 mayores fabricantes de imanes ligados en China al aumentar su volumen de ventas cinco veces.

Pero también diversifica su riesgo geográfico. Por ejemplo, la empresa construirá notablemente en la UE (Estonia) la primera planta de imanes sinterizados fuera de China para VE, con la primera producción prevista para 2025.

Fuente: Neo Materials

En general, Neo Materials tiene la presencia más integrada en la cadena de valor de imanes permanentes y tierras raras fuera de China, siendo la extracción de la materia prima el único eslabón no integrado verticalmente.

La empresa también cuenta con más grados avanzados en tierras raras y expertos técnicos en productos magnéticos de tierras raras que cualquier otra compañía fuera de China o Japón. E incluso en Japón, puede superar a los competidores locales para firmar contratos con empresas como Honda o Daido Steel.

Fuente: Neo Materials

Esta fuerte presencia en materiales críticos para la transición verde, así como en numerosas aplicaciones de alta tecnología desde la fabricación de semiconductores hasta aleaciones especiales y catalizadores, convierte a Neo en una buena opción de acción para inversores que buscan exposición al sector, con un potencial alza en caso de que se intensifiquen las guerras comerciales.

Referencia del estudio:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Una revisión exhaustiva de las aplicaciones de aprendizaje automático en sistemas de energía renovable. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798} (ATLO )