Energía solar

Las energías renovables migran con mayor rapidez a las aplicaciones tecnológicas. El sector industrial del aire acondicionado no está exento de ello y los sistemas de absorción representan una alternativa que genera cada vez más avances e interés.

Por: Susana Paz.

10 millones de instalaciones de aire acondicionado existen en todo el país.

10 a 20 años sería el tiempo que podría permanecer un sistema de aire acondicionado por absorción sin  mantenimiento.

Los edificios son los principales consumidores de energía en las ciudades y uno de los mayores contribuyentes en la generación de CO₂. Concentran más del 60 % del consumo de energía eléctrica.

De acuerdo con el Consejo Mundial de Negocios para el Desarrollo Sustentable, del total de energía que consume un edificio, 12 % se utiliza en la etapa de construcción, 84 % se gasta durante la vida útil por calefacción, ventilación, aire acondicionado, agua caliente y electricidad, y el 4 % restante se emplea en mantenimiento.

En México existen alrededor de 10 millones de instalaciones de aire acondicionado, no sólo en el Norte del país, sino en todas las zonas tropicales, según estimaciones por el investigador David Franco Martínez, responsable del área de ahorro de energía en la Facultad de Estudios Superiores Aragón de la UNAM.

El impacto que pueden tener estos equipos se traduce en grandes costos económicos y ambientales. Miles de toneladas de emisiones contaminantes se emiten al año.

Pero no sólo eso. En el caso de la facturación del costo eléctrico, se habla de alrededor de 4 a 5 mil pesos mensuales en las regiones Norte del país y la zona tropical, según cifras del experto académico, quien ha desarrollado con un equipo de investigadores universitarios un prototipo basado en energía solar que podría reducir la facturación mensual hasta en un 50 % del costo total.

México tiene un gran potencial para el desarrollo de sistemas que utilizan energía solar. En el país se pueden alcanzar insolaciones máximas de hasta mil watts por metro cuadrado, por periodos de hasta cuatro horas al día, de acuerdo con la época estacional. En otros países, la insolación puede llegar a ser la mitad.

Esto, aunado al creciente aumento de las tarifas eléctricas, se ha vuelto un problema complejo, por lo que impera una búsqueda constante para lograr soluciones que integren a las renovables como alternativas para solucionar los problemas energéticos y ambientales que se avecinan. En el mundo existen ya incontables avances de grandes fabricantes que han desarrollado sistemas de aire acondicionado solar.

En el artículo se presenta lo que en el ámbito académico se realiza en proyectos, avances y estudios tecnológicos. El investigador David Franco Martínez, del Centro Tecnológico Aragón y responsable del Laboratorio de Diagnóstico Energético, explica un innovador proyecto de energía solar que han desarrollado, además de abordar los desafíos que debe sortear el mundo académico para reconciliarse con el empresarial, y de la urgencia de que esto suceda.

Proyecto solar
David Franco Martínez, maestro en ingeniería por la UNAM, encabeza el área de ahorro de energía en el que maneja dos líneas: diagnósticos de energía a la industria o instituciones de producción de energía eléctrica y térmica, y la línea de energía solar.

En 2008, empezó a trabajar, junto con un equipo de investigadores, en un sistema de aire acondicionado solar: “La idea por la cual iniciamos fue que, analizando las estadísticas de consumo de energía eléctrica de casa habitación, sobre todo en el Norte del país, vimos que el costo de facturación mensual de una casa habitación de cuatro personas en Monterrey, por ejemplo, oscila en 3 mil y 6 mil pesos. Esto es una carga muy excesiva para una familia, aunque haya subsidios del gobierno. De esta manera, la idea era ver qué es lo que se podía hacer al respecto”.

Comenzaron entonces a investigar qué es lo que se había hecho hasta este momento: “Encontramos algunos trabajos muy incipientes, algo en refrigeración y congelamiento. De esta forma, empezamos a trabajar para ver si era viable desarrollar un sistema de aire acondicionado solar y qué necesidades había”.

Iniciaron así con la construcción del prototipo de aire acondicionado solar. Se trata de un dispositivo híbrido de aire acondicionado que utiliza energía convencional (electricidad), pero el mayor aporte es entregado por un sistema de calentamiento solar.

“El cambio tecnológico es muy diferente a los que comúnmente conocemos, pues es un método de compresión que utiliza electricidad. Y en este caso está basado en un sistema por absorción. El sistema por absorción nació mucho antes de que existiera la electricidad. A mediados del siglo XVIII, ya se había desarrollado toda la termodinámica y todos los sistemas para generar este tipo de aplicaciones”.

El experto indica que el sistema teóricamente funciona: “La base de la energía puede ser gas, una resistencia eléctrica, vapor de calderas o agua caliente. En este caso, el agua caliente podría ser suministrada por calderas o por energía solar”.

Si bien el rango de temperatura en el agua que se necesita es de 85ºC, “los paneles especiales proporcionan esa cantidad de energía. Entonces empezamos a desarrollar el trabajo y la idea, de acuerdo con los cálculos que tenemos, es disminuir el consumo doméstico en un 50 % en electricidad. No nos libramos completamente del consumo de ella, la necesitamos para mover algunos ventiladores y enfriar el local”.

Según afirma, sus cálculos indican que de la factura eléctrica de 4 a 5 mil pesos mensuales que consume un sistema de aire acondicionado convencional, se ahorraría la mitad, alrededor de 2 mil 500 pesos.

“Esto disminuiría no nada más el gasto económico, sino también el energético. Además de que las centrales termoeléctricas dejarían de contaminar por el uso de la energía. Más o menos en nuestro país, por el uso de las diferentes fuentes de energía, estamos produciendo en promedio 600 gramos de toneladas por 1 kw/h producida. Es lo equivalente a tener 100 focos prendidos de 100 watts”.

Afirma que un equipo de aire acondicionado con estas características consume lo mismo que 200 focos de 100 watts, “lo que es una cantidad de energía muy alta. Si eso lo multiplicamos por todos los ahorros en emisiones de contaminantes, al mes son más o menos 10 kg de CO2 emitido a la atmósfera. Eso, multiplicado al año y por 1 millón de hogares que utilizan aire acondicionado, significaría un ahorro importante”.

Sistema por absorción
En términos generales, explica el investigador, se trata de un sistema muy parecido al del cuerpo humano en la manera como se enfría: “Nosotros sudamos, y la energía que se necesita para evaporar el sudor se absorbe del propio cuerpo”.

Los sistemas de refrigeración mediante la compresión de un vapor (R22, R134a, R717, etcétera) constituyen un método tradicional para lograr el enfriamiento de un edificio o la refrigeración de un espacio dado. Sin embargo, al requerirse en su operación cantidades relativamente grandes de energía eléctrica, que es una forma valiosa de energía, estos sistemas pueden llegar a ser muy costosos en su operación.

Las cantidades de energía requeridas son grandes porque el vapor refrigerante en el compresor experimenta cambios muy significativos en su volumen específico, desde la presión del evaporador hasta la del condensador.

Una opción más económica a los sistemas convencionales de acondicionamiento de aire son los sistemas de absorción. Así, por ejemplo, para comprimir 0.1 kg/s de amoniaco (R717) desde un estado de vapor saturado seco a 0 °C (4.3 bar) hasta vapor sobrecalentado a 20 bar, se requiere un mínimo de aproximadamente 21.7 kW de potencia, mientras que para incrementar la presión de 0.1 kg/s de solución amoniaco-agua con una fracción másica de amoniaco igual a 0.4, entre los mismos límites de presión, se requieren sólo 0.2 kW aproximadamente. Es decir, menos del 1 por ciento. Este ejemplo demuestra la ventaja de incrementar la presión a un líquido en lugar de un vapor.

El enfriamiento por absorción se basa en un simple principio de refrigeración utilizando bromuro de litio, como elemento absorbente, y agua, como refrigerante. Estos enfriadores son equipos estáticos compuestos de un tanque e intercambiadores de calor, y con una fuente de calor como proveedor de energía.

El enfriador se compone de cuatro partes principales: evaporador, absorbedor, generador y condensador. Los fluidos del enfriador necesarios para completar el ciclo son dos: el refrigerante (agua desmineralizada) y el absorbente (solución de bromuro de litio en agua, 55 % de bromuro de litio y 45% de agua). Para aumentar la eficiencia del ciclo se incluye un intercambiador de calor entre el absorbedor y el generador, de tal forma que parte del calor de salida de la solución fuerte se recupere al calentar la corriente de solución débil que se dirige al generador.

El enfriador trabaja en condiciones de vacío generadas por una bomba de vacío especialmente diseñada para este fin. La presión dentro del evaporador es de sólo 6 mm Hg. A esta presión el refrigerante se evapora a apenas 3.9ºC. El agua por enfriar circula por los tubos del evaporador y los intercambiadores de calor. El refrigerante baja a los tubos y extrae calor del agua circulante para evaporarse, a muy baja temperatura, debido a las condiciones de vacío, enfriando de esta manera el agua. Luego es necesario regenerar el refrigerante, para lo cual el bromuro de litio, que es de naturaleza higroscópica, pasa al absorbedor y absorbe los vapores del refrigerante que salen del evaporador.

Mientras mayor sea el contenido de bromuro de litio en la solución bromuro de litio-agua, mayor es la capacidad de la solución para absorber agua. Por esta razón, la solución absorbente debe contener una concentración de bromuro de litio mayor al valor inicial del 55 %. El absorbedor que está absorbiendo el vapor del refrigerante se encuentra concentrado en un porcentaje cercano al 61 %. Durante esta absorción, el absorbente se diluye y vuelve a la concentración inicial de 55 %.

El absorbente diluido entra al generador donde la temperatura es mayor. Esta parte del enfriador es calentada por una fuente de calor, que puede ser vapor (presión mínima de 1 bar), llama directa (llama del quemado directo de cualquier combustible; gas natural, gas propano licuado, diesel, kerosene, biogás, gas de relleno sanitario, o para el caso de un calentador solar con agua caliente, temperatura mínima de 85ºC). En la figura “a” se observa el esquema de un sistema de refrigeración continuo por absorción.

Gracias a la entrada de calor, el vapor del refrigerante contenido en el absorbente diluido se evapora y se dirige al condensador, donde el agua de refrigeración, circulando en los tubos de condensado, condensa el vapor refrigerante, el cual es regenerado como líquido y fluye al evaporador por gravedad.

Después de la evaporación del vapor del refrigerante en el generador, el absorbente vuelve a estar concentrado y fluye al absorbedor por gravedad.

De esta forma, el ciclo está completo. Como se puede observar, sólo es necesaria una fuente de calor para obtener agua fría. La necesidad de energía eléctrica se limita a los motores de las bombas y al panel de control.

Si a lo anterior se aúna el hecho de diseñar un sistema que utilice energía solar para cubrir un porcentaje de los requerimientos de energía del sistema por absorción, se tendrá una opción viable para el acondicionamiento de áreas a un costo menor, redundando en un beneficio económico para el usuario.

Avances
Para el apoyo del proyecto, el equipo de investigadores cuenta con una estación meteorológica marca Davis, a cargo del doctor Pedro Sunyer Martín, del Laboratorio de Estudios Ambientales, la cual mide, entre otras cosas, la radiación global desde 2000.

Se decidió diseñar un prototipo de aire acondicionado para un cuarto de prueba de 2 por 2 metros de superficie. Éste es del tipo de casa prefabricado con material de paredes y techo de panel lámina-poliuretano-lámina, calibre 22. El lugar seleccionado para el montaje de la caseta y los sistemas de captación solar es el patio trasero del edificio del Centro Tecnológico. Ubicado dentro de las FES Aragón, dicho patio da hacia el Sur y no presenta edificaciones o árboles que puedan interferir con el paso de la radiación solar.

Así se procedió a establecer parámetros para el cuarto de pruebas, tomando como referencia las siguientes características:

Ganancia de calor para una persona. Dato extraído de tablas de generación de calor para personas con trabajo de oficina sentado y caminando, tanto calor latente como calor sensible.

Fuentes varias. Ganancia de calor por equipo eléctrico estableciendo lámparas fluorescentes de 40W, una computadora, una impresora y un escáner. En total se consideran 353 W.

Ganancia de calor por energía solar. Se toma el día con la máxima radiación solar determinando temperatura máxima. Tomando como base las ganancias por techos muros y ventanas.

De estos datos se procedió a conocer los requerimientos de energía para acondicionar el cuarto tomando como referencia una temperatura de confort de 22ºC (ver tabla 1).

Con estos datos se estableció que la cantidad de calor por retirar es del orden de los 5 kW (aproximadamente 1.5 toneladas). Con este dato fue posible dimensionar el sistema de acondicionamiento por absorción y el sistema de captación solar. El principio es que el sistema solar aporte el 50 % de energía calentando agua a cerca de los 80ºC.

Cero complejidad de instalación
Según David Franco, este sistema es sencillo de instalar: “La gente que se dedica a instalar aires acondicionados y que maneja la soldadura de plomo con cobre puede hacer la instalación tranquilamente. La idea es llegar con las unidades en paquete, se instalen y conecten la tubería. Queremos llegar con un sistema llave en mano”.

Asegura que se trata sólo de instalar el sistema de enfriamiento con los paneles solares y ésos unidos, ya sea con cobre o tubería de otros materiales plásticos, poliuretanos o PVC, los puede manejar cualquier plomero especializado. “No hay mucho problema por ahí. La generación de vacío la maneja la gente que trabaja con refrigeración con bombas de vacío. Toda la instalación y mantenimiento del sistema sería muy parecido a los sistemas que ya están actualmente, tal vez un poquito más de especialización, pero no habría ningún problema. Cualquier persona que se dedica a la instalación de aires acondicionados convencionales lo puede hacer”.

Para el investigador, el reto es desarrollar un sistema con partes y materiales comerciales para que una persona en instalaciones comerciales lo pueda hacer. Además, se trata de un equipo libre de mantenimiento, pues se prevé cada 10 años su revisión.

De la moda
Considera David Franco que la eficiencia energética y las renovables no son una tendencia, sino una moda: “En estos años se ha vuelto así. Nosotros iniciamos en 2005: ya tenemos en escritorio tres años de estar trabajando. En 2008, obtuvimos algo de recursos en la UNAM y empezamos a construir los prototipos. En realidad, todas las investigaciones y desarrollos para disminuir la carga energética por fuentes convencionales como petróleo y gas vienen a nivel mundial desde la década de 1970. En México, más o menos en el 86 se empezaron a desarrollar estas aplicaciones en energías renovables”.

A su juicio, es desde 2008 que se ha tratado de invertir más, aunque no al nivel de los países europeos o desarrollados.

Materializar
Para el especialista, existen varios elementos que impiden o retrasan la materialización de esta clase de proyectos: “La primera es la obtención de recursos, porque podemos tener un desarrollo en papel muy bonito, pero ya la cuestión económica de construir prototipos y equipos es muy diferente. En un país en el que la inversión en desarrollo tecnológico no es de ni el 1 % del PIB, no es raro que sea complejo. Es una barrera, porque todos los académicos nos estamos peleando el chachito de presupuesto para poder realizar nuestros proyectos”.

Otro punto es que, cuando ya se tienen los recursos, “nos enfrentamos a cuestiones burocráticas. Pero además, cuando eso se empata con una empresa, se torna aún más complicado”.

En su opinión, las empresas no tienen mucha confianza en las instituciones académicas, en las universidades o centros de investigación, “porque no estamos acoplados a tiempos reales, al ritmo empresarial, sino que tenemos que lidiar con nuestros propios conflictos de presupuesto y burocracia al interior”.

Asegura que esas empatías significan mucho trabajo con el empresario: “Cuando se llegan a dar, se crea mucho desgaste porque los empresarios no están acostumbrados a trabajar con los académicos. Desgraciadamente la academia sigue peleada con el negocio, aunque sabemos que hay muchas patentes que ha generado la UNAM”.

En todo caso, afirma que para este proyecto lo ideal sería que una empresa mexicana fuera la que se hiciera cargo: “Porque ahí estaríamos viendo no sólo la cuestión ambiental, monetaria, sino también la social, con la generación de empleos mexicanos”.

Y es que todos los materiales que se utilizan, como el cobre, acero inoxidable, todo ello se fabrica en México: “Se trata de un ciclo virtuoso de la cadena de empleos en esta área. Directamente serían empleos con la construcción e indirectamente impactaríamos en la red de todos los materiales”.

Transición y perspectivas
Para el investigador y académico David Franco, si la unidad en este momento ya fuera comercialmente útil, en un año y medio se verían cambios significativos: “Mucha gente que tiene casas en Zihuatanejo o Acapulco nos dice que en cuanto lo tengamos se la mandemos, que ellos lo pagan. Porque mes con mes están viendo su gasto en electricidad. Todos los energéticos y combustibles están subiendo gradualmente, lo que afecta al bolsillo de las personas”.

Asegura que si ahora se tuviera la unidad funcional, en un año se tendría un cambio drástico de sustitución de equipos, donde el reto sería la fabricación. “Si bien no podemos quitarnos la electricidad de tajo, sí podemos conseguir el mínimo ahorro de energía, que es el 50 %. Lo que se traduce que al mes dejáramos de encender 100 focos de 100 watts, y sería un impacto muy importante para el ahorro energético y el cuidado ambiental”.

Prototipos
Según el investigador, se tiene ya el primer prototipo instalado: “Si bien su eficiencia es baja, ya estamos trabajando la segunda generación, en la que se mejora la eficiencia y se reduce el tamaño de los equipos para su mejor aplicación”.

Un equipo de estas características puede satisfacer las necesidades de cuatro a seis personas. Uno convencional cuesta alrededor de 10 mil pesos. La vida útil del equipo solar está calculada a 20 años, la del equipo convencional es de 10 años.

Su idea es pasar a un segundo prototipo más pequeño y de mayor eficiencia para poderlo comercializar: “Ya hemos tenido contacto con algunos microempresarios para ver posibilidades, aunque no les llama mucho la atención”.

Si bien esta aplicación ya existe a gran escala con el mismo sistema de energía solar, se trata de instalaciones muy grandes en equipos japoneses para hoteles, con respaldo de calderas y energía solar: “El reto es hacer la aplicación a pequeña escala en casas habitación, lo que es un reto muy interesante”.

Su idea, afirma, es llegar a un tercer prototipo para realizar un análisis de costos y vida útil a detalle: “Entonces proponer un vínculo con el gobierno, por medio de las instancias adecuadas, para hacer un desarrollo tecnológico ya comercial, para generar una infraestructura y una producción a gran escala”.

Puntos por cubrir
Un aspecto que tienen que resolver es que el sistema debe ser comercialmente atractivo: “Ése es uno de los problemas; el otro es el costo. El costo promedio del equipo no podrá rebasar los 30 a 35 mil pesos. Es un costo alto en el primer desembolso; pero si vemos que cada mes vamos a ahorrar 3 mil 500 pesos, en un año se recupera la inversión”.

Afirma que la idea es que el usuario final no desembolse los 35 mil pesos en una sola exhibición, sino que se realice algún tipo de apoyo con la Comisión Federal de Electricidad, como sucede con los refrigeradores o los sistemas de aire acondicionado viejos, con el programa del FIDE “Cambia tu viejo por uno nuevo”.

Ventajas
Con el uso de paneles solares, un 50 % de gasto se ahorraría mensualmente.

De usarse este sistema, las centrales termoeléctricas contaminarían menos.

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