Por Christian Huettl

Sin duda, tiene un nombre estrafalario: "Qwark3". En realidad es el acrónimo alemán de "Quartiers-Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung", que en español se traduce como "Acoplamiento de calefacción, electricidad y refrigeración urbana". Aunque pueda parecer complicado, Qwark es un proyecto piloto muy real y directo para descarbonizar la calefacción en pleno centro de Berlín.

Como proyecto conjunto de Vattenfall Wärme Berlin AG y Siemens Energy, Qwark3 pretende demostrar que es posible utilizar bombas de calor a gran escala para la calefacción urbana de una forma que no sólo ayude a alcanzar el objetivo de Berlín de cero emisiones netas para 2050, sino que también tenga sentido desde el punto de vista económico. ¿Cómo? Esencialmente, utilizando de forma eficiente el calor residual, que de otro modo quedaría inutilizado, junto con electricidad procedente al 100% de energías renovables. Generará calor sin CO₂ para la infraestructura urbana en la que está integrada. ¿Podría ser Qwark3 un modelo para otras ciudades? El Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima) intenta responder a esta pregunta y por eso financia el proyecto piloto. 

Sin duda, se trata sólo de un pequeño elemento que pretende contribuir a los ambiciosos objetivos mundiales de descarbonización. En la actualidad, cuando la mayoría de los países aspiran a conseguir emisiones netas cero para mediados de siglo, se prevé que la demanda de energía aumente considerablemente al mismo tiempo. En la UE, el objetivo es aumentar la eficiencia energética un 32% y reducir las emisiones un 40% para 2030.

Pero por pequeño que pueda parecer a primera vista el proyecto de Berlín, también conduce a cosas mayores, de las cuales la descarbonización del calor es crucial para alcanzar el cero neto. En la actualidad, el calor representa aproximadamente la mitad del consumo total de energía de la UE. Dos tercios de este calor se siguen generando con combustibles fósiles. Al mismo tiempo, cada vez se desconectan más centrales térmicas alimentadas con combustibles fósiles. Así pues, la descarbonización del sector del calor será, sin quererlo, un componente central de la transición energética. 

Y como era de esperar, también merece especial atención la industria y, por consiguiente, las bombas de calor a escala industrial. En la UE, la industria representa una cuarta parte del consumo energético y el 20% de las emisiones directas. El calor es la energía más destacada, ya que aproximadamente dos tercios se aplican en las industrias del vidrio, de acero, la química o el papel

Las bombas de calor funcionan según un principio sencillo: con una cierta cantidad de energía adicional, en la mayoría de los casos electricidad, elevan la temperatura desde una fuente de calor a baja temperatura hasta un nivel utilizable en el disipador de calor o consumidor. Así, generan mucho más calor que una conversión directa de energía eléctrica en calor

Esto también muestra cómo las bombas de calor pueden fomentar la descarbonización. Es un proceso en dos etapas. En primer lugar, el suministro de calor se ecologiza al utilizar electricidad renovable en lugar de generarla con combustibles fósiles. En segundo lugar, este acoplamiento sectorial de electricidad verde con calor es mucho más eficiente que la calefacción eléctrica directa. 

Y esta tecnología puede desplegarse en todo tipo de entornos, ya que las bombas de calor pueden aprovechar diversas fuentes de calor, como el residual industrial generado por una planta química o un centro de datos, fuentes de calor geotérmico, aire ambiente o incluso ríos o el mar. Pueden utilizarse en diversos contextos, como la industria, la calefacción urbana o en edificios individuales

No es de extrañar, por tanto, que se prevea un despliegue a gran escala de las bombas de calor en los próximos años, allanando el camino para la electrificación del sector del calor. Actualmente, las bombas de calor en Europa se utilizan sobre todo en unidades más pequeñas para calentar y refrigerar edificios. Se limitan sobre todo a un rango de temperatura inferior a 90 °C y se espera que su uso sea mucho mayor que el actual. En Alemania, por ejemplo, el Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima prevé que en 2030 se hayan instalado unos 5,5 millones de bombas de calor, en su mayoría para edificios individuales, con unos 33 TWh, frente a los 7 TWh actuales.

Sin embargo, los últimos avances, especialmente los nuevos refrigerantes, han facilitado nuevas aplicaciones de las bombas de calor con temperaturas de hasta 150 °C. Son las llamadas bombas de calor de alta temperatura. Pueden ayudar a la industria a capturar el calor residual y reutilizarlo para obtener agua caliente o vapor para el calentamiento de procesos. En la producción de vapor, este límite de temperatura puede incluso superarse, por ejemplo, aplicando la compresión de vapor. Estas bombas de calor también pueden utilizarse para la calefacción urbana o para elevar eficazmente los niveles de baja temperatura de las fuentes de calor disponibles hasta el nivel de la calefacción urbana

Aquí es donde entra en juego Qwark3. En el futuro, la bomba de calor a gran escala de Siemens Energy en Potsdamer Platz utilizará el calor residual de forma muy eficiente, mejorándolo y alimentando la red de calefacción urbana de la ciudad. Pero en Berlín, donde no hay ninguna planta industrial clásica, ¿de dónde procede el calor residual?

Desde 1997, una planta de refrigeración de Vattenfall Wärme Berlin cercana a la Potsdamer Platz suministra frío a unas 12,000 oficinas, 1,000 viviendas y numerosas instituciones culturales de la zona (figura 2). Al hacerlo, produce cantidades considerables de calor residual que hasta ahora se disipaba en el aire a través de torres de refrigeración. Sin embargo, con la instalación de una bomba de calor de alta temperatura con una capacidad térmica de hasta 8 MW, este calor residual se podrá aprovechar. La bomba de calor a gran escala suministrará de forma flexible temperaturas de flujo de entre 85 y 120 °C, en función de la demanda de la red de calefacción urbana.

El calor debería ascender a unos 55 GWh al año, con un ahorro anual estimado de unas 6.500 t de emisiones de CO₂ y 120.000 m₃ de agua de refrigeración. Se trata de una situación beneficiosa para todos, ya que mejora la eficiencia de la estación de refrigeración al tiempo que proporciona a Berlín calor ecológico a partir de electricidad renovable. Además, es uno de los primeros ensayos de bombas de calor de alta temperatura a gran escala en condiciones reales.

Siemens Energy está en una buena posición para suministrar este tipo de soluciones. En el campo de las bombas de calor industriales, la empresa viene ofreciendo soluciones con potencias térmicas de hasta 70 MW a partir de una sola unidad. Además, la empresa cuenta con numerosas bombas de calor de gran tamaño instaladas en los años ochenta y noventa, principalmente en los países escandinavos.

Además, la contribución va más allá del mero suministro de hardware, ya que Siemens Energy ofrece soluciones integrales llave en mano, desde el diseño conceptual hasta la instalación, puesta en marcha y mantenimiento de grandes bombas de calor utilizando su propia cartera de compresores.

Puede que Berlín sea el primero en experimentar un proyecto piloto tan emocionante, pero no es el único que impulsa las bombas de calor de alta temperatura a gran escala para la calefacción urbana. En la actualidad, en Alemania hay varios proyectos de bombas de calor a gran escala que persiguen activamente temperaturas de calefacción urbana inferiores a 100°C. Además, se están formando sólidas asociaciones con el objetivo de ir más allá de la calefacción urbana. Por ejemplo, el gigante químico BASF se ha asociado con Siemens Energy para investigar cómo pueden utilizarse las bombas de calor de alta temperatura para descarbonizar la generación de calor de proceso en su sede de Ludwigshafen (Alemania).

Teniendo todo esto en cuenta, es fácil ver cómo este modelo de uso a gran escala de bombas de calor de alta temperatura puede y debe adoptarse masivamente. Como ocurre con cualquier transición, también hay que tener en cuenta algunas advertencias. Como es lógico, la demanda de calefacción urbana es mayor en invierno y menor en verano. Para equilibrar esta situación, existen diferentes soluciones. Por ejemplo, se puede considerar la posibilidad de conectar la calefacción urbana con una demanda de calor industrial más constante (lo que sería factible gracias a las bombas de calor de alta temperatura) o el almacenamiento para adaptar el suministro de calor a la demanda. Independientemente de estos factores, en el caso de Berlín y otros proyectos piloto, el ahorro neto de emisiones de CO₂ sigue siendo lo bastante elevado como para justificar el esfuerzo. Y según los cálculos, también será rentable en pocos años.

De instalarse más bombas de calor, grandes y pequeñas, otra preocupación importante: como se espera es que la demanda total de electricidad aumentará. Esto plantearía sin duda un triple desafío. Uno: la energía debería proceder de fuentes renovables para garantizar el necesario avance hacia la descarbonización del calor. Dos: como las energías renovables son una fuente de energía fluctuante, es necesario disponer de soluciones de almacenamiento de energía, así como de centrales eléctricas alimentadas con combustibles limpios que garanticen la carga de base. Tercero: a medida que se consume más electricidad, es necesario contar con servicios de estabilidad de la red, ya sean estabilizadores de red rotatorios o controles inteligentes para distribuir la energía.

Por último, hoy en día las bombas de calor de alta temperatura a gran escala siguen en posición de desventaja económica frente a los sistemas tradicionales de gas. Pero es de esperar que esto cambie, sobre todo con el aumento de los precios del CO₂. No obstante, no es la única herramienta disponible. En Alemania, por ejemplo, hay que acabar con el recargo a los consumidores de electricidad. Aunque el recargo se implantó inicialmente con el fin de financiar la generación de energía renovable, pronto podría volverse obsoleto, ya que se prevé que las bombas de calor se amorticen en pocos años.

En esencia, Qwark3 tiene mucho que ofrecer. Como modelo para el futuro, muestra cómo las bombas de calor a gran escala pueden minimizar el calor desperdiciado al medio ambiente, aumentando así en última instancia la eficiencia global de todo un sistema. Como se verá en la Potsdamer Platz, también permiten la integración inteligente de calefacción y refrigeración. Y lo mejor: es sólo una de las muchas formas en que las bombas de calor industriales pueden contribuir en el avance hacia un futuro descarbonizado.

Julio, 2022

El Dr. Christian Huettl es Business Owner de Soluciones para bombas de calor industriales en Siemens Energy Global GmbH & Co. KG en Alemania.

Fotografía y vídeo combinados: Siemens Energy y Vattenfall Wärme Berlin.