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Energía solar termodinámica: alternativa energética

En estos días, donde las energías alternativas están cobrando un papel protagonista en el sector energético, el desarrollo de tecnologías de última generación, como ventanas o celdas o paneles solares termodinámicos, están aportando un valor añadido al mundo de las energías renovables tal y como lo conocemos. Y es que no debemos olvidar que 2020 va a suponer para España y toda Europa un cambio en relación a la eficiencia energética. Es el comienzo para alcanzar consumo energético casi nulo. Una nueva situación que afecta, en mayor medida, a los edificios con la nueva directiva de eficiencia energética establecida por la Unión Europa (EPBD). Una normativa con la que se espera un ahorro de energía de entre el 60% y el 80% en los nuevos edificios. Por ello el compromiso con el desarrollo de nuevas tecnologías, permite maximizar la calidad del sector. Así como el bienestar y habitabilidad del planeta. Un compromiso que podemos encontrar en la energía solar termodinámica.

¿Qué es la energía solar termodinámica?

La energía solar termodinámica es una evolución de la energía solar tradicional. Es un novedoso sistema que aprovecha la diferencia entre la temperatura del líquido que hay en los paneles termodinámicos y la temperatura ambiente. ¿Y cómo se produce esto? Los paneles solares termodinámicos llevan un líquido refrigerante a una temperatura muy baja que produce un intercambio de calor con la temperatura ambiente. Siempre y cuando no sea más baja que la del líquido refrigerante. Esto permite producir energía en cualquier momento del día. Es decir, tanto de noche como en condiciones climatológicas adversas, lluvia, viento, etc. Y es aportando agua caliente sanitaria, calefacción y soporte para piscinas. Así que al poder funcionar con diversas condiciones climatológicas, la instalación de un panel solar termodinámico no está limitada únicamente a regiones con muchas horas de sol. Todo un beneficio.

¿Sabías que las placas solares termodinámicas tienen un ahorro estimado de un 75% en el consumo eléctrico?

Además, su vida útil suele rondar los 25 años. Están fabricados generalmente en aluminio, por lo que su peso es bastante ligero. Alrededor de 8 kg. Es un material muy resistente a las variaciones de las temperaturas, así como a la abrasión y al desgaste. El precio de una instalación de un panel solar termodinámico suele estar entre los 1.500€ – 3.000€. Pero este puede variar según el número de paneles y la dificultad de la propia instalación.

Aplicaciones de la energía solar termodinámica

Para mantener una buena relación, la producción de energía solar térmica debe ser de 4 KW con un consumo de 1KW. Cuando la energía solar térmica se mantiene a un nivel similar al del consumo, no estamos logrando ahorro. Por este motivo, antes de llevar a cabo la instalación de un panel solar termodinámico, debemos tener en cuenta este aspecto y valorar si podremos generar la suficiente energía solar térmica para que sea rentable. No solo habrá que tener en cuenta la propia instalación, sino también, valorar la situación meteorológica en la zona en la que queramos aprovechar la energía solar termodinámica.

Cómo funciona la energía solar termodinámica

A primera vista, una instalación de este tipo parece similar a una instalación de paneles solares convencionales, si bien su modo de funcionamiento es completamente diferente y resultaría similar a un sistema de climatización por bomba de calor. En una instalación convencional de paneles solares circula un fluido que se calienta a su paso por los paneles debido a la incidencia directa de los rayos solares. Este tipo de energía solar aprovecha el calor para calentar agua. El agua es transformada después en vapor, que a su vez mueve unas turbinas. La acción de esas turbinas es lo que permite producir electricidad. No se produce electricidad directamente. Esta es una manera muy similar a cómo se obtiene energía eléctrica partiendo de la quema de combustibles fósiles. En este caso, no hace falta quemar nada para que se puedan mover las turbinas, el calor del sol lo hace y, además, al ser vapor de agua, no hay residuos nocivos de ninguna clase.

Importante en lo que se refiere a su funcionamiento

No hay que olvidar, que es necesaria una gran cantidad de calor para conseguir ese efecto y eso se consigue concentrando el calor del sol en unos puntos muy determinados. Por eso, no se usan paneles solares fotovoltaicos, que emplean un principio muy diferente, sino que se utilizan colectores de energía. Cuando éramos pequeños aprendimos en la escuela que, con una lupa y un día soleado, podíamos concentrar la energía del sol en un punto. En ese caso, conseguimos tal concentración de calor que se pueden incluso prender cosas que ardan. El funcionamiento de la energía solar termodinámica es, a grandes rasgos, lo mismo. El calor en este caso no se concentra sobre un punto para que arda, sino sobre lo que se llama un fluido termovector. Este fluido tiene unas excelentes capacidades de transmisión del calor y suele estar compuesto de agua y anticongelante. Después, entra en contacto con agua y produce el vapor que mueve las turbinas.

¿Qué beneficios tiene la energía solar termodinámica?

  • Mantenimiento: estas instalaciones necesitan un mantenimiento mínimo.
  • Gas refrigerante: no es necesario recargar periódicamente el gas refrigerante. Además, no es tóxico y las fugas son fácilmente detectables.
  • Menos control de funcionamiento: Los paneles no tienen que purgarse, ni ser cubiertos en verano para proteger la instalación contra sobrepresiones.
  • Efectivos 365 días: en invierno no se corre el riesgo de que los paneles se congelen.
  • Sin sistemas de apoyo: las instalaciones termodinámicas garantizan por sí mismas el 100% del suministro sin necesidad de calderas de apoyo.
  • Alta calidad de material: panel muy ligero (7,6 kg) y ultra plano (grosor 2 cms).
  • Fácil instalación: no necesita ningún tipo de obra ni refuerzo del tejado y se pueden utilizar por las dos caras. Además, la instalación se puede realizar en menos de 4 horas.
  • Duraderos: los materiales con los que están fabricados son anticorrosivos y pueden durar varias décadas, no tienen problemas de congelación ni de dilatación.
  • Eficiente: este sistema es un 20% más eficiente que los sistemas térmicos en el mercado. Capaz de trabajar durante todo el año con o sin radiación solar. ACS durante los 365 días del año día y noche.

Energía solar térmica y termodinámica: ¿es lo mismo?

No. Es muy frecuente confundir la energía solar termodinámica con la térmica , ya que ambas hacen uso de los rayos solares para funcionar. Sin embargo, la principal diferencia entre ambas es que en la térmica, solo es posible generar energía a partir de la radiación solar. Mientras que la energía solar termodinámica puede servirse del viento, de la lluvia o del propio aire. Esto se debe a que los paneles solares termodinámicos funcionan por la diferencia de temperatura. Es decir, siempre que la temperatura del panel sea superior a los -7º, el sistema podrá proporcionar agua caliente sanitaria a unos 60º.

En lo que respecta al propio funcionamiento, también hay diferencias en la instalación de un panel solar termodinámico. En esta se utiliza una bomba de calor que tiene ganancia solar. Sin embargo, en la solar térmica se utiliza un acumulador de calor. Por último, la energía térmica debe estar siempre orientada al sur. De este modo, puede obtener la mayor cantidad de luz solar a lo largo del día. Por el contrario, en la energía solar termodinámica puede existir cierta variación en su posición. El motivo estás en que, como hemos dicho, es posible utilizar otras condiciones meteorológicas para funcionar.

Historia del calentador de agua

Hoy en día, vemos de lo más natural tener algún electrodoméstico en casa que nos caliente el agua para ducharnos, lavar la vajilla, lavar la ropa, limpiar los suelos, etc. Pero eso no ha sido siempre así, y casi podemos decir que es algo muy joven. Porque apenas hace 150 años no existía ningún equipo o electrodoméstico en las casas que proporcionase esa comodidad, y solo los más afortunados podían calentar agua en el hogar de leña o carbón, utilizando un recipiente que servía igual para cocinar.

Orígenes y evolución: ¿quién lo inventó y por qué?

Retrocediendo en el tiempo, Heródoto explicaba que si hacía falta tomar un baño caliente, el mejor método era verter agua sobre piedras calientes. También recordamos los baños romanos, hace ya 2000 años. Todo un lujo solo para los más privilegiados de la época. Un gran adelanto en tema de higiene personal, pero aún como una instalación comunitaria

Fuente de la imagen: English Heritage. Reconstrucción de la casa de baños del siglo IV en el fuerte romano de Housesteads, en el Muro de Adriano.

 

El mundo Islámico también tuvo su aportación con el hammam, que es un baño de vapor húmedo con orígenes en las termas romanas, llamado en Francia «bain maure» («baño moro», refiriéndose a los de la España musulmana de Al-Andalus) o «baño turco» por los demás occidentales. Unos siglos más tarde se produce otro hecho importante. Horace de Saussure inventó en 1767 lo que él mismo llamó «la caja caliente». Esta consistía en una caja acristalada por la parte por la que entran los rayos del sol, mientras que el interior iba pintado de negro. Salvo la cara de cristal, todas contaban con material aislante que permitía retener el calor en el interior. De esta manera, las temperaturas que se alcanzaban podían llegar a los 109º. Este pequeño invento era, nada más y nada menos, que el primer colector solar de la historia de la energía solar térmica.

Fuente de la imagen: Solar Cookeng International. “Caja caliente” de Horace de Sausurre, 1767.

Pero el padre de los calentadores podemos decir que se invento hace unos 150 años, en Londres. En el año 1868, un pintor de casas llamado Benjamin Waddy Maughan patentó el primer calentador de agua instantáneo para uso doméstico que no usaba combustible sólido. Antes de la invención de Maughan, los hogares calentaban el agua en tandas sobre una estufa de gas, un procedimiento incómodo. El invento de Maughan, quien lo bautizó Geyser por los chorros de agua caliente que salen de la tierra, permitía que el agua fría en la parte superior del tanque fluyera sin problemas a través de las tuberías calentadas por los gases de la combustión de un quemador en la parte inferior. Pero este proceso era bastante peligroso porque no había chimenea para eliminar los gases, que permanecían en la habitación donde el equipo estaba instalado.

Fuente de la imagen: Bateman Water Heating Engineering Inc. El Geyser de Maughan.

Primer calentador de agua en el mercado

Si hablamos del primer calentador como lo conocemos hoy en día, tenemos que referirnos al ingeniero noruego Edwin Ruud. Quién fue inspirado por el invento de Maughan pocos años después. Ruud estudió en “The Horten Technical School” en Noruega, pero emigró a Pittsburgh en EE.UU. En 1880, Ruud patentó el primer calentador de agua a gas con tanque de almacenamiento automático. Ese éxito inicial marcó el comienzo de una tradición de innovación y valor que llevó a la introducción de equipos de calefacción y aire acondicionado RUUD en la década de 1950. Desde entonces, RUUD se ha convertido en uno de los mayores fabricantes de productos de calefacción, refrigeración y agua de calidad para uso residencial y comercial de América del Norte.

Fuente de la imagen: Rheem Manufacturing Company. Edwin Ruud con uno de sus primeros modelos de calentador.

Impacto social: ¿dónde se instalaron los primeros calentadores de agua?

Al igual que ha sucedido con otros muchos inventos que se han podido fabrican en grandes cantidades y a precios relativamente asequibles, el impacto social que tuvo la puesta en el mercado de los primeros calentadores de agua fue muy grande. Hasta el punto de que hoy en día es impensable que una vivienda no disponga de algún tipo de calentador de agua. Pero hablando concretamente de los primeros tiempos de este invento, podemos señalar que, en 1915, había aproximadamente cien mil unidades del Tipo F fabricado por Ruud instaladas en todo Estados Unidos y Canadá. Lo que representa una cantidad importante teniendo en cuenta que el señor Edwin Ruud no empezó su aventura empresarial hasta en 1898, el poder adquisitivo de los contemporáneos no era muy elevado y las redes de distribución no eran tan eficientes como las actuales.

Tipos de calentadores con los que contamos en la actualidad

Para suministrar agua caliente para uso humano, tanto en nuestras viviendas como en locales de ocio, oficinas o en la industria, disponemos hoy en día de diferentes tipos de “electrodomésticos”. Que se diferencian en función del tipo de combustible que utilizan, o si acumulan agua para un uso posterior. Aunque el fin ultimo de todos ellos sea el mismo, dependiendo de nuestras necesidades (consumo), condiciones energéticas de nuestro hogar, o incluso del espacio disponible para su instalación, nos convendrá uno u otro tipo:

Calentadores instantáneos de gas

Estos calentadores funcionan con de un sensor de flujo, para que sólo se activen (y consuman gas) cuando detectan la circulación del agua. Una vez que el grifo está cerrado, el sensor apaga automáticamente el calentador y cierra la válvula del gas.

Características:

  • Pueden suministrar agua caliente durante grandes periodos de tiempo si interrupción.
  • Pueden usar gas natural, gas propano o gas butano.
  • Se ven afectados por variaciones del caudal en la vivienda donde suministran el agua caliente.

Calentadores acumuladores eléctricos o termos

Este tipo de calentador es junto con los calentadores instantáneos de gas los modelos más populares. En este caso, su funcionamiento se basa en un tanque interno donde se calienta el agua con una resistencia eléctrica y se almacena para un uso posterior.

Características:

  • Caudal de agua a una temperatura con un flujo estable.
  • Tienen la capacidad de llegar hasta 70 °C.
  • Capacidades de 15 litros y hasta 300 litros.

Calentadores acumuladores de gas

Este tipo de calentador no es muy común, a pesar de tener tamaños pequeños de 100 litros en muchos fabricantes. Son la solución diseñada para abastecer varios puntos de abastecimiento. Es por ello que si sin comunes en instalaciones deportivas, pequeños hoteles, campings, etc. Su funcionamiento se basa en un tanque interno donde se calienta el agua con una resistencia eléctrica y se almacena para un uso posterior.

Características:

  • Pueden usar gas natural, gas propano o gas butano.
  • Están preparados para la recirculación y la desinfección.
  • Capacidades de hasta 300 litros.

Calentadores instantáneos eléctricos

Al igual que los de gas, estos calentadores funcionan con de un sensor de flujo, para que sólo se active la resistencia eléctrica cuando detectan la circulación del agua. Una vez que el grifo está cerrado, el sensor apaga automáticamente la resistencia. Su consumo eléctrico es elevado, es por ello que no son muy comunes, y por lo general se instalan cuando las otras opciones son inviables, por diferentes motivos (no hay posibilidad de ventilación, o de instalar una chimenea para los humos, no se dispone de espacio, o para cuando su uso es muy excepcional y es un servicio muy alejado del equipo de agua caliente principal)

Características:

  • Son un 40% más pequeños que un calentador de gas convencional.
  • Pueden ser instalados dentro de gabinetes o cajones ya no requieren ventilación.
  • Consumo eléctrico elevado.

Calentadores solares o Termosifón

Son equipos que aprovechan la radiación solar para calentar agua contenida en un deposito, gracias y un captador solar térmico.

Características:

  • No necesitan de otras fuentes de energía, ya sea electricidad o gas.
  • Se necesita tener un tejado o terraza donde de el sol.
  • Por lo general funcionan como apoyo a uno de los sistemas anteriores.

Bomba de calor para ACS – Aerotermia

Están formados por un acumulador de agua vertical que en su parte superior tiene una bomba de calor aire-agua. Ésta, calienta el agua fría mediante un serpentín condensador en el interior del acumulador. El evaporador toma aire del local donde se instala o de un local anexo mediante dos conductos, uno de entrada y otro de salida de aire. También se puede instalar el equipo sin conductos tomando directamente el aire del local donde se instala.

Características:

  • Hay modelos compactos que se pueden instalar dentro de casa.
  • Tienen un nivel sonoro mínimo.
  • Diversos tamaños de acumulación.
  • Suelen ser compatibles con sistemas solares.
  • Clasificación energética A+.

Apostando por el futuro: calentadores solares como alternativa de ACS

Teniendo en cuenta la tendencia de muchos países y organizaciones intergubernamentales, y por supuesto, de todas las organizaciones no gubernamentales que fomentan un mundo más ecológico y sostenible, de encaminarse hacia un futuro más limpio. Y conociendo la intención de la Unión Europea de intentar conseguir el ya famoso objetivo 20/20/20, es muy importante hacer una referencia especial a los sistemas para agua caliente que mejor se adaptan a ese objetivo.

Este objetivo de la UE  contempla un paquete de medidas que contiene legislación vinculante para garantizar el cumplimiento de los objetivos climáticos y de energía asumidos por la UE para 2020. Esas metas, establecidas por los dirigentes de la UE en 2007 e incorporadas a la legislación en 2009, también figuran entre los objetivos principales de la estrategia Europa 2020 para un crecimiento inteligente, sostenible e integrador. Los objetivos fundamentales del paquete de medidas son tres:

  • 20%de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (en relación con los niveles de 1990).
  • 20% de energías renovables en la UE.
  • 20% de mejora de la eficiencia energética.

Fuente de la imagen: @Fotolia

Para ayudar en la consecución de este objetivo, que todo hay que decirlo es bastante ambicioso, podemos cada uno de nosotros aportar nuestro granito de arena y apostar por las tecnologías que menos contaminan. Y cuando necesitemos renovar o hacer una instalación en nuestros hogares usar predominantemente placas solares o bombas de calor, de entre los diferentes tipos de sistemas que se han explicado anteriormente. ¿Por qué?, muy sencillo.  Para contribuir a la no emisión de CO2 ni otros gases de efecto invernadero, o que puedan producir lluvia ácida, debemos descartar los combustibles fósiles, y aunque de entre todos ellos el gas natural, y los GLP (gases licuados del Petróleo) son los menos contaminantes, también contienen nitratos y sulfuros que una vez en la atmósfera son también perjudiciales.

Así mismo, los termos eléctricos o calentadores instantáneos eléctricos, aunque no produzcan humos en el momento de producir agua, mientras en nuestro país no cambie el mix de generación eléctrica, si lo hacen para producir esa electricidad, que además se genera a muchos kilómetros de distancia y que pierde hasta un 40% en su viaje hasta nuestro termo eléctrico. Por ello, solo nos quedan como alternativas de futuro la energía solar, y en el caso que nos ocupa en su versión de placas solares térmicas, para usarlas en sistemas solares termosifón o forzados, para la generación de agua caliente sanitaria y de calefacción, o las bombas de calor o aerotermia. Esta última, sigue necesitando de energía eléctrica, que es aún generada con sistemas contaminantes, pero al tener una eficiencia energética mucho mayor que un termo eléctrico, su impacto es mucho menor.