Reaprovechamiento de la energía térmica: control climático del hogar, estacionamientos y computación

El mercado global de almacenamiento de energía térmica podría alcanzar US$8 billion en 2030, partiendo de un tamaño de US$4.4 billion en 2022, lo que representa una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de aproximadamente 7.7 %. La creciente demanda de almacenamiento indica un uso cada vez mayor de la energía térmica. 

¿Pero qué es exactamente la energía térmica y cómo la almacenamos? Profundizaremos en los próximos segmentos para llegar al fondo de estas preguntas y ver cómo la energía térmica está creando paradigmas de uso eficiente de la energía para las necesidades de nuestro mundo moderno. 

Breve historia de la energía térmica

La historia del reconocimiento de la energía térmica y su potencial se remonta a 1847. El crédito corresponde al físico y matemático inglés, mundialmente reverenciado, James Prescott Joule. 

En términos simples, Joule descubrió la relación entre el calor y la energía mecánica, llegando finalmente a la ley de conservación de la energía, también conocida como la primera ley de la termodinámica. La ley establece que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. 

Cómo el científico Joule llegó a esta conclusión revolucionaria fue mediante un experimento emocionante que nos ayuda a comprender la naturaleza de lo que hoy conocemos como energía térmica. 

En su experimento, Joule midió la cantidad de trabajo que un motor eléctrico debía realizar para elevar la temperatura de un cierto volumen de agua en un grado. También midió el aumento de temperatura del agua al pasar por un cilindro perforado y el calor generado al comprimir un gas. 

Durante su investigación, descubrió que la cantidad de energía mecánica aplicada al fluido siempre era igual a la energía térmica generada, lo que indica que es posible reaprovechar la energía de una forma a otra. 

En términos más amplios, el experimento dijo mucho sobre nuestro universo y su sistema energético. Demostró, sobre todo, que la totalidad de la energía en el universo permanece constante, con una forma de energía convirtiéndose en otra. 

El descubrimiento de Joule dio origen a una corriente de estudio completa conocida como termodinámica. Ya hemos visto la primera ley del paradigma. Tiene tres leyes más. Estas cuatro leyes básicas establecen los contornos de la termodinámica que trata el calor, el trabajo y la temperatura y cómo sus interdinámicas impactan las nociones de energía, radiación y propiedades físicas de la materia. 

Es crucial entender la termodinámica si se quiere comprender plenamente el potencial de la energía térmica y las formas en que podría ayudar a nuestros procesos. En su esencia, la termodinámica explica cómo la energía térmica se convierte en otras formas y viceversa. La energía térmica proviene del calor térmico producido por los movimientos de partículas dentro de un objeto. Cuanto más rápido es el movimiento, mayor es el calor generado. 

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La ciencia detrás de la generación de energía térmica: conducción, convección, radiación

Los movimientos de partículas o moléculas generan calor. Pero existen al menos tres formas en que estos movimientos pueden generar calor. 

En el proceso de conducción, el calor se genera a partir del movimiento de las partículas constituyentes sin que el cuerpo se mueva. Un ejemplo de la vida real de generación de calor por conducción es el aumento de temperatura en una cuchara de acero inoxidable cuando se coloca dentro de una olla de cocción durante un tiempo mientras la olla sigue recibiendo calor desde abajo. 

El proceso de convección es donde la transferencia de energía ocurre entre una superficie sólida y un líquido o gas en movimiento. Calentar agua colocándola dentro de una sartén y aplicando calor directamente a la sartén es un ejemplo del proceso de convección de transferencia de energía. 

Finalmente, en el proceso de radiación, para que el calor o la energía térmica se intercambien, dos cuerpos o sustancias no necesitan estar en contacto. Un ejemplo típico de este proceso es derretir hielo manteniendo una lámpara incandescente cerca de él. Aunque la lámpara y el hielo nunca se tocan, el hielo se derrite. 

Aunque estos métodos detrás de la generación de energía térmica no son visibles al ojo humano y solo pueden percibirse al observar sus manifestaciones externas o físicas, los ejemplos de energía térmica a menudo son fáciles de reconocer mientras interactuamos con muchos de ellos. 

Por ejemplo, la radiación solar calienta nuestra atmósfera, y sentimos calor como resultado. De manera similar, también existe la energía geotérmica, que es calor intenso que fluye continuamente desde lo profundo de la tierra. La desintegración de elementos radiactivos presentes en las rocas es el generador principal de este tipo de calor. Luego está la superficie del agua de mar, que tiene un enorme potencial de almacenamiento de energía térmica debido a su exposición directa a los rayos solares durante un período prolongado. Las pilas de combustible también ayudan a aprovechar la energía producida a partir de la energía térmica. 

Reaprovechamiento de la energía térmica: esfuerzos en todo el mundo

Por principio, la energía se convierte de una forma a otra. Reaprovechar la energía está, por lo tanto, en línea con los principios de nuestra ciencia natural. Es una forma eficiente de aprovechar el verdadero potencial de la energía yendo más allá de su aplicación inmediata. Veremos algunos ejemplos de energía térmica reaprovechada. 

Energía térmica generada en estacionamientos subterráneos para calentar el agua subterránea

Un equipo de investigadores de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU), el Instituto Tecnológico de Karlsruhe y la Universidad de Basilea realizó un estudio exhaustivo de 31 estacionamientos subterráneos en ciudades de Alemania, Austria y Suiza.

En seis de estos lugares, también midieron la temperatura del agua subterránea cercana. A partir de los perfiles de calor que prepararon, concluyeron que los estacionamientos subterráneos calientan consistentemente el agua subterránea durante todo el año. Es importante notar que este calor proviene principalmente de los motores de los coches estacionados. 

Maximilian Noethen, geocientífico de la MLU, explicó: “Los estacionamientos subterráneos públicos contribuyen más al calentamiento del agua subterránea que los privados, ya que suelen estar más profundos y los coches permanecen estacionados allí por períodos más cortos.” 

Los investigadores también señalaron el potencial de reaprovechar esta energía térmica. Por ejemplo, la producción anual de energía de los estacionamientos subterráneos de Berlín, casi 0,65 petajulios, podría teóricamente suministrar calor a aproximadamente 14.660 hogares.

Reaprovechamiento del calor de los dispositivos electrónicos

Este estudio provino de los físicos que trabajan en la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) y la Universidad Central del Sur en China. El estudio propone la viabilidad de usar el calor generado en dispositivos técnicos para la computación. Todo lo que se necesita es combinar materiales específicos. 

Los dispositivos electrónicos se calientan debido a la corriente eléctrica que fluye a través de ellos. Este calor se disipa y se pierde en el proceso. Según el Dr. Jamal Berakdar, profesor de Física en la MLU, “Durante décadas, la gente ha buscado formas de reutilizar esta energía perdida en la electrónica”. 

El nuevo método para reaprovechar el calor propone el uso de tiras magnéticas no conductoras en lugar de circuitos electrónicos convencionales, en conjunto con separadores metálicos normales. “Nuestra tecnología puede contribuir a ahorrar energía en la tecnología de la información al aprovechar adecuadamente el exceso de calor,” explica Berakdar. 

Baterías de sal para almacenar calor

Este trabajo de investigación es un desarrollo reciente ya que la autora de la tesis, la estudiante de doctorado de la Universidad Radboud Lian Blijlevens, está a punto de defender su investigación sobre la utilidad de la sal para el almacenamiento de calor. La sal en cuestión no es la variedad de mesa común, sino tipos como el cloruro de estroncio. 

El núcleo del estudio de Blijlevens es la batería de sal, diseñada para almacenar hidratos de sal y sales que contienen agua en forma cristalina. Recargar esta batería implica calentar la sal, lo que expulsa el agua de los cristales. 

“Cuando necesitas el calor, añades vapor de agua a los cristales, y el calor se libera de nuevo,” concluye Blijlevens. 

Con estos trabajos de investigación que muestran un ambiente de innovación floreciente en este espacio, algunas soluciones ayudan a reaprovechar la energía térmica a escala empresarial. Discutimos algunos de esos proveedores de soluciones en los siguientes segmentos.

Proveedores de soluciones de reaprovechamiento de energía: escala empresarial

#1. Calefa

Calefa es un proveedor finlandés de soluciones llave en mano para el reciclaje de calor. Su oferta incluye una planta modular de bomba de calor AmbiHeat. Utiliza fuentes de energía ambiental y sistemas de retrofit para reciclar el calor residual. Dado que mencionamos las bombas de calor como solución, sería pertinente explicar brevemente por qué se consideran una opción principal para el control climático del hogar. 

Las bombas de calor son dispositivos de control climático multifuncionales que transfieren calor de un lugar a otro. No generan calor, solo lo trasladan, demostrando ser una opción energéticamente eficiente para calentar o enfriar una vivienda. En invierno, estas bombas extraen calor del exterior y lo transfieren al interior. En verano, ocurre lo contrario. 

Según los datos publicados por la organización Calefa, en los últimos diez años ha entregado casi 200 sistemas energéticos que utilizan calor residual o energía ambiental. Ha ayudado a ahorrar más de US$34 millones en términos monetarios, casi 650.000 MWh de energía y más de 142 millones de kilogramos de dióxido de carbono en emisiones reducidas. 

#2. Heata

Heata, una startup innovadora con sede en el Reino Unido, surgió con la idea de usar el calor generado por computadoras para ofrecer agua caliente gratuita. La startup despegó como un proyecto de innovación con British Gas, para ayudar a personas que viven en situación de falta de combustible o pobreza energética. 

Examinaron el espacio de la cadena de bloques y se dieron cuenta de la gran cantidad de energía que los mineros de Bitcoin estaban utilizando y los igualmente grandes volúmenes de calor residual que generaban en el proceso. Para reaprovechar este calor, el equipo de Heata sumergió el minero de Bitcoin en aceite mineral y lo conectó a un radiador para probar la viabilidad de su idea. 

Una vez que encontraron la idea ejecutable, incorporaron cilindros de agua caliente donde la demanda es bastante constante a lo largo del año. También pasaron de la minería de Bitcoin a la computación general para apoyar los esfuerzos de descarbonización en esta industria. 

Fundada en 2017 y con sede en Godalming, Surrey, Reino Unido, Heata empodera a las empresas para reducir su huella de carbono y ahorra a las familias hasta £450 al año en sus facturas de energía. La startup cerró 1 millón de libras de financiación semilla en octubre de este año.

Reaprovechamiento del calor de centros de datos

El Foro Económico Mundial ha tomado nota de las empresas tecnológicas que están aprovechando sus centros de datos —que albergan sus servidores— para calentar hogares y reducir el dióxido de carbono. Varias iniciativas están facilitando este proceso, y según International Data Corporation, el mercado de calefacción de centros de datos podría valer US$2.5 billion para 2025. 

Stockholm Data Parks es una iniciativa en Suecia que ayuda a calentar casas aprovechando el calor residual generado por los centros de datos de Estocolmo. Con ambiciones ambiciosas, la iniciativa planea cubrir el 10 % de todas las necesidades de calefacción de Estocolmo de esta manera para 2035. Ecoechoando este potencial a mayor escala, el think tank Energy Innovation señala que los mayores centros de datos pueden generar más de 100 megavatios de energía, suficiente para alimentar 80.000 hogares.

Switch Datacenters es otra empresa con sede en los Países Bajos que ha reducido su dependencia del gas natural, sustituyendo unidades generadoras de gas por calefacción de centros de datos. Según el CEO de la empresa, es posible entregar hasta el 97 % del calor de los servidores a hogares y oficinas mediante este sistema. 

El futuro: el gigante tecnológico global Microsoft da el salto

Microsoft se ha asociado con Fortum, una empresa finlandesa, para calentar miles de hogares en Helsinki, y a medida que la colaboración demuestra ser fructífera, Fortum espera que su solución ayude a calentar al 40 % de los hogares de Helsinki. 

Avanzando en su compromiso con la sostenibilidad, Microsoft ha decidido ahora alimentar dos de sus nuevos centros de datos en Helsinki con energía renovable, una decisión que se proyecta reducirá las emisiones anuales de dióxido de carbono en 400,000 toneladas. 

Sin embargo, esta iniciativa ambiental es solo un aspecto de la influencia global de Microsoft. La compañía, reconocida mundialmente, reportó US$211 billion en ingresos en el año fiscal 2023 y una utilidad operativa de más de US$88 billion. La participación de Microsoft en los esfuerzos de reaprovechamiento de energía térmica no solo destaca sus compromisos de sostenibilidad, sino que también otorga una visibilidad y adaptabilidad significativas a estas iniciativas. 

Ahora, volviendo a la primera ley de la termodinámica nuevamente. La energía se aprovecha mejor cuando los esfuerzos se orientan a trasladarla de una forma a otra. Reaprovechar la energía térmica es un paso eficiente hacia eso. No hay razón para que no vea un crecimiento significativo en su adopción en los próximos años.