Una nueva investigación del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar de Alemania (Fraunhofer ISE) 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 red eléctrica.
Los investigadores del Fraunhofer ISE han estudiado cómo se podrían combinar los sistemas fotovoltaicos en tejados residenciales con bombas de calor y almacenamiento de baterías.
Evaluaron el rendimiento de un sistema de bomba de calor fotovoltaica y batería basado en un control preparado para red inteligente (SG) en una casa unifamiliar construida en 1960 en Friburgo, Alemania.
“Se descubrió que el control inteligente mejoró el funcionamiento de la bomba de calor al aumentar las temperaturas programadas”, declaró el investigador Shubham Baraskar a pv magazine. “El control SG-Ready aumentó la temperatura de suministro en 4,1 Kelvin para la preparación de agua caliente, lo que a su vez redujo el factor de rendimiento estacional (FPS) en un 5,7 %, de 3,5 a 3,3. Además, para el modo de calefacción, el control inteligente redujo el FPS 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 sobre un período más largo con condiciones límite variables.
Baraskar y sus colegas explicaron sus hallazgos en “Análisis del rendimiento y funcionamiento de un sistema de bomba de calor de batería fotovoltaica basado en datos de medición de campo”, que se publicó recientemente enAvances en la energía solar.Dijeron que la principal ventaja de los sistemas de bomba de calor fotovoltaica consiste en su menor consumo de red y menores costos de electricidad.
El sistema de bomba de calor es una bomba de calor geotérmica de 13,9 kW diseñada con un acumulador de inercia para la calefacción. También cuenta con un depósito de almacenamiento y una estación de agua dulce para la producción de agua caliente sanitaria (ACS). Ambas unidades de almacenamiento están equipadas con calentadores auxiliares eléctricos.
El sistema fotovoltaico está orientado al sur y tiene una inclinación de 30 grados. Tiene una potencia de 12,3 kW y una superficie modular de 60 metros cuadrados. La batería está conectada a CC y tiene una capacidad de 11,7 kWh. La vivienda seleccionada tiene una superficie habitable con calefacción de 256 m² y una demanda anual de calefacción de 84,3 kWh/m²a.
“La energía de CC de las unidades fotovoltaicas y de batería se convierte en CA mediante un inversor con una potencia máxima de CA de 12 kW y una eficiencia europea del 95 %”, explicaron los investigadores, señalando que el control compatible con SG puede interactuar con la red eléctrica y ajustar el funcionamiento del sistema según corresponda. “Durante los períodos de alta carga de la red, el operador de red puede desactivar la bomba de calor para reducir la tensión de la red o, en caso contrario, forzar su activación”.
Según la configuración del sistema propuesta, la energía fotovoltaica debe utilizarse inicialmente para las cargas domésticas, y el excedente se suministra a la batería. El excedente de energía solo se puede exportar a la red eléctrica si el hogar no necesita electricidad y la batería está completamente cargada. Si ni el sistema fotovoltaico ni la batería pueden cubrir la demanda energética de la vivienda, 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 aún hay excedente fotovoltaico disponible”, explicaron los académicos. “Por el contrario, la condición de activación se cumple cuando la potencia fotovoltaica instantánea se mantiene por debajo de 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 el rendimiento de la bomba de calor. Utilizaron datos de alta resolución de 1 minuto de enero a diciembre de 2022 y descubrieron que el control SG-Ready aumentó la temperatura de suministro de la bomba de calor en 4,1 K para el ACS. También determinaron que el sistema alcanzó un autoconsumo general del 42,9 % durante el año, lo que se traduce en beneficios económicos para los propietarios.
“La demanda de electricidad de la [bomba de calor] se cubrió en un 36% con el sistema fotovoltaico/batería, en un 51% en modo de agua caliente sanitaria y en un 28% en modo de calefacción de espacios”, explicó el equipo de investigación, añadiendo que las temperaturas más altas del disipador redujeron la eficiencia de la bomba de calor en un 5,7% en modo de ACS y en un 4,0% en modo de calefacción de espacios.
“En el caso de la calefacción, también se detectó un efecto negativo del control inteligente”, afirmó Baraskar. “Debido al control SG-Ready, la bomba de calor funcionó en calefacción por encima de las temperaturas de consigna. Esto se debió probablemente a que el control aumentó la temperatura de consigna del acumulador y activó la bomba de calor aunque el calor no fuera necesario para la calefacción. También debe tenerse en cuenta que las temperaturas de almacenamiento excesivamente altas pueden provocar mayores pérdidas de calor por almacenamiento”.
Los científicos dijeron que en el futuro investigarán combinaciones adicionales de energía fotovoltaica y bombas de calor con diferentes conceptos de sistema y control.
“Cabe señalar que estos hallazgos son específicos para los sistemas individuales evaluados y pueden variar en gran medida según las especificaciones del edificio y del sistema energético”, concluyeron.
Hora de publicación: 13 de noviembre de 2023