Calefacción eléctrica

La calefacción eléctrica es un proceso en el que la energía eléctrica se convierte directamente en energía térmica . Sus aplicaciones comunes incluyen la calefacción de espacios , la cocción , el calentamiento de agua y los procesos industriales. Un calentador eléctrico es un dispositivo eléctrico que convierte una corriente eléctrica en calor. ^{[ 1 ]} El elemento calefactor dentro de cada calentador eléctrico es una resistencia eléctrica y funciona según el principio de calentamiento Joule : una corriente eléctrica que pasa a través de una resistencia convierte esa energía eléctrica en energía térmica. La mayoría de los dispositivos de calefacción eléctrica modernos utilizan alambre de nicromo como elemento activo; el elemento calefactor que se muestra a la derecha utiliza alambre de nicromo soportado por aislantes cerámicos.

Como alternativa, una bomba de calor puede alcanzar una eficiencia de entre el 150 % y el 600 % para calefacción, o un coeficiente de rendimiento (COP) de entre 1,5 y 6,0 , ya que utiliza energía eléctrica únicamente para transferir la energía térmica existente. La bomba de calor emplea un motor eléctrico para accionar un ciclo de refrigeración inverso , que extrae energía térmica de una fuente externa, como el suelo o el aire exterior (o el interior de un frigorífico), y la dirige al espacio que se desea calentar (en el caso de un frigorífico, la cocina). Esto permite un uso mucho más eficiente de la energía eléctrica que la calefacción eléctrica directa, pero requiere equipos mucho más costosos, además de la instalación de fontanería. Algunos sistemas de calefacción pueden funcionar a la inversa para el aire acondicionado, de modo que el espacio interior se enfría y el aire o el agua aún más caliente se expulsa al exterior o al subsuelo.

La calefacción eléctrica se utiliza para calentar el interior de los edificios. Los calefactores eléctricos son útiles en lugares donde la ventilación es difícil, como en los laboratorios. Se utilizan varios métodos de calefacción eléctrica.

Calentadores radiantes infrarrojos

La calefacción radiante infrarroja eléctrica utiliza elementos calefactores que alcanzan una alta temperatura. El elemento suele estar encapsulado en una cubierta de vidrio similar a una bombilla , con un reflector que dirige la energía emitida lejos del cuerpo del calefactor. El elemento emite radiación infrarroja que viaja a través del aire o el espacio hasta que incide sobre una superficie absorbente, donde se convierte parcialmente en calor y se refleja parcialmente. Este calor calienta directamente a las personas y los objetos de la habitación, en lugar de calentar el aire. Este tipo de calefactor es especialmente útil en zonas por donde circula aire sin calentar. También son ideales para sótanos y garajes donde se desea calefacción localizada. En general, son una excelente opción para la calefacción de tareas específicas.

Los calefactores radiantes funcionan silenciosamente y presentan el mayor riesgo de ignición de los muebles cercanos debido a la intensidad concentrada de su emisión y a la falta de protección contra el sobrecalentamiento. En el Reino Unido, a estos aparatos se les suele llamar estufas eléctricas, ya que originalmente se utilizaban para sustituir las chimeneas tradicionales.

El medio activo del calentador que se muestra en esta sección es una bobina de alambre de resistencia de nicromo dentro de un tubo de sílice fundida , abierto a la atmósfera en los extremos, aunque existen modelos en los que la sílice fundida está sellada en los extremos y la aleación de resistencia no es de nicromo.

Calentadores de convección

convección natural

En un calefactor de convección, el elemento calefactor calienta el aire en contacto con él por conducción térmica . El aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que asciende debido a la flotabilidad , permitiendo que entre más aire frío para ocupar su lugar. Esto crea una corriente de convección de aire caliente que asciende desde el calefactor, calienta el espacio circundante, se enfría y luego repite el ciclo. Estos calefactores a veces se llenan con aceite o fluido térmico. Son ideales para calentar un espacio cerrado. Funcionan silenciosamente y presentan un menor riesgo de ignición en caso de contacto accidental con los muebles, en comparación con los calefactores eléctricos radiantes.

Convección forzada

Un calefactor de ventilador, también llamado calefactor de convección forzada, es un tipo de calefactor de convección que incorpora un ventilador eléctrico para acelerar el flujo de aire. Su funcionamiento genera bastante ruido debido al ventilador. Presenta un riesgo moderado de ignición si entra en contacto accidental con los muebles. Su ventaja radica en que es más compacto que los calefactores de convección natural y resulta económico para sistemas de calefacción portátiles y de habitaciones pequeñas.

La eficiencia de cualquier sistema depende de la definición de sus límites. Para un cliente de energía eléctrica, la eficiencia de la calefacción eléctrica es del 100% porque toda la energía comprada se convierte en calor. Sin embargo, si se incluye una central eléctrica que suministra electricidad, la eficiencia general disminuye drásticamente. Por ejemplo, una central eléctrica de combustibles fósiles solo entrega de 3 a 5 unidades de energía eléctrica por cada 10 unidades de energía de combustible liberadas. ^{[ 11 ]} Aunque el calentador eléctrico sea 100% eficiente, la cantidad de combustible necesaria para producir el calor es mayor que si el combustible se quemara en un horno o caldera en el edificio que se calienta. Si el mismo combustible pudiera usarse para la calefacción por un consumidor, sería más eficiente en general quemar el combustible en el edificio del usuario final. Por otro lado, reemplazar la calefacción eléctrica con calentadores que queman combustibles fósiles no es necesariamente bueno, ya que elimina la posibilidad de tener calefacción eléctrica renovable, que se puede lograr obteniendo la electricidad de una fuente renovable.

Las variaciones entre países que generan energía eléctrica afectan las preocupaciones sobre la eficiencia y el medio ambiente. En 2015, Francia generó solo el 6 % de su electricidad a partir de combustibles fósiles , mientras que Australia obtuvo más del 86 % de su electricidad de combustibles fósiles. ^{[ 12 ]} La limpieza y la eficiencia de la electricidad dependen de la fuente.

En Suecia, el uso de calefacción eléctrica directa se ha restringido desde la década de 1980 por este motivo, y existen planes para eliminarla por completo (véase Eliminación gradual del petróleo en Suecia ), mientras que Dinamarca ha prohibido la instalación de calefacción eléctrica directa en edificios nuevos por razones similares. ^{[ 13 ]} En el caso de edificios nuevos, se pueden utilizar técnicas de construcción de bajo consumo energético que pueden eliminar prácticamente la necesidad de calefacción, como las construidas según el estándar Passivhaus .

En Quebec , sin embargo, la calefacción eléctrica sigue siendo la forma más popular de calefacción doméstica. Según una encuesta de Statistics Canada de 2003, el 68 % de los hogares de la provincia utiliza electricidad para la calefacción. Más del 90 % de toda la energía consumida en Quebec se genera mediante represas hidroeléctricas , que tienen bajas emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con las centrales eléctricas de combustibles fósiles . Hydro-Québec , la empresa de servicios públicos de propiedad provincial, cobra tarifas bajas y estables . ^{[ 14 ]}

En los últimos años, se ha observado una marcada tendencia en los países a generar electricidad baja en carbono a partir de fuentes renovables, sumándose a la energía nuclear e hidroeléctrica, que son fuentes de baja emisión de carbono de larga tradición. Por ejemplo, la huella de carbono de la electricidad por kWh en el Reino Unido en 2019 fue menos de la mitad que en 2010. ^{[ 11 ]} Sin embargo, debido al elevado coste de capital, el coste de la electricidad no ha disminuido y suele ser entre dos y tres veces superior al de la quema de combustibles. Por lo tanto, la calefacción eléctrica directa puede ahora generar una huella de carbono similar a la de la calefacción a gas o petróleo, pero el coste sigue siendo mayor, aunque las tarifas más económicas en horas valle pueden mitigar este efecto.

Para proporcionar calor de manera más eficiente, una bomba de calor eléctrica puede elevar la temperatura interior extrayendo energía del suelo, del aire exterior o de corrientes de residuos como el aire de escape. Esto puede reducir el consumo de electricidad hasta en un 35 % del que utiliza la calefacción por resistencia. ^{[ 15 ]} Cuando la fuente principal de energía eléctrica es hidroeléctrica, nuclear o eólica, transferir electricidad a través de la red puede ser conveniente, ya que el recurso puede estar demasiado lejos para aplicaciones de calefacción directa (con la notable excepción de la energía solar térmica ).

La electrificación de la calefacción de espacios y agua se propone cada vez más como una vía para descarbonizar el sistema energético actual, especialmente con bombas de calor . En caso de electrificación a gran escala, es necesario considerar los impactos en la red eléctrica debido al posible aumento de la demanda máxima de electricidad y la exposición a fenómenos meteorológicos extremos . ^{[ 16 ]}

El funcionamiento de calentadores eléctricos de resistencia para calentar un área durante largos periodos resulta costoso en muchas regiones. Sin embargo, su uso intermitente o durante parte del día puede ser más rentable que la calefacción de todo el edificio gracias a un control zonal superior.

Por ejemplo: Un comedor en una oficina tiene un horario de funcionamiento limitado. Durante los periodos de menor uso, el sistema de calefacción central mantiene una temperatura de "monitoreo" ( 50 °F o 10 °C ). En las horas pico, entre las 11:00 y las 14:00, la temperatura se mantiene a un nivel de confort ( 70 °F o 21 °C ). Se pueden lograr ahorros significativos en el consumo energético total, ya que las pérdidas por radiación infrarroja a través de la radiación térmica son menores debido a un gradiente de temperatura más pequeño, tanto entre este espacio y el aire exterior sin calentar, como entre el refrigerador y el comedor (ahora más fresco).    

Económicamente, la calefacción eléctrica se puede comparar con otras fuentes de calefacción doméstica multiplicando el costo local por kilovatio-hora de electricidad por la cantidad de kilovatios que consume el calentador. Por ejemplo: un calentador de 1500 vatios a 12 centavos por kilovatio-hora cuesta 1,5 × 12 = 18 centavos por hora. ^{[ 17 ]} Al comparar con la quema de combustible, puede ser útil convertir los kilovatios-hora a BTU : 1,5  kWh × 3412,142 = 5118 BTU.

La calefacción eléctrica se utiliza ampliamente en la industria. ^{[ 18 ]}

Las ventajas de los métodos de calentamiento eléctrico sobre otras formas incluyen un control preciso de la temperatura y la distribución de la energía térmica, la ausencia de combustión para generar calor y la capacidad de alcanzar temperaturas difíciles de lograr con la combustión química. El calor eléctrico se puede aplicar con precisión en el punto exacto que se necesita en un proceso, con una alta concentración de potencia por unidad de área o volumen. Los dispositivos de calentamiento eléctrico se pueden fabricar en cualquier tamaño requerido y ubicar en cualquier lugar dentro de una planta. Los procesos de calentamiento eléctrico son generalmente limpios, silenciosos y no emiten mucho calor residual al entorno. Los equipos de calentamiento eléctrico tienen una alta velocidad de respuesta, lo que los hace idóneos para equipos de producción en masa de ciclo rápido.

Las limitaciones y desventajas de la calefacción eléctrica en la industria incluyen el mayor costo de la energía eléctrica en comparación con el uso directo de combustible, así como el costo de capital tanto del propio equipo de calefacción eléctrica como de la infraestructura necesaria para suministrar grandes cantidades de energía eléctrica hasta el punto de uso. Esto puede compensarse parcialmente con las mejoras de eficiencia dentro de la planta (en el sitio), al utilizar menos energía en general para lograr el mismo resultado.

El diseño de un sistema de calefacción industrial comienza con la evaluación de la temperatura requerida, la cantidad de calor necesaria y los modos viables de transferencia de energía térmica. Además de la conducción, la convección y la radiación, los métodos de calefacción eléctrica pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos para calentar el material.

Los métodos de calentamiento eléctrico incluyen el calentamiento por resistencia, el calentamiento por arco eléctrico, el calentamiento por inducción y el calentamiento dieléctrico. En algunos procesos (por ejemplo, la soldadura por arco ), la corriente eléctrica se aplica directamente a la pieza. En otros, el calor se genera dentro de la pieza por inducción o pérdidas dieléctricas . Asimismo, el calor puede generarse y transferirse a la pieza por conducción, convección o radiación.

Los procesos de calentamiento industrial se pueden clasificar a grandes rasgos en baja temperatura (hasta aproximadamente 400 °C o 752 °F ), temperatura media (entre 400 y 1150 °C o 752 y 2102 °F ) y alta temperatura (más de 1150 °C o 2102 °F ). Los procesos de baja temperatura incluyen horneado y secado, curado de acabados , soldadura , moldeo y conformado de plásticos. Los procesos de temperatura media incluyen fusión de plásticos y algunos no metales para fundición o remodelación, así como recocido, alivio de tensiones y tratamiento térmico de metales. Los procesos de alta temperatura incluyen fabricación de acero , soldadura fuerte , soldadura , fundición de metales, corte, fundición y preparación de algunos productos químicos.