El calor residual es el calor que produce una máquina u otro proceso que utiliza energía como subproducto de la realización de un trabajo . Todos estos procesos emiten algo de calor residual como resultado fundamental de las leyes de la termodinámica . El calor residual tiene una utilidad menor (o en el léxico de la termodinámica, una exergía menor o una entropía mayor ) que la fuente de energía original. Las fuentes de calor residual incluyen todo tipo de actividades humanas, sistemas naturales y todos los organismos; por ejemplo, las bombillas incandescentes se calientan, un frigorífico calienta el aire de la habitación, un edificio se calienta durante las horas punta, un motor de combustión interna genera gases de escape a alta temperatura y los componentes electrónicos se calientan cuando están en funcionamiento.
En lugar de "desperdiciarse" al liberarse al ambiente, a veces el calor (o frío) residual se puede utilizar en otro proceso (como usar refrigerante de motor caliente para calentar un vehículo), o una parte del calor que de otro modo se desperdiciaría se puede reutilizar en el mismo proceso si se agrega calor de reposición al sistema (como con la ventilación de recuperación de calor en un edificio).
El almacenamiento de energía térmica , que incluye tecnologías tanto para la retención de calor o frío a corto como a largo plazo, puede crear o mejorar la utilidad del calor (o frío) residual. Un ejemplo es el calor residual de la maquinaria de aire acondicionado almacenado en un tanque de almacenamiento para ayudar a la calefacción nocturna. Otro es el almacenamiento de energía térmica estacional (STES) en una fundición en Suecia. El calor se almacena en el lecho de roca que rodea un grupo de pozos equipados con intercambiadores de calor y se utiliza para la calefacción de espacios en una fábrica adyacente según sea necesario, incluso meses después. [1] Un ejemplo de uso de STES para utilizar el calor residual natural es la comunidad solar Drake Landing en Alberta , Canadá, que, al utilizar un grupo de pozos en el lecho de roca para el almacenamiento de calor entre estaciones, obtiene el 97 por ciento de su calor durante todo el año de colectores solares térmicos en los techos de los garajes. [2] [3] Otra aplicación de STES es almacenar el frío del invierno bajo tierra, para el aire acondicionado de verano. [4]
A escala biológica, todos los organismos rechazan el calor residual como parte de sus procesos metabólicos y morirán si la temperatura ambiente es demasiado alta para permitirlo.
El calor residual antropogénico puede contribuir al efecto de isla de calor urbano . [5] Las mayores fuentes puntuales de calor residual proceden de las máquinas (como los generadores eléctricos o los procesos industriales, como la producción de acero o vidrio) y de la pérdida de calor a través de las envolventes de los edificios. La quema de combustibles para el transporte es una importante contribución al calor residual.
Las máquinas que convierten la energía contenida en los combustibles en trabajo mecánico o energía eléctrica producen calor como subproducto.
En la mayoría de las aplicaciones, se requiere energía en múltiples formas. Estas formas de energía suelen incluir alguna combinación de calefacción, ventilación y aire acondicionado , energía mecánica y energía eléctrica . A menudo, estas formas adicionales de energía son producidas por un motor térmico que funciona con una fuente de calor de alta temperatura. Un motor térmico nunca puede tener una eficiencia perfecta, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , por lo tanto, un motor térmico siempre producirá un excedente de calor de baja temperatura. Esto se conoce comúnmente como calor residual o "calor secundario", o "calor de bajo grado". Este calor es útil para la mayoría de las aplicaciones de calefacción, sin embargo, a veces no es práctico transportar energía térmica a largas distancias, a diferencia de la electricidad o la energía de los combustibles. Las mayores proporciones del calor residual total provienen de las centrales eléctricas y los motores de los vehículos. [ cita requerida ] Las fuentes individuales más grandes son las centrales eléctricas y las plantas industriales, como las refinerías de petróleo y las plantas de fabricación de acero . [ cita requerida ]
Los sistemas de aire acondicionado convencionales son una fuente de calor residual al liberarlo al aire ambiente exterior mientras enfrían los espacios interiores. Esta expulsión de calor residual del aire acondicionado puede empeorar el efecto de isla de calor urbano . [5] El calor residual del aire acondicionado se puede reducir mediante el uso de un diseño de edificios con refrigeración pasiva y métodos de energía cero como la refrigeración por evaporación y la refrigeración radiativa pasiva diurna , este último de los cuales envía el calor residual directamente al espacio exterior a través de la ventana infrarroja . [6] [7]
La eficiencia eléctrica de las centrales térmicas se define como la relación entre la energía de entrada y la de salida. Normalmente es de solo el 33% si no se tiene en cuenta la utilidad del calor de salida para la calefacción de edificios. [8] Las imágenes muestran torres de refrigeración , que permiten a las centrales eléctricas mantener el lado bajo de la diferencia de temperatura esencial para la conversión de las diferencias de calor en otras formas de energía. El calor descartado o "residual" que se pierde en el medio ambiente puede, en cambio, utilizarse de forma ventajosa.
Los procesos industriales, como el refinado de petróleo , la fabricación de acero o la fabricación de vidrio, son fuentes importantes de calor residual. [9]
Aunque son pequeños en términos de potencia, la eliminación del calor residual de los microchips y otros componentes electrónicos representa un importante desafío de ingeniería. Esto requiere el uso de ventiladores, disipadores de calor , etc. para eliminar el calor.
Por ejemplo, los centros de datos utilizan componentes electrónicos que consumen electricidad para la computación, el almacenamiento y la conexión en red. El CNRS francés explica que un centro de datos es como una resistencia y que la mayor parte de la energía que consume se transforma en calor y requiere sistemas de refrigeración. [10]
Los seres humanos, como todos los animales, producen calor como resultado del metabolismo . En condiciones cálidas, este calor excede el nivel requerido para la homeostasis en animales de sangre caliente y se elimina mediante diversos métodos de termorregulación, como la sudoración y el jadeo . [11]
El calor a baja temperatura contiene muy poca capacidad para realizar trabajo ( exergía ), por lo que se lo califica como calor residual y se lo expulsa al medio ambiente. Lo más conveniente desde el punto de vista económico es expulsar dicho calor al agua del mar , lago o río . Si no se dispone de suficiente agua de refrigeración, la planta puede equiparse con una torre de refrigeración o un enfriador de aire para expulsar el calor residual a la atmósfera. En algunos casos es posible utilizar el calor residual, por ejemplo, en sistemas de calefacción urbana .
Existen muchos enfoques diferentes para transferir energía térmica a electricidad, y las tecnologías para hacerlo existen desde hace varias décadas.
Un enfoque establecido es el uso de un dispositivo termoeléctrico , [12] donde un cambio de temperatura a través de un material semiconductor crea un voltaje a través de un fenómeno conocido como efecto Seebeck .
Un enfoque relacionado es el uso de celdas termogalvánicas , donde una diferencia de temperatura da lugar a una corriente eléctrica en una celda electroquímica. [13]
El ciclo Rankine orgánico , ofrecido por empresas como Ormat , es un método muy conocido, en el que se utiliza una sustancia orgánica como medio de trabajo en lugar de agua. El beneficio es que este proceso puede rechazar calor a temperaturas más bajas para la producción de electricidad que el ciclo de vapor de agua habitual. [14] Un ejemplo de uso del ciclo Rankine de vapor es el motor de calor residual ciclónico .
El desperdicio de calor del subproducto se reduce si se utiliza un sistema de cogeneración , también conocido como sistema de cogeneración de calor y electricidad (CHP). Las limitaciones al uso del calor del subproducto surgen principalmente de los desafíos de costo/eficiencia de ingeniería para explotar de manera efectiva las pequeñas diferencias de temperatura para generar otras formas de energía. Las aplicaciones que utilizan el calor residual incluyen la calefacción de piscinas y las fábricas de papel . En algunos casos, el enfriamiento también se puede producir mediante el uso de refrigeradores de absorción , por ejemplo, en este caso se llama trigeneración o CCHP (refrigeración, calor y electricidad combinados).
El calor residual se puede utilizar en la calefacción urbana . Dependiendo de la temperatura del calor residual y del sistema de calefacción urbana, se debe utilizar una bomba de calor para alcanzar temperaturas suficientes. Estas son una forma fácil y barata de utilizar el calor residual en sistemas de calefacción urbana fríos , ya que funcionan a temperatura ambiente y, por lo tanto, incluso el calor residual de baja calidad se puede utilizar sin necesidad de una bomba de calor en el lado del productor. [15]
El calor residual puede utilizarse para calentar los fluidos y objetos entrantes antes de que se calienten demasiado. Por ejemplo, el agua saliente puede ceder su calor residual al agua entrante en un intercambiador de calor antes de calentarse en viviendas o centrales eléctricas .
El calor antropogénico es el calor generado por los seres humanos y la actividad humana. La Sociedad Meteorológica Estadounidense lo define como "el calor liberado a la atmósfera como resultado de las actividades humanas, que a menudo implican la combustión de combustibles. Las fuentes incluyen plantas industriales, calefacción y refrigeración de espacios, metabolismo humano y escapes de vehículos. En las ciudades, esta fuente generalmente contribuye con 15-50 W/m 2 al balance térmico local, y varios cientos de W/m 2 en el centro de las grandes ciudades en climas fríos y áreas industriales". [16] En 2020, la liberación anual total de energía antropogénica fue de 168.000 teravatios-hora; dada la superficie de la Tierra de 5,1 × 10 14 m 2 , esto equivale a una tasa media global de liberación de calor antropogénico de 0,04 W/m 2 . [17] [18]
El calor antropogénico tiene una pequeña influencia en las temperaturas rurales y se vuelve más significativo en áreas urbanas densas. [19] Es uno de los factores que contribuyen a las islas de calor urbanas . Otros efectos causados por el hombre (como los cambios en el albedo o la pérdida de enfriamiento por evaporación) que podrían contribuir a las islas de calor urbanas no se consideran calor antropogénico según esta definición.
El calor antropogénico contribuye mucho menos al calentamiento global que los gases de efecto invernadero . [20] En 2005, el flujo de calor residual antropogénico a nivel mundial representó solo el 1% del flujo de energía creado por los gases de efecto invernadero antropogénicos. El flujo de calor no está distribuido de manera uniforme, ya que en algunas regiones es mayor que en otras y es significativamente mayor en ciertas áreas urbanas. Por ejemplo, el forzamiento global del calor residual en 2005 fue de 0,028 W/m 2 , pero fue de +0,39 y +0,68 W/m 2 para los Estados Unidos continentales y Europa occidental, respectivamente. [21]
Aunque se ha demostrado que el calor residual tiene influencia en los climas regionales, [22] el forzamiento climático causado por el calor residual no se calcula normalmente en las simulaciones climáticas globales de última generación. Los experimentos climáticos de equilibrio muestran un calentamiento de la superficie a escala continental estadísticamente significativo (0,4-0,9 °C) producido por un escenario de calor residual antropogénico de 2100, pero no por las estimaciones actuales o de 2040. [21] Las estimaciones simples a escala global con diferentes tasas de crecimiento del calor antropogénico [23] que se han actualizado recientemente [24] muestran contribuciones notables al calentamiento global en los siglos siguientes. Por ejemplo, una tasa de crecimiento del calor residual del 2% anual resultó en un aumento de 3 grados como límite inferior para el año 2300. Mientras tanto, esto ha sido confirmado por cálculos de modelos más refinados. [25]
Un artículo científico de 2008 mostró que si las emisiones de calor antropogénicas continúan aumentando al ritmo actual, se convertirán en una fuente de calentamiento tan fuerte como las emisiones de GEI en el siglo XXI. [26]
Aunque la adopción puede aumentar de forma autónoma en el futuro, depender del aire acondicionado para hacer frente al riesgo es una solución potencialmente desadaptativa y expulsa calor residual al medio ambiente, lo que aumenta el efecto de isla de calor urbana.
Una de esas alternativas prometedoras es el enfriamiento radiativo, que es un proceso omnipresente de pérdida de calor superficial a través de la radiación térmica. En lugar de liberar calor residual al aire ambiente como los sistemas de enfriamiento convencionales, el enfriamiento radiativo lo descarga pasivamente al espacio exterior.
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