Una nueva investigación del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania ha demostrado que la combinación de sistemas fotovoltaicos en tejados con almacenamiento de baterías y bombas de calor puede mejorar la eficiencia de las bombas de calor y al mismo tiempo reducir la dependencia de la electricidad de la red.
Los investigadores de Fraunhofer ISE han estudiado cómo se podrían combinar los sistemas fotovoltaicos residenciales en tejados con bombas de calor y almacenamiento de baterías.
Evaluaron el rendimiento de un sistema fotovoltaico de bomba de calor y batería basado en un control listo para red inteligente (SG) en una casa unifamiliar construida en 1960 en Friburgo, Alemania.
"Se descubrió que el control inteligente aumentaba el funcionamiento de la bomba de calor al aumentar las temperaturas establecidas", dijo el investigador Shubham Baraskar a pv magazine. “El control SG-Ready aumentó la temperatura del suministro en 4,1 Kelvin para la preparación de agua caliente, lo que luego disminuyó el factor de rendimiento estacional (SPF) en un 5,7 % de 3,5 a 3,3. Además, para el modo de calefacción, el control inteligente redujo el SPF en un 4%, de 5,0 a 4,8”.
El SPF es un valor similar al coeficiente de rendimiento (COP), con la diferencia de que se calcula durante un período más largo con diferentes condiciones límite.
Baraskar y sus colegas explicaron sus hallazgos en “Análisis del rendimiento y funcionamiento de un sistema de bomba de calor con baterías fotovoltaicas basado en datos de mediciones de campo”, publicado recientemente enAvances en energía solar.La principal ventaja de los sistemas fotovoltaicos con bomba de calor es su menor consumo de red y sus menores costes de electricidad.
El sistema de bomba de calor es una bomba de calor geotérmica de 13,9 kW diseñada con un almacenamiento intermedio para calefacción de espacios. También cuenta con un tanque de almacenamiento y una estación de agua dulce para producir agua caliente sanitaria (ACS). Ambas unidades de almacenamiento están equipadas con calentadores auxiliares eléctricos.
La instalación fotovoltaica está orientada al sur y tiene un ángulo de inclinación de 30 grados. Tiene una potencia de 12,3 kW y una superficie modular de 60 metros cuadrados. La batería está acoplada a CC y tiene una capacidad de 11,7 kWh. La casa seleccionada tiene una superficie habitable climatizada de 256 m2 y una demanda de calefacción anual de 84,3 kWh/m²a.
"La energía CC de las unidades fotovoltaicas y de batería se convierte en CA a través de un inversor que tiene una potencia CA máxima de 12 kW y una eficiencia europea del 95 %,", explicaron los investigadores, destacando que el control preparado para SG es capaz de interactuar con la red eléctrica y ajustar el funcionamiento del sistema en consecuencia. "Durante los períodos de alta carga de la red, el operador de la red puede apagar el funcionamiento de la bomba de calor para reducir la tensión de la red o, en el caso contrario, también puede realizar un encendido forzado".
Según la configuración del sistema propuesta, la energía fotovoltaica debe utilizarse inicialmente para las cargas de la casa, y el excedente debe suministrarse a la batería. El exceso de energía sólo podría exportarse a la red si el hogar no necesita electricidad y la batería está completamente cargada. Si ni la instalación fotovoltaica ni la batería son capaces de cubrir la demanda energética de la casa, se puede recurrir a la red eléctrica.
"El modo SG-Ready se activa cuando la batería está completamente cargada o se está cargando a su máxima potencia y todavía hay un excedente de fotovoltaica disponible", dijeron los académicos. "Por el contrario, la condición de activación se cumple cuando la potencia fotovoltaica instantánea permanece inferior a la demanda total del edificio durante al menos 10 minutos".
Su análisis consideró los niveles de autoconsumo, la fracción solar, la eficiencia de la bomba de calor y el impacto del sistema fotovoltaico y la batería en la eficiencia del rendimiento de la bomba de calor. Utilizaron datos de 1 minuto de alta resolución de enero a diciembre de 2022 y descubrieron que el control SG-Ready aumentaba las temperaturas de suministro de la bomba de calor en 4,1 K para el ACS. También comprobaron que el sistema logró un autoconsumo global del 42,9% durante el año, lo que se traduce en beneficios económicos para los propietarios.
"La demanda de electricidad para la [bomba de calor] se cubrió en un 36% con el sistema fotovoltaico/batería, en un 51% en el modo de agua caliente sanitaria y en un 28% en el modo de calefacción de espacios", explicó el equipo de investigación, añadiendo que las temperaturas más altas del fregadero redujeron la eficiencia de la bomba de calor en un 5,7% en modo ACS y en un 4,0% en modo calefacción.
"En el caso de la calefacción de espacios, también se encontró un efecto negativo del control inteligente", dijo Baraskar. “Debido al control SG-Ready, la bomba de calor funcionó en calefacción de espacios por encima de las temperaturas de referencia de calefacción. Esto se debió a que el control probablemente aumentó la temperatura establecida de almacenamiento y operó la bomba de calor aunque el calor no era necesario para calentar el espacio. También hay que tener en cuenta que las temperaturas de almacenamiento excesivamente altas pueden provocar mayores pérdidas de calor en el almacenamiento”.
Los científicos dijeron que en el futuro investigarán combinaciones adicionales de fotovoltaica y bomba de calor con diferentes conceptos de sistema y control.
"Cabe señalar que estos hallazgos son específicos de los sistemas evaluados individualmente y pueden variar mucho según las especificaciones del edificio y del sistema energético", concluyeron.
Hora de publicación: 13-nov-2023