Ahora es el momento de apostar por las bombas de calor

Jun 15, 2023

Reemplazar los electrodomésticos que queman combustibles fósiles por alternativas eléctricas de alto rendimiento es crucial para alcanzar nuestros objetivos climáticos, sanitarios y económicos. Sin embargo, los datos más recientes muestran que Estados Unidos todavía no está logrando avances significativos y las emisiones de los edificios se mantienen estables durante décadas. En total, en 2021, el uso de gas o fueloil para calefacción, agua caliente y cocinar representó más del 10 por ciento de las emisiones de carbono de Estados Unidos.

A medida que los incentivos federales del proyecto de ley climático de 2022, la Ley de Reducción de la Inflación, comiencen a implementarse, más estadounidenses que nunca podrán electrificar diferentes partes de sus vidas, desde el transporte hasta la calefacción del hogar. Para este artículo, nos centramos en uno de los aparatos de calefacción y refrigeración limpios más eficientes: la bomba de calor de aire, que proporciona de dos a cuatro veces más energía de calefacción que la electricidad que consume.

Y las bombas de calor están teniendo su momento de protagonismo. Las bombas de calor, que antes se utilizaban principalmente en climas cálidos, se vendieron más que las calderas de gas por primera vez el año pasado y los estados más fríos como Maine están liderando el camino en instalaciones domésticas.

Pero los escépticos se preguntan: ¿puede realmente una bomba de calor reducir las emisiones de un edificio a lo largo de su vida útil, incluso en los climas más fríos? ¿Y pueden reducirlos el primer año, incluso si una empresa de servicios públicos sigue utilizando principalmente combustibles fósiles como carbón, gas y petróleo para generar electricidad?

Para responder a estas preguntas, RMI publicó un análisis actualizado que examina los 48 estados más bajos, centrándose en los dos usos directos más importantes de combustibles fósiles en edificios: calefacción de espacios y calentamiento de agua. Comparamos las calderas y calentadores de agua a gas con alternativas eléctricas fácilmente disponibles: bombas de calor de aire y calentadores de agua con bomba de calor. Las intensidades de las emisiones de la red se extrajeron de los conjuntos de datos Cambium de 2022 del NREL, tercera edición anual. Este análisis utiliza el escenario intermedio, que incluye políticas estatales y federales actualmente promulgadas, incluidas importantes disposiciones del sector eléctrico de la Ley de Reducción de la Inflación de 2022, y estimaciones centrales de reducciones de costos de tecnología.

Los resultados apuntan a reducciones significativas de las emisiones de calefacción de espacios. En los 48 estados continentales, reemplazar una caldera de gas por una bomba de calor reducirá las emisiones durante el primer año de instalación y durante los 15 años de vida útil del producto. En estados de todo el país, desde Florida hasta Michigan y California, las bombas de calor reducen las emisiones a lo largo de su vida útil hasta en un 93 por ciento en comparación con las calderas de gas. Los beneficios de las emisiones de las bombas de calor de fuente de aire surgen de la alta eficiencia del equipo y de las reducciones en la intensidad de carbono de la electricidad a lo largo del tiempo a medida que más energías renovables ingresan a la red.

En los 48 estados continentales, reemplazar una caldera de gas por una bomba de calor reducirá las emisiones durante el primer año de instalación.

La tecnología de las bombas de calor ha mejorado significativamente en los últimos años. Incluso teniendo en cuenta la eficiencia reducida en climas extremadamente fríos, nuestro análisis encuentra que las bombas de calor modernas de fuente de aire son más del doble de eficientes que las calderas de gas. Calculamos la eficiencia operativa de la bomba de calor durante todo el año para la ciudad más poblada de cada estado combinando las condiciones climáticas horarias históricas con el rendimiento de las bombas de calor modernas y fácilmente disponibles. Nuestro análisis ajustó la eficiencia de la bomba de calor para tener en cuenta el calor de resistencia eléctrica de respaldo cuando y donde se necesita, en raras ocasiones y durante días muy fríos. Por ejemplo, en Fargo, Dakota del Norte, donde las temperaturas ocasionalmente caen por debajo de -20 °F en invierno, se necesita calefacción de respaldo para aproximadamente el once por ciento de la carga de calefacción anual.

El siguiente gráfico muestra el coeficiente de rendimiento (COP) esperado de la bomba de calor, que es un promedio ponderado de la eficiencia diaria de la bomba de calor por grados día de calefacción. Un COP de 1 significa que el sistema es 100 por ciento eficiente: la energía de calefacción equivale al consumo de electricidad. Un COP de 2 significa que por cada kWh de electricidad que consume una bomba de calor, entrega 2 kWh equivalentes de calor.

Las bombas de calor variaron entre 2,2 y 4,5 veces más eficientes que una caldera de gas EPA ENERGY STAR anualmente, y en ningún clima una bomba de calor tuvo una eficiencia inferior al 200 por ciento (COP de 2). La eficiencia fue mayor en lugares con inviernos suaves, como California, Tennessee y Arizona. Sin embargo, las bombas de calor también eran más eficientes energéticamente que las calderas de gas en climas fríos como Colorado, Minnesota y Wisconsin. Este análisis no tuvo en cuenta las bombas de calor geotérmicas o de fuente terrestre. Un análisis separado de RMI indica que dichos sistemas pueden alcanzar COP de hasta 5 con mayores reducciones de emisiones que las bombas de calor de fuente de aire.

El rendimiento de la bomba de calor seguirá mejorando. Considere los compresores de velocidad variable accionados por inversor. Las bombas de calor de velocidad variable accionadas por inversor aumentan la velocidad del compresor para mejorar la capacidad de calefacción a medida que baja la temperatura exterior. Las pruebas de campo realizadas por el Electric Power Field Institute encontraron que las bombas de calor de velocidad variable podían satisfacer el 100 por ciento de las necesidades de calefacción del hogar en condiciones de 0°F.

El Departamento de Energía ha lanzado con éxito el Desafío de bombas de calor para climas fríos. El Desafío, iniciado en 2021, es un esfuerzo de múltiples partes interesadas para desarrollar e implementar bombas de calor para climas fríos de próxima generación. En 2022 se produjo un gran avance con el anuncio de una bomba de calor de próxima generación del productor Lennox. El prototipo ofrece un calentamiento del 100 por ciento a 5 °F y de un 70 a 80 por ciento a –10 °F. El prototipo se validará y se implementará y comercializará con miras a 2024. Prototipos adicionales de otros fabricantes están mostrando resultados igualmente impresionantes, incluidas las unidades de hipercalor de Mitsubishi que tienen una capacidad de calentamiento del 80 por ciento a -13 °F.

Si bien el rendimiento de la bomba de calor seguirá mejorando, el rendimiento de las calderas de gas está limitado por las leyes de la física. Los hornos de gas estándar generalmente se venden con una eficiencia de alrededor del 80-90 por ciento, y los modelos de alta eficiencia alcanzan hasta el 99 por ciento. Termodinámicamente, ningún horno de combustión directa puede alcanzar una eficiencia superior al 100 por ciento en la conversión de combustible (gas natural) en calor. Como se explica en Clean Energy 101: Heat Pumps, las bombas de calor se diferencian en que simplemente mueven el calor en lugar de crearlo, lo que les permite alcanzar niveles mucho mayores de eficiencia.

Las emisiones asociadas con el funcionamiento de una bomba de calor están determinadas por las emisiones de la generación de electricidad. Independientemente de la eficiencia de la bomba de calor, si la electricidad utilizada para alimentarla proviene de fuentes con elevadas emisiones, como el carbón, habrá elevadas emisiones asociadas.

Afortunadamente, la red se ha vuelto más limpia con el tiempo. Los gráficos a continuación representan la intensidad de emisiones de la red eléctrica en 2016 y 2021.

Los estados donde las emisiones de la red no mejoraron significativamente se encuentran en el noroeste del Pacífico (estados que ya tienen la intensidad de emisiones más baja del país). Allí, una importante capacidad energética se deriva de la generación de energía hidroeléctrica, una fuente de electricidad libre de carbono. Dos estados con algunas de las mayores mejoras en la intensidad de las emisiones son Utah y Wyoming. En particular, estos estados fueron los únicos dos en el análisis anterior donde una bomba de calor para calefacción de espacios no habría reducido las emisiones en comparación con una caldera de gas. Las políticas a nivel nacional y estatal, como la HB 411 en Utah, están impulsando reducciones de emisiones en nuestra red eléctrica y mejorando las perspectivas de las bombas de calor para calefacción de espacios.

El resultado para las calderas de gas es diferente. Para un horno de gas, las emisiones siempre serán aproximadamente una libra de dióxido de carbono por cada 10 pies cúbicos de gas quemado, cada año, mientras se use el horno. Como resultado, las emisiones de las bombas de calor han mejorado desde la última vez que se realizó este análisis, mientras que las emisiones de gases permanecen estancadas.

El calentamiento de agua es una aplicación común de la combustión de gas natural en los hogares. Afortunadamente, las bombas de calor y sus beneficios en eficiencia y emisiones se extienden a la capacidad de calentar agua. Nuestro análisis muestra que reemplazar los calentadores de agua a gas por calentadores de agua con bomba de calor reducirá las emisiones en todos los estados durante la vida útil del equipo.

Estos resultados envían un mensaje poderoso: instalar una bomba de calor de fuente de aire o un calentador de agua con bomba de calor HOY en lugar de una alternativa de combustible fósil, reduce las emisiones de carbono en TODOS los estados, desde el primer día, y durante la vida útil de los electrodomésticos.

A medida que las bombas de calor se utilizan como el sistema elegido para lograr un confort hogareño sostenible, los responsables de la toma de decisiones deben garantizar que las poblaciones de bajos ingresos no se queden atrás. Actualmente, los hogares de bajos ingresos se calientan utilizando combustibles fósiles en una proporción mayor que el promedio nacional.

Además de los beneficios de emisiones asociados con las bombas de calor, la transición hacia la calefacción con combustibles fósiles tiene impactos positivos para la salud y el medio ambiente que son particularmente importantes para mejorar las disparidades de salud de las comunidades de color y las comunidades sobrecargadas y desatendidas. Para obtener más información, lea nuestro artículo sobre Invertir en viviendas más saludables para personas de bajos ingresos.

Las bombas de calor también pueden reducir la carga energética de un hogar: el porcentaje de ingresos gastados en costos de energía. La mayoría de las poblaciones de bajos ingresos gastan una mayor proporción de sus ingresos en facturas de energía que las poblaciones de ingresos más altos.

Para los hogares que dependen del fueloil, propano o queroseno, la calefacción de espacios mediante bombas de calor puede suponer un importante ahorro en las facturas, gracias a los beneficios de eficiencia comentados anteriormente. Como tal, las bombas de calor pueden ser un mecanismo poderoso para reducir los costos de calefacción para poblaciones agobiadas. Una electrificación beneficiosa, que combina aparatos y equipos totalmente eléctricos de alto rendimiento, una envolvente de edificio de alto rendimiento, ventilación mejorada y una mejor gestión de la energía del edificio, puede brindar los mayores beneficios para la salud a nuestras comunidades marginadas y sobrecargadas.

Gracias a la aprobación de nuevas leyes, incluida la Ley Bipartidista de Infraestructura y la Ley de Reducción de la Inflación, varios programas diseñados para abordar la pobreza energética recibirán una inyección de fondos. Los tomadores de decisiones deben priorizar el rápido despliegue de bombas de calor con soluciones intencionales e integrales impulsadas por comunidades desatendidas y sobrecargadas. Los formuladores de políticas a nivel estatal, local y federal ahora pueden tomar medidas audaces para construir un sector inmobiliario más equitativo mientras trabajan por un futuro saludable y sin emisiones de carbono que beneficie a todos.

Para las ciudades y estados que buscan tomar medidas climáticas, reducir las desigualdades y estimular la actividad económica, la búsqueda de soluciones escalables, rentables y de alto impacto. La electrificación de edificios presenta esa oportunidad. Más de 100 ciudades han aprobado leyes que exigen o incentivan nuevas construcciones totalmente eléctricas desde julio de 2019. Numerosas ciudades y estados están explorando una transición para los edificios existentes, a menudo incorporando gradualmente electrodomésticos totalmente eléctricos a medida que los aparatos de gas llegan al final de su vida útil.

RMI está colaborando con funcionarios municipales y estatales de todo el país para trazar un camino que cumpla con nuestros objetivos climáticos, sea económicamente atractivo y alcanzable, y sea beneficioso para las comunidades y los trabajadores de primera línea. Y si bien los vientos predominantes de descarbonización del sector energético deberían continuar y acelerarse, para el 100 por ciento de los hogares estadounidenses no hay necesidad de esperar a que haya una red más limpia para instalar una bomba de calor.

Los formuladores de políticas estatales y las empresas de servicios públicos deben priorizar incentivos que permitan a los propietarios de viviendas electrificar espacios residenciales y calentar agua con bombas de calor que puedan acumularse con incentivos IRA. Si bien un puñado de estados como Maine y Vermont ya están acelerando la adopción de bombas de calor, el estado avanzado de la tecnología de las bombas de calor, junto con la descarbonización de la red eléctrica, hace que la calefacción con bombas de calor residenciales sea una herramienta valiosa para la acción climática en casi todos los estados en la actualidad.

Para ver los datos utilizados para el análisis, haga clic aquí.