La ingeniera industrial Irantzu Erro Iturralde ha desarrollado, en su tesis doctoral, un sistema de bomba de calor termoeléctrica para aplicaciones de calefacción. Para ello, ha utilizado intercambiadores de calor de alta eficiencia basados en “cambio de fase” (materiales que cambian de estado y en ese proceso liberan calor), que mejoran la conversión de energía de potencia a calor. La tesis ha sido dirigida por el catedrático David Astrain Ulibarrena y la profesora Patricia Aranguren Garacochea, ambos investigadores del ISC de la UPNA.

Como explica la autora de la tesis, la solución para abordar la emergencia climática radica en promover la integración de las energías renovables en el “mix” energético, junto con la mejora de la eficiencia energética. Sin embargo, teniendo en cuenta la intermitencia natural de las fuentes renovables, el uso de sistemas de almacenamiento de energía se vuelve imprescindible. Entre los diferentes sistemas de almacenamiento, el de energía térmica presenta una opción prometedora. Estos sistemas almacenan eficientemente el exceso de energía renovable en forma de calor, permitiendo su conversión de nuevo en electricidad o su aplicación directa para calefacción.

“Para fomentar el uso de sistemas de almacenamiento térmico, es fundamental desarrollar sistemas eficientes de conversión de energía power-to-heat (energía a calor)”, apunta Irantzu Erro. Como continúa explicando la experta, esto permite la aplicación de la tecnología termoeléctrica al desarrollo de bombas de calor para aplicaciones de calefacción, con la ventaja de que se evita el uso de refrigerantes y de que es una tecnología modular (puede montarse por piezas). Según ciertos estudios, las bombas de calor termoeléctricas de dos etapas muestran un rendimiento superior para altas diferencias de temperatura en comparación con configuraciones de una etapa, permitiendo su uso en aplicaciones de alta temperatura. No obstante, hay pocas investigaciones sobre bombas de calor termoeléctricas de dos etapas para aplicaciones de calefacción. Por ello, la tesis doctoral tiene como objetivo diseñar y desarrollar un sistema optimizado de bomba de calor termoeléctrica para calefacción a altas temperaturas, con el fin de mejorar el rendimiento del proceso de conversión de potencia a calor para almacenamiento de energía térmica. 

DESARROLLO DE LOS TRABAJOS DE LA TESIS DOCTORAL

Dentro de la tesis, en primer lugar, se desarrollaron y compararon dos prototipos de bombas de calor termoeléctricas de dos etapas que utilizan diferentes intercambiadores de calor intermedios: monofásico y de cambio de fase, con el objetivo de calentar un flujo de aire. El novedoso intercambiador de calor de cambio de fase logra una notable reducción de la resistencia térmica, lo que resulta en un incremento superior al 16% en el flujo de calor suministrado al aire y una reducción superior al 6% en el consumo de potencia del sistema.

Posteriormente, se llevó a cabo un estudio de sensibilidad para evaluar el rendimiento de diversas configuraciones de bombas de calor termoeléctricas. Este trabajo puso de manifiesto la necesidad de configuraciones de dos etapas para alcanzar altas temperaturas y elevados flujos de calor, mientras que la bomba de calor termoeléctrica de una etapa mostró un mejor rendimiento en operaciones a baja temperatura. A partir de los resultados experimentales, se realizó una evaluación de la aplicación de un sistema optimizado de bomba de calor termoeléctrica en el proceso de carga de un sistema de almacenamiento de energía térmica.

Con el fin de disponer de una herramienta precisa capaz de simular el comportamiento de bombas de calor termoeléctricas de dos etapas, se desarrolló un modelo computacional basado en la analogía térmico-eléctrica y el método de diferencias finitas. La precisión de la herramienta desarrollada se certificó mediante su validación con resultados experimentales.

Finalmente, se construyó un sistema optimizado de bomba de calor termoeléctrica para su instalación en un sistema real de almacenamiento de energía térmica, con el objetivo de evaluar su impacto. Se realizaron una serie de experimentos en los que se variaron el caudal de aire, la tensión de alimentación del sistema termoeléctrico y la temperatura de almacenamiento. Se demostró que un mayor caudal de aire mejora la eficiencia de la bomba de calor termoeléctrica. “Al utilizar un caudal de aire de 23 m³/h y fijar la temperatura de almacenamiento en 120 °C, la instalación de este novedoso sistema termoeléctrico muestra una mejora del 30% en el proceso de conversión de potencia a calor en comparación con un proceso convencional basado en resistencias eléctricas”, precisa la autora de la tesis. “Además, el uso de este sistema de almacenamiento térmico en un sistema descentralizado de cogeneración de calor y electricidad alcanza eficiencias del 112,6%, garantizando la generación de 1,126 kW de potencia útil térmica y eléctrica por cada kW eléctrico excedente producido por energías renovables”, concluye.Breve CV de Irantzu Erro

Irantzu Erro Iturralde cursó el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales mención Mecánica (2018) y el Máster Universitario en Ingeniería Industrial (2021) en la UPNA.

Pertenece al Grupo de Investigación en Ingeniería Térmica y de Fluidos (ITF) y al Instituto de Smart Cities (ISC) desde 2021. Trabaja como investigadora en el citado grupo, participando en varios proyectos relacionados con el bombeo de calor, la refrigeración y la generación termoeléctrica, la simulación de sistemas térmicos y el diseño y optimización de intercambiadores de calor. Como resultado de su investigación, ha publicado 7 artículos científicos en revistas indexadas en el JCR (Q1), ha realizado una estancia de investigación en Nueva Zelanda (2025) y ha participado en diversos congresos nacionales e internacionales con más de treinta contribuciones.

Imparte clases desde 2022 en el área de Máquinas y Motores Térmicos del departamento de ingeniería de la UPNA, en asignaturas relacionadas con la ingeniería térmica, refrigeración, máquinas térmicas y la termodinámica. Compagina su trabajo con la divulgación, impartiendo y organizando charlas y talleres en centros escolares e institutos fomentando la divulgación científica STEM dentro de la Cátedra Mujer, Ciencia y Tecnología de la Universidad Pública de Navarra.