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Assessing Waste Heat Utilization in Power-to-Heat-to-Power Storage Systems for Cost-Effective Building Electrification

Este estudio demuestra que la integración de la utilización del calor residual en sistemas híbridos de almacenamiento Power-to-Heat-to-Power (PHPS) y baterías de iones de litio mejora significamente la viabilidad económica de la electrificación de edificios al reducir los costes de almacenamiento, mejorar el autoconsumo fotovoltaico y disminuir los umbrales de eficiencia mínima requeridos para la conversión térmica-eléctrica.

Autores originales: Alicia López-Ceballos, Alejandro Datas

Publicado 2026-01-22

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CC BY 4.0

Autores originales: Alicia López-Ceballos, Alejandro Datas

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tu hogar es un restaurante con mucho movimiento que necesita dos cosas para funcionar: electricidad (para alimentar las luces y los electrodomésticos) y calor (para calentar la cocina y el comedor).

Actualmente, la mayoría de los restaurantes obtienen su electricidad del sol (paneles solares) y su calor de una caldera de gas o un calentador eléctrico. Pero el sol solo brilla durante el día, y tú necesitas calor por la noche. Para resolver esto, normalmente compras una batería (como un cargador de teléfono gigante) para almacenar electricidad extra para después. Sin embargo, las baterías son caras de comprar y contienen una cantidad limitada de energía.

Este artículo explora una nueva y más inteligente forma de gestionar este restaurante utilizando un sistema "híbrido" que combina una batería estándar con una Batería Térmica (un sistema PHPS). Así es como el estudio lo desglosa en términos sencillos:

1. La nueva "Batería Térmica" (PHPS)

Piensa en el PHPS (Almacenamiento de Potencia-a-Calor-a-Potencia) como un termo gigante y de alta tecnología.

Carga: Cuando el sol brilla y tienes electricidad de sobra, el sistema convierte esa electricidad en calor y lo almacena en un tanque (como calentar agua).
Descarga: Cuando necesitas electricidad por la noche, el sistema toma ese calor almacenado y lo hace pasar a través de un motor (como un pequeño motor de vapor) para hacer girar un generador y producir electricidad nuevamente.

El inconveniente: Este motor no es perfecto. Cuando genera electricidad, también produce mucho "calor residual" (calor de desecho). En el pasado, la gente simplemente dejaba que este calor se escapara al aire, como el radiador de un coche que se enfría. Este artículo se pregunta: ¿Qué pasaría si capturamos ese calor residual y lo usamos?

2. Las dos estrategias: Capturar el calor

Los investigadores probaron dos formas de usar este calor "residual":

Estrategia A: El "Servicio Directo" (Híbrido-60)
Imagina que el calor residual es lo suficientemente caliente (60 °C) como para ser usado inmediatamente para las necesidades de calefacción de tu hogar (como radiadores o agua caliente). Lo conectas directamente a tu sistema de calefacción. Es como servir una comida caliente directamente desde la cocina a la mesa sin dejar que se enfríe.
Estrategia B: El "Potenciador" (Híbrido-T)
Imagina que el calor residual es demasiado frío para usarse directamente (quizás solo 30 °C). En lugar de tirarlo, lo utilizas para calentar el aire antes de que entre en tu bomba de calor. Esto hace que la bomba de calor sea mucho más eficiente, como darle a un corredor un trote de calentamiento antes de la carrera para que no tenga que esforzarse tanto.

3. Lo que encontró el estudio

Los investigadores realizaron simulaciones para diferentes tipos de edificios (apartamentos, hospitales, hoteles) en dos ciudades: Madrid (soleada y cálida) y Berlín (nublada y fría).

La Regla de Oro: La mejor solución es la Estrategia A (Servicio Directo). Si puedes usar el calor residual directamente a la temperatura que necesitas, ahorras más dinero. Reduce el "coste de la energía" significativamente.
El Plan de Respaldo: Incluso si el calor es demasiado frío para usarlo directamente (Estrategia B), usarlo para potenciar la bomba de calor sigue ahorrando dinero, aunque no tanto como la Estrategia A.
El Umbral de Eficiencia: Normalmente, una batería térmica necesita ser muy eficiente para que valga la pena el coste. Sin embargo, al utilizar el calor residual, el sistema se vuelve rentable incluso si el motor no es muy eficiente. Es como decir: "Aunque tu coche sea un poco viejo y lento, si te da calefacción gratis mientras conduces, sigue siendo un gran trato".
El Equipo Perfecto: El estudio encontró que la mejor configuración es un trabajo en equipo:
- Usa la batería de Li-ion (la rápida y cara) para ráfagas rápidas de potencia.
- Usa la Batería Térmica (la lenta y barata) para periodos largos de almacenamiento.
- Juntos, permiten que el edificio utilice casi el 90% de la energía solar que genera, en lugar de desperdiciarla o comprarla a la red eléctrica.

4. La ubicación importa

Lugares soleados (como Madrid): Este sistema brilla aquí. Debido a que hay más sol, el edificio genera más electricidad gratuita para almacenar, haciendo que todo el sistema sea más barato de operar.
Lugares nublados (como Berlín): Sigue funcionando, pero es más difícil superar el coste de comprar electricidad de la red porque el sol no es tan fiable. El sistema ayuda, pero los ahorros no son tan dramáticos como en las regiones soleadas.

La Conclusión

Este artículo demuestra que si quieres electrificar totalmente un edificio (eliminar las calderas de gas), no deberías confiar solo en las baterías caras. En su lugar, deberías usar un sistema híbrido que almacene la energía en forma de calor y capture el calor "residual" para calentar tu hogar.

Es como darse cuenta de que, mientras el motor de tu coche está generando electricidad, también está generando calor; y en lugar de dejar que ese calor se desvanezca, lo usas para mantener tu casa acogedora. Este sencillo truco hace que todo el sistema sea más barato, más eficiente y un mucho mejor trato para el propietario del edificio.

Resumen Técnico: Evaluación de la utilización del calor residual en sistemas de almacenamiento de potencia-calor-potencia para la electrificación rentable de edificios

Planteamiento del problema
La descarbonización del sector de la edificación requiere la adopción generalizada del autoconsumo fotovoltaico (FV) y de bombas de calor, apoyada por un almacenamiento de energía rentable. Si bien las baterías de ion-litio (Li-ion) se utilizan ampliamente para aplicaciones de alta potencia y corta duración, carecen del bajo coste energético requerido para el almacenamiento de larga duración. Por el contrario, el almacenamiento térmico ofrece bajos costes energéticos, pero a menudo carece de la densidad de potencia o la eficiencia de los sistemas electroquímicos. Los sistemas de almacenamiento de potencia-calor-potencia (PHPS, por sus siglas en inglés), o "baterías de Carnot", presentan una solución híbrida capaz de realizar un almacenamiento de larga duración. Sin embargo, los sistemas PHPS suelen sufrir de una baja eficiencia eléctrica de ida y vuelta (<50%), generando una cantidad significativa de calor residual de baja temperatura durante el proceso de conversión de calor a potencia (H2P). Existe una brecha crítica en la literatura con respecto a la evaluación tecnoeconómica de la utilización de este calor residual para satisfacer las demandas de calefacción de los edificios. Los estudios existentes suelen asumir que el calor residual está disponible a la temperatura de consigna requerida sin tener en cuenta las realidades operativas de las diferentes tecnologías H2P (por ejemplo, Brayton, Rankine, Stirling, TPV), que producen calor residual a distintas temperaturas.

Metodología
El estudio emplea un modelo de optimización tecnoeconómica para simular edificios totalmente electrificados en Madrid (España) y Berlín (Alemania). El análisis compara tres configuraciones de sistemas:

Caso base: Un sistema que comprende FV, una batería de Li-ion, una bomba de calor y un almacenamiento de baja temperatura (LTES) (tanque de agua caliente).
Híbrido-60: Un sistema híbrido que integra PHPS y baterías de Li-ion, donde el calor residual se genera a la temperatura de consigna de la demanda (60 °C) y se almacena directamente en el tanque de LTES.
Híbrido-T: Un sistema híbrido donde el calor residual se genera a una temperatura $T < 60$ °C, se almacena en un tanque separado y se utiliza para aumentar el Coeficiente de Rendimiento (COP) de la bomba de calor.

El modelo optimiza el dimensionamiento de la capacidad FV, la capacidad de la batería de Li-ion, la capacidad del PHPS (energía y potencia), la potencia de la bomba de calor y los volúmenes de almacenamiento térmico para minimizar el Coste Nivelado de la Energía (LCOE). El cálculo del LCOE incluye el Gasto de Capital (CAPEX), el Gasto Operativo (OPEX) y el coste medio ponderado del capital (WACC) durante una vida útil de 25 años. Las simulaciones utilizan datos con resolución horaria para la generación FV y la demanda energética del edificio (electricidad y calefacción) para cuatro tipos de edificios: bloques de apartamentos, hospitales, hoteles y oficinas.

Contribuciones clave

Evaluación de estrategias de aprovechamiento del calor residual: El artículo contrasta explícitamente dos estrategias de utilización del calor residual: el suministro directo a la temperatura de consigna frente al uso de calor residual de menor temperatura para mejorar la eficiencia de la bomba de calor.
Umbrales tecnoeconómicos: El estudio cuantifica la eficiencia mínima de conversión H2P requerida para que el PHPS sea económicamente viable cuando se integra con baterías de Li-ion y bombas de calor, analizando específicamente cómo la recuperación del calor residual reduce este umbral.
Sensibilidad al clima y al tipo de edificio: El análisis va más allá de los estudios de viviendas individuales para evaluar diversos tipos de edificios y climas, analizando cómo la disponibilidad de recursos solares y los perfiles de demanda de calefacción influyen en la mezcla óptima de almacenamiento.
Sinergia de hibridación: El trabajo demuestra la sinergia operativa entre los sistemas PHPS de "alta energía" y las baterías de Li-ion de "alta potencia" para maximizar el autoconsumo de FV y reducir los costes totales del sistema.

Resultos

Utilización directa del calor residual (Híbrido-60): Se identifica el suministro de calor residual directamente a la temperatura de consigna de la demanda (60 °C) como la estrategia de integración más rentable. Este enfoque reduce significativamente la eficiencia H2P mínima requerida para la viabilidad del PHPS de aproximadamente un 30% (sin calor residual) a un ~15%.
Rendimiento del Híbrido-T: Aunque el uso de calor residual de menor temperatura para aumentar el COP de la bomba de calor genera ganancias económicas, es menos óptimo que el suministro directo. Sin embargo, sigue siendo una estrategia viable, particularmente para tecnologías H2P (como TPV) donde la eficiencia se maximiza a temperaturas de funcionamiento más bajas.
Composición óptima del sistema: La solución óptima suele consistir en la hibridación de PHPS con baterías de Li-ion. El PHPS proporciona almacenamiento de larga duración (tiempos de descarga de 14–18 horas), mientras que las baterías de Li-ion gestionan las demandas de potencia pico (tiempos de descarga de ~5 horas). Esta combinación puede lograr tasas de autoconsumo de FV de hasta el 90%.
Impacto climático: El estudio encuentra que, si bien la integración de PHPS reduce el LCOE tanto en Madrid como en Berlín, la reducción relativa es más pronunciada en Madrid (región del sur, rica en sol). En Berlín, la menor disponibilidad de FV limita la eficacia del almacenamiento de larga duración para reducir la dependencia de la red, lo que resulta en valores de LCOE absolutos más altos a pesar de los beneficios potenciales de la recuperación del calor residual.
Variaciones del tipo de edificio: Los edificios con mayores ratios de demanda térmica sobre la demanda total (apartamentos y hoteles) derivan mayores beneficios de la utilización del calor residual en comparación con hospitales y oficinas.

Significancia y afirmaciones
Los autores afirman que aprovechar el calor residual es un factor crítico para hacer que los sistemas PHPS sean económicamente viables para la electrificación de edificios. El estudio sostiene que:

Umbral de viabilidad: La utilización del calor residual reduce significativamente la barrera técnica (eficiencia H2P) necesaria para que el PHPS compita con o complemente a las baterías de Li-ion.
Reducción de costes: La hibridación de PHPS con baterías de Li-ion ofrece una solución robusta para el almacenamiento de energía de gran escala y bajo coste, particularmente en regiones con alto potencial solar.
Integración estratégica: El uso directo del calor residual a la temperatura de consigna es la estrategia superior para la minimización de costes, aunque la mejora del COP de la bomba de calor sigue siendo una alternativa valiosa para tecnologías específicas.
Escalabilidad: Los hallazgos sugieren que el PHS puede desempeñar un papel fundamental en la descarbonización del sector de la edificación al permitir altas tasas de autoconsumo de FV y reducir el Coste Nivelado de la Energía, siempre que el calor residual se utilice de manera efectiva.

El documento mantiene una postura modesta, reconociendo que los resultados están sujetos a supuestos relativos a los costes de los componentes, los precios de la electricidad y la naturaleza cuasi-estacionaria del modelo. Señala que, si bien el estudio se centra en aplicaciones a nivel de edificio, trabajos futuros podrían explorar el PHPS en redes de calefacción urbana y sectores industriales de difícil descarbonización.

1. La nueva "Batería Térmica" (PHPS)

2. Las dos estrategias: Capturar el calor

3. Lo que encontró el estudio

4. La ubicación importa

La Conclusión

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