Con el aumento de las facturas de energía, muchas personas están interesadas en deshacerse de los combustibles fósiles que se utilizan actualmente para calentar la mayoría de los hogares del Reino Unido. La cuestión es cómo lograrlo, ya que Margaret Harris explica la
En lo profundo de las losas de la iglesia medieval de la Abadía de Bath, una maravilla moderna con un toque antiguo hace sentir silenciosamente su presencia. Terminada en marzo de 2021, la abadía sistema de calefacción combina tuberías subterráneas con intercambiadores de calor ubicados a siete metros bajo la superficie. Allí, un desagüe construido hace casi 2000 años transporta cada día 1.1 millones de litros de agua a 40 °C desde una fuente termal natural hasta un complejo de antiguos baños romanos.
Al aprovechar este flujo de agua caliente, el sistema proporciona suficiente energía para calentar no sólo la abadía, sino también una hilera adyacente de cabañas georgianas utilizadas como oficinas. No es de extrañar que el rector de la abadía lo elogiara como "una solución sostenible para calentar nuestra hermosa iglesia histórica".
Pero eso no fue todo. Una vez que se pusieron en marcha los esfuerzos para descarbonizar la calefacción de la abadía, los funcionarios de la Proyecto de huella de la abadía de Bath de 19.4 millones de libras esterlinas dirigieron su atención a la electricidad del edificio. Como la mayoría de las iglesias, la abadía se extiende de este a oeste, dando a su techo una amplia orientación hacia el sur. En las latitudes del norte del Reino Unido, estos techos están bañados por la luz del sol durante gran parte del día, lo que los hace ideales para paneles solares fotovoltaicos (PV). La catedral de Gloucester, a una hora en coche al norte de Bath, ya ha aprovechado esta orientación favorable y se convirtió, en 2016, en la primera gran catedral antigua del Reino Unido en tener paneles solares instalados en su techo.
Para descubrir si una configuración similar podría ser adecuada en Bath Abbey, el proyecto Footprint trabajó con estudiantes de doctorado en la Universidad de Bath. Centro de Formación Doctoral (CDT) en Fotovoltaica Nueva y Sostenible. En un estudio de viabilidad publicado en Ciencias e Ingeniería Energéticas (2022 10 892), los estudiantes calcularon que un conjunto bien diseñado de paneles fotovoltaicos podría suministrar el 35.7% de la electricidad de la abadía, más el 4.6% que podría venderse a la red en los días en que se generara un excedente. La matriz se amortizaría sola en unos 13 años y generaría un beneficio total de £139,000 ± £12,000 durante su vida útil de 25 años.
Verdades
La instalación de paneles solares en el tejado de la Abadía de Bath sigue siendo, por ahora, sólo una idea. “Esta es una opción viable para el futuro, cuando sea el momento adecuado”, como dice el director del proyecto Footprint, Nathan Ward. Pero para muchas personas en todo el Reino Unido (propietarios de viviendas corrientes y custodios de edificios famosos), el momento está empezando a parecer muy urgente. Impulsados por la invasión rusa de Ucrania, la fuerte demanda mundial de gas y diversos factores locales, los precios de la energía han ido aumentando a niveles sin precedentes.
En las previsiones publicadas en agosto, la consultora Cornwall Insight contado que el hogar medio del Reino Unido podría gastar £355 al mes en energía en enero de 2023 si la situación no cambiara. La Garantía del Precio de la Energía del gobierno del Reino Unido, anunció en septiembre, proporcionó cierto alivio al subsidiar las facturas de energía. Aun así, entre octubre de 2021 y octubre de 2022, el precio unitario máximo que los proveedores de energía pueden cobrar a los hogares del Reino Unido aumentado sustancialmente, pasando de 7 peniques a 10.3 peniques por kilovatio-hora (kWh) para el gas y de 21 peniques a 34 peniques por kWh para la electricidad.
físico del baño alison caminante, directora del CDT, dice que el trabajo de su equipo era, en ese momento, Más bien una propuesta hipotética para demostrar que la abadía se tomaba en serio la reducción de su huella de carbono. Ahora, sin embargo, "el coste de la energía ha aumentado tan bruscamente que, si uno genera su propia energía, puede resultar mucho más barata y menos susceptible a las fluctuaciones de los precios de la energía, como las que hemos experimentado este año", afirma.
Para los propietarios de viviendas que desean reducir sus facturas de energía, su huella de carbono o ambas, los paneles solares se encuentran entre las formas más fáciles y económicas de hacerlo. Los paneles fotovoltaicos basados en silicio son una tecnología madura, su precio se ha desplomado en los últimos 10 años y su instalación en un tejado sólo lleva unos días. Pero como el apoyo gubernamental a las instalaciones solares ya no está disponible para los propietarios de viviendas, los costos iniciales son una barrera para muchos y los instaladores tienen largas listas de espera.
Peor aún, los paneles solares no son adecuados para todas las viviendas, ya sea por razones técnicas o por su aspecto. "En el Reino Unido somos muy conscientes de la estética de los edificios", dice mike paredes, físico de la Universidad de Loughborough Centro de Tecnología de Sistemas de Energía Renovable. "Hay algunos edificios, especialmente los antiguos, en los que la gente no colocaría paneles solares porque no tienen un buen aspecto o no encajan bien con el aspecto general". La jefa de proyectos de la Catedral de Gloucester, Anne Cranston, señala que su equipo tuvo que demostrar que los paneles serían "lo más 'sigilosos' posible" antes de que las autoridades de planificación los aceptaran.
En cualquier caso, colocar algunos paneles fotovoltaicos en el tejado rara vez es suficiente, por sí solo, para liberar a los hogares de su dependencia de los combustibles fósiles. Obviamente, el Sol no brilla por la noche, mientras que la insolación normal directa promedio (una medida de la energía del Sol por unidad de área) en el norte de Europa no es más que unos pocos kWh/m.2. Por lo tanto, incluso en los días más soleados del invierno, un típico sistema fotovoltaico en tejados del Reino Unido no producirá suficiente energía para calentar la casa que se encuentra debajo, como descubrí cuando instalé paneles solares en mi propia casa en febrero (consulte el recuadro “Una casa a la vez”). ”).
Si los paneles solares no son una respuesta completa, los propietarios de viviendas que quieran poner fin (o al menos reducir) su dependencia de los combustibles fósiles –y que carecen del conveniente suministro romano de agua caliente de Bath Abbey– deben encontrar otras soluciones. Una opción es deshacerse de las calderas tradicionales de gas y sustituirlas por sistemas de calefacción alternativos. De hecho, como parte del compromiso del gobierno del Reino Unido de lograr emisiones netas de carbono cero para 2050, a partir de 2025 ya no será legal instalar calderas de gas en viviendas de nueva construcción en el Reino Unido. Pero los esfuerzos para modernizar las instalaciones existentes avanzan lentamente. Entonces, ¿cómo vamos a hacer “verdes” el parque inmobiliario del Reino Unido?
Manteniendo el calor dentro
Los hogares del Reino Unido pierden calor hasta tres veces más rápido en promedio que los hogares de otros países europeos
Los expertos con los que hablé para este artículo coincidieron en un punto: todo sería mucho más fácil si las viviendas estuvieran mejor aisladas. "En realidad, la respuesta es aislamiento, aislamiento, aislamiento, porque esa es, con diferencia, la mejor manera de reducir los costos de energía", dice Walker. “A la eficiencia no se le presta la atención que debería recibir”, coincide zoe robinson, profesor de sostenibilidad en la Universidad de Keele.
Las cifras son aleccionadoras. Un 2020 estudio realizado por la empresa de tecnologías de calefacción inteligente Tado° descubrió que los hogares del Reino Unido pierden calor hasta tres veces más rápido en promedio que los hogares de otros países europeos. Utilizando datos recopilados de 80,000 clientes de toda Europa, los analistas de Tado° concluyeron que una casa en el Reino Unido con calefacción a 20 °C en un día de 0 °C pierde una media de tres grados después de cinco horas cuando la calefacción está apagada, en comparación con solo un grado para una casa en Alemania.
Este pobre desempeño se debe en parte a la antigüedad del parque inmobiliario del Reino Unido. Pero Laurie Pedro, un experto de Bath en el uso de energía solar para generar combustibles, dice que el problema también se extiende a los hogares más nuevos. "Los sucesivos gobiernos se han acobardado en términos de las regulaciones sobre la construcción de viviendas", argumenta, añadiendo que esto se aplica tanto a la huella de carbono general de una casa como a su uso de energía. "Todavía estamos más o menos donde estábamos en la época victoriana en términos de construcción de viviendas y aislamiento, lo cual, francamente, es una vergüenza".
Debido a esta combinación de edificios antiguos y regulaciones laxas, la mitad de los 28.5 millones de hogares en Inglaterra tienen el mismo aislamiento de paredes que Bath Abbey, es decir, ninguno. El doble acristalamiento es más común, pero según el informe 2020-2021 Encuesta de vivienda en inglés, el 14% de los hogares ingleses aún carecen de él. Peor aún, las tasas de modernización han caído de un precipicio. En el año 2012, unos 2.3 millones de viviendas tenían instalado nuevo aislamiento tipo loft, paredes huecas o paredes sólidas, pero esta cifra se redujo a menos de 200,000 por año después de que el gobierno reemplazó un exitoso programa de modernización con incentivos que resultaron menos efectivos.
Una casa a la vez
Vivo en una casa de dos físicos, así que cuando reemplazamos nuestra caldera de gas con una bomba de calor e instalamos paneles solares en nuestro techo, naturalmente tratamos la instalación como un experimento científico cuyos resultados podríamos monitorear con el tiempo. ¿Utilizaríamos menos energía? ¿Y haría alguna diferencia en nuestras facturas?
Nuestra casa adosada de ladrillo eduardiana es relativamente eficiente para su edad, con ventanas de doble acristalamiento y aislamiento de paredes huecas y tipo loft. Aun así, cambiar a una bomba de calor requirió preparación. Después de medir nuestras habitaciones y ventanas, los instaladores (una empresa de plomería local que también fabrica bombas de calor) calcularon que necesitaríamos una bomba de calor de 8 kW, un nuevo tanque de agua caliente de alta eficiencia y radiadores más largos y de doble ancho en cada cuarto.
La fuerte demanda puso a los instaladores en un calendario muy apretado, por lo que cuando nos ofrecieron un espacio a mediados de enero, aceptamos a pesar de que eso significaba no tener calefacción por hasta dos semanas (esto habría sido más difícil para hogares con niños pequeños o personas con discapacidades). ). La alta demanda y los problemas en la cadena de suministro también retrasaron la instalación de paneles solares hasta febrero. Pero una vez que se completó la modernización, funcionó a la perfección, como muestra este gráfico del uso de energía de la casa desde enero de 2021 hasta agosto de 2022.
La bomba de calor empezó a funcionar el 19 de enero. Durante el resto del invierno y principios de la primavera, el uso promedio diario de energía de nuestra casa (línea azul) fue aproximadamente la mitad que el del mismo período en 2021 (tenga en cuenta que el conjunto de datos de 2021 se basa en lecturas trimestrales o bimestrales, mientras que el uso de febrero de 2022 en adelante se registró semanalmente). Los paneles solares instalados el 3 de febrero tuvieron un efecto menor, en parte porque la falta de espacio y presupuesto para baterías significó que parte de la electricidad se exportara a la red (línea verde) en lugar de usarse en la casa (línea rosa). La casa también siguió importando electricidad (línea naranja) por las tardes, en los días nublados y en los períodos de alta demanda. Aún así, a finales de la primavera y principios del verano, la producción diaria promedio de los paneles excedía rutinariamente el uso diario promedio de la casa, un resultado alentador.
Los beneficios financieros son menos claros. La electricidad del Reino Unido proviene de una variedad de fuentes, incluidas energías renovables, gas, energía nuclear y (raramente) carbón, pero los precios de la electricidad están vinculados a la fuente más cara (actualmente el gas). Los precios de la electricidad en el Reino Unido también incluyen impuestos medioambientales que no se aplican al gas a pesar del mayor coste medioambiental de este último. Entonces, si bien nuestra casa usa menos energía, la energía que continúa importando es considerablemente más cara que el gas por unidad. La venta de electricidad procedente de paneles solares ayuda, al igual que una subvención para bombas de calor del (ahora cerrado) programa de Incentivos de Calor Renovable Doméstico del gobierno del Reino Unido, pero esta parte del problema tiene que ver en última instancia con la política, no con la física.
bombeo de calor
Además de cargar a los hogares con facturas de energía más altas y mayores emisiones de carbono, un aislamiento deficiente limita las opciones para cambiar la forma en que se calientan los hogares. Los planes del gobierno del Reino Unido para lograr emisiones netas de carbono cero dependen en gran medida de sustitución de calderas de gas natural por bombas de calor, con un objetivo de 19 millones de bombas de calor para 2050, frente a las alrededor de 250,000 actuales. Es una estrategia que, en algunos aspectos, tiene sentido.
Las bombas de calor funcionan según los mismos principios que los refrigeradores, excepto que extraen calor del aire o del suelo exterior para calentar el interior. Y gracias a las leyes de la termodinámica, son notablemente eficientes: por cada unidad de electricidad que absorben, expulsan de 3 a 4 unidades de calor (consulte el recuadro “Cómo funcionan las bombas de calor”). La tecnología también está comercialmente madura y los principales fabricantes, como Mitsubishi Electric y Daikin, producen una gama de modelos.
Desafortunadamente, ciertos aspectos de la actual configuración energética del Reino Unido obstaculizan el proceso. Yu Bin, ingeniero de la Universidad de Glasgow, resume la situación. "En el Reino Unido, la mayoría de nuestras casas están conectadas a una red de gas, por lo que nuestros sistemas de calefacción central están diseñados para calderas", explica. Al hacer circular agua a 60, 70 o incluso 80 °C, una caldera tradicional de gas natural puede mantener una casa calentita (aunque a un alto costo) incluso si los radiadores son pequeños y las paredes y el desván están mal aislados.
El rendimiento de una bomba de calor, por el contrario, depende de la diferencia de temperatura entre la fuente de la bomba de calor (como el aire exterior) y su suministro (el agua o el aire que circula alrededor del sistema de calefacción). Como explica Yu, si la brecha es grande, el rendimiento es bajo. Para lograr la mayor eficiencia energética, lo ideal sería que el suministro estuviera entre 35 y 45 °C.
Esto podría estar bien para sistemas de calefacción por suelo radiante como los que se utilizan en Bath Abbey. Pero el área de transferencia de calor de los radiadores de tamaño estándar rara vez es lo suficientemente grande como para mantener una habitación caliente si alrededor de ellos circula agua a una temperatura relativamente tibia de 45 °C. Como resultado, los ocupantes pueden terminar sintiendo un frío incómodo, lo que no es una buena noticia para cualquiera que haya gastado tiempo y energía arrancando su caldera de gas e instalando una bomba de calor.
Radiadores más grandes y un mejor aislamiento pueden solucionar este problema, por un precio. Según Yu, una bomba de calor de aire lo suficientemente potente como para calentar una casa adosada típica generalmente cuesta entre £ 3000 y £ 5000. Pero una instalación completa, incluida la modernización de los radiadores, puede costar más del doble, lo que hace que todo el proyecto sea entre cuatro y cinco veces más caro que instalar una nueva caldera. “Esa es una situación desafiante”, concluye.
Cómo funcionan las bombas de calor
A diferencia de los calentadores eléctricos estándar, que funcionan haciendo pasar corriente a través de un cable resistivo, las bombas de calor funcionan según los mismos principios termodinámicos que los refrigeradores. En su interior hay un fluido de trabajo como el difluorometano que se vaporiza a una temperatura y presión relativamente bajas. Esto permite que el fluido absorba calor incluso de fuentes de baja temperatura (Qfuente) como el suelo, el agua o el aire exterior en invierno.
Después de absorber calor, el fluido de trabajo se convierte en vapor y pasa a través de un compresor, que aumenta aún más su temperatura, y un condensador, que convierte el vapor tibio a alta presión en líquido. El calor liberado en este cambio de fase (Qsuministro) se transfiere luego a un sistema de calefacción central y luego al edificio mediante aire soplado a través de conductos o agua que circula a través de radiadores o tuberías bajo el suelo. Una vez que el fluido de trabajo ha liberado la mayor parte de su calor, se envía a través de una válvula de expansión, reduciendo su presión (y por lo tanto su temperatura) para que el ciclo pueda comenzar nuevamente.
Implementando hidrógeno
Una alternativa al cambio de calderas por bombas de calor podría ser cambiar el combustible de las calderas por hidrógeno. A diferencia del gas natural, el hidrógeno no libera dióxido de carbono cuando se quema y, en principio, puede producirse de forma respetuosa con el medio ambiente. Esta es la razón detrás de la recientemente terminada HyDeploy proyecto, en el que varios cientos de hogares del Reino Unido quemaron una mezcla de gas natural y hasta un 20% de hidrógeno en volumen.
El estudio piloto se diseñó para que la transición fuera lo más sencilla posible para los propietarios de viviendas. Afortunadamente, las calderas de gas modernas están diseñadas para soportar hasta un 25% de hidrógeno, por lo que pocas casas necesitaron modernización. Ambas fases del piloto se llevaron a cabo en áreas geográficas limitadas (cerca de la Universidad de Keele en Staffordshire y Winlaton en el noreste de Inglaterra), lo que permitió abordar las preocupaciones iniciales de los residentes sobre la seguridad y el costo de forma individual.
Robinson, que participa en HyDeploy como científica social en Keele, dice que hasta ahora, los datos de su encuesta indican un alto grado de aceptación pública. "A la mayoría de la gente realmente no le molesta tanto, sobre todo porque con el hidrógeno mezclado no tienen que hacer nada", afirma. "Solo pasa."
Esos son los puntos buenos. Estas son algunas de las desventajas. Las regulaciones del Reino Unido generalmente restringen la cantidad de hidrógeno en la red de gas a menos del 0.1%, por lo que implementar fracciones más altas requeriría un cambio de política. Otro problema es que el hidrógeno es mucho menos denso que el metano, lo que significa que mezclar un 20% de hidrógeno en volumen (no en masa) reduce las emisiones de carbono en sólo un 7%. Es más, aumentar aún más la fracción de hidrógeno requeriría no sólo nuevas calderas sino también tuberías de repuesto, ya que el hidrógeno en altas concentraciones hace que el acero se vuelva quebradizo.
Otro problema es que la mayor parte de los 87 millones de toneladas de hidrógeno que el mundo produce cada año provienen de la reformulación del metano con vapor, lo que hace que la tecnología sea “gris” en lugar de “verde”. La principal forma ecológica de producir hidrógeno es utilizar electricidad de fuentes renovables para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. Pero Peter, el experto en combustibles solares de Bath, dice que encontrar suficiente electricidad renovable para hacer esto a escala es complicado. "Si intentas generar todo eso mediante electrólisis generada por energía solar, es una tarea imposible", dice. "Simplemente no se puede hacer".
La vida en un mundo neutral en carbono
Peter señala que alrededor del 40% del hidrógeno mundial se utiliza actualmente para producir fertilizantes y gran parte del resto se destina a la refinación de petróleo. Ambas industrias son más difíciles de descarbonizar que el consumo doméstico de energía, y Peter sostiene que la quema de hidrógeno en los hogares tampoco tiene sentido logístico. “Generar hidrógeno 'verde' mediante electrólisis, enviarlo por la tubería y luego quemarlo, es energéticamente ineficiente en comparación con enviar electricidad 'verde' a tu casa”, explica. "No creo que el hidrógeno se convierta en un actor importante en términos de lo que sucede en tu casa".
A largo plazo, Robinson coincide en que el hidrógeno doméstico “no tiene sentido” en términos de eficiencia. Sin embargo, señala que instalar sistemas de calefacción alternativos llevará tiempo. "Uno de los problemas en este momento es que cuando la caldera de alguien falla, la respuesta será simplemente reemplazarla por otra caldera", dice. "Existe una brecha de habilidades en términos de ingenieros de calefacción y el asesoramiento que recibe la gente".
En opinión de Robinson, el hidrógeno podría actuar como un “trampolín”, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles hasta que las bombas de calor sean más baratas y más comunes. "Podría ser que [una vez] el hidrógeno mezclado cree ese mercado para la producción de hidrógeno verde, entonces se comience a utilizar hidrógeno verde en algún otro lugar del sistema energético". A este respecto, ve paralelos entre el hidrógeno verde y la energía eólica marina, que era costosa hasta que los países y los fabricantes comenzaron a invertir en ella, creando suficiente demanda para hacer bajar los precios.
De los sistemas de calefacción a los sistemas de energía
Además de las bombas de calor y el hidrógeno, algunas otras tecnologías podrían allanar el camino hacia hogares con bajas emisiones de carbono. Paneles fotovoltaicos de alta eficiencia que utilizan silicio cristalino y materiales conocidos como perovskitas en una estructura en tándem están previstos para entrar en producción comercial el próximo año, y Walker cree que tendrán un "impacto grave" en el costo de la energía solar. Walls está igualmente entusiasmado con la perspectiva de desarrollar paneles solares integrados para coches eléctricos y paneles que parezcan tejas estándar, para reducir las objeciones estéticas a la energía solar. "De todas las energías renovables, la fotovoltaica tiene más posibilidades de resultar atractiva a nivel residencial", afirma.
Otro área que atrae mucha innovación es el almacenamiento de energía. Muchas instalaciones solares domésticas ya incorporan baterías de litio para cuando está nublado u oscuro. El almacenamiento a mayor escala también es convirtiéndose en realidad, y la tecnología de bombas de calor tampoco se queda quieta. En Glasgow, Yu ha desarrollado una bomba nueva y flexible que incorpora un dispositivo de almacenamiento de calor entre el condensador y la válvula de expansión.
Este dispositivo toma parte del calor que de otro modo se perdería y lo pone a disposición para el funcionamiento de la bomba de calor. Por ejemplo, el calor auxiliar podría utilizarse para descongelar la unidad exterior de la bomba de calor, como suele ser necesario cuando la temperatura ambiente cae por debajo de unos 6 °C. En general, Yu cree que es factible una mejora del 10% en la eficiencia con su diseño, lo que cree que “marcaría una gran diferencia cuando se analiza el período de recuperación” de la instalación de bombas de calor.
Gracias a su almacenamiento de calor auxiliar durante el ciclo, la bomba de calor flexible también abriría otras posibilidades, como aprovechar el calor que desperdiciamos todos los días. “Por ejemplo, cuando nos duchamos”, observa Yu, “calentamos el agua a 70 u 80 grados, la mezclamos con agua fría para bajarla a 35-40 y luego sale de la ducha a 20-30. el calor que contiene simplemente se tira al desagüe”.
Un mejor enfoque podría ser considerar nuestros hogares como sistemas energéticos integrados. "Básicamente, intentas gestionar los flujos de energía en tu casa, calefacción y refrigeración", dice Yu. “Necesitas el frigorífico, necesitas el congelador, necesitas la caldera, necesitas el aire acondicionado: desperdicias mucho calor y luego extraes mucho calor del aire. ¿Por qué no integramos estos procesos?”
Sentando un precedente
En 2016, cuando las autoridades de planificación decretaron que la Catedral de Gloucester podría, después de todo, tener paneles solares en su techo, advirtieron al director del proyecto, Cranston, que la decisión no sentaba un precedente para otros edificios históricos. Seis años después, Cranston dice que “las cosas han cambiado significativamente” tanto en la autoridad de planificación como dentro de la Iglesia de Inglaterra. “NetZero deja claro el desafío que tenemos por delante”, afirma. "Los edificios patrimoniales tienen que desempeñar su papel".
En Bath, Ward destaca que el camino aún está abierto para que la abadía haga lo mismo. El sistema de calefacción geotérmica de inspiración romana de la iglesia es, dice, "muy visto como un primer paso para llevar a Bath hacia la huella de carbono cero", y el ayuntamiento y los organismos de conservación están ansiosos por buscar opciones adicionales. El complejo de baños romanos de la ciudad ya está instalando su propia versión del sistema de calefacción de la abadía, y Ward y su equipo están interesados en colocar paneles solares en el techo de sus oficinas.
"Hasta donde sabemos, actualmente no existen soluciones energéticas sostenibles en la ciudad, por lo que estamos en las primeras conversaciones con el ayuntamiento y otras partes interesadas para investigar qué tan rápido podríamos instalar un sistema", dice. "La esperanza es que podamos seguir colaborando para acelerar el progreso".
