Alemania. Fraunhofer ha dado un gran paso hacia el desarrollo de bombas de calor en estado sólido altamente eficientes y sin compresores.
Con la reciente finalización del proyecto de investigación ElKaWe, los investigadores han logrado avances significativos en el diseño de materiales y sistemas, estableciendo los primeros demostradores electrocalóricos para mostrar el enorme potencial de esta tecnología.
La demanda mundial de sistemas de refrigeración y aire acondicionado crece rápidamente. Actualmente, la mayoría de las bombas de calor funcionan con compresores y se utilizan tanto para calefacción como para refrigeración. Si bien pueden desempeñar un papel clave en la transición energética cuando se alimentan con electricidad de fuentes renovables, el uso de refrigerantes químicos sigue representando un desafío ambiental.
Con el proyecto ElKaWe (siglas en alemán de "bomba de calor electrocalórica"), seis institutos de Fraunhofer han desarrollado un concepto innovador: bombas de calor en estado sólido basadas en materiales electrocalóricos. Estos sistemas eliminan la necesidad de refrigerantes perjudiciales y, además, tienen el potencial de ser más eficientes que los sistemas basados en compresores.
“ElKaWe ha generado un gran avance en términos de materiales, componentes electrónicos y transferencia de calor. Aunque aún queda un largo camino por recorrer, estos avances son pasos prometedores hacia la comercialización”, explicó el Dr. Kilian Bartholomé, director del proyecto en Fraunhofer IPM.
Materiales electrocalóricos: avances en polímeros, cerámicas y materiales híbridos
El material electrocalórico es clave para el desarrollo de bombas de calor eficientes y duraderas. Durante el proyecto, el consorcio investigó diversas opciones:
- Un equipo del Fraunhofer IAP diseñó películas poliméricas electrocalóricas ultradelgadas con alta resistencia dieléctrica, capaces de formar componentes de hasta diez capas, estableciendo nuevos estándares internacionales.
- El Fraunhofer IKTS desarrolló componentes cerámicos multicapa basados en PMN-PT (niobato de magnesio y plomo/titanato de plomo), que cumplen con exigentes requisitos de resistencia dieléctrica y frecuencia de operación.
- Ensayos a largo plazo demostraron la gran estabilidad de estos materiales: después de 70 millones de ciclos, no se detectaron cambios en su efecto electrocalórico.
- Se identificó un material cerámico prometedor, el titanato de bario-estroncio-estaño (BSSnT), libre de plomo y compatible con las normativas ambientales RoHS.
Transferencia de calor eficiente sin refrigerantes nocivos
Uno de los principales desafíos de las bombas de calor electrocalóricas ha sido la disipación rápida del calor. Para mejorar la eficiencia del sistema, el equipo de Fraunhofer empleó tubos de calor elastocalóricos activos (AEH, por sus siglas en inglés).
Esta innovadora tecnología permite la transferencia de calor latente mediante la evaporación y condensación de un fluido sobre el material calórico. A diferencia de las bombas de calor convencionales, que requieren refrigerantes químicos, en este caso se utilizaron etanol y agua, soluciones más ecológicas y sostenibles.
Dentro del proyecto ElKaWe, el Fraunhofer IPM integró por primera vez su diseño patentado de AEH en un sistema electrocalórico. Este enfoque permite que el fluido evapore y condense hasta diez veces por segundo, aumentando drásticamente la eficiencia de transferencia térmica.
El Fraunhofer FEP desarrolló capas súper hidrofílicas que optimizan la evaporación y aseguran un rendimiento estable a largo plazo.
Para evitar descargas eléctricas, el Fraunhofer LBF diseñó un sistema de incrustación de electrodos en resina epoxi dentro de los segmentos electrocalóricos.
Control eléctrico avanzado para una mayor eficiencia
El rendimiento de las bombas de calor electrocalóricas también depende de su sistema de control eléctrico. Durante el proyecto ElKaWe, investigadores del Fraunhofer IAF diseñaron un circuito específico para este tipo de bombas de calor.
El convertidor GaN de nivel múltiple DC/DC, desarrollado dentro del proyecto, logró una eficiencia eléctrica del 99.74%, estableciendo un nuevo récord global en eficiencia de conversión, que anteriormente se encontraba por debajo del 90%.
Una tecnología con potencial disruptivo
Los investigadores desarrollaron y probaron tres sistemas demostradores con hasta cuatro segmentos electrocalóricos cada uno. Las pruebas confirmaron que todos los componentes funcionan en conjunto y logran el rendimiento esperado.
Las simulaciones indican que la eficiencia de estas bombas de calor, con los materiales actuales, ya es comparable a la de los sistemas con compresores. Además, el análisis de diferentes tipos de materiales sugiere un alto potencial de mejora en el coeficiente de rendimiento.
“El equipo interdisciplinario trabajó de manera excepcional, resolviendo cuestiones clave. Se ha demostrado claramente el gran potencial de la tecnología electrocalórica”, afirmó Christian Vogel, miembro del comité asesor del proyecto.
ElKaWe marca un avance importante hacia una nueva generación de bombas de calor sin compresores, más eficientes y amigables con el medio ambiente.
