La Refrigeración Solar

De hecho podría decirse que prácticamente todos los sistemas de refrigeración que existen son sistemas solares porque un refrigerador doméstico que produce frío se conecta a la toma de corriente y la electricidad proviene de plantas termoeléctricas, plantas hidroeléctricas o combustibles que se producen en las plantas termoeléctricas en las que la energía solar se acumula a través de millones de años.

Dr. Rubén José Dorantes

El tema de la refrigeración solar tiene varios propósitos, pero en general lo podemos resumir como la producción de bajas temperaturas utilizando como fuente de energía al sol.

De hecho podría decirse que prácticamente todos los sistemas de refrigeración que existen son sistemas solares porque un refrigerador doméstico que produce frío se conecta a la toma de corriente y la electricidad proviene de plantas termoeléctricas, plantas hidroeléctricas o combustibles que se producen en las plantas termoeléctricas en las que la energía solar se acumula a través de millones de años.

Pero desde luego a lo que nos referimos en este escrito es a situaciones un poco más directas. Podría decirse que hay dos campos de la refrigeración solar, uno es el acondicionamiento de aire utilizando energía solar, mientras que la otra se refiere a la utilización de la arquitectura bioclimática para producir acondicionamiento ambiental utilizando de manera directa e indirecta la energía solar.

La arquitectura solar es una forma de refrigeración que utiliza el diseño estructural, los materiales y procesos como la evaporación del agua en forma directa e indirecta a través de las plantas, además de usar conceptos como la radiación nocturna; entonces se tiene que todos estos factores son elementos que se pueden combinar de manera inteligente en una edificación para poder provocar enfriamiento del lugar y desde luego una mejor climatización dentro del edificio.

Estos sistemas son catalogados como pasivos, en el sentido que no hay nada en movimiento, todos son elementos que están quietos pero que actúan a ciertos principios de la termodinámica y es el resultado de obtener una temperatura de la edificación agradable. En contraste con los métodos pasivos, existen los sistemas activos que funcionan básicamente con energía solar.

Sistemas Activos de Refrigeración Solar

Fotovoltaicos
Cada vez más se utilizan sistemas de refrigeración fotovoltaico que consisten en una tecnología que transforma la radiación solar en electricidad. En un panel fotovoltaico que produce electricidad lo que se hace es acoplar a un refrigerador por compresión mecánica común y corriente una fuente de energía en la cual se produce electricidad que se suministra al sistema de refrigeración y con ello se tiene un sistema de refrigeración casi solar en un sentido no estricto pero que es considerado como un sistema de refrigeración solar importante.

Hay algunos sistemas alternativos que son utilizados en escalas pequeñas como hieleras que utilizan el mismo principio de la generación con energía fotovoltaica y que producen refrigeración a través de otros sistemas como es el efecto Thomson.

“La energía solar térmica utilizada como fuente de energía para refrigeración es una aplicación de consumo energético que no congestiona la red de distribución eléctrica”.

Absorción, Adsorción y Eyecto Compresión
Otro tipo de método se puede clasificar como sistemas por absorción, sistemas por adsorción y sistemas por eyecto comprensión. Estos tres son sistemas de refrigeración alternativos a la compresión mecánica y pueden utilizar al sol como fuente de energía. Cualquiera de estos tres sistemas: absorción, adsorción y eyecto compresión, tienen un principio filosófico único que es el reemplazar el compresor mecánico que requiere de grandes cantidades de electricidad por un conjunto de elementos que van a hacer la misma función que el compresor mecánico, sólo que van a utilizar una pequeña cantidad de electricidad y van a utilizar mucha energía calorífica. Esa energía calorífica se va a tomar del sol.

Actualmente dentro de los sistemas de refrigeración o sistemas de acondicionamiento de aire solar, los más destacados son los que tienen una aplicación comercial importante; los que se venden comercialmente desde hace ya muchos años (sistemas de refrigeración por absorción) y un poco menos los de adsorción y todavía menos los de efecto compresión, es decir, el mercado más importante ha sido los sistemas de absorción de vapor.

Esta demanda se debe al desarrollo tecnológico que han tendido estos sistemas dentro del crecimiento de la tecnología, logrando mejores resultados con los sistemas por absorción, tanto para producción de aire acondicionado y generación de hielo, que es otra manera de poder acondicionar o de obtener hielo para todo lo que es la cadena alimenticia, y han tenido una mejor aceptación por parte de las compañías industriales que los llegan a fabricar.

Básicamente ha sido por los mejores resultados pero los otros dos sistemas tanto de adsorción como de eyecto compresión, vienen siendo desarrollados y en algunos años van a ser tan competitivos o más que los métodos por absorción, pero lo que es importante es que existirán, al menos, tres diferentes tecnologías y una cuarta con la fotovoltaica, las cuales pueden ser alternativas muy interesantes para llegar a tener acondicionamiento de aire.

Aunando a esto, la bioclimática que suma cinco tecnologías para tener acondicionamiento ambiental en las edificaciones, utiliza básicamente un surtidor de energía como es el sol que es una fuente prácticamente gratuita. Con eso evitaríamos que muchas edificaciones tuvieran que consumir grandes cantidades de electricidad y más que todo tuvieran la posibilidad de captar energía solar haciéndolo de manera muy sencilla utilizando los techos de las casas, de las edificaciones y con eso hacer funcionar los sistemas.

El desarrollo del ciclo de refrigeración por absorción, puede utilizar energía solar pero también podría usar otra fuente de poder como es el gas y el diesel;  ya que de lo que se trata es tener una fuente de calor.

Son sistemas ya muy antiguos, particularmente hablando de la absorción donde se utilizan combustibles fósiles en procedimientos grandes. Por ejemplo, la torre de PEMEX requiere de climatización, por lo que hay semanas y meses del año en que tienen problemas de altas temperaturas en el interior, entonces necesitan tener aire acondicionado.

En este caso los sistemas utilizados son por absorción, por lo que requieren de una fuente de calor de gas natural, el cual es quemado produciendo vapor que sirve para hacer funcionar los ciclos por absorción.

“Los sistemas de absorción, adsorción y eyecto compresión, reemplazan al compresor mecánico que requiere de grandes cantidades de electricidad y por ende de mayor consumo energético”.

Superficie para la refrigeración solar

Si hablamos de refrigeración solar nos referimos a sistemas medios o pequeños porque lo que limita a este tipo de tecnología es el tamaño de la superficie de captación solar, es decir, el captar energía solar para producir energía térmica, ya sea calentando agua o calentando un aceite térmico que a su vez es el fluido que va a servir para que lo utilicen las máquinas por absorción para funcionar que se tiene que hacerse en superficies expuestas al sol que muchas veces son los techos de las propias edificaciones, entonces grandes sistemas por absorción o en general grandes sistemas de refrigeración requieren grandes superficies de colección y eso determina en las ciudades el tamaño de estos sistemas.

Sin embargo, aquellos lugares como fábricas, hoteles e instalaciones que tengan disponibilidad de superficies de colección solar o que tengan grandes superficies de techos, incluso las casas residenciales, poseen una superficie suficiente de captación solar en las que se pueden instalar colectores que producirán la energía térmica necesaria para funcionar.

Costos del sistema
Aquí lo que impacta es lo que tiene que ver con el área de captación y la tecnología que se utilice en la colección solar. Estudiando este tipo de sistemas, sus costos, dependen mucho de la tecnología del colector solar, los lugares donde se vaya a ubicar y el tipo de instalación que se vaya a ensamblar.

Desde luego un sistema de refrigeración solar siempre será por definición menos competitivo que un sistema de refrigeración por combustible fósil porque el sol nada más sale unas cuantas horas al día. En el caso de instalaciones, como por ejemplo hoteles, en que requieren climatización durante todas las horas del día es evidente que un sistema de refrigeración solar puede ayudar durante una parte del día pero durante la noche será necesario complementar, o sea utilizando el mismo sistema de refrigeración, se tendría que emplear un procedimiento auxiliar de calentamiento a base de combustible fósil para tener climatización a lo largo del día, pero en edificios que se utilicen solamente durante el día, puede pensarse en casi utilizar en forma autónoma un sistema de refrigeración solar.

“La captación de calor tiene que hacerse en superficies expuestas al sol que muchas veces son los techos de las propias edificaciones”.

¿Qué sale más caro, un sistema de captación solar o un sistema de caldera por combustible fósil?

Tomando en cuenta costos de inversión, costos de operación y ejecutando un estudio de factibilidad económica de menos de tres años, prácticamente podemos decir que la mayor parte de las ocasiones va a ganar el sistema de caldera por combustible fósil.

Pero si llevamos el estudio a un plazo más largo de cinco a siete años, el que empieza a ser más competitivo es el sistema de refrigeración solar porque su tasa de depreciación es un poco más lenta que los procesos por combustible fósil pero finalmente rebasa al otro procedimiento básicamente por el costo creciente del combustible, mientras que los sistemas de refrigeración solar no requieren costos de operación por combustibles, los métodos de gas natural o diesel requieren de estar pagando una facturación por combustible y sus precios fluctúan de acuerdo a un comportamiento de mercado.

A corto plazo si se vuelven más competitivos los de combustible fósil, pero en plazos medianos y no se diga en largos plazos son los sistemas solares los que definitivamente se recubren de mayor importancia.

Un sistema de refrigeración puede diseñarse técnicamente para trabajar 24 horas al día, pero eso implicaría tener sistemas de almacenamiento muy grandes para que durante el día trabajen con la radiación solar y durante la noche trabajen con toda la energía que se acumuló, eso involucra áreas de colección todavía más grandes, lo que genera poca competitividad para este tipo de tecnología.

Sin embargo, cualquier sistema de refrigeración debe poseer una forma de almacenamiento, pues los requieren para amortiguar las variaciones de temperatura, por el hecho de considerar que no en todos los lugares aunque tenga radiación solar, la misma es constante, permanente y exenta de nubes. Entonces cuando hay nubes, periodos nubosos, pero buena radiación solar, debe haber un método que atenúe los cambios de temperatura para que el sistema de refrigeración siempre esté funcionando en las mejores condiciones posibles y utilizando el almacenamiento térmico.

En ocasiones no son recomendables los sistemas de almacenamiento muy grandes, porque además de ser voluminosos, son costosos y además dejan un poco fuera de competencia a estos sistemas solares.

La refrigeración solar es una alternativa importante, interesante, sobre todo en lugares que tienen radiación solar muy intensa y que por lo mismo los requerimientos de cargas térmicas son importantes, pero que se da una muy feliz coincidencia de que cuando más se requiere el acondicionamiento de aire por las ganancias térmicas es cuando mejor funcionan y cuando alcanzan sus mayores capacidades los sistemas de refrigeración solar, pero desde luego si se trata de una edificación que requiere trabajar durante las noches, se necesitará un procedimiento auxiliar o lo que se llama un sistema híbrido.

“La arquitectura solar es una forma de refrigeración que utilizando el diseño estructural, los materiales y procesos, permiten aprovechar esta forma de energía para generar bajas temperaturas”.

Casos de Uso de Refrigeración Solar
En cuanto a sistemas de refrigeración solar más exitosos, podría decirse que en Estados Unidos y principalmente en Europa, a pesar de que no tienen grandes recursos solares, en realidad lo que se ha utilizado son sistemas híbridos; hay evidentemente sistemas que trabajan con energía solar, pero en realidad no son los más utilizados ni los más competitivos, lo que están utilizando son simplemente métodos de refrigeración solar donde durante el día aprovechan energía solar y por las noches utilizan combustibles fósiles.

Es ahí donde se está aplicando básicamente y en la actualidad se trabaja en demostrar si los sistemas solares o los sistemas híbridos puedan ser más competitivos económicamente que sólo la tecnología tradicional con compresión mecánica.

Son procedimientos que se necesitan desarrollar un poco más, son tecnologías que todavía requieren de muchos años para poder ser rentables, es decir, las tasas de recuperación de la inversión todavía son un tanto elevadas, básicamente por los mecanismos de captación que todavía son, en algunos casos, de alto valor económico, pero constantemente se están perfeccionando.

En países con grandes niveles de insolación y grandes necesidades de acondicionamiento ambiental, realmente se convertirán en opciones muy competitivas, porque no va a requerir pagar electricidad u otro combustible cuyos precios están en constante incremento.

“Debido a las variaciones climáticas, los sistemas de refrigeración solar pueden complementarse con métodos de almacenamiento de energía que permitan amortiguar las variaciones de temperaturas”.

Proyectos de Refrigeración Solar de la UAM
Durante varios años se trabajaron varios sistemas de refrigeración tanto por absorción como por adsorción, la diferencia entre ellos radica en el tipo de fluidos que se utilizan, en el caso de métodos de absorción y adsorción se pueden utilizar parejas de fluidos relativamente, porque a veces son parejas de un líquido con un líquido y en otras ocasiones son parejas de un sólido con un líquido o sólido con vapor, vapor con líquido, etc,

Pero la diferencia entre estos dos sistemas, es por absorción, se da una absorción química de un fluido con respecto a otro, pero sin que reaccionen los mismos, mientras que en la adsorción es un fenómeno en el cual la porosidad que tienen los materiales permite retener a su interior a estos fluidos por fuerzas intermoleculares que existen en él, de tal manera que todas las cavidades porosas de los materiales permiten adsorber en su interior a estos fluidos. Son principios químicos y físicos que hacen la diferencia de uno con respecto a otro.

Ambos sistemas han sido trabajados en la UAM desde hace muchos años. En la actualidad ya no los están ocupando porque durante años se desarrollaron estos métodos y no se vio realmente interés del sector empresarial en asimilar estas tecnologías y poder financiar prototipos, o bien desarrollos que permitieran tener una aplicación en la vida práctica.

Las dos líneas que aún se cultivan propiamente en la UAM son: la primera, el sistema de refrigeración por eyecto compresión de vapor, que es un sistema totalmente mecánico que busca reemplazar al compresor, pero en este caso la sustitución es por un conjunto de toberas llamadas toberas supersónicas, que son mecanismos totalmente estáticos y que proporcionan estas toberas el mismo efecto que proporciona un compresor de tipo mecánico aunque con eficiencias un poco más bajas, este sistema puede utilizar solamente energía solar para su funcionamiento.

Esta es la tecnología que se está manejando actualmente tanto para la producción de hielo como para la producción de aire acondicionado y se está realizando desde hace muchos años en conjunto con profesores y estudiosos del Centro de Investigación en Energía de la UNAM en Temixco, Morelos.

La segunda tiene que ver con sistemas de refrigeración mecánica con respaldo fotovoltaico, y actualmente en la UAM se está utilizando un sistema de refrigeración común, de compresión y paneles solares fotovoltaicos para generar la energía eléctrica que requieren. Por el momento son pequeños sistemas, pero posteriormente, adicionando generación eoloeléctrica se podrán diseñar sistemas más grandes.

De ambos casos se desarrollaron varios refrigeradores, todos a escala que básicamente tenían como propósito demostrar que el principio funcionaba, utilizando energía solar, aunque el grado de inversión de perfeccionamiento de estos sistemas no fue elevado, entonces se logró demostrar que los principios funcionaban, es decir, con la energía solar se podía obtener refrigeración solar, solamente que las eficiencias fueron muy bajas.

Entonces lo que se requería era pasar realmente a otro nivel de desarrollo, pero al ver tan poco interés de los empresarios, ya no se tuvo ni el deseo ni las inversiones necesarias para poder seguir trabajando con los prototipos, desarrollar modelos más eficientes y a lo mejor presentar un mejor producto al mercado.

Esto no se llevó a cabo y prácticamente esas líneas vinieron abajo, descuidándolas en los últimos años. La de eyecto compresión sigue vigente; sin ninguna aplicación en particular simplemente se han desarrollado los sistemas. Estamos a punto de empezar la fase experimental que es caracterizar y hacer unas primeras aplicaciones de producción tanto de hielo como de aire acondicionado para demostrar que el sistema funciona a la perfección.

Incluso, estos sistemas podrían alcanzar altos niveles de eficiencia dependiendo de cómo se haga la medición. Uno de los parámetros más importantes que se utilizan en las máquinas en este tipo de sistemas de refrigeración es el COP (Coeficiente de Operación), que es la manera de medir su rendimiento.

Para aplicaciones de aire acondicionado los sistemas por absorción solar andan del orden del 30 al 40 por ciento. Mientras que los sistemas de refrigeración normales sus COP’s pueden estar por arriba del 100 ó 120 por ciento, aunque no se pueden comparar tan fácilmente porque las fuentes de energía son distintas: uno utiliza energía solar y el otro, electricidad que proviene de quemar petróleo.

Estas diferencias en eficiencias se deben básicamente al grado de desarrollo en tecnología de cada uno de estos sistemas, pero también a la manera cómo se calcula el COP. Mientras que para uno se parte de la idea que nada más se debe conectar a la electricidad y funciona, y que por lo tanto no se considera de dónde viene la electricidad, y de todas las problemáticas que suceden para tenerlas. El otro sistema solar considera su propia fuente de generación de energía, es decir genera su propia energía eso hace que su COP’s sea más bajo, pero no por el hecho de que sean más bajos quiere decir que sean peores, sino que están atacando de manera diferente el problema y en eso radica la diferencia.

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