Generar frío con el Sol


Por
Debrayan Bravo Hidalgo*
y Greter Bermúdez Ramos*




Sistema de aire acondicionado activado con energía solar térmica

 

¿Es posible alcanzar un grado de confort similar al que ofrecen los sistemas de refrigeración convencionales utilizando fuentes renovables de energía, como lo es la energía solar?

Hace tiempo que las emisiones de dióxido de carbono producidas por el hombre, superan la capacidad de las plantas y los océanos para absorberlas. Esto se traduce en la acumulación progresiva de gases contaminantes y de efecto invernadero. Y aunque habría que reducir las emisiones antropogénicas actuales en 80% para revertir el escenario, los datos demuestran que los índices de emisiones contaminantes siguen subiendo.

Un último informe viene a confirmarlo. Se trata del estudio elaborado por la Fundación Nacional de Investigación (NRC), organismo federal estadounidense, encargado por instituciones como la Agencia de Protección Medioambiental y la Academia Nacional de Ciencias. La conclusión más importante del informe es que las prácticas a corto plazo en materia de emisiones contaminantes, van a determinar el estado del clima planetario durante los próximos siglos.

El escenario energético ideal para evitar esta importante contaminación, sería aquel que eludiera el consumo eléctrico proveniente de hidrocarburos o reactivos nucleares, sin renunciar a las prestaciones frigoríficas. El sistema que desde hace muchos años ofrece esta posibilidad, es el basado en el ciclo frigorífico denominado de absorción, en el que la circulación de los fluidos se consigue utilizando el calor procedente de la combustión de cualquier combustible, fuentes resi
duales como equipos de cogeneración, o gratuitas, como es el caso de la energía solar térmica, asunto que pretendemos exponer. Este tipo de sistema de refrigeración se denomina refrigeración solar.


¿Qué es un sistema de aire acondicionado activado con energía solar térmica?

De modo muy esquemático, el sistema de energía solar térmica funciona de la manera siguiente: el colector o captador solar capta los rayos del sol, absorbiendo de esta manera su energía en forma de calor. A través del panel solar se hace pasar un fluido (normalmente agua), de manera que parte del calor absorbido por el panel es transferido a dicho fluido; este eleva su temperatura y es almacenado o directamente llevado al punto de consumo.

Las aplicaciones más extendidas de esta tecnología son el calentamiento de agua sanitaria, la calefacción y el precalentamiento de agua para procesos industriales. Otras aplicaciones son el calentamiento de agua para piscinas cubiertas o exteriores, y usos emergentes como el de climatización mediante ciclos absorción, que es el tema abordado en este trabajo.

 
Fig. 1. Esquema de una instalación de refrigeración
solar con máquina de refrigeración por absorción.
 

A través de los sistemas de captación de la energía irradiada por el Sol, se genera energía térmica que convertida en calor permite utilizarse en diferentes aplicaciones, que posibilitan un ahorro energético en comparación con los sistemas convencionales. Se debe entender la energía térmica generada como una alternativa que complementa el aporte energético producido por las fuentes convencionales, pero con el correspondiente ahorro energético en kWh, ya que el sol es gratuito e ilimitado para todos, así como la contribución a reducir la emisión de gases contaminantes, y principalmente de CO2; aunque deben señalarse los altos costos iniciales de la inversión de estos proyectos.


La refrigeración solar

Existen varias maneras de obtener refrigeración a través de captadores o colectores solares térmicos, pero tal vez las más conocidas sean las de absorción y las de adsorción.
Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas substancias, como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, para absorber,
en fase líquida, vapores de otras substancias tales como el amoníaco y el agua.

Al igual que las máquinas de absorción, el funcionamiento de las máquinas de adsorción se basa en las reacciones físico-químicas entre un refrigerante y un absorbente, solo que estas trabajan con un adsorbente sólido, y en las máquinas de absorción se utiliza un absorbente líquido. En este trabajo se tratan las máquinas de absorción, debido a que son las más económicas y las más utilizadas en comparación con las otras. La figura 1 muestra el esquema de una instalación de refrigeración solar mediante una máquina de refrigeración por absorción.

Pero la refrigeración solar por sí sola no aprovecha al ciento por ciento la energía solar, puesto que en los meses más fríos se utiliza en muy raras ocasiones, y la energía captada sería desperdiciada. Por eso normalmente se diseñan sistemas que aprovechan la energía solar para combinaciones de los diferentes sistemas como refrigeración solar, agua caliente sanitaria, calefacción o calentamiento de piscinas, obteniendo así mucho más rendimiento de los captadores solares.

Este tipo de sistema es adecuado para edificios del sector terciario, con demanda intensiva de refrigeración (hoteles, centros comerciales u oficinas), puesto que además de las ventajas propias del uso de una fuente de energía renovable, cabe destacar la coincidencia entre la máxima demanda y la máxima producción (máxima radiación solar). Si no fuera por su elevado costo y el bajo costo de la electricidad en la actualidad, sería un sistema idóneo para la refrigeración en viviendas.


Situación actual de los sistemas de acondicionamiento
de aire accionados con energía solar térmica


La climatización solar tuvo sus inicios en los años 80, y con el transcurso del tiempo la brecha entre estos sistemas y los sistemas convencionales de refrigeración se ha visto reducida, en principio, por el avance tecnológico alcanzado por sus equipos, y por las políticas gubernamentales que han favorecido la introducción de este tipo de sistemas
en el mercado de la climatización.

 
Fig. 2. Inversión en RD&D en tecnologías de producción de frío
y calor solar por países miembros de la IEA (1974-2003).
 

La Agencia Internacional de la Energía (IEA), a través de sus países miembros, invirtió aproximadamente 2,8 billones de dólares en iniciativas de RD&D (investigación, desarrollo y demostración) para impulsar la tecnología de la producción de frío y calor solar entre los años 1974 y 2003. En la figura 2 se presenta la inversión realizada por los países miembros de la IEA con respecto a dichas tecnologías.

 
Fig. 3. Distribución de las instalaciones de frío solar de pequeña
y gran potencia por sectores en Europa.
 

Los análisis técnico y económico de los sistemas de climatización solar, incluyendo sus componentes, se han desarrollado de manera exhaustiva a través de programas patrocinados por organizaciones gubernamentales e instituciones de investigación durante los últimos 30 años. Algunos de estos programas se presentan brevemente a continuación:

«Solar Assisted Air Conditioning of Buildings»: programa creado en 1999 por una iniciativa de IEA (IEA-SHC Task 25), con la finalidad de mejorar las condiciones de entrada en el mercado de los sistemas de climatización solar. Los equipos analizados dentro del proyecto fueron enfriadoras de absorción, enfriadoras de adsorción y equipos de refrigeración por desecantes líquidos. La energía térmica requerida por estos equipos procedía de captadores solares planos.

«Solar Air Conditioning in Europe» (SACE): programa enfocado a la climatización solar, iniciado en el 2002. Sus objetivos se basaron en la revisión del estado del arte de las tecnologías respetuosas con el medio ambiente para la climatización de edificios en Europa, con especial énfasis en la climatización de espacios durante el verano; la evaluación del potencial de estas tecnologías para la puesta marcha mediante energía solar; y la incorporación de estas tecnologías en el mercado. En este programa se consideraron enfriadoras de absorción y adsorción, así como sistemas de climatización con desecantes sólidos y líquidos.

 
Fig. 4. Sistema de aire acondicionado asistido por energía solar en el centro tecnológico de FESTO, en Esslingen, Alemania, con 1 218 m² de colectores de tubo de vacío y máquinas de refrigeración de absorción (Mayekawa ADR-100). Foto: FESTO.
 

«Reduction of Costs of Solar Cooling Systems» (RoCoCo): programa subvencionado por la Comisión Europea en el 2006, con el objetivo de reducir el coste de operación de los sistemas de climatización solar, en base al análisis de las instalaciones demostrativas existentes, y estimar las tendencias de los costos a partir de la comparación de casos analizados mediante simulación dinámica.

«Solar Air-Conditioning and Refrigeration» fue patrocinado por IEA (IEA-SHC Task 38) durante los años 2006-2010. Este programa estuvo enfocado hacia la climatización solar de edificios, y el uso de refrigeración solar en la industria. Las instalaciones analizadas se basaron en sistemas existentes en el mercado para aplicaciones residenciales y comerciales de pequeña potencia, y en sistemas diseñados para situaciones específicas, destinados al uso en grandes edificios no residenciales y aplicaciones industriales.

En la actualidad las configuraciones más utilizadas en el campo de la climatización solar, tanto de pequeña como de gran potencia, están compuestas por máquinas de absorción de simple efecto y accionadas por captadores solares de placa plana y tubos de vacío.
En cuanto al tipo de uso de las instalaciones, en la mayoría de los casos estas fueron instaladas en edificios de oficinas, seguidas de instalaciones en domicilios (potencia
<20 kW) y otros servicios (potencia >20 kW). En la figura 3 se muestra la distribución de las instalaciones por sectores. Es importante señalar que España es el país con más instalaciones de este tipo, seguido de Alemania e Italia.

 
Fig. 5. Sistema de aire acondicionado asistido por energía solar en el edificio
del centro de investigación EURAC, en Bolzano, Italia, con 615 m²
de colectores de tubo de vacío y una máquina de refrigeración
de absorción de 300 kW (THERMAX – THW LT 14). Foto: EURAC.
 


Ejemplos de sistemas desarrollados

En las figuras 4 y 5 se muestran sistemas de grandes dimensiones; y en las figuras 6 y 7,
de pequeñas dimensiones.

 
Fig. 6. Instalación en el edificio de oficinas
de la compañía SOLID en Graz, Austria, máquina
de absorción Yazaki WFC-SC5 de 17.5 kW). Foto: SOLID.
 


 
Fig. 7. El edificio de oficinas en St. Schörfling, en Austria, consta de
162 m² de colectores de fachada a modo de segunda piel del edificio.
Dos unidades chillii® Cooling Kits STC8 generan 15 kW de frío.
El sistema consiste en dos máquinas de adsorción de agua/sílica
gel chillii® SCT8 y acumuladores de calor y frío de 15 000 l y 1 500 l,
respectivamente. Foto: Solar Next.
 


Potencialidades y barreras

Como se ha comentado, los sistemas de refrigeración solar empleando máquinas de absorción, juegan un importante papel tanto en el desarrollo del potencial de superficie instalada de colectores solares, como en la cobertura del consumo energético con fuentes renovables de energía en un sector tan significativo como es el de la edificación.
Sin embargo, para ello es preciso que el equipo fundamental de estos sistemas, la máquina de absorción, esté a la altura de las circunstancias. Y lo cierto es que en la actualidad este equipo sigue presentando una serie de limitaciones importantes que le pueden hacer perder su oportunidad histórica de ocupar este nicho tecnológico. Algunas de las limitaciones que persisten para el desarrollo del mercado de refrigeración solar por absorción, son:

• Costes excesivos de los equipos de refrigeración por absorción, especialmente en los niveles de potencia relevantes para su aplicación al sector de la edificación.
• Falta de disponibilidad comercial de máquinas de absorción apropiadas para aplicaciones solares (alimentadas por agua), en el rango de potencias relevantes para las aplicaciones de climatización en el sector de la edificación.
• Dependencia de la torre de refrigeración para disipar la energía residual de las máquinas de absorción en la mayoría de las aplicaciones.
• Falta de disponibilidad de una caracterización experimental adecuada de las actuaciones de la máquina de absorción en condiciones distintas a las de diseño y a carga parcial.


Una consideración final

El desarrollo de la climatización solar se ha incrementado gracias al patrocinio de organizaciones gubernamentales e instituciones de investigación. En la actualidad, las configuraciones más utilizadas en el campo de la climatización solar, tanto de pequeña como de gran potencia, están compuestas por máquinas de absorción de simple efecto y captadores solares de placa plana y de tubos de vacío.

En Cuba resulta más conveniente la utilización de máquinas de absorción de simple efecto, debido a que su funcionamiento no está limitado por las condiciones ambientales exteriores, pueden funcionar a niveles de temperatura relativamente bajos, tienen un amplio rango de capacidades de enfriamiento, y se comercializan en paquetes que incluyen todos los elementos necesarios para su funcionamiento.

* Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente,
Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez, Cienfuegos, Cuba.
e-mail: dbravo@ucf.edu.cu