Un conjunto de materiales podría ayudar pronto a fabricar aparatos de aire acondicionado más eficientes que no sobrecarguen la red eléctrica en los días más calurosos.

A medida que el calor extremo sigue batiendo récords en todo el mundo, se prevé que la demanda de electricidad para aire acondicionado se triplique en las próximas décadas. Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE, por sus siglas), habría un aumento de unos 4.000 teravatios hora entre 2016 y 2050, o casi la misma demanda de electricidad que toda la red eléctrica estadounidense en 2022.

Por ello, la carrera para construir aparatos de aire acondicionado más eficientes es cada vez más urgente. Mientras algunas empresas se centran en mejorar los diseños ya existentes, otras buscan sistemas novedosos que utilicen materiales desecantes. Estos sistemas podrían enfriar de forma más eficiente, incluso en condiciones extremas de calor y humedad, y conseguirían reducir la presión sobre la red eléctrica.  

Un aire acondicionado típico enfría los espacios interiores bombeando un refrigerante en un ciclo y a través de intercambiadores de calor, absorbe el calor del aire interior y lo libera al exterior. Las bombas de calor funcionan de manera similar, bien en sentido contrario, o en sistemas reversibles que pueden calentar y enfriar a la vez.

Este método, llamado compresión de vapor, tiene más de 100 años y su diseño básico no ha cambiado mucho desde su invención, explica Ankit Kalanki, responsable del Programa de Edificios sin Emisiones de Carbono del Rocky Mountain Institute, un grupo sin ánimo de lucro de expertos en energía. Bombear refrigerante y comprimirlo lo suficiente para transportar el aire caliente al exterior requiere mucha energía, sobre todo, cuando las temperaturas son muy altas.

Los sistemas de compresión de vapor también gestionan la humedad y el calor a la vez, lo que supone otro inconveniente. Mantener un edificio confortable se relaciona con mantener un ambiente de baja humedad, afirma Kalanki, pero los aparatos de aire acondicionado deben enfriar el aire para extraer la humedad. Sin un sistema específico para combatir la humedad, los edificios suelen estar sobre enfriados, lo que puede suponer una gran carga energética. 

Los sistemas que se ocupan de la deshumidificación y la refrigeración por separado podrían mantener temperaturas agradables en los edificios al emplear menos energía y permitir más flexibilidad en los diferentes entornos. Cada vez más empresas recurren a los desecantes para conseguirlo.

En caliente

Los materiales desecantes absorben la humedad. Por ejemplo, las perlas de sílice de los pequeños paquetes que acompañan a los bolsos y zapatos nuevos son un tipo de desecante diseñado para mantener secos los productos durante su transporte por todo el mundo.

Otros desecantes podrían añadirse a los diseños ya existentes de aparatos de aire acondicionado para absorber la humedad del aire y reducir la energía necesaria para mantener las habitaciones confortables. Transaera, una spin off del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) fundada en 2018, está desarrollando un sistema híbrido que utiliza un material denominado marcos orgánicos metálicos. Añadir estos materiales a los aparatos de aire basados en la compresión de vapor permitiría que el sistema utilice un 35% menos de energía que los modelos promedio, asegura Sorin Grama, CEO de Transaera. 

No obstante, otras empresas tratan de utilizar desecantes en sistemas de refrigeración, que sustituirían por completo a los aparatos de aire acondicionado tradicionales. Por ejemplo, la empresa Blue Frontier (Florida, EE UU) utiliza desecantes líquidos para fabricar sistemas de refrigeración. El ingrediente clave es distinto de las perlas de sílice de las cajas de zapatos, pero la comparación es habitual. "Nos lo dicen mucho", afirma Matt Tilghman, cofundador y director de Tecnología Blue Frontier.

En lugar de perlas de sílice, la tecnología de refrigeración de Blue Frontier se basa en una solución salina tan concentrada que puede extraer la humedad del aire. 

Así funciona el sistema de refrigeración del Blue Frontier. Primero, una corriente de aire pasa por un canal y sobre una fina capa de desecante, que extrae la humedad del aire. A continuación, el aire, ya seco, pasa por una etapa de enfriamiento por evaporación que reduce la temperatura del aire. Casi el mismo proceso que el sudor al enfriar la piel.

Durante el enfriamiento por vapor, el aire se divide en dos corrientes. Una pasa por una fina capa de agua, que absorbe energía y reduce la temperatura del aire. Ese aire más frío y húmedo se utiliza para enfriar una superficie metálica que, a su vez, succiona el calor de la otra corriente de aire que todavía está seco. El aire húmedo se canaliza hacia el exterior, mientras el aire frío y seco se introduce en el edificio.

La evaporación es un método de refrigeración eficaz, empleado en aparatos de bajo coste como los ventiladores, también llamados climatizadores o enfriadores por evaporación. Estos pueden consumir un 80% menos de electricidad que los aparatos de aire acondicionado normales. Además, suelen añadir humedad al aire para enfriarlo, lo que solo funciona si se parte de aire seco. Por ello, su uso suele limitarse a ambientes secos, como el suroeste de EE UU.

Al combinar la refrigeración por evaporación con los desecantes, el sistema de Blue Frontier puede funcionar en casi cualquier clima, afirma Tilghman. Su funcionamiento puede ajustarse en función de los cambios meteorológicos o el punto del termostato. Así modifica el equilibrio entre refrigeración y deshumidificación, lo que contribuiría a aumentar la eficiencia aún más. Según Tilghman, el sistema de Blue Frontier podría reducir el consumo anual de electricidad entre un 50% y un 80% en comparación con un sistema de aire acondicionado convencional, dependiendo del entorno. 

Pisar hielo fino

En la actualidad, los desecantes líquidos se utilizan a veces para deshumidificar almacenes o fábricas que necesitan mantener un control estricto de la humedad del aire, como en la fabricación de productos farmacéuticos o electrónicos. Pero no se han utilizado mucho en refrigeración, en parte, porque son caros. El cloruro de litio, un material estándar en la industria, ha sufrido subidas de precio y limitaciones de suministro debido a su demanda para las baterías de iones de litio. Además, estos materiales pueden ser corrosivos. Blue Frontier está utilizando un nuevo desecante que debería resolver estos problemas, explica Tilghman.

Uno de los mayores obstáculos para generalizar la refrigeración desecante ha sido la necesidad de un método para recargar los materiales de forma eficiente. Ya que los desecantes son como esponjas, pueden absorber una cantidad limitada de agua antes de que sea necesario escurrirlos o regenerarlos.

Además de piezas que sequen y enfríen el aire, un sistema de refrigeración desecante necesita una sección que pueda regenerar el desecante para liberar el agua en otra corriente de aire que, a su vez, sale al exterior.

La mayoría de los desecantes pueden regenerarse al calentarse para evaporar el agua del material, pero ese paso puede consumir mucha energía y suele implicar sistemas de calderas que funcionan con combustibles fósiles.

Por su parte, Blue Frontier utiliza una bomba de calor para regenerar el desecante, y esta bomba de calor añade una demanda de energía. Mientras el sistema de refrigeración funciona durante un caluroso día de verano, el sistema de regeneración puede funcionar por la tarde o la noche, cuando hay menos tensión en la red y los precios de la electricidad son más bajos, cuenta Tilghman. Al compensar la regeneración, el sistema de Blue Frontier ayudaría a reducir la demanda máxima de electricidad entre un 80% y un 90%.

Otras empresas tratan de eliminar por completo la necesidad de calor. Zephyr (Boston) espera utilizar membranas para filtrar el agua de los desecantes líquidos y regenerarlos, de forma similar al proceso utilizado para desalinizar el agua.

Zephyr mostró partes de su sistema en julio, y tiene previsto montar un prototipo completo de un sistema de refrigeración a escala de laboratorio a finales de este año. Según Jacob Miller, cofundador y director Tecnológico de Zephyr, su dispositivo de refrigeración desecante podría consumir un 45% menos de electricidad que los mejores aparatos de aire por compresión de vapor del mercado actual.

Blue Frontier tiene dos sistemas de refrigeración en funcionamiento, uno en Florida y otro en Canadá. Además, la empresa tiene previsto instalar varias docenas más entre 2023 y 2024, afirma Tilghman.

Ambas startups se han centrado primero en sistemas para grandes edificios comerciales, pero más adelante podrían adaptarse a los hogares e incluso a apartamentos individuales, sugiere Tilghman. Al principio, los primeros sistemas de Blue Frontier serán más caros que los aires acondicionados existentes, aunque deberían compensarlo con el ahorro de energía en un plazo de tres a cinco años.

El acceso a una tecnología de refrigeración eficiente podría ser crucial para ayudar a más personas a vivir y trabajar en entornos seguros sin sobrecargar la red eléctrica. "Si nos fijamos en el calentamiento del planeta y en el aumento de las temperaturas, es necesario que la gente tenga acceso a la refrigeración", concluye Kalanki. "No solo es una cuestión de confort térmico o de sentirse productivo, también es una cuestión de equidad".