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Hielo solar

¿Sabías que gracias a los conocimientos sobre el comportamiento de algunos materiales, y a la tecnología solar y de absorción de calor, se puede fabricar hielo con la energía del sol? La solución está en el calor que nos aporta el sol, como energía principal, y el aprovechamiento de la transmisión de calor que ofrecen diferentes sustancias por el efecto de absorción de calor.

¿Qué es el hielo solar?

El hielo solar no es más que hielo agua en estado sólido. Pero lo denominamos así porque fabricamos el hielo con energía solar. Aunque parece algo muy complicado, en realidad es bastante sencillo, y debemos saber que la teoría de este sistema ya tiene algunos años. La generación de frío a partir de una fuente de calor se denomina absorción.

El ciclo termodinámico de enfriamiento por absorción se basa en la necesidad del fluido usado como refrigerante de obtener calor del líquido a enfriar para poder pasar del estado líquido al de vapor, al reducirse la presión a la que está sometido. Pero este ciclo que genera frío necesita de una fuente da calor. Que nosotros aportaremos con placas solares.

De esta forma una de las sustancias absorbe ese calor, que luego en el proceso inverso lo disipa. Lo importante es que la absorción de calor, y su posterior disipación lo controlamos y hacemos en los lugares que nos interesa. En este ciclo, se consigue que el agua del sistema ceda calor, llegando a congelarse, produciendo el hielo solar.

Origen del sistema de absorción

El ciclo de absorción es un descubrimiento del siglo XVIII. El primer intento se debe al escocés William Cullen, cuando en 1755 consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una campana donde consiguió reducir la presión. Unos años más tarde, en 1777, Gerald Nairne, también escocés, introducía ácido sulfúrico en la campana de Cullen, de manera que el vapor de agua fuera absorbido por este, dejando espacio para permitir una mayor evaporación de agua.

En 1810, John Leslie colocó, dentro de la campana bajo vacío, un recipiente con el agua a evaporar y en el fondo otro recipiente con el ácido sulfúrico, logrando una producción de 3 kg de hielo por hora. Pero sería finalmente el francés Ferdinand Carré, quién construyó y comercializó la primera máquina de absorción, destinada principalmente a la fabricación de hielo. Utilizando para ello, amoniaco como refrigerante y agua como absorbente. Esta máquina fue patentada en 1859 y obtuvo el premio de la Exposición Universal de Londres de 1862.  Como anécdota, comentar que ya en el año 1875 el buque Paraguay, equipado con máquinas de absorción de Carré, transportó por primera vez carne congelada desde Buenos Aires hasta el puerto de Le Havre (Normandía – Francia).

¿Cómo funciona el conjunto Solar-máquina de Absorción?

El sistema para generar hielo con energía solar tiene dos partes. Por una tenemos el generador de energía (calor), es decir las placas solares. Esta primera parte del sistema nos aportará el calor que necesita la segunda parte del sistema. El segundo componente de este conjunto es un sistema de absorción, que aprovechará el calor que le aportan las placas solares para poder trabajar.

Equipos de absorción

Los equipos de absorción de calor pueden ser de dos tipos. Los de tipo amoníaco/agua, o también llamados «de efecto simple», o bien máquinas agua/bromuro de litio, o «de doble efecto». Para los sistemas de refrigeración y generación de hielo, se emplea normalmente el sistema de agua/bromuro de litio por tener mayor eficiencia. El motivo de utilizar el bromuro de litio es porque tiene gran capacidad de absorber agua y posteriormente puede deshidratarse también fácilmente con calor. Siendo la energía que nos aportarán las placas solares.

Explicándolo con más detalle, el agua, en nuestro caso es el refrigerante, que se mueve por un circuito a baja presión, y se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador. Para producirse la evaporación necesitamos calor, que se obtiene a partir de las placas solares en un intercambiador, en el que se congela el agua que queremos convertir en hielo que queremos fabricar.

En el paso posterior al evaporador, el bromuro de litio absorbe el vapor de agua en el absorbedor, produciendo una solución diluida o débil de bromuro en agua. Esta solución pasa al generador, donde se separan disolvente y soluto mediante calor procedente de las placas solares. Entonces el agua va al condensador, que es en otro intercambiador donde se cede la mayor parte del calor recibido en el generador, y desde allí pasa de nuevo al evaporador, a través de la válvula de expansión; el bromuro, ahora como solución concentrada en agua, vuelve al absorbedor para reiniciar el ciclo. En definitiva, en el absorbedor se desprende calor al absorber el gas, mientras que en el generador se absorbe calor al desprender el gas.

Fuente de la imagen: Guía del Frío Solar. Fenercom. Esquema–Maquina de absorción de doble efecto

Otros prototipos

Pero el sistema anterior no es el único. Existe un prototipo, creado por Ingenieros de la Universidad Nacional de Colombia (U.N.) con sede en Medellín. Este nuevo prototipo permite fabricar hielo por medio del calor aportado por el sol. Este equipo creado por ingenieros del grupo de investigación en Termodinámica Aplicada y Energía Alternativa (Tayea), congela y refrigera entre uno y cinco litros de agua.

Aunque parezca complejo su mecanismo es sencillo. El secreto está en el sistema de tuberías, formado por 20 tubos de 2 metros de longitud y 10 centímetros de diámetro, los cuales contienen carbón activado, y el uso de los paneles solares, que aportan el calor necesario para el proceso. El carbón activo permite el proceso de enfriamiento, ya que es capaz de adsorber amoniaco o metanol. Además, la máquina usa un líquido refrigerante, en este caso metanol, que se evapora debido al calor que concentran los reflectores solares convexos.

Una vez en el interior del sistema, se superan los 90 grados centígrados, y el vapor atrapado en las tuberías entra en contacto con el carbón activado, el cual se vuelve líquido una vez va perdiendo calor con relación al ambiente, o se enfría al ponerse el sol. Lo que llamamos desorción-regeneración. Durante la noche, cuando el carbón activado se enfría, adsorbe nuevamente el metanol y en ese proceso es cuando se produce el frío (adsorción-evaporación), que es capaz de congelar el agua.

Curiosidades sobre el hielo solar

Curiosidad

Motivo

Respetuoso con el medio ambiente     Al utilizar energía solar que son menos contaminantes y más respetuosas con el medio ambiente y que permite disminuir las emisiones de gases tóxicos
Energía gratuita ✓ El aporte de energía solar a nuestra calefacción es 100% gratis
✓ Inicialmente deberemos amortizar la instalación efectuada, pero una vez que con lo ahorrado se ha pagado el coste de la instalación, la energía solar es completamente gratuita
Energía limpia y gratuita ✓ Solo se necesita del calor del sol para poder fabricar hielo
Disponibilidad global ✓ Puede ser aprovechada en cualquier lugar en función de la incidencia solar
Reduce la dependencia energética ✓ Una instalación de hielo solar aprovecha la energía solar térmica para generar el frío necesario
Ideal para zonas con mucho sol ✓ ideal para zonas aisladas, con mucho sol y difícil acceso a otras energías

 ¿Es viable el hielo solar? ¿Tiene futuro?

Aunque parezca una tecnología muy difícil de aplicar, la realidad nos dice que no. Además, con los avances tecnológicos tanto en el campo de la energía solar como en los sistemas de absorción, cada día es más viable esta combinación.

De hecho, existen diferentes empresas que se dedican única y exclusivamente a diseñar y fabricar equipos de absorción de calor para generación de frío. Los modelos para generación de hielo aún necesitan de cierto perfeccionamiento, y sobre todo los que no necesitan ningún tipo de suministro eléctrico.

Hasta el momento, los equipos de absorción que hay en el mercado tienen elementos que consumen electricidad. Las bombas circuladoras, electroválvulas, centralita de control, etc. necesitan para su funcionamiento, aunque su consumo es sensiblemente inferior a los tradicionales equipos refrigeradores o generadores de hielo, por lo que para los equipos de hielo solar se abre un futuro prometedor.

Evolución del aire acondicionado: desde la antigüedad hasta nuestros días

Para llegar al aire acondicionado como lo conocemos en la era Moderna tenemos que retroceder algunos siglos. Desde tiempos remotos el ser humano siempre ha buscado a través de diferentes técnicas la forma de climatización y/o refrigeración.

Fuente de la imagen: National Geographic

Por ejemplo, ¿sabías que en el antiguo Egipto ya se utilizaban sistemas y métodos para poder reducir el calor? La técnica que utilizaban era principalmente para mejorar la sensación de calor dentro del palacio del Faraón, que contaba con unas paredes formadas de enormes bloques de piedras con un peso superior al de las 1.000 toneladas. El sistema no era otro que utilizar a 3.000 esclavos durante la noche para desmantelar las paredes y cargar las piedras al desierto. ¿Por qué? El clima por la noche en el desierto disminuye a niveles muy bajos y eso hacía que las piedras se enfriasen de manera notable. Tras pasar la noche en el desierto, poco antes de que amaneciera se volvían a colocar las piedras en el palacio. Una acción que hacían cada noche y que permitía al Faraón contar con una temperatura media en palacio de unos 26°C.

Por otro lado, ¿sabías que en la antigua India se colgaban esteras de hierba húmeda en las puertas y ventanas para así al entrar aire disminuyera la temperatura. ¿O que en algunos palacios del Imperio Musulmán las paredes estaban llenas de vegetación que se rociaban de agua continuamente para que la evaporación hiciera que se enfriara el ambiente?

Técnicas modernas

Y es que el ser humano siempre ha estado a la búsqueda de nuevas técnicas. Si nos vamos al año 1555, se tiene constancia de que se llevó a cabo el primer procedimiento técnico para acondicionar el aire, basado en un ventilador artificial utilizado, sobre todo, para las cuevas de minas. No sería hasta 1711 cuando Johann Justus Bartels ideó el primer ventilador que funcionaba para ambientes cerrados, como túneles.

En 1715 el francés Gaugger sería quien publicase, tras un estudio sobre la ventilación, su importancia para poder combatir enfermedades de tipo infecciosa. Una idea que llevaron a cabo en 1741 Stephen Hales y Martin Friewald cuando inventaron el acondicionados de aire para las habitaciones de hospital y los camarotes de los barcos. Un invento que estaba construido a través de dos palas grandes de molino. Su función era bombear el aire y dirigirlo a través de tubos para generar corrientes de aire.

100 años más tarde, sería el médico norteamericano John Gorrie quién creó la primera máquina frigorífica que utilizaba el conocido principio de expansión de aire para aliviar el calor a sus enfermos. Ya en 1842 el físico y matemático Lord William Thomson Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la termodinámica: absorción de calor a través de un gas refrigerante.

1902: llegada del aire acondicionado moderno

Sería en el año 1902 cuando el estadounidense Willis Haviland Carrier sentara las primeras bases de la refrigeración tal y como la conocemos. Carrier, con seis colegas, invirtió 32.600 dólares en su propia compañía, Carrier Engineering Corporation. Empresa dedicada exclusivamente al aire acondicionado y muy centrada en la investigación e innovación tecnológica de este producto, sobre todo aplicado al sector industrial. Algunos de sus primeros clientes fueron el Madison Square Garden y los departamentos del senado de los Estados Unidos y la cámara de representantes.

Fuente de la imagen: Carrier

Ya más adelante, en 1921, el propio Carrier patentó una máquina de refrigeración centrífuga, que fue el primer invento que permitía enfriar grandes espacios. Esto llevó a la compañía a ser pionera en diseño y fabricación de máquinas de refrigeración de espacios grandes. Aumentando la producción industrial durante el verano. El aire acondicionado revolucionó, sin duda, la vida norteamericana.

Aire acondicionado para viviendas

Pero no fue hasta 1928 cuando Carrier desarrolló el primer equipo dedicado a enfriar y calentar los hogares. Invento que lamentablemente, en un primer momento, acabó chocando con la gran depresión económica de los Estados Unidos, que hizo que sus ventas no cumplieran las expectativas creadas. Pero a partir de la II Guerra Mundial la situación cambió y comenzó a extenderse la compra de los sistemas de refrigeración en todo el país y a nivel mundial.

La importancia de un hogar bien climatizado

No encontrar este confort en el hogar puede tener consecuencias directas en nuestra salud. En primer lugar, en una casa mal ventilada la humedad se acumula en techos, alfombras y paredes. Además, los altos índices de agua en el ambiente ocasionan microclimas idóneos para la proliferación de ácaros y moho. Por otro lado, la temperatura adecuada de una vivienda debe estar en torno a los 20ºC. No podemos olvidar que tanto el calor como el frío se escapan a través de puertas y ventanas. Por lo que una buena solución para combatir estos problemas es la instalación de un equipo de climatización.

Otras alternativas de refrigeración

Fuente de la imagen: Fotolia

  • Refrigeración evaporativa

Es un proceso que se ha utilizado desde hace siglos como enfriador de aire. Sus principales ventajas son su elevada eficiencia energética, su seguridad y el respeto por el medio ambiente. Es un proceso natural que se basa en la utilización del agua como un refrigerante. Gracias a ello, es posible la transmisión a la atmósfera de todo el calor que resulta excedente en las máquinas de tipo térmico. Los equipos más comunes que emplean el enfriamiento evaporativo son los condensadores y las torres de enfriamiento.

  • Sistema aerotérmico de ventilación

Uno de los métodos que mejor funcionan para obtener una buena ventilación y a la vez conseguir eficiencia energética, que nos permite tener una temperatura confortable en nuestra vivienda, es el sistema por aerotermia. Este tipo de sistema es muy eficiente no sólo para la refrigeración de las casas en verano, sino incluso, para calentar las estancias en invierno.

  • Ventilación mecánica o inteligente

Dentro del sistema de ventilación mecánica encontramos por un lado la ventilación mecánica controlada que funciona con una central de ventilación que fuerza la extracción del aire para renovarlo y garantizar así la calidad del aire interior. Este tipo de ventilación permite gestionar eficientemente el consumo energético a la hora de renovar el aire interior de un espacio.

  • Aire acondicionado solar

Este tipo de sistemas cuentan con el mismo funcionamiento que un aire acondicionado tradicional, pero obtienen la energía del sol. Para ello, cuenta con paneles fotovoltaicos integrados para poder absorber la energía solar y así alimentar el sistema de aire acondicionado. Cuando hablamos de aire acondicionado solar podemos diferenciar dos tipos: el solar híbrido y el por absorción.