¿Es la energia solar fotovoltaica mejor que la calefacción solar térmica de agua?

La energia solar fotovoltaica para calentar agua , es mejor que la energia solar térmica realizando la misma tarea?

El calentamiento solar de agua termal es algo temperamental. El agua pesa mucho, se expande cuando se congela y puede causar daños en las tuberías cuando hierve. Los sistemas solares térmicos son maravillosamente eficientes, y algunos sistemas funcionan bien durante décadas, pero incluso estos necesitan una inspección regular.

Energia solar fotovoltaica para calentar agua

Sin embargo, cuando un sistema termosolar falla, comienza a destruirse a sí mismo, y ha estado claro por algún tiempo que el calentamiento solar de agua termal no es el camino del futuro, excepto para el uso de calor de muy bajo nivel, como las piscinas.

Durante mucho tiempo, la sabiduría ha sido que la ventaja relativa de la eficiencia de la tecnología termosolar para calentar el agua supera con creces la conveniencia del calentamiento eléctrico del agua. La capacidad de la energía solar térmica para recolectar más energía por pie cuadrado significa que un sistema eléctrico solar que alimenta solo un calentador de agua eléctrico convencional nunca competirá con un sistema solar térmico.

Recientemente, sin embargo, las reducciones en los costos de la energía solar (PV) y la maduración de la tecnología de bomba de calor aire-agua han proporcionado un nuevo modelo: la calefacción de agua con bomba de calor asistida por energía solar (HPWH). HPWH viene con menos inconvenientes que la energía solar térmica, con un precio más bajo para aplicaciones residenciales.

La siguiente información asume el uso de un calentador de agua con bomba de calor con un factor de eficiencia (EF) de 2.5 y una calificación de 1,800 kWh por año, con 1 a 1.3 kW de PV conectado a la red agregado a la instalación o sistema existente en una región donde La energía fotovoltaica produce al menos 1400 kWh / kW / año.

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Ventajas de la energia solar fotovoltaica PV

Menor costo inicial:  dado que los sistemas abiertos de menor costo han demostrado ser inadecuados para el calentamiento de agua doméstica, el costo instalado de la energía solar térmica debe basarse en un sistema de circuito cerrado (glicol o drenaje), dos tanques (o almacenamiento más sin tanque) , totalmente instalado El precio promedio de dicho sistema, diseñado para una familia de cuatro, es de entre $ 7,000 y $ 10,000 antes de los incentivos. El calentador de agua con bomba de calor con energía fotovoltaica costará entre $ 1,000 y $ 2,000 para la bomba de calor más mano de obra y entre $ 3,500 y $ 6,000 para la energía fotovoltaica adicional (a un sistema conectado a la red existente), por lo tanto, un costo total instalado de entre $ 5,000 y $ 8,500 antes de los incentivos .

Más fácil de instalar:  reemplazar un calentador de agua con otro tanque individual y agregar de tres a cinco módulos adicionales a un sistema fotovoltaico es mucho más fácil que reemplazar un solo tanque con dos tanques y conectar el fluido de transferencia de calor a paneles de techo pesados ​​que deben probarse y cargarse Después de la instalación. Esto da como resultado menos oportunidades para el error del instalador.

Utiliza menos espacio:  para evitar que el sistema termosolar compita con la fuente de respaldo (que limita la fracción solar a aproximadamente el 60%), se requieren dos tanques: uno para el respaldo y otro para el solar. Es posible ahorrar espacio, a un gran costo, con el uso de un calentador sin tanque siempre que el calentador sin tanque pueda modular el flujo de calor a un punto muy bajo y al mismo tiempo poder satisfacer la demanda máxima.

No necesita mantenimiento:  el talón de Aquiles de la energía solar térmica es que si el sistema deja de funcionar, no solo deja de producir energía: establece su propia autodestrucción. Sin flujo, los paneles pueden congelarse, estancarse y sobrecalentarse (ver más abajo). El controlador diferencial electrónico y la (s) bomba (s) circuladora (s) deben inspeccionarse anualmente para asegurarse de que funcionan correctamente y que no se han iniciado incrustaciones o corrosión que conduzcan a una falla del sistema. La tubería también debe verificarse, especialmente para sistemas de drenaje en edificios más antiguos que pueden asentarse con el tiempo y atrapar fluido en las líneas. Estas inspecciones anuales deben ser realizadas por un profesional y costarán la mitad del ahorro anual de gas.

No se puede congelar:  dado que un panel solar térmico puede congelarse a temperaturas de hasta 42ºF, se requiere protección contra congelamiento en todo el territorio continental de los EE. UU. Para los sistemas solares térmicos. Con la excepción de los sistemas de drenaje, los sistemas de protección contra congelamiento están “activos”. Esto significa que requieren un dispositivo para funcionar en respuesta a bajas temperaturas. Como consecuencia, y dado que rara vez se requiere su funcionamiento, las fallas de protección contra congelamiento son comunes y catastróficas, lo que resulta en miles de dólares en daños en la matriz del colector.

No se puede sobrecalentar: el  sobrecalentamiento es un problema que con frecuencia se pasa por alto con los sistemas solares térmicos. Hay aproximadamente el doble de energía solar entregada en julio que en enero. Por lo tanto, cualquier sistema que haga una diferencia significativa en el costo del agua caliente en enero tendrá un rendimiento superior en julio. Esto da como resultado períodos de estancamiento en los que no se utiliza el calor solar y no fluye a través del panel o paneles. Bajo esta condición, los paneles se calentarán a alrededor de 400ºF en el interior. Esto puede provocar daños y acelera el deterioro de las piezas del colector. Hay sistemas de radiadores que se han agregado a los paneles para mitigar este efecto, pero no hay datos sólidos sobre cuánto radiador se requiere para enfriar un colector estancado en un día caluroso.

Sin acumulación de escala: la  escala es el enemigo número 1 de los calentadores de agua de cualquier tipo. El calor hace que los sólidos disueltos precipiten del agua donde se acumulan en la superficie caliente. Incluso con el uso de un fluido de transferencia en el lado del colector, la escala puede ser un problema con el intercambiador de calor al obstruir los tubos a través de los cuales fluye el agua para ganar calor. Las temperaturas más bajas que se usan para calentar el agua con una bomba de calor reducen la tendencia de la escala a acumularse en el tanque.

100% de fracción solar alcanzable:  debido a los caprichos del clima y la impracticabilidad de almacenar grandes volúmenes de agua caliente, ningún sistema solar térmico que ofrezca una confiabilidad del 100% puede tener una fracción solar del 100%. Los sistemas mejor calificados bajo el protocolo SRCC OG300 tienen una fracción solar del 90%. El uso de PV conectado a la red como fuente solar para el calentador de agua con bomba de calor permite que el sistema “almacene” energía en la red para su uso hasta un año después. La comparación de precios anterior se basa en un sistema térmico con una fracción solar del 80% frente a una compensación de PV del 100% para el calentamiento del agua.

Gestión de la demanda de la red:  aunque el calentamiento de agua con bomba de calor agrega una carga a la red cuando se usa para reemplazar una unidad de gas o propano, el PV agrega energía a la red durante las horas pico de luz del día donde es más probable que la comunidad lo necesite. La mayor parte del agua caliente doméstica se usa temprano en la mañana y en la noche cuando hay menos demanda de electricidad en toda la comunidad. Si la empresa de servicios públicos opta por utilizar esta ventaja, también podría agregar la capacidad de sobrecalentar el calentador de agua a través del medidor inteligente cuando el exceso de electricidad esté disponible en la red. Utilizado en la conducción con una válvula mezcladora para proteger la casa del agua hirviendo, efectivamente “almacena” el agua caliente y puede retrasar la necesidad de encender la bomba de calor.

Sin emisiones de CO2:  cualquier uso de gas natural o propano, independientemente de cuán eficiente o barato, resulte en la adición de CO2 a la atmósfera, que es el factor de riesgo # 1 que enfrenta la civilización en la actualidad. Un calentador de agua con bomba de calor que esté 100% alimentado (o compensado) por PV no contribuye a ese problema.

Desventajas

Eficiencia neta de la red v. Uso directo de gas:  la presunción estándar al comparar el uso de gas con el uso eléctrico es que, después de tener en cuenta las pérdidas de conversión y transmisión, se necesitan tres unidades de energía de combustibles fósiles (gas, petróleo, carbón) para entregar una unidad de energía eléctrica. De ahí la justificación de que si el gas puede ser entregado al punto de uso, es más eficiente usar el gas que usar electricidad. Dado que la mayoría de los calentadores de agua alimentados con combustibles fósiles tienen solo un 60% de eficiencia, este efecto es solo la mitad de lo que parece. Además, los calentadores de agua alimentados con combustibles fósiles no aprovechan los estándares de cartera renovable que reducen aún más la proporción de gas utilizado con respecto a la electricidad entregada.

Se requiere aire caliente:  la eficiencia del calentador de agua de la bomba de calor depende de la fuente de calor disponible, que generalmente es el aire en el espacio en el que se coloca el calentador. Instalado en espacios sin calefacción en climas templados, esto no presenta ningún problema. Sin embargo, si el espacio del calentador de agua se calienta o cae por debajo de 55º-60ºF gran parte del año, se necesitará el elemento de respaldo y la eficiencia se verá afectada. Por el contrario, el calentador de agua con bomba de calor enfriará y deshumidificará el espacio en el que se encuentra. Esta puede ser una característica deseable.

Más nuevo en el mercado:  aunque el calentamiento de agua con bomba de calor aire-agua utiliza solo conceptos probados y verdaderos, HPWH en el hogar solo ha tenido unos veinte años de desarrollo en el mercado de consumo: el tiempo suficiente para confiar en su eficiencia y facilidad, pero no lo suficiente como para ser generalizado. Si bien existen alrededor de quinientos modelos termosolares y seiscientos calentadores de agua sin tanque (“instantáneos”) reconocidos por el sistema Energy Star del DOE, actualmente solo hay 23 modelos HPWH reconocidos.

Nivel de ruido:  dado que las bombas de calor usan un compresor y las bombas de calor de fuente de aire necesitan un ventilador para garantizar un flujo de aire adecuado a través del evaporador, el calentador de agua con bomba de calor hace tanto ruido como un refrigerador moderno. Al igual que con el problema de la fuente de calor del aire, si la unidad se encuentra dentro, el sonido puede ser una molestia menor.

Por lo que era, la tecnología solar térmica representaba una mejora. Todavía tiene algunas aplicaciones legítimas, incluso. Sin embargo, el calentamiento solar de agua a nivel doméstico viene con tantos inconvenientes innecesarios que está claro que el futuro se encuentra en otra dirección. La energía solar fotovoltaica es una fuente altamente efectiva para un sistema de calentamiento de agua con bomba de calor. Pronto, las bombas de calor de agua a agua pueden estar disponibles en el mercado, pero los sistemas de aire a agua actuales son la selección óptima para muchos hogares, dependiendo del clima y la configuración.

Esta es una discusión que tendrá tantas opiniones como lectores. Una razón por la cual la térmica tiene una mala reputación es nuestra historia pasada en los años 80, donde los sistemas de circuito abierto con válvulas de congelación o válvulas de protección solar fallaron y los sistemas se congelaron. Luego, hemos tenido casos de problemas de estancamiento de glicol que se volvieron ácidos y se convirtieron en una sustancia gelatinosa que obstruyó los intercambiadores de calor. Aquí en Florida, estamos viendo problemas con la calidad del agua por varias razones; incrustación de carbonato de calcio y corrosión de cobre por intrusión de agua salada a fuentes de agua dulce.

Normalmente, el calcio y el cloro no son problemas importantes en la plomería residencial, pero cuando se canaliza el agua en un sistema de circuito abierto y se pasa por un colector que podría estancarse a 250F, se acelera drásticamente las velocidades de reacción.
Sin embargo, ahora tenemos estrategias que pueden manejar estos, es decir, sistemas de drenaje de circuito cerrado.
Estos toman un poco más de tiempo en la colocación de la tubería y la bomba, pero un sistema diseñado adecuadamente es casi libre de mantenimiento. Considere usar el tanque de acero inoxidable HTP que tiene una garantía de por vida. El colector absorbente de cobre en un sistema de drenaje puede durar más de 30 años ya que está utilizando la misma agua y no agrega más contaminantes.
Además, tenga en cuenta que necesita mucho menos techo para los coleccionistas. Mi casa tiene una matriz fotovoltaica de 4.86kW que requiere 27 paneles.

Mi matriz térmica es 2qty 4 × 8 paneles y genera el mismo equivalente. ¿Por qué usaría un producto tan preciado y sofisticado como la electricidad, solo para calentar el agua? El uso de ambas tecnologías es realmente el mejor.
Con respecto a los calentadores de agua con bomba de calor, los nuevos datos sugieren que hay algunas consideraciones importantes que incluyen, entre otras:
1. Peso de la unidad, en algunos casos el piso necesita ser reforzado
2. Mantenimiento, es un aire acondicionado con un filtro que necesita ser reemplazado
3. Acceso, no se puede colocar en una posición al lado de una pared donde se impida el flujo de aire.
4. Diseño de la vida; mientras que el lado de HVAC durará bastante tiempo, 15 años tal vez como una bomba de calor, la durabilidad real es tan buena como la vida útil del tanque de acero, luego, tiene un reemplazo costoso en 6 a 10 años en comparación con el solar con un SS tanque que no se oxida o un sistema de drenaje DX que utiliza un tanque simple de acero revestido de vidrio que es económico
5. Necesita agregar una línea de condensado como un sistema de A / C. Puede que no siempre sea conveniente enrutar dependiendo de dónde se encuentre el tanque en la casa
6. Funciona mejor en climas cálidos. En las áreas del norte, con temperaturas de agua fría, la unidad funciona principalmente como un calentador de agua eléctrico estándar, ya que no hay suficiente energía térmica latente en el aire circundante para transferirla al agua en el tanque. Esta es la misma razón por la que las bombas de calor no se usan comúnmente en los climas del norte para la calefacción de espacios, el COP es demasiado bajo para suministrar calor.
7. ¿A quién llamas para solicitar servicio? Los fontaneros no pueden dar servicio a un sistema HVAC.

Últimamente se ha hablado mucho sobre un calentador de agua eléctrico con energía fotovoltaica, pero nuevamente, ¿por qué tomar una tecnología que pueda generar un producto que sea tan versátil (electricidad) y usarla para calentar el agua?
Para aquellos de ustedes que leen este comentario, gracias por su tiempo y por favor sigan presionando para calentar el agua con energía solar.