Se estima que diversas formas de bombas de calor (refrigeradores, acondicionadores de aire, calentadores) consumen alrededor del 30 por ciento de la electricidad mundial. Y es casi seguro que esa cifra aumentará, ya que las bombas de calor desempeñan un papel muy importante en los esfuerzos por electrificar la calefacción para reducir el uso de combustibles fósiles.
La mayoría de las versiones existentes de estos sistemas dependen de la compresión de una clase de químicos llamados hidrofluorocarbonos, gases que fueron elegidos porque tienen un impacto mucho menor en la capa de ozono que los refrigerantes anteriores. Desafortunadamente, también son gases de efecto invernadero extremadamente potentes, con un impacto a corto plazo varios miles de veces mayor que el del dióxido de carbono.
Se han probado tecnologías alternativas, pero todas ellas tienen al menos un inconveniente importante en comparación con la compresión de gas. Sin embargo, en un artículo publicado en la edición de hoy de Science, los investigadores describen el progreso en una forma de bomba de calor construida alrededor de un capacitor que cambia la temperatura a medida que se carga y descarga. Debido a que la energía gastada durante la carga se puede utilizar en la descarga, el sistema tiene el potencial de ser altamente eficiente.
bombeo de calor
Las bombas de calor son una excelente opción para la calefacción, ya que es posible mover el calor entre un disipador y una fuente usando mucha menos energía de la que se necesita para calentar la fuente simplemente quemando, por ejemplo, gas natural. Y, dado que los procesos que se utilizan para esto funcionan igual de bien a la inversa, se puede utilizar el mismo enfoque básico para el enfriamiento.
Puede parecer contradictorio que de alguna manera se pueda extraer calor de un ambiente a temperatura ambiente y exportarlo al aire abrasador del desierto. Pero el proceso se basa en crear una diferencia de temperatura entre un material de trabajo (como los hidrofluorocarbonos) y el medio ambiente. Mientras los hidrofluorocarbonos puedan calentarse más que el aire exterior, pueden exportarle calor. De manera similar, cuando se usan para calefacción, simplemente tienen que enfriarse más que cualquier explosión ártica contra la que estén trabajando.
Para los hidrofluorocarbonos, la diferencia en el contenido de calor se puede controlar alterando la presión. Al comprimir un gas se calienta, mientras que al reducir la presión se enfría. Sin embargo, varios otros materiales experimentan un calentamiento y enfriamiento similar en respuesta a otras influencias externas, incluido el estrés físico, los campos magnéticos o los campos eléctricos. En muchos casos, estos materiales permanecen sólidos a pesar de experimentar cambios significativos de temperatura, lo que potencialmente podría simplificar el equipo de soporte necesario para calefacción y refrigeración.
En el nuevo trabajo, realizado por investigadores principalmente con sede en Luxemburgo, los investigadores se centraron en materiales que cambian de temperatura en respuesta a campos eléctricos, genéricamente conocidos como electrocalóricos. Si bien se han probado una variedad de configuraciones para estos materiales, los investigadores se han decidido por una estructura de condensador en capas, en la que el campo eléctrico del material cambia a medida que se almacena más carga en su interior. A medida que se almacena la carga, un material electrocalórico se calentará. Cuando se drena la carga, absorberán calor del ambiente.
Esto tiene una ventaja significativa con respecto a la potencia necesaria para que el dispositivo funcione, ya que la corriente generada al drenar el condensador puede usarse simplemente para alimentar algo. Se pierde un poco de energía durante el viaje de ida y vuelta dentro y fuera del almacenamiento, pero potencialmente puede limitarse a menos del uno por ciento.
Lo que usa energía es el hecho de que los capacitores son completamente de estado sólido; por sí solos, simplemente se ubicarán en el entorno de fuente o sumidero. Por lo tanto, debe gastar energía para mover físicamente el dispositivo entre entornos o transferir calor del dispositivo electrocalórico a algún otro material que realice el movimiento. En este caso, los investigadores simplemente intercambiaron calor con la fuente y el disipador bombeando un líquido a través del material electrocalórico.