La ingeniera industrial Irantzu Erro Iturralde ha desarrollado en su tesis doctoral en la Universidad Pública de Navarra (UPNA) un sistema de bomba de calor termoeléctrica de alta eficiencia orientado a aplicaciones de calefacción. El trabajo se centra en mejorar la conversión de energía eléctrica en calor mediante intercambiadores de alta eficiencia basados en cambio de fase, materiales que liberan calor al modificar su estado.
La investigación ha sido dirigida por el catedrático David Astrain Ulibarrena y la profesora Patricia Aranguren Garacochea, ambos investigadores del Instituto de Smart Cities de la UPNA. La tesis aborda el papel del almacenamiento de energía térmica en un contexto de mayor integración de renovables, cuya intermitencia exige sistemas capaces de acumular excedentes y utilizarlos después como calor o reconvertirlos en electricidad.
Bomba de calor termoeléctrica para almacenamiento térmico
El trabajo plantea la necesidad de sistemas eficientes de conversión de energía power-to-heat para impulsar el almacenamiento térmico. En este marco, la tecnología termoeléctrica permite desarrollar bombas de calor modulares y sin refrigerantes, una característica relevante frente a otras soluciones de calefacción. La tesis se orienta a aplicaciones de alta temperatura, un ámbito en el que las configuraciones termoeléctricas de dos etapas pueden ofrecer mejores resultados que las de una sola etapa cuando existen grandes diferencias térmicas.
La investigación partió del desarrollo y comparación de dos prototipos de bombas de calor termoeléctricas de dos etapas destinados a calentar un flujo de aire. Ambos incorporaban intercambiadores intermedios distintos: uno monofásico y otro de cambio de fase. El intercambiador de cambio de fase redujo de forma significativa la resistencia térmica, con un aumento superior al 16% en el flujo de calor suministrado al aire y una reducción de más del 6% en el consumo eléctrico del sistema.
Posteriormente, la autora llevó a cabo un estudio de sensibilidad para analizar el comportamiento de diferentes configuraciones de bombas de calor termoeléctricas. Los resultados indicaron que las arquitecturas de dos etapas son necesarias para alcanzar temperaturas elevadas y altos flujos de calor, mientras que las soluciones de una etapa presentan mejor rendimiento en condiciones de baja temperatura.
Modelo computacional y validación experimental
A partir de los ensayos experimentales, la tesis evaluó la aplicación de una bomba de calor termoeléctrica optimizada en el proceso de carga de un sistema de almacenamiento de energía térmica. Además, se desarrolló un modelo computacional basado en la analogía térmico-eléctrica y en el método de diferencias finitas, concebido para simular con precisión el comportamiento de bombas de calor termoeléctricas de dos etapas. La herramienta fue validada mediante la comparación con resultados experimentales.
En la fase final, se construyó un sistema optimizado de bomba de calor termoeléctrica para su instalación en un sistema real de almacenamiento térmico. Los ensayos modificaron el caudal de aire, la tensión de alimentación del sistema termoeléctrico y la temperatura de almacenamiento. La investigación constató que un mayor caudal de aire incrementa la eficiencia de la bomba de calor termoeléctrica.
Con un caudal de aire de 23 m³/h y una temperatura de almacenamiento de 120 °C, el sistema termoeléctrico logró una mejora del 30% en la conversión de potencia a calor frente a un proceso convencional con resistencias eléctricas. Asimismo, su integración en un sistema descentralizado de cogeneración de calor y electricidad alcanzó eficiencias del 112,6%, con una producción de 1,126 kW de potencia útil térmica y eléctrica por cada kW eléctrico excedente procedente de energías renovables.