La llegada del frío intenso a buena parte de España conlleva un súbito incremento en el gasto en calefacción. Según la consultora Pwc, este representa (sumado al agua caliente) una media del 46% de la factura energética de los españoles, aunque el porcentaje puede ser muy superior dependiendo de los sistemas utilizados para calentar la casa. Ya hay en el mercado soluciones que permiten rebajar el gasto, como el genial invento español que calienta la casa rápido, se instala fácil y ahorra un 90% en las facturas, pero es necesario seguir investigando en nuevos métodos y tecnologías para todo tipo de edificios.

Es a lo que se dedican los técnicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EEUU, cuyo último trabajo gira en torno a la posibilidad de integrar en el sistema de calefacción de los hogares los materiales termoquímicos (conocidos en inglés como TCM). Las propiedades de estos elementos para almacenar energía térmica les permitirían ofrecer un complemento a las bombas de calor y otros sistemas eléctricos de calefacción, recurriendo a ellos cuando la luz es más barata o procede de energías renovables.

En un artículo publicado en la revista Applied Energy, científicos del NREL y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley evalúan la viabilidad de un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado que incorpore TCM de sales hidratadas. Según los resultados obtenidos tras simulaciones por ordenador y experimentos en entornos reales, este innovador método tiene un gran potencial para calentar espacios interiores en todo tipo de viviendas, sobre todo en climas y regiones húmedas. 

Cómo funciona

Este tipo de materiales y 'baterías' de energía termoquímica son muy atractivos y una gran opción de futuro, ya que suelen tener una alta densidad de energía, son capaces de almacenarla durante largos periodos de tiempo sin pérdidas y de entregar una potencia constante cuando es necesario.

Dado su potencial, la Oficina de Tecnologías de la Construcción del Departamento de Energía de EEUU lleva financiando esta investigación desde 2019. Debido a la elevada cantidad de energía que requieren los edificios para su climatización, los TCM pueden ser vitales para la necesaria descarbonización: asociados a sistemas de bomba de calor, pueden suponer una rebaja considerable de su consumo permitiendo 'almacenar' la energía barata procedente de renovables y liberarla cuando es más oportuno.

Así, los investigadores del NRL y de Berkeley estudiaron el rendimiento térmico de un reactor TCM basado en cloruro de estroncio, con usos habituales tan variados como el tinte rojo en pirotecnia, el tratamiento de la hipersensibilidad dental o terapias para combatir el cáncer. Estas sales desprenden calor al reaccionar con el vapor de agua del aire, y demostraron ser especialmente efectivas en climas húmedos y templados.

Las reacciones químicas de hidratación y deshidratación son las encargadas de descargar y cargar el TCM. Y puede formar parte de sistemas abiertos, en los que el vapor de agua procede del aire ambiental, o de sistemas cerrados, donde procede de la evaporación de un depósito aislado de agua líquida.

Los sistemas abiertos, por su sencillez de operación y uso, son los más prometedores, pero tienen problemas cuando se enfrentan a las condiciones climáticas del invierno. Son en esos meses en los que el vapor de agua escasea, ya que el aire frío contiene una humedad limitada. Durante esos periodos, al utilizar el aire interior para impulsar la reacción de hidratación, puede reducir la humedad del edificio hasta límites alarmantes.

Una humedad insuficiente en el aire interior puede provocar síntomas molestos como piel seca, picor en los ojos o irritación en las mucosas respiratorias, pero sobre todo puede hacer más fuertes y resistentes a los virus. En esta investigación, los científicos han dado con una solución para evitar la excesiva sequedad del ambiente producida por un sistema abierto de TCM. 

"La forma en que integramos el reactor en el edificio nos permite hacerlo sin secar la casa", explica Jason Woods, coautor del artículo e ingeniero del NREL, en un comunicado de prensa. "Es importante pensar de dónde procede la humedad, porque el rendimiento puede verse afectado significativamente en función de cómo se integre".

Para encontrar la mejor solución posible, los investigadores utilizaron inicialmente modelos informáticos, donde se diferenciaba entre diversos climas, tipos de edificios y fuente de vapor de agua, y verificaron los resultados llevando a cabo experimentos en condiciones reales.

Así dieron con la solución ideal para edificios en los que la salida del aire se sitúa cerca de la ventilación entrante. Woods y sus compañeros establecieron un ciclo en el que el reactor TCM calentaba el aire saliente, que a su vez calentaba de forma indirecta la ventilación entrante gracias a un intercambiador de calor.

Con este método, los científicos evitaron que el reactor deshumidificara en exceso el aire interior, además de reducir la energía requerida por la bomba de calor para mantener o aumentar la temperatura interior de los edificios.

Experimentos

Según los resultados obtenidos con distintos modelos basados en el clima de ciudades estadounidenses como Atlanta, Nueva York, Minneapolis y Seattle, el factor más importante fue sin duda la humedad relativa en cada de una de ellas. La peor parada en ese sentido fue Minneapolis, ya que "hay poca humedad en el aire frío, por lo que la humedad interior es menor y resulta más difícil impulsar la reacción TCM", según el propio Woods.

Esta tecnología inicialmente sólo se contemplaba para grandes superficies industriales, ya que el coste del sistema disminuye a medida que aumenta el tamaño del espacio a calentar. Sin embargo, los investigadores también querían analizar sus posibilidades aplicándola a viviendas unifamiliares, al vestíbulo de un hotel pequeño, a un edificio de oficinas de tamaño medio y a las habitaciones de los pacientes de un hospital.

Así obtuvieron un dato clave, el coste nivelado de almacenamiento (LCOS), que resultó ser inferior a 10 céntimos por kw/h. Esta cifra permite albergar esperanzas para su uso a gran escala en todo tipo de edificios, pero todavía queda mucho trabajo por delante para hacerla rentable, reduciendo los costes de fabricación, integración, embalaje e instalación del reactor.

De momento, estos reactores TCM no se postulan como sustitutos directos de las bombas de calor o las calderas de gas, pero sí como una solución ideal para el almacenamiento de energía térmica para su uso posterior. Un complemento interesante a los sistemas de climatización con un enorme potencial para reducir el consumo y contribuir a la descarbonización.