Reemplazar las calderas de gas por bombas de calor es la forma más rápida de reducir el consumo de gas en Alemania

Apr 27, 2023

Communications Earth & Environment volumen 4, Número de artículo: 56 (2023) Citar este artículo

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La seguridad del suministro de gas fósil se vio interrumpida por la guerra ruso-ucraniana. Las decisiones de reubicar la producción y el transporte de gas se han vuelto tan urgentes que son inminentes nuevos contratos a largo plazo que socavan el Acuerdo Climático de París. Aquí, simulamos qué tan rápido la adición de electricidad renovable y la instalación de bombas de calor pueden sustituir suficiente gas para reducir el riesgo de suministro, mientras damos un paso decisivo hacia el cumplimiento del Acuerdo de París. Nuestro modelo de abajo hacia arriba, con Alemania como ejemplo, muestra vías técnicas sobre cómo la instalación de bombas de calor es una de las formas más rápidas de reducir el consumo de gas, además de reducir las horas de carga de las centrales eléctricas de gas. Con esfuerzos específicos, para 2025 se podrá sustituir como máximo el 60 % del gas de la Federación de Rusia con bombas de calor y expansiones de la red, y quedará suficiente electricidad disponible para que la eliminación gradual del carbón y la entrada en la movilidad eléctrica sigan siendo factibles.

Para evitar un aumento de la temperatura media mundial superior a 1,5 °C por encima de los niveles preindustriales, es necesaria una rápida desfosilización de los sistemas energéticos mundiales1. El camino aceptado para lograr esto de manera rentable2 en el sector de la electricidad es una rápida sustitución de los combustibles fósiles principalmente con fotovoltaica (PV), energía eólica y equilibrio adicional de varias fuentes renovables3. Otro sector energético que genera emisiones de gases de efecto invernadero es el de la calefacción4. Es posible que sea necesario reducir las emisiones en la calefacción a través de varios medios simultáneamente, incluido el aislamiento térmico de los edificios, la energía solar térmica y la sustitución de las calderas de gas y petróleo por bombas de calor5,6 alimentadas por electricidad renovable, que se consideran un componente importante para desfosilizar el sistema energético3 ,7,8. Además, para el uso eficaz del calor son importantes el comportamiento consciente del consumidor9, las redes de calefacción urbana basadas en el uso del calor residual industrial, la energía solar térmica y geotérmica, así como diversas tecnologías de almacenamiento10. La expansión de la madera, los pellets y otras biomasas para calefacción es limitada y, a menudo, insostenible11. Existe un acuerdo generalizado de que el hidrógeno renovable no es adecuado para la calefacción doméstica porque tendría que suministrarse a la mitad del precio de la electricidad (pero se necesita aproximadamente tres veces más electricidad para producir una cantidad equivalente de hidrógeno) y el costo total del sistema sería aproximadamente el doble que para las bombas de calor12,13. Con toda esta diversidad, a la generación de calor se le ha asignado una variedad más amplia de vías de desarrollo en los modelos de evaluación integrados4 que a la electricidad.

La seguridad del suministro de gas fósil se vio repentinamente interrumpida por la reciente guerra ruso-ucraniana. Las decisiones de reubicar tanto la producción como la logística se han vuelto tan urgentes que los nuevos contratos a largo plazo amenazan con socavar el Acuerdo Climático de París14. En este documento, desarrollamos un camino que reduce el riesgo de suministro mientras damos un paso decisivo hacia el cumplimiento del Acuerdo de París. Nuestra hipótesis es que una de las formas más rápidas es instalar bombas de calor, ya que requieren pocos procedimientos de planificación y aprobación y son modulares, similares a la fotovoltaica. Sin embargo, las bombas de calor compiten por la misma energía eléctrica renovable que el desplazamiento de la generación eléctrica a gas. Además, en algunos días de invierno, cuando la energía solar y eólica son insuficientes, la electricidad para las bombas de calor debe ser suministrada por centrales eléctricas de gas. Por lo tanto, no está claro cuánto gas se puede sustituir de esta manera, especialmente si el aislamiento de los edificios es modesto y las bombas de calor pueden funcionar de manera ineficaz. Por lo tanto, modelamos el consumo de gas en el parque de edificios, en la industria, así como la generación de electricidad en Alemania en resolución horaria. Se da prioridad a la máxima sustitución de gas fósil por electricidad renovable. Usamos Alemania como caso de estudio ya que el acceso a los datos requeridos está ampliamente disponible y la calefacción se basa principalmente en gas natural (50%) y petróleo (25%)15. Sin embargo, nuestra metodología y resultados son ampliamente aplicables a otros países templados.

Exploramos los cuellos de botella en la instalación de bombas de calor en Alemania de abajo hacia arriba mediante la recopilación de relatos de comerciantes, equilibrados con una entrevista a un experto. A partir de esto, desarrollamos escenarios concretos para acelerar la instalación de bombas de calor. Finalmente, al incorporar estas restricciones en nuestros escenarios para nuestro modelo horario, calculamos la sustitución de gas fósil por electricidad renovable en los próximos años y el impacto asociado en la transición energética.

En 2020, se tomó un total de 285 TWh de gas para calefacción de espacios y cocina en hogares privados en Alemania16, que dividimos en 273 TWh para calefacción de espacios y 12 TWh para cocina, según valores empíricos estadísticos.

Los mayores consumidores de gas industrial17 en Alemania incluyen las industrias química, papelera y de procesamiento de alimentos. Nos gusta enfatizar que solo consideramos la calefacción a gas por debajo de 100 °C, ya que puede ser reemplazada más rápidamente por bombas de calor. Llegamos a los siguientes volúmenes anuales de gas en 2020: industria química 116,9 TWh, procesamiento de alimentos 38,6 TWh e industria papelera 25,4 TWh (para obtener más detalles, consulte la Sección de métodos y la Nota complementaria 1). Estas cantidades incluyen aproximadamente las tres cuartas partes del calor de procesos industriales por debajo de 100 °C18. No modelamos el sector de comercio y servicios porque es demasiado diverso, aunque seguramente también se instalarán bombas de calor adicionales en estos sectores.

Cuantificamos la variación del consumo de gas a lo largo del año por perfiles de carga en función de la temperatura media diaria, individualmente para cada sector industrial y para la calefacción de ambientes19,20. Se distingue entre días laborables y días de fin de semana. Para considerar adecuadamente la alta volatilidad de la demanda de calor y también de la generación de electricidad a partir de energías renovables, se toman curvas de carga horaria para la industria de las refs. 19,21, según temporadas, y para bombas de calor desde ref. 22, dependiendo de la temperatura exterior media diaria. Los datos de la bomba de calor se basan en aproximadamente 600 hogares y tienen en cuenta la formación de escarcha y la descongelación en la bomba de calor. Consulte la Nota complementaria 2 para obtener más información.

El punto de partida para modelar toda la red eléctrica pública en Alemania son los datos de generación por hora de todas las centrales eléctricas, parques eólicos y fotovoltaicos descentralizados, así como las capacidades de almacenamiento en el año de referencia 202023. Para modelar la generación de energía en el futuro cercano, incluimos adiciones a la energía eólica terrestre y marina y a la fotovoltaica de acuerdo con los planes del Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima24 (que se muestran en la Nota complementaria 3). La ventaja de este enfoque de modelado es que se incluyen todos los detalles de todo el sistema, así como los datos climáticos de toda Alemania. Las tres aproximaciones y limitaciones principales que lo acompañan se discuten en la Sección de Método, por ejemplo, que asumimos suficientes expansiones de red.

Una pregunta crucial es si se puede sustituir más gas instalando bombas de calor en lugar de seguir calentando con gas y utilizando la electricidad renovable adicional para reducir las horas de carga de las centrales eléctricas de gas existentes. Esto depende del coeficiente de rendimiento alcanzable (COP) de las bombas de calor, que es el calor generado dividido por la energía eléctrica requerida para ello25,26, y debe compararse con la eficiencia de las centrales eléctricas de gas.

En Alemania, las turbinas de gas de ciclo combinado (CCGT) proporcionan la mayor parte de la electricidad a base de gas. Su eficiencia media anual en 2020 es la relación entre su generación eléctrica, que fue de 95,0 TWh, y el gas consumido, que fue de 171,4 TWh27, arrojando un rendimiento del 55%. Para tener en cuenta las pérdidas de la red, bajamos este valor al 50 %.

Para el calor de proceso en la industria, usamos un COP de 2 para bombas de calor industriales, lo que explica la necesidad de alcanzar temperaturas bastante altas (asociadas con valores bajos de COP), especialmente para propósitos de secado, pero también el hecho de que la temperatura de la fuente a menudo puede ser bastante alto debido al uso de calor residual (permitiendo altos valores de COP)28.

Para la calefacción de espacios residenciales, encontramos que el COP promedio anual de las bombas de calor es demasiado aproximado porque los edificios con menos aislamiento requieren temperaturas de calefacción más altas y, por lo tanto, producen valores de COP más bajos. Por lo tanto, modelamos el COP con resolución horaria y lo desglosamos en clases energéticas de edificios que reflejan el estado de aislamiento29. Un parámetro común para cuantificar el aislamiento de los edificios es el calor específico de la habitación, que es el calor anual utilizado por metro cuadrado de habitaciones calentadas. Recopilamos datos de la ref. 30 y los consolidó, como se describe en la Nota complementaria 4. La figura 1 muestra la cantidad resultante de calor consumido en Alemania en cada segmento (clase energética), distinguiendo entre casas independientes y edificios de apartamentos.

Los montos son por año, en casas independientes y edificios de departamentos, respectivamente, distinguidos en clases de eficiencia energética (aislamiento de edificios) de A a H31, expresados ​​como energía de calefacción específica, a partir de una compilación de datos30. Los datos se enumeran en la Tabla complementaria S3.

El siguiente parámetro de entrada importante para nuestro modelo es la temperatura del agua que la bomba de calor debe inyectar al circuito de calefacción para garantizar un confort térmico adecuado. Además del aislamiento del edificio, también depende de cómo esté diseñado el circuito de calefacción. Los sistemas de calefacción por suelo radiante o de paneles requieren las temperaturas más bajas y permiten los valores de COP más altos, mientras que los radiadores requieren temperaturas más altas y conducen a valores de COP más bajos. Nos basamos en un conjunto de datos de cientos de edificios en Alemania31. Con una rápida expansión de las bombas de calor, no se puede esperar que se instale calefacción por suelo radiante o paneles. Por lo tanto, es importante notar que solo consideramos edificios de este conjunto de datos31 donde los radiadores todavía se usan a pesar de la bomba de calor. La Figura 2 muestra ejemplos de la temperatura del suministro de agua en función de la temperatura de entrada exterior en dichos edificios (líneas finas), así como nuestro ajuste lineal conservador para el modelo (líneas en negrita). Suponemos que los edificios de la clase energética H no estarán equipados con bombas de calor sin una mejora previa del aislamiento.

Líneas finas: Temperatura medida del agua de alimentación del circuito de calefacción en función de la temperatura exterior de entrada de la bomba de calor31. Solo se consideran circuitos con radiadores. La temperatura de suministro varía entre los edificios que tienen la eficiencia energética indicada (aislamiento del edificio) de A a G, que se indica como el rango de la energía de calefacción específica. Líneas en negrita: nuestro ajuste lineal para el modelo. Para brotes mal aislados, es conservador considerar circuitos de calefacción bastante ineficientes. Los datos se enumeran en la Tabla complementaria S4.

Las diferencias dentro de las clases energéticas individuales resultan principalmente de los diferentes tamaños de los radiadores. Hacemos hincapié en que, en muchos casos, aumentar estratégicamente el tamaño de uno o dos radiadores pequeños ya reduce mucho la temperatura de impulsión requerida32 y, por lo tanto, la instalación de bombas de calor muchas veces no tiene por qué ir acompañada de un gran trabajo en el circuito de calefacción. Esta observación sistemática31 es contraria a las creencias generalizadas de los tiempos pioneros de las bombas de calor. Sin embargo, para mantenernos en el lado conservador, agregamos 10 °C a nuestros ajustes en las clases de energía más altas (ver la Nota complementaria 5).

Finalmente, tomamos el COP de una hoja de datos de una bomba de calor aire-agua vendida comúnmente33 como una función de la diferencia de temperatura a la que debe operar una bomba de calor, vea la Fig. 3. Nuevamente, hacemos una estimación conservadora, con el polinomio cuadrático34. Consideramos que solo el COP de las bombas de calor aire-agua se mantiene conservador y facilita una instalación rápida. Existen alternativas, como las bombas de calor aire-aire y agua-agua, que tienen valores COP aún más altos. Para un análisis de sensibilidad a valores de COP más bajos, consulte la Nota complementaria 6.

El coeficiente de rendimiento (COP) de una bomba de calor aire-agua ampliamente vendida para varias temperaturas de suministro de agua al circuito de calefacción, en función de la diferencia de temperatura a la que opera la bomba de calor (es decir, la temperatura de suministro de agua menos la entrada exterior temperatura del aire) 33. Línea en negrita: nuestra estimación conservadora con un polinomio cuadrático34, que figura en la Nota complementaria 6.

Para el agua caliente, asumimos un COP promedio de 2.5, ya que los calentadores de inmersión o los calentadores de agua instantáneos se pueden usar para calentar todo el agua o para calentar el agua de las bombas de calor a temperaturas más altas.

Somos conscientes de que la instalación de bombas de calor puede verse limitada por las circunstancias que prevalecen en las empresas de fontanería y calefacción. En Alemania, actualmente hay unas 50 000 empresas de fontanería/calefacción/aire acondicionado con unos 380 000 empleados que instalan alrededor de 1 millón de unidades de calefacción al año35. En promedio, esto es 7.6 empleados por negocio y solo alrededor de 3 unidades de calefacción por empleado y año. Muchas empresas prefieren trabajar en el sector sanitario (por ejemplo, reformando baños o construyendo nuevos edificios). De las 50 000 empresas, solo entre el 10 % y el 20 % instalan regularmente bombas de calor35 y cuentan con la formación adicional necesaria35.

Por lo tanto, decidimos construir nuestros escenarios de abajo hacia arriba mediante la realización de entrevistas cualitativas semiestructuradas con algunos propietarios de dichos negocios. Estas entrevistas con expertos no pretenden ser representativas. Sin embargo, queremos reproducir declaraciones clave seleccionadas (transcripción de memoria) de propietarios de dos empresas bastante típicas. Ambas empresas son de tamaño medio, de propiedad familiar y han operado durante más de cuatro décadas en el negocio de la región metropolitana del Rin-Meno. Brindan información importante sobre las perspectivas de los profesionales.

Declaraciones clave del propietario (A), cuya empresa no instala bombas de calor:

A1). La calefacción (independientemente del tipo de calefacción) actualmente solo es atractiva para los fontaneros si hay muy pocos pedidos en el sector sanitario.

A2). Hay muy pocos empleados. El mercado laboral está vacío, los aprendices son difíciles de encontrar.

A3). Se ofrece muy poca formación sobre bombas de calor, y la calidad de la formación suele ser deficiente.

A4). Las bombas de calor no son técnicamente maduras, a menudo causan problemas, independientemente del fabricante.

A5). Un problema subestimado con la instalación de bombas de calor es que el suministro de agua caliente a menudo está conectado al sistema de calefacción.

El propietario (B) genera alrededor del 10 % de su facturación con la instalación de bombas de calor, y la tendencia ha ido aumentando lentamente durante años. La mitad de los empleados están cualificados para instalar bombas de calor. Las declaraciones clave del propietario (B) son:

B1). La falta de trabajadores calificados como principal problema.

B2). Los cursos de formación que se ofrecen resultan aburridos y alejados de la práctica.

B3). Las cosas solo podrían avanzar rápidamente si se establecieran bombas de calor con una temperatura de salida de 70 °C y más: "Entonces podríamos llegar a los edificios antiguos sin un esfuerzo y un gasto interminables. Después de todo, la gente vive en edificios antiguos, y las renovaciones completas de los viejos los edificios son demasiado caros y tardan demasiado".

B4). "Si los políticos quieren bombas de calor en los hogares, tienen que hacer que la calefacción de gas y petróleo sea realmente cara, incluso más cara que ahora, pero al mismo tiempo deben limitar el precio de la electricidad. Entonces todo funcionará". [Nota: la entrevista se realizó después del aumento de precios debido a la guerra ruso-ucraniana, pero antes de que el gobierno federal anunciara la prohibición36 de los sistemas de calefacción convencionales que utilizan menos del 65 % de energía renovable, para principios de 2024].

B5). Una multiplicación de bombas de calor para 2030 es ilusoria: "Eso nunca lo lograremos; cualquiera que diga que es posible es un 'bailarín de sueños'".

Dado que estos propietarios tienen un interés creado, acompañamos estas declaraciones con una entrevista a un experto económicamente independiente37:

E1) De hecho, hay escasez de personal (A2 y B1), pero recientemente ha habido un gran impulso para las oportunidades de capacitación, incluido un día de ejercicios prácticos organizados por los fabricantes de bombas de calor (relativiza A3 y B2).

E2) Respecto a la lucratividad: Las circunstancias han cambiado completamente en los últimos meses (a diferencia de A1). Aquellos que ofrecen instalar bombas de calor tienen una opción de clientes ansiosos, y el tiempo de espera actualmente es de alrededor de 12 meses. Sin embargo, muchos dueños de negocios todavía parecen dudar.

E3) Respecto a la tecnología: Las bombas de calor están maduras. Los problemas iniciales solo surgen en algunos casos debido a configuraciones incorrectas y posibles incompatibilidades con tanques de almacenamiento combinados. Existe una opinión obsoleta generalizada de los días pioneros en la década de 1980 de que la tecnología es problemática (pone las afirmaciones A4 y A5 en perspectiva).

E4) Estudios sistemáticos durante 15 años en unos 350 edificios existentes, 100 de los cuales son muy antiguos, han demostrado repetidamente31 que las bombas de calor rara vez necesitan suministrar más de 55 °C al circuito de calefacción de los radiadores y prácticamente nunca hasta 70 °C (relativiza B3). En la minoría de los edificios antiguos, es posible que sea necesario reemplazar uno o dos radiadores por otros más grandes, pero generalmente tanto la calefacción de gas existente como los radiadores están sobredimensionados.

Estas narraciones se utilizan a continuación para crear escenarios.

El número de bombas de calor a instalar en las casas fue determinado por la ref. 38 para ref. 35 en 15-17 millones de unidades. Esto es menos de 44 millones de hogares, ya que generalmente solo se instala una bomba de calor grande por edificio de apartamentos, por razones de costo, y los edificios también están conectados a una red de calefacción, que es alimentada en parte por bombas de calor grandes.

La Figura 4 muestra el crecimiento del stock de bombas de calor según la hoja de ruta de la Asociación Alemana de Bombas de Calor (BWP), mostrando un crecimiento anual de alrededor del 20 % en azul oscuro35. Fue desarrollado antes del aumento de los precios del gas y antes de la Guerra Ruso-Ucraniana. Sin embargo, las nuevas tecnologías que se generalizan generalmente llegan a un punto en el que es económicamente beneficioso cambiar a los nuevos dispositivos o aumenta su utilidad39. A partir de este punto, se desencadena una penetración más rápida según una curva en S40. La guerra y las decisiones políticas relacionadas hacen que esto sea probable.

El escenario muy rápido considera narrativas de propietarios de empresas de plomería y calefacción, incentivos gubernamentales necesarios y una ofensiva de capacitación para profesionales. Los escenarios rápidos y acelerados superan estos factores limitantes solo en menor grado. La hoja de ruta de los instaladores de la Asociación Alemana de Bombas de Calor35 se desarrolló antes de que comenzara la Guerra Ruso-Ucraniana38. Los datos se enumeran en la Tabla complementaria S5.

A nivel macro, es posible un rápido crecimiento en el número de instalaciones porque en todo el mundo se producen alrededor de 10 millones de bombas de calor cada año, y solo en Alemania, se realizaron inversiones de más de mil millones de euros este año para expandir la producción41. Como muestran las narraciones, el factor limitante es la situación a nivel micro.

Sobre la base de las entrevistas y las limitadas capacidades de capacitación, establecimos el escenario muy rápido para agregar un máximo de 4 millones de bombas de calor por año en Alemania, lo que nos parece factible por las siguientes razones. A partir de las descripciones (A5 y B3), asumimos un promedio nacional de 4 a 6 días-persona por instalación de una bomba de calor42, que es más largo que una instalación en un lugar adecuado, y también da tiempo para ampliar uno o dos radiadores ( E4), por ejemplo, o para superar las dificultades de integración de la bomba de calor en el sistema de agua caliente (A5). Incluso en un año de 4 millones de bombas de calor nuevas, no se necesitará más de una cuarta parte de los 380 000 empleados a tiempo completo para instalar sistemas de bombas de calor. Considerando las afirmaciones (A2, B1 y E1) de que el mercado laboral está vacío, no agregamos nuevos trabajadores. En base a complicaciones con edificios antiguos (B3, E4), restringimos la temperatura del suministro de agua a 60 °C (Fig. 2), lo que implica que en muy pocos días de invierno muy fríos (que se muestran en la Fig. S8 en el Suplemento), el Es posible que la bomba de calor no proporcione una temperatura ambiente de 20 °C para todas las habitaciones.

En cuanto a la formación adicional (A3, B2 y E1), asumimos que las bombas de calor se instalan en equipos pequeños, por lo que es suficiente que solo uno de cada dos trabajadores complete la formación adicional. Esta formación actualmente dura de 3 a 4 días42 y se espera que los participantes adquieran experiencia práctica después. En este escenario máximo, se supone que este curso se imparte a un total de unos 70 000 empleados durante los primeros años.

Por todas estas razones, el escenario muy rápido no nos parece una utopía, pero requiere esfuerzos concertados y cooperación entre el gobierno, las empresas y los clientes. En los escenarios rápidos y acelerados, se debe capacitar y asignar a un número correspondientemente menor de empleados a la instalación de bombas de calor (para más detalles, consulte la Nota complementaria 7).

Para aplicaciones industriales por debajo de 100 °C, asumimos los mismos escenarios proporcionales que para el calor de la habitación, teniendo en cuenta que se instalará un número mucho menor de bombas de calor mucho más grandes. Una evaluación de los incentivos gubernamentales favorables para la industria está más allá del alcance de este documento.

La figura 5 muestra la cantidad de gas sustituido por electricidad renovable mediante la instalación de bombas de calor y mediante la reducción de las horas de carga de las centrales eléctricas a gas, en los cuatro escenarios de la figura 4. La cantidad se representa en relación con el total de gas importado. a Alemania en 2020, que fue de 971 TWh. En el escenario de los instaladores, solo se sustituye una pequeña parte, incluso para 2030. Se necesitan esfuerzos específicos, como el escenario muy rápido, que logra un ahorro de gas fósil de alrededor del 30% para 2025 (alrededor de 290 TWh o 28 mil millones de m3). Teniendo en cuenta que en 2020, alrededor del 50 % del gas se importó de la Federación Rusa, el escenario muy rápido puede ahorrar alrededor del 60 % de este gas para 2025. Por lo tanto, se puede esperar que los esfuerzos específicos reduzcan la volatilidad de los precios y el riesgo de suministro de combustibles fósiles. gas, mientras que, al mismo tiempo, mueven a Alemania de manera decisiva en el camino hacia el cumplimiento del Acuerdo Climático de París. El escenario muy rápido también ahorrará al menos 180 Mt de emisiones de gases de efecto invernadero acumuladas para 2025 (para obtener más detalles, consulte la Nota complementaria 8).

Porcentaje modelado de gas importado a Alemania, sustituido por electricidad renovable mediante la instalación de bombas de calor en viviendas particulares y en las industrias química, papelera y de procesamiento de alimentos, en los cuatro escenarios de la Fig. 4. Las columnas del fondo muestran la cantidad de gas sustituido sin instalar nuevas bombas de calor (mediante el uso de generación fotovoltaica y eólica recién instalada para desplazar la electricidad de las centrales eléctricas de gas). La barra de error en 2025 indica las fluctuaciones climáticas de un año a otro como desviación estándar, la barra de error en 2026 indica las variaciones climáticas locales dentro de Alemania (consulte la Nota complementaria 9). Estas variaciones son relativamente pequeñas y similares en todos los años. Los datos se enumeran en la Tabla complementaria S7.

La Figura 6 muestra cómo se divide y utiliza la electricidad renovable recién agregada (no la total). En los dos primeros años, la capacidad eólica y fotovoltaica adicional reduce principalmente las horas de carga de las centrales eléctricas de gas (más bien automáticamente en los mercados competitivos del día a día). Nuestro modelo resuelto por hora muestra que esto se debe a que en estos primeros años, hay muchas horas cuando el sol brilla y/o sopla el viento, pero no se instalan suficientes parques eólicos y capacidades fotovoltaicas para cubrir la demanda de la red por completo (consulte la Nota complementaria 10). En 2024 y 2025, las bombas de calor consumirán el 70 % de la energía renovable recién agregada en el escenario muy rápido, que claramente alcanza los límites del modelo, ya que supone una expansión suficiente de la red. Aunque la Agencia Federal de Redes ha ordenado la expansión de la red, no significa necesariamente que habrá suficiente capacidad de red disponible en todas partes de Alemania en 2024 y 2025 (consulte la sección Métodos). En años posteriores, las capacidades de energía renovable son lo suficientemente grandes como para que las centrales eléctricas de gas solo necesiten funcionar en situaciones en las que los parques eólicos instalados adicionales y las capacidades fotovoltaicas no ayudarían, como en las noches sin viento. Esta situación se alcanzará alrededor de 2030, cuando la participación anual de las energías renovables en la generación de electricidad sea de alrededor del 80 %24 (ver la Nota complementaria 11).

La energía eléctrica renovable recién agregada (no la total) se usa en diferentes proporciones en los cuatro escenarios modelados: para bombas de calor, para reducir las horas de carga de las centrales eléctricas a gas y para otros usos, como la eliminación del carbón y la electromovilidad. . Los datos se enumeran en la Tabla complementaria 7.

La Figura 6 también muestra que, a lo largo de los años, habrá más y más electricidad disponible a partir de energías renovables para otros fines, como la eliminación gradual de las centrales eléctricas de carbón y la electromovilidad.

La Nota complementaria 12 contiene una cuantificación para una adición inmediata específica de Alemania de capacidades renovables para reemplazar el gas a corto plazo.

Si se instalan capacidades de electricidad renovable, la instalación acelerada de bombas de calor es una opción estratégica eficaz para reducir en gran medida el consumo de gas fósil, incluso si los radiadores siguen instalados en la mayoría de los edificios, y parte de la electricidad se genera en centrales eléctricas de gas fósil. Con esfuerzos específicos, como máximo alrededor del 60 % de la cantidad de gas importado en 2020 en Alemania desde la Federación Rusa, se puede sustituir para 2025 (alrededor del 40 % en un escenario menos ambicioso). Los escenarios asumen esfuerzos específicos que incluyen la cooperación entre el gobierno, las empresas y los clientes para garantizar que la instalación de bombas de calor sea lucrativa para los instaladores, se lanza una ofensiva de capacitación para los instaladores y se amplía la red eléctrica en los lugares requeridos.

Los escenarios, desarrollados aquí para Alemania, deben ajustarse a las especificidades de otros países, pero ofrecen vías claras y tangibles para reducir la volatilidad de los precios y los riesgos de suministro de gas fósil y, al mismo tiempo, dar un paso decisivo hacia el cumplimiento del Acuerdo Climático de París. .

El objetivo del modelo es estimar la sustitución de gas por bombas de calor con electricidad renovable en Alemania en resolución horaria. Por lo tanto, utilizamos un enfoque determinista con una única realización nominal de la generación renovable para bombas de calor. Los límites de este enfoque se evalúan críticamente a continuación.

Para modelar la generación de electricidad en el futuro cercano, elegimos el año de referencia 2020, en el que estaban disponibles las siguientes capacidades instaladas: 55 GW para eólica terrestre, 6,3 GW para eólica marina y 54 GW para fotovoltaica. Para los años entre 2022 y 2030, incluimos la adición planificada de energía eólica terrestre y marina y fotovoltaica que se muestra en la figura complementaria S4. La ventaja de este enfoque de referencia es que se incluyen todos los detalles del sistema general, así como los datos climáticos de toda Alemania.

Hay tres aproximaciones principales que acompañan a esta elección de modelo:

En primer lugar, el posicionamiento geográfico de los nuevos parques eólicos terrestres es importante43, ya que el rendimiento es mayor en el norte que en el sur de Alemania. Es realista suponer que la nueva incorporación de parques eólicos se producirá en una distribución geográfica similar a la del inventario de 2020, ya que la transición energética en Alemania ha progresado tanto que los nuevos parques eólicos se están reactivando en ubicaciones óptimas y más viento También se han construido granjas en ubicaciones subóptimas. No obstante, multiplicar la energía eólica terrestre de 2020 por un factor proporcional a la nueva capacidad añadida en el futuro es conservador, porque las nuevas turbinas eólicas suelen ser más grandes y más altas y generan más horas de carga que las capacidades en 2020. Por el contrario, la distribución geográfica de las nuevas plantas fotovoltaicas instaladas es menos importante y los valores horarios están bastante bien correlacionados en toda Alemania (excepto en la vertiente norte de los Alpes bávaros)44.

En segundo lugar, la generación de electricidad por centrales eléctricas distintas de las unidades eólicas, fotovoltaicas y de gas no se modifica en todos los años futuros. Es evidente a partir de los resultados del modelado en las Figs. 5 y 6 que, aparte del funcionamiento de las bombas de calor y la sustitución de las horas de carga de las centrales eléctricas de gas, una parte cada vez mayor de la energía fotovoltaica y eólica recién añadida se dejará para otras aplicaciones. Debido a que gran parte de la electricidad en Alemania se comercializa de acuerdo con el principio de orden de mérito, las centrales eléctricas de carbón serán reemplazadas por la electricidad sobrante, no por la electricidad utilizada para las bombas de calor y el reemplazo de la quema de gas. Por lo tanto, los cambios futuros en la generación de carbón y otra electricidad tienen solo una influencia menor en nuestros resultados de sustitución de gas. También lo ha hecho el inicio de la movilidad eléctrica.

En tercer lugar, la generación de electricidad a partir de energías renovables fluctúa de un año a otro, más para la energía eólica que para la fotovoltaica. Para cuantificar la variabilidad climática de un año a otro, también modelamos los años 2017, 2018 y 201923 para compararlos con la referencia de 2020. Nuestro consumo de gas modelado da como resultado una desviación estándar del 1,2 % en comparación con el gas importado en 2020 (970 TWh). Esto está en línea con la desviación estándar de las importaciones de gas16. Dado que derivamos la desviación estándar de solo cuatro años, la multiplicamos por un factor de dos para estar del lado del ahorro, como lo indica la barra de error en 2025 en la Fig. 5. En algunos inviernos, las condiciones climáticas típicas a gran escala45 pueden conducir a un estancamiento oscuro46 en el que ni la energía eólica ni la fotovoltaica pueden satisfacer suficientemente la demanda de la red. Dichos períodos solo reducirían los ahorros de gas hasta cierto punto, ya que estos patrones climáticos típicos no causan temperaturas muy bajas.

El modelo se enfoca en las capacidades de generación renovable y las bombas de calor recientemente agregadas y omite los cambios en las capacidades de generación de combustibles fósiles. Con la eliminación del carbón programada solo para 2030 y la instalación de un exceso de capacidad de terminales de GNL debido a la guerra ruso-ucraniana14, es poco probable que la reducción en la capacidad de generación fósil conduzca a asignaciones inesperadas de electricidad renovable y, por lo tanto, tenga un impacto en los resultados aquí presentados. Además, el modelo solo considera la generación y el consumo de electricidad, no los detalles de la transmisión de electricidad en la red eléctrica, donde puede haber congestión. Esta es una limitación del modelo, especialmente en el escenario muy rápido para 2024 y 2025, donde el 70% de toda la energía renovable nueva es utilizada por bombas de calor. La curva de carga en la figura complementaria S3 muestra que las bombas de calor no provocan los notorios picos de demanda, conocidos por los acondicionadores de aire en los días calurosos, en parte debido al almacenamiento de calor en las calderas. Además, las bombas de calor pueden funcionar de forma muy flexible. Como los edificios son un gran almacenamiento de energía térmica, y muchos edificios tienen una caldera, las bombas de calor pueden funcionar unas horas antes de la demanda de calor, por ejemplo, en las horas nocturnas cuando la energía eólica suele estar disponible y la carga de la red es baja. En primavera y otoño47, el acoplamiento de bombas de calor con energía fotovoltaica local puede proporcionar calor durante el día. Esta flexibilidad no está incorporada en la curva de carga en la figura complementaria S3. Si las bombas de calor funcionan de tal manera que funcionan en momentos de precios de mercado bajos, la red eléctrica se descarga considerablemente. Aún así, es necesaria una combinación de expansión de la red48,49 y almacenamiento de electricidad, según lo dispuesto por la Agencia Federal Alemana de Redes. Y en ningún caso, el modelo debe utilizarse más tiempo en el futuro que hasta el punto de alrededor del 80 % de la energía renovable en la red. En porcentajes mayores, se deben sumar las capacidades de balance de las plantas de motores de combustión interna multicombustible/turbinas de gas de ciclo abierto (ICE/OCGT) durante las horas en que no hay suficiente viento o sol. Según los planes del Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima24, la marca del 80 % se alcanzará en 2030.

Para cuantificar la variación del consumo de gas, utilizamos los perfiles de carga lineales sigmoidales diarios (sigLin) d del manual Standard Load Profiles (SLP)19, que depende de la temperatura promedio diaria Td de la siguiente manera:

Para la calefacción de espacios residenciales, usamos el perfil DE_HEF04 con A = 3,1850191, B = –37,4124155 °C, C = 6,1723179 y D = 0,0761096, mientras que para cocinar a gas usamos el perfil DE_HKO03 con A = 0,4040932, B = –24,4392968 °C, C = 6,5718175 y D = 0,7107710. Ambos todos los días de la semana.

Dado que la temperatura del aire varía en Alemania, modelamos con datos de temperatura por hora del Servicio Meteorológico Alemán (DWD)50 en las áreas metropolitanas más pobladas, consulte la Nota complementaria 10. Hannover está más cerca de la mediana de estos sitios, y todos los datos se modelaron con los datos de temperatura de Hannover. La desviación estándar debida a la elección de la localidad (multiplicada por un factor de 2 para estar seguro) está representada en la Fig. 5 por la barra de error en 2026.

Como se muestra en la Nota complementaria 2, los perfiles de carga por hora h se toman en función de la temperatura exterior por hora Th y se normalizan a 1.

La cantidad de gas Gi,2020 consumido en cada hora de 2020 en un sector s = {calefacción residencial, cocina, industria química, papelera y de procesamiento de alimentos} es: Gs,2020 = d(Td) * h(Th) * gs,2020, donde gs,2020 es un factor elegido para que la suma del consumo de gas durante todo el año 2020 en cada sector coincida con los valores dados en el texto principal. Tenga en cuenta que d y h no tienen unidad, mientras que g tiene unidad TWhg, donde g representa gas.

Para calcular la cantidad futura Gs,año de gas sustituido en el año = {2022, 2023 … 2030}, multiplicamos Gs,2020 por un factor faño,escenario, que depende del escenario = {hoja de ruta de los instaladores, acelerada, rápida, muy rapido}. Tenga en cuenta que elegimos f para que sea el mismo para todos los sectores s, utilizando los escenarios para las bombas de calor en la calefacción de espacios residenciales que se muestran en la Fig. 4 en unidades de millones. Para obtener f, escalamos estos números para que el factor sea 0 en 2020 y 1 si se instalan 16 millones de bombas de calor, como se indica en la Tabla complementaria S5. Entonces, Gs,2020 * fyear,scenario arroja la cantidad de gas sustituido en TWhg. Para calcular la electricidad requerida en TWhe, Gs,2020 * faño, se divide el escenario por el COP (momentáneo). Para la calefacción de espacios privados, Gs,2020 * faño,escenario se divide por un polinomio cuadrático que se muestra en la Fig. 3, que es 5,4 – 0,013 * (Theat − Th) − 0,00062 * (Theat − Th)2. En la Fig. 2 se muestra una parametrización de la temperatura del agua de calefacción (en función de Th) en las distintas clases de eficiencia del edificio de la A a la G y se enumera en la Tabla complementaria S4.

La suma por hora de todos estos valores de TWhe requeridos por las bombas de calor, H, se compara con la electricidad fotovoltaica y eólica añadida calculada de acuerdo con la figura complementaria S4, específicamente al multiplicar los valores de electricidad fotovoltaica y eólica por hora de 2020 por los factores proporcionados en la figura complementaria. Tabla S1. Si H es mayor que la electricidad renovable añadida R, se calcula la cantidad de gas, Gpp, que utilizan las centrales eléctricas de gas para satisfacer esta demanda adicional, tomando una eficiencia del 50% para estas centrales, como se explica en el texto principal. : Gpp = (H − R)/0,5. En este caso, Gpp se resta del gas sustituido por bombas de calor y la cantidad neta se marca como "utilizado para bombas de calor" en la Fig. 6. Si H es menor que R, Gpp es negativo, lo que significa que al menos parte de R sustituye al gas al reducir la producción de las centrales eléctricas alimentadas con gas. Esa cantidad se etiqueta como "reducción de horas de carga en centrales eléctricas de gas" en la Fig. 6. Si hay más R disponible de lo que se puede usar para reducir la producción de las centrales eléctricas de gas, esta energía restante se etiqueta como "otro uso". " en la Fig. 6. En la Fig. 5 se muestra la suma tanto de "utilizado para bombas de calor" como de "reducción de horas de carga en centrales de gas". Finalmente, las columnas en la Fig. 5 etiquetadas como "sin bombas de calor" son un cálculo con H = 0. Los resultados del modelo se enumeran en la Tabla S7.

No calculamos la inversión y el precio. Sin embargo, la inversión privada se mantiene al mínimo al limitar nuestro modelo a la instalación de bombas de calor con solo cambios menores en el circuito de calefacción.

Todos los datos de entrada y salida se pueden encontrar en el texto principal y en el Suplemento. Además, están disponibles como archivo de Excel en https://doi.org/10.5281/zenodo.7559161. Las ecuaciones se dan en la sección de Métodos y en el Suplemento. Los datos del sistema eléctrico alemán para los años 2017 a 2020 se pusieron a disposición de los autores mediante la ref. 23 para uso no comercial, pero generalmente no están disponibles públicamente (solicite estos datos en https://www.agora-energiewende.de).

Debido a que los datos del sistema eléctrico alemán para los años 2017 a 2020 no están disponibles públicamente, no podemos publicar el código original, pero contiene las ecuaciones proporcionadas en la sección Métodos y en el Suplemento.

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Descargar referencias

Agradecemos al equipo de Agora Energiewende por la generosa provisión de datos de la red eléctrica alemana. Agradecemos a la Asociación Alemana de Bombas de Calor por el generoso suministro de datos sobre las instalaciones de bombas de calor, y al Prof. Heiko Werdin de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Dresde por proporcionar datos sobre el rendimiento COP de las bombas de calor. Agradecemos a los tres revisores por mejorar los puntos débiles de este documento.

Científicos para el Futuro, Berlín, Alemania

Pietro P. Altermatt, Jens Clausen, Heiko Brendel, Christian Breyer, Christoph Gerhards, Claudia Kemfert y Urban Weber

Grupo Global de Simulación Fotovoltaica, Genève 1, Suiza

Peter P.Altermatt

Instituto Borderstep para la Innovación y la Sostenibilidad, Berlín, Alemania

Jens Clausen

Universidad de Tubinga, Geschwister-Scholl-Platz, Tubinga, Alemania

heiko brendel

Universidad LUT, Lappeenranta, Finlandia

Cristian Breyer

Instituto Alemán de Investigación Económica (DIW) Berlín, Berlín, Alemania

Claudia Kemfert

Universidad de Ciencias Aplicadas Bingen, Bingen am Rhein, Alemania

weber urbano

Departamento de Materiales, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

matthew wright

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PPA desarrolló el modelo y realizó los cálculos. JC contribuyó con su experiencia en la transición del calor y la adopción de tecnología. HB realizó las entrevistas y contribuyó con su experiencia en ciencias sociales e investigación cuantitativa general. CB contribuyó al desarrollo del modelo con su experiencia en la transición energética. CK contribuyó con su experiencia en el sistema de gas. UW y CG contribuyeron con su experiencia en sistemas energéticos y edificios. MW ayudado en la conceptualización y validado el modelo. El primer borrador del documento fue escrito por PPA y todos los demás autores agregaron secciones con su experiencia.

Correspondencia a Pietro P. Altermatt.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Communications Earth & Environment agradece a Richard Lowes, Manfred Fischedick y Brage Rugstad Knudsen por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores principales de manejo: Alessandro Rubino y Joe Aslin. Los informes de los revisores están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Altermatt, PP, Clausen, J., Brendel, H. et al. Reemplazar las calderas de gas por bombas de calor es la forma más rápida de reducir el consumo de gas en Alemania. Medio Ambiente Común de la Tierra 4, 56 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00715-7

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Recibido: 14 junio 2022

Aceptado: 15 febrero 2023

Publicado: 03 marzo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-00715-7

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