Cómo combinar bombas de calor residenciales con energía fotovoltaica y almacenamiento en baterías

Investigadores del Fraunhofer ISE han estudiado cómo los sistemas fotovoltaicos residenciales sobre tejado podrían combinarse con bombas de calor y almacenamiento en baterías.

Evaluaron el rendimiento de un sistema FV-bomba de calor-batería basado en un control listo para smart-grid (SG) en una casa unifamiliar construida en 1960 en Friburgo, Alemania.

“Se comprobó que el control inteligente incrementaba el funcionamiento de la bomba de calor al aumentar las temperaturas de consigna”, 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 redujo el factor de rendimiento estacional (SPF, por sus siglas en inglés) en un 5,7%, de 3,5 a 3,3″. Además, para el modo de calefacción de espacios, el control inteligente disminuyó el SPF 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 a lo largo de un periodo más largo con condiciones límite variables.

Baraskar y sus colegas explicaron sus conclusiones en “Analysis of the performance and operation of a photovoltaic-battery heat pump system based on field measurement data” (Análisis del rendimiento y funcionamiento de un sistema de bomba de calor con baterías fotovoltaicas basado en datos de mediciones de campo), publicado recientemente en Solar Energy Advances. Afirmaron que la principal ventaja de los sistemas fotovoltaicos-bomba de calor consiste en 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 la calefacción de espacios. También cuenta con un acumulador y una estación de agua dulce para producir agua caliente sanitaria (ACS). Ambas unidades de almacenamiento están equipadas con calentadores eléctricos auxiliares.

El sistema fotovoltaico está orientado 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 en CC y tiene una capacidad de 11,7 kWh. La casa seleccionada tiene una superficie habitable calefactada de 256 m2 y una demanda anual de calefacción de 84,3 kWh/m²a.

“La corriente continua de las unidades fotovoltaicas y de baterías se convierte en alterna mediante un inversor con una potencia máxima de 12 kW y una eficiencia europea del 95 %”, explican los investigadores, que señalan que el control SG-ready es capaz de interactuar con la red eléctrica y ajustar el funcionamiento del sistema en consecuencia. “Durante los periodos 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 también puede someterse a un encendido forzado en el caso contrario”.

Con la configuración del sistema propuesta, la energía fotovoltaica debe utilizarse inicialmente para las cargas de la casa, y el excedente se suministra a la batería. La energía sobrante sólo podría exportarse a la red si la casa no necesita electricidad y la batería está completamente cargada. Si tanto el sistema fotovoltaico como la batería no 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 aún hay excedente fotovoltaico disponible”, explican los académicos. “A la inversa, la condición de desactivación se cumple cuando la potencia fotovoltaica instantánea sigue siendo inferior a la demanda total del edificio durante al menos 10 minutos”.

Su análisis tuvo en cuenta 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 alta resolución de 1 minuto 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 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 de las viviendas.

“La demanda de electricidad de 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”, explicó el equipo de investigación, que añadió que las temperaturas más altas del sumidero redujeron la eficiencia de la bomba de calor en un 5,7% en el modo de agua caliente sanitaria y en un 4,0% en el modo de calefacción.

“También se observó un efecto negativo del control inteligente en la calefacción”, dijo Baraskar. “Debido al control SG-Ready, la bomba de calor funcionó en calefacción por encima de las temperaturas de consigna de calefacción. Esto se debió a que el control probablemente aumentó la temperatura de consigna de almacenamiento y puso en funcionamiento la bomba de calor aunque el calor no fuera necesario para la calefacción. También hay que tener en cuenta que unas temperaturas de almacenamiento excesivamente altas pueden provocar mayores pérdidas de calor de almacenamiento”.

Los científicos afirmaron que en el futuro investigarán otras combinaciones FV/bomba de calor con distintos conceptos de sistema y control.

“Hay que tener en cuenta que estos resultados son específicos para los sistemas individuales evaluados y pueden variar mucho en función de las especificaciones del edificio y del sistema energético”, concluyeron.