¿Están preparadas las bombas de calor residenciales para los refrigerantes naturales?

Me cuestiono si la pregunta del título es la más adecuada o si, por el contrario, sería la siguiente: ¿están los refrigerantes naturales preparados para las bombas de calor residenciales? Cualquiera que sea la pregunta, lo que sí puedo anticipar es que, a día de hoy, no hay una respuesta unánime.

Bombas de calor, claves en la descarbonización

Claramente, las bombas de calor eléctricas son actualmente la mejor solución para descarbonizar la calefacción mediante la sustitución de las calderas de combustibles fósiles. En concreto, la intensidad de carbono de las bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas es de 0,111 y 0,097 kg CO₂e, respectivamente, mientras que la intensidad de la caldera de gas es de 0,241 kg CO₂e¹. 

En general, se ha estimado que cambiar las calderas de combustibles fósiles a bombas de calor eléctricas reduce el consumo final de energía en los edificios en más de un 66%². Teniendo en cuenta que se prevé que el 40% de todos los edificios residenciales se calentarán con electricidad en 2030³, la contribución de las bombas de calor en los objetivos de cero emisiones netas será muy relevante.

El desarrollo tecnológico puede jugar un papel clave para aumentar el rendimiento de las bombas de calor de CO₂ y extender su uso, como ya sucedió con otras aplicaciones como los sistemas
en supermercados

Las emisiones de CO₂ de las bombas de calor se pueden reducir aún más mediante la digitalización, las energías renovables y los refrigerantes de bajo PCA. Esto último preocupa especialmente a los fabricantes de bombas de calor, ya que un cambio de refrigerante supone mucho más que un cambio de fluido, sobre todo si se trata de un refrigerante natural.

La transición a refrigerantes de bajo PCA en el sector HVAC/R está en curso, pero la mayoría de las bombas de calor en el mercado todavía funcionan con refrigerantes de alto PAC. Por ejemplo, el 80% de las bombas de calor vendidas en 2019 contenían el refrigerante R-410A (PCA=2088) y el segundo refrigerante más común fue el R-134A (PCA=1430), según BSRIA⁴. Los otros refrigerantes en uso son el R-32 (PCA=675), junto con algunas mezclas de HFC/HFO, y el R-290 (propano, PCA=3)⁴.

Los refrigerantes naturales…
¿serán la única opción en Europa?

Existen diferentes factores que pueden acelerar o ralentizar el uso de refrigerantes naturales para bombas de calor en Europa, pero la normativa probablemente será la clave.

Por un lado, debe tenerse en cuenta que, aunque el sector de las bombas de calor se ha visto influido por el aumento de los precios de los refrigerantes de alto PCA provocado por la reducción de la cuota en la normativa F-gas, la versión actual de la normativa no incluye ningún límite de PCA para esta aplicación.

Es muy probable que cambie este escenario a partir de la próxima revisión de la F-gas, cuya propuesta se espera para abril/mayo de este año. De hecho, el informe de evaluación para modificar la F-gas publicado el pasado 5 de mayo incluye dos límites de PCA para equipos estacionarios de aire acondicionado y bombas de calor:

• Aparatos con capacidad nominal de hasta 12 kW: no se permitirán gases fluorados de efecto invernadero con un PCA igual o superior a 150.
• Aparatos con capacidad nominal superior a 12 kW: no se permitirán gases fluorados de efecto invernadero con un PCA igual o superior a 150.

El primer límite dejaría fuera el R-32, un refrigerante muy común hoy en día en las nuevas bombas de calor, por lo que la única opción sería el uso de refrigerantes de muy bajo PCA, en su mayoría refrigerantes naturales. Teniendo en cuenta que la cuota de mercado de las bombas de calor con una capacidad inferior a 12 kW es dominante en la mayoría de los países europeos, como se muestra en el siguiente gráfico³, el impacto de esta medida de gases fluorados (si se confirma) sería enorme.

en torno al 2% de las bombas de calor instaladas (entre 200.000 y 220.000 unidades) utilizan propano como refrigerante, principalmente para aplicaciones domésticas

A esto hay que añadir otro factor que podría influir en el tipo de refrigerante para bombas de calor en los próximos años. En julio de 2021, los Países Bajos, junto con Alemania, Noruega, Suecia y Dinamarca, presentaron conjuntamente a REACH una propuesta para prohibir una amplia gama de PFAS debido a sus efectos nocivos para el medio ambiente y la salud. 

La mayoría de los refrigerantes HFC y HFO se clasifican como PFAS (sustancias perfluoroalquiladas) por su estructura molecular. Esto significa que, si se acepta la propuesta, se prohibiría el uso de estos refrigerantes (con algunas excepciones para los aparatos donde no haya una alternativa viable).

¿Es fácil desarrollar una bomba de calor con propano?

Entre los refrigerantes naturales, el candidato más probable es el R-290 (propano), que ya utilizan algunos fabricantes. En particular, aproximadamente el 2% de las bombas de calor instaladas (entre 200.000 y 220.000 unidades) utilizan propano como refrigerante, principalmente para aplicaciones domésticas⁶.

El uso de propano trae consigo el desafío de la inflamabilidad y, con ello, el uso de normas de seguridad. La norma IEC 60335-2-40 es la normativa de seguridad de productos para bombas de calor eléctricas, aires acondicionados y deshumidificadores. La última versión publicada a nivel internacional (Edición 6.0) incluye requisitos más estrictos para refrigerantes A3, como el propano, que para refrigerantes A2L, como el R-32.

Las bombas de calor eléctricas son hoy la mejor solución para descarbonizar la calefacción mediante la sustitución de calderas de combustibles fósiles

En concreto, los límites de carga de refrigerante para propano, según la directiva IEC 60335-2-40 (Edición 6.0), se pueden resumir en:

• Hasta 150 gramos sin límite de tamaño de la habitación donde se instalada la unidad
• Hasta 1 kg con límite de tamaño de habitación:

A_min=(m_c/(2.5×(LFL)^5/4×h₀))²   no menos que: A_min=m_c/(0.75×LFL×h₀)

Donde A_min=área mínima; m_c=carga de refrigerante; LFL: Límite Inferior de Inflamabilidad; h₀=altura de descarga (distancia vertical en metros desde el suelo hasta el punto de descarga donde está instalado el aparato). Por ejemplo, para 1 kg de propano, la superficie mínima de la habitación donde se ubicará la bomba de calor es de 117 m².

• Hasta 5 kg con ventilación mecánica o sistemas exteriores/indirectos.

En cuanto al uso de menos de 150 g de refrigerante, se han desarrollado sistemas de propano de baja carga que reducen drásticamente la carga de refrigerante. Esto, sin embargo, significa un cambio en el diseño con innovadores intercambiadores de calor como los de tubos con microaletas⁷.

Si se decide utilizar de 150 gr a 1 kg de propano, se tendrá en cuenta el tamaño de la habitación donde se ubicará la bomba de calor. En el caso de bombas de calor residenciales, una habitación de 20 m² donde se pueda ubicar la bomba de calor (por ejemplo, un garaje), permitiría una carga de 410 g. En la mayoría de los casos, esta cantidad de refrigerante puede ser suficiente.

Las otras opciones deben evaluarse desde el punto de vista técnico y económico: ventilación mecánica (por ejemplo, se necesita un sensor para detectar una fuga si la ventilación está funcionando continuamente); sistemas externos o indirectos (se debe tener en cuenta la pérdida de eficiencia). Recientemente, la revista energies ha publicado un artículo en el que se evidenciaba que los beneficios e inconvenientes de los sistemas directos e indirectos en relación con la carga y las capacidades aún no se entienden por completo⁷.

Hay un grupo de trabajo internacional que ya está preparando una nueva edición de la norma IEC 60335-2-40, la cual permitiría el uso de cargas más altas de cualquier refrigerante inflamable en nuevos equipos diseñados con medidas de seguridad adicionales. Según la información que se ha dado a conocer, el límite de carga dependerá de las medidas de seguridad que se adopten. Por lo tanto, la Edición 7.0 de esta norma debería facilitar el uso de refrigerantes A3 con respecto a la Edición 6.0.

Sin embargo, la versión EN de la Edición 6.0 aún no se ha aprobado en Europa (se espera que se apruebe este año), por lo que llevará cierto tiempo que la versión EN de la Edición 7.0 entre en vigor.

¿Y el CO₂?

El uso del refrigerante R-744 (CO₂) también ha sido evaluado por algunos fabricantes de bombas de calor. Ya ampliamente utilizado en calentadores de agua y bombas de calor en automóviles, el CO₂ es el único refrigerante natural que no es inflamable.

Sin embargo, entre otras cuestiones, es importante comprender en cada caso si la disminución de las emisiones directas compensa las emisiones indirectas adicionales. El desarrollo tecnológico puede jugar un papel muy importante para aumentar el rendimiento de las bombas de calor de CO₂ y extender su uso, como ya sucedió en el pasado con otras aplicaciones como los sistemas en supermercados.

Las emisiones de CO₂ 
de las bombas de calor se pueden reducir mediante la digitalización,
las renovables
y los refrigerantes
de bajo PCA

En este contexto, existe un interesante debate sobre si se debe poner el foco en la sustitución de calderas por bombas de calor independientemente del refrigerante, o si esto debe ir de la mano del desarrollo de soluciones sostenibles para el uso de refrigerantes naturales.

Durante este año, debería haber muchas pistas para entender qué es lo que sucederá durante el resto de esta década con las bombas de calor: desde la revisión de la F-gas hasta la aprobación o no de la propuesta de prohibición de PFAS. 

También será relevante la aprobación en Europa de la Edición 6.0 de la norma IEC 60335-2-40. Lo que está claro es que las barreras impuestas a las bombas de calor deben poder superarse para no ralentizar la sustitución de las calderas de combustibles fósiles por bombas de calor.

Referencias

1. Sevindik, S.; Spataru, C.; Domenech Aparisi, T.; Bleischwitz, R.A Comparative Environmental Assessment of Heat Pumps and Gas Boilers towards a Circular Economy in the UK. Energies 2021, 14, 3027. https://doi.org/10.3390/en14113027.
2. https://www.elettricitafutura.it/public/editor/Europa/2021/Final_the_lights_will_stay_on_with_50_million_heat_pumps.pdf.

3. Nowak, T., Westring, P., European Heat Pump Market and Statistics, Report 2021.
4. https://www.bsria.com/uk/news/article/bsrias_view_on_refrigerant_trends_in_ac_and_heat_pump_segments/.

5. Öko-Institut e.V., Ricardo, Öko-Recherche, Evaluation and impact assessment for amending Regulation (EU) No 517/2014 on fluorinated greenhouse gases, Briefing paper for the stakeholder workshop: Preliminary findings, 6 May 2021.
6. Williams, A., Home propane heat pumps take off at ISH, hydrocarbons21, 2019.
7. Allymehr, E.; Skaugen, G;Will, T.; Pardiñas, Á.Á.; Eikevik, T.M.; Hafner, A.; Schnabel, L. Numerical Study of Hydrocarbon Charge Reduction Methods in HVAC Heat Exchangers. Energies 2021, 14, 4480. https://doi.org/10.3390/en14154480.