Gestión eficiente de la energía en la edificación

Gestión eficiente de la energía en la edificación

Gestión eficiente de la energía en la edificación
Domingo Guinea Díaz
Profesor de Universidad e Investigador del CSIC
Instituto de Automática Industrial - CSIC
Problemática energética actual
Se presenta una revisión de la situación energética actual, en el intento de diagnosticar los problemas de
fondo para plantear algunas soluciones accesibles. El análisis permite establecer los recursos energéticos
renovables que la naturaleza pone a disposición de una vivienda, evaluarlos, y tras comprobar que
exceden a la demanda de la edificación exige en nuestro clima, plantear una solución de razonable gestión
de la energía en el tiempo. Así, la captura, transformación, almacenamiento y uso se determinará en
función de la disponibilidad y de las necesidades, estableciendo el discurrir de los flujos energéticos de
manera adecuada con objeto de optimizar la eficiencia de su utilización a favor del natural incremento de
la entropía.
En la civilización actual, la especie humana obtiene casi todo de la energía procedente de los
combustibles fósiles: alimentos, transporte, sanidad, construcción, vestido, tecnología, ... Así, estos
recursos se han convertido en un pilar base de la sociedad en que nos encontramos en demanda creciente
durante las últimas décadas y se acentúa por los países muy poblados de economía emergente,
fundamentalmente asiáticos, que incrementan su demanda energética conforme avanzan en su nivel de
desarrollo. Así, la necesidad de combustible se multiplica tanto por su uso creciente en los países
desarrollados como por la incorporación a la sociedad de consumo de amplios sectores de la humanidad,
relegados hasta el presente a una precaria economía de subsistencia.
Por otro lado, la utilización sistemática de los combustibles fósiles está íntimamente ligada al crecimiento
de la población. El nivel de población humana en la Tierra se mantuvo sensiblemente constante en unos
cientos de millones de individuos hasta el siglo XVIII en el que la Revolución Industrial propicia el uso
masivo del carbón. Ello posibilita el desarrollo de las manufacturas, los fertilizantes, el transporte, la
sanidad, la construcción que permiten un crecimiento exponencial de la población durante los siglos
posteriores, hasta alcanzar más de 6.000 millones de personas en la actualidad. A medida que la población
humana crece, el número de especies de otros seres vivos sobre la Tierra se reduce en forma drástica
propiciando una extinción en masa solo acaecida en el pasado en constadas ocasiones como consecuencia
de los grandes cataclismos.
Otra faceta relacionada recientemente con el consumo humano de combustibles fósiles es el crecimiento
de emisiones a la atmósfera de CO2, entre otros gases, que está previsto que se incrementen un 62% entre
el 2002 y 2030, sobrepasando las emisiones actuales de los países desarrollados la media de la OCDE en
2020 [1]. Su aportación al calentamiento global por “efecto invernadero” queda hoy fuera de toda duda y
presiona con influencia creciente la política y el desarrollo de naciones, empresas y ciudadanos.
Ahora bien, también hemos de considerar que esta situación de incremento en la extracción y el uso de los
combustibles fósiles no pueden prolongarse indefinidamente. De hecho, los yacimientos son
necesariamente finitos y se constata que el ritmo de crecimiento del consumo es claramente superior al
del descubrimiento de nuevos recursos. Según opinión generalizada nos encontramos próximos al
máximo de producción de petróleo, el llamado pico de la campana de Hubbert, a partir del cual cada vez
se descubrirán menos recursos, ocurriendo algo similar durante las próximas décadas para el resto de los
combustibles no renovables [2,3,4].
Como alternativa en un inmediato futuro se plantea el empleo del vector hidrógeno dada su elevada
densidad energética por unidad de masa, la posibilidad de obtenerlo desde muchas fuentes y por muchos
medios y porque en su uso final no contamina. Ahora bien el hidrógeno, como la electricidad, no son
fuentes de energía accesibles en la naturaleza sino medios útiles para su uso, transporte, almacenamiento
o transformación. Es preciso, por tanto, determinar las fuentes primarias de carácter renovable que
soporten la vida y desarrollo de las generaciones inmediatas de seres humanos.
En la historia reciente de la humanidad siempre ha habido un combustible mayoritario. Fue la leña hasta
el siglo XIX, el carbón durante éste, el petróleo en el XX y previsiblemente el gas natural en el primer
tercio del siglo XXI. En cuanto al combustible nuclear constituye una fuente de energía tan controvertida
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como perecedera que se usará en tanto no se agote. Ahora bien, sus recursos son limitados y por diversas
razones no es esperable que tenga un peso predominante sobre las demás fuentes de energía a nivel
mundial. Como base de la energía de futuro se podría pensar en le hidrógeno, obtenido por vía renovable,
posiblemente a partir de energía solar.
En todo caso es preciso considerar que los combustibles fósiles no han sido más que un “relámpago” de
energía en la evolución humana que está próximo a desaparecer. Con anterioridad (cientos de miles de
años) la humanidad ha complementado el propio calor y esfuerzo con la leña, los animales y los esclavos.
¿Volverá a repetirse esta situación cuando se agoten los combustibles fósiles? Ello dependerá del
desarrollo que el hombre sea capaz de alcanzar con las energías renovables y la fusión nuclear. Una vez
agotado el impulso que nuestra especie ha recibido como energía acumulada a lo largo de miles de
millones de años por nuestros ancestros, es necesario encontrar alternativas viables para el futuro.
Principios físicos para buscar soluciones
El Primer Principio de Termodinámica asegura que la energía es una cantidad constante, luego es preciso
valorar de cuánta se dispone, así como la eficiencia con la que hacemos uso de ella. La Figura 1, realzada
con datos de los años 90 [5] muestra que en una sociedad desarrollada “tipo” el 84% de la energía
procede de combustibles fósiles, el 7% de nuclear y el 9% de renovables. Esos recursos la sociedad los
transforma de modo que como energía final se obtiene sólo un 16%, siendo el 41% pérdidas inevitables
con la tecnología actual y el resto (43%) pérdidas evitables con mejora de procesos y mejor
aprovechamiento energético. Es decir, por cada unidad de energía final se consumen 6 de energía
primaria. Dicho de otra forma, por cada unidad de energía final no consumida se ahorran 6 de energía
primaria que quedaría disponible para nuevos procesos, luego parece evidente que el ahorro energético es
un “recurso” importante a tener e cuenta.
Fuente de energía
Destino
Transporte
transformación
16% al usuario
41% perdidas
inevitables
Sociedad
desarrollad
a
43% perdidas
evitables
Fósiles
Nuclear No renovables
Hidráulica.
eolica, solar Renovables
Biomasa
Energía utilizable
Prod. petroquímicos
Irrecuperable
Recuperable
Fig. 1.- Necesidad y despilfarro (Fuente: Miller [5])
Si bien un mejor uso de las fuentes actuales puede mitigar en gran medida la carencia del inmediato
futuro, es necesario evaluar a medio plazo el equilibrio energético de la Tierra para orientar el desarrollo
de la organización social sostenible y la tecnología adecuada para su aprovechamiento. Se ha de
cuantificar para ello la cantidad de energía disponible, cual es su procedencia así como el tamaño de las
reservas y cuánto pueden durar con un uso adecuado.
La energía disponible en nuestro planeta es la suma de la que recibimos sobre la superficie terrestre por
radiación del Sol más la gravitacional por atracción de los cuerpos celestes próximos (luna y sol) sobre la
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masa de fluidos terrestre (mareas) y la acumulada por la tierra (geotérmica + nuclear + fósil), menos las
pérdidas que en el uso se van a producir. Si bien el combustible nuclear o fósil es hoy un bien tan precioso
como perecedero, el resto se pueden considerar fuentes de energía renovables. Esto no significa que sean
recursos inagotables en el equilibrio energético del Cosmos, sino sólo a escala temporal de la evolución
humana.
La cantidad de energía accesible en cada una de estas fuentes se muestra en la Figura 2, donde se ve que
de la enorme potencia recibida del sol aproximadamente la mitad (47%) se convierte en calor sobre la
superficie terrestre que en última instancia acaba siendo disipado al espacio en forma de radiación
infrarroja. Aproximadamente un 25% de la energía recibida se canaliza hacia el ciclo del agua y una parte
muy pequeña al ciclo del viento, olas, corrientes marinas, etc. Una porción comparativamente
insignificante entra en el ciclo de la vida a través de la fotosíntesis. El otro aporte energético proviene del
calor acumulado en el interior de la Tierra. Éste envía por conducción hacia la superficie una cantidad de
energía similar a la que recoge la fotosíntesis y una cantidad notablemente inferior por actividad
volcánica como fuente geotérmica de alta temperatura.
En resumen, la mayor parte de los recursos renovables disponibles se encuentran en los 174.000 TW de
radiación solar que inciden sobre la Tierra, de los que 82.000 se quedan en forma de calor sobre la
corteza. Por otra parte, la fuente menos significativa de todas las mencionadas serían los 300 GW
procedentes del calor procedente del interior de la Tierra, que constituye la energía geotérmica de elevada
temperatura, y por tanto, de elevada calidad. Así por ejemplo en Islandia la energía geotérmica de alta
temperatura supone una contribución del 89% a la cesta energética del país, representando el petróleo tan
solo el 1%. Este escenario ha requerido una evolución tecnológica ya que en los años 70 la geotérmica
representaba el 42% y el petróleo el 52. Lamentablemente esta forma de energía sólo está disponible en
los cinturones volcánicos activos.
Existe otra energía geotérmica, de baja temperatura, mucho más dispersa que la anterior y por tanto más
disponible. Su explotación no siempre se lleva a cabo a nivel superficial y recurriéndose en ocasiones a
captaciones en profundidades entre 100 y 1500 m. En función del uso que se realice de estos pozos
ocurrirá una deriva temporal, es decir, el calor extraído cada vez será de menor temperatura, salvo que se
realice un uso estacional del recurso, en cuyo caso dé tiempo a la regeneración del foco térmico por
procesos de difusión de calor.
TW
Fig. 2.- Distribución de los aportes de energía renovable (solar y geotérmica) sobre la Tierra. (Fuente:
Hubbert [6])
La energía geotérmica de alta temperatura es una fuente de enorme importancia allí donde se encuentra
pero sólo está disponible en zonas muy localizadas y representa un recurso cuantitativamente reducido
desde un punto de vista global. Como caso opuesto, la energía solar supone un aporte energético
muchísimo mayor, con la ventaja adicional de estar muy repartida sobre la superficie de la Tierra. Por ello
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la energía solar interviene en los distintos ciclos responsables de la actividad del planeta donde la vida
aparece como su aspecto más significativo: agua, oxígeno, nitrógeno, carbono y fósforo. La energía solar
provoca unos movimientos de flujos de energía globales hacia las latitudes más elevadas, pues la
radiación incide fundamentalmente sobre las zonas próximas al ecuador, mientras que la Tierra emite el
calor aproximadamente de forma uniforme, por lo que se produce un flujo energético desde el ecuador
hacia los polos.
Resultado de este flujo energético, en España la radiación media recibida es de unos 1.400 a 1.800
kWh/m2-año, cantidad que supera en gran medida, las necesidades promedio del sector de la edificación
que, según el IDAE son para España de algo más de 100 kWh/m2-año. El 70% de esa cantidad se dedica a
usos térmicos (calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria) y el resto a eléctricos (iluminación,
electrodomésticos y comunicaciones) [7]. Según este balance resulta que el sol aporta en el sector
residencial español aproximadamente 16 veces la energía requerida. De ello se deriva que con una
tecnología adecuada de captura, transformación y almacenamiento de la radiación recibida en la cubierta
de las viviendas se podría satisfacer el consumo residencial y posiblemente sobraría aún energía para el
de transporte o la industria.
Según eso, ¿cómo se puede hablar de crisis energética, si parece que se dispone de un recurso más que
suficiente?. La respuesta a esta pregunta se puede encontrar en que estos números reflejan sólo el Primer
Principio de la Termodinámica, es decir, la cantidad de energía disponible frente a la necesaria. Sin
embargo, el Segundo Principio, el relativo a la calidad de la energía pone cota a las eficiencias con que se
llevan a cabo las transformaciones. Así, en la Figura 3 se ve que de cada 1000 kWh de radiación solar el
océano capta el 90%, pero es poco utilizable debido a que la temperatura es muy baja. Sin embargo, un
colector térmico solar, sobre todo si opera a una temperatura no excesiva alcanza con facilidad eficiencias
del 60%, o un panel fotovoltaico del 15% y aún mayores si se recurre a materiales avanzados. Sólo el
10% de la radiación solar se aprovecha para fundir hielo, dado el elevado porcentaje de reflexión que
presenta éste. Las conversiones más ineficientes serían para el aprovechamiento del calor de la biomasa
(apenas llegaría a 10 ppm), para la producción de biocombustibles (5 ppm) o para la generación de la
energía fósil (1 ppm).
Lo anterior se pone de manifiesto en dos ejemplos. Si se quiere obtener calefacción mediante una estufa
eléctrica y esa electricidad procede de una central termosolar es preciso concentrar previamente la
radiación mediante espejos, accionar unas turbinas de vapor, producir la electricidad, transportarla, ...
Sólo en la conversión sol-electricidad la eficiencia se sitúa en el 16 a 18% [8], a lo que es preciso después
descontar las pérdidas en el transporte. Otro ejemplo de transformación inadecuada lo constituyen los
biocombustibles, que a la vista de las cifras de la Figura 3 son un despilfarro energético si bien por
coyunturas políticas sí pueden suponer una oportunidad de negocio interesante.
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Fig. 3.- Aprovechamiento de la energía procedente de la radiación solar por diferentes tecnologías
(Fuente: Elaboración propia)
De todo lo anterior resulta evidente que el camino está en aprovechar la energía todo lo que sea posible.
Ello pasa por remplazar el despilfarro al que la sociedad moderna está acostumbrada con los combustibles
fósiles a la frugalidad, emplear la calidad de la energía (por ej. la temperatura) adecuada para cada uso,
generar la energía allá donde se necesite, almacenar en lo que se dispone y evitar las transformaciones
innecesarias. Las medidas tecnológicas para llevar a cabo estas acciones se van a explorar seguidamente y
pasan por aprovechar el calor del verano y el frío del invierno, así como la electricidad que se puede
producir directamente a partir de la energía solar. En cuanto al almacenamiento, es posible almacenar
energía térmica en el subsuelo (geotérmica de baja temperatura) y energía eléctrica o electroquímica en el
hidrógeno.
Algunas soluciones accesibles
Los principios teóricos orientan hacia un conjunto de soluciones concretas a los problemas de la energía
en nuestro porvenir. Con tecnología disponible a coste razonable se puede utilizar la temperatura del
subsuelo inmediato como barrera térmica entre dos capas aislantes sobre la envolvente del edificio como
intercambiador primario de las bombas de calor geotérmicas, que usen el calor a nivel superficial del
terreno en bombas de pequeño salto de temperatura. La abundancia de radiación en nuestro clima
posibilita la captura directa de la energía solar en la cubierta o en los muros de la vivienda; su
almacenamiento selectivo en el terreno aprovechando los gradientes térmicos y las barreras aislantes para
compartimentar distintas temperaturas y aparece la posibilidad de almacenar el excedente de radiación en
forma de hidrógeno obtenido por electrólisis a partir de paneles fotovoltaicos.
Gestión de la energía geotérmica de baja temperatura: barrera térmica y bomba de calor
La Figura 4 representa la evolución anual de la temperatura exterior en el campus del CSIC en Arganda
del Rey, donde se ubica el Instituto de Automática Industrial. Si se establece una banda de temperatura de
confort en 22 ± 2ºC resulta evidente que cuando la temperatura exterior la excede es preciso refrigerar
(retirar calor) y cuando es inferior es preciso calentar (aportar calefacción). La temperatura media del
subsuelo (temperatura de bodega) es el promedio de la del aire entorno a 16ºC, de la que se puede hacer
uso para poner una barrera térmica. Ida que disipemos calor en la barrera durante el invierno la
temperatura del subsuelo bajará algo para recuperar valores por encima de la media durante el verano. En
cualquier caso la gran masa del intercambiador subterráneo dota al edificio de una inercia térmica mayor
que las antiguas paredes de tapial con una estabilidad plurianual en un sistema conceptualmente sencillo
de coste muy reducido.
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Temperatura interior 22ºC
Banda de confort 20-24ºC
T. de barrera de
la
envolvente
entre
Temperatura media 16ºC
Temperatura en el subsuelo
Fig. 4.- Evolución de la temperatura ambiente en el campus del CSIC en Arganda del Rey (Fuente:
elaboración propia).
El concepto de la barrera térmica (patente ISOMAX) en invierno se ilustra en la Figura 5. En ella se ve el
interior de la vivienda a la izquierda, entre 20 y 22ºC, y el exterior a la derecha a 4ºC. El muro (la
envolvente de la vivienda) está constituido por un “sandwich” de dos capas de aislante (poliestireno) con
una central de mortero en cuyo interior se alojan unos conductos por los que circula el agua que ha
captado, mediante un intercambiador de calor enterrado, la temperatura del suelo y que va a actuar como
barrera térmica. Dado que la conductividad del mortero es mucho más alta que la del poliestireno la
evolución de las temperaturas presenta un gradiente casi nulo en él, frente a otro más acusado en las capas
de poliestireno.
La barrera térmica, es decir, la presencia de agua a 16ºC en la capa de mortero, hace que el gradiente de
temperatura en la capa interior del aislante sea mucho menor que en ausencia de la barrera, debido a que
este aislante ahora está viendo en su cara externa una superficie mucho más cálida que antes. Este menor
gradiente de temperaturas provoca que el calor que sale del interior de la vivienda se reduzca en la misma
medida (proporcionalidad de la ley de conducción del calor). Parte del calor que disipa el interior de la
vivienda se lo llevará el agua, pero será una fracción pequeña pues el salto térmico es de sólo 6ºC; el resto
se dirige al exterior, hacia donde también se disipa el calor del agua de los conductos (agua a 16ºC y
exterior a 4ºC). Eso provoca que el gradiente térmico en la capa exterior de poliestireno sea mayor que en
la primera, es decir, la capa externa está atravesada por más calor que la interna, siendo el incremento el
calor disipado por el agua, que casi en su totalidad fue captado del terreno.
La situación es similar en verano, estando ilustrada en la Figura 6. Supongamos que en esta ocasión el
agua circula a 26ºC, mayor temperatura del suelo, por lo que cede algo de calor al interior de la vivienda,
sin duda menos que si no hubiese barrera pues con el agua el salto térmico no supera los 6ºC). El exterior
cede calor al agua en menor cantidad que cuando el mortero no disponía del aporte térmico del subsuelo
debido al menor gradiente térmico producido por la barrera. Casi todo ese calor será transportado por el
agua al terreno. En definitiva, la barrera provoca que el interior de la vivienda vea un exterior más suave
debido a la enorme inercia térmica de la masa de tierra. En el funcionamiento ideal el exterior capta el
calor del agua en invierno y le cede a ella el calor en verano, en lugar de emplear la vivienda para estos
intercambios. Como fruto de este comportamiento el terreno recibe calor del exterior en verano,
cediéndoselo (no necesariamente en la misma cuantía) en invierno.
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Mortero
Interior
20-22
16ºC
Con barrera
Sin barrera
Patente
ISOMAX
Exterior
4ºC
Poliestireno
Fig. 5.- Ilustración del concepto de barrera térmica en invierno.
Mortero
Exterior
40ºC
Sin barrera
Interior
20-22
26ºC
Con barrera
Poliestireno
Fig. 6.- Ilustración del concepto de barrera térmica en verano.
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Lamentablemente, pese a estar esta tecnología desarrollada apenas se está utilizando en nuestro entorno
aunque si está probada con éxito en otros países de condiciones climáticas más severas. La energía
geotérmica superficial apenas se emplea de forma directa como se ha descrito, sino que su uso se dedica a
bombas de calor, balnearios, etc. Es decir, existe una elevada oportunidad de ahorro energético aún por
explotar con esta tecnología.
El uso de la energía geotérmica superficial en bombas de calor sí comienza a desarrollarse con fuerza. La
idea es sustituir el intercambiador de aire ambiente externo por el de líquido a la temperatura del
subsuelo, de modo que la bomba tome calor en invierno del mismo y le ceda calor en verano. Como su
temperatura es mayor que el ambiente en invierno y menor en verano resulta que la eficiencia de la
bomba se incrementa, es decir, reduce considerablemente su consumo eléctrico al operar entre
temperaturas más próximas a la de confort. En el capítulo siguiente se abordará este tema en detalle.
Gestión de la energía térmica captada por radiación solar: almacenamiento selectivo
Para gestionar adecuadamente la energía térmica procedente de la radiación solar es preciso captarla y
almacenarla, haciendo este almacenamiento selectivo según la temperatura. Para ello se pueden
aprovechar las propiedades de los materiales de construcción o del suelo, siendo determinantes en el
problema:
• Calor específico y densidad. Su producto establece la capacidad volumétrica del
almacenamiento. En el suelo, de menor calor específico y mayor densidad, puede ser comparable a
la del agua líquida.
• Conductividad térmica. En los materiales utilizados usualmente en construcción ofrece un
elevado rango de variación el orden de cuatro órdenes de magnitud. Por ello la elevada transmisión
de los metales puede conseguir una gran difusividad del calor en el mallazo de acero estructural al
que se fijan los tubos en los muros. En el extremo opuesto los materiales aislantes (lana de roca,
poliestireno, poliuretano) presentan un valor muy bajo, lo que favorece el confinamiento térmico e
incluso el almacenar calor a diferentes temperaturas en espacios próximos.
• Calor latente. Puede ser interesante recurrir a los materiales con cambio de fase (PCM) para
lograr una densidad de almacenamiento muy elevada, reduciendo así los espacios requeridos.
También se puede recurrir a ellos para cargarlos con los excedentes estacionales de modo que se
evite la deriva térmica del terreno.
El almacenamiento selectivo es preciso para aprovechar al máximo la radiación solar. Viene a ser una
manera de poner orden en la energía almacenada, reduciendo su entropía, tarea factible a lo largo del
tiempo que Maxwell proponía como tarea imposible para su diablillo en el intento de disminuir la
entropía de un sistema [9]. Así, en las primera horas del día, con el sol aún bajo en el horizonte, la
temperatura sobre la cubierta de la vivienda será de 16 a 24ºC, y se podrá almacenar en el subsuelo bajo
la vivienda en un anillo periférico; a medida de el día avanza y el sol asciende se alcanzará una zona de
radiación intermedia, que producirá sobre la cubierta temperaturas entre 24 y 40ºC y cuyo calor podrá ser
almacenado en un anillo del subsuelo interior al primero; finalmente, en las horas de máxima radiación,
con el sol en la vertical, se pueden lograr temperaturas en la cubierta superiores a 40ºC, las cuales se
almacenarían en un anillo concéntrico con los anteriores, siendo el más interior de los tres. De este modo
se tiene disponible la energía térmica captada en la cubierta ordenada y clasificada según su uso, lo que
permite una mejor integración de las transformaciones.
Se han realizado modelos numéricos con elementos finitos de este proceso cíclico de captura,
almacenamiento en el subsuelo y uso en la barrera. Considerando las inercias térmicas de la gran masa
involucrada y el lento cambio estacional se han obtenido resultados muy favorables, difíciles de creer a
primera vista hasta que han sido confirmados por los ensayos. Los resultados son espectaculares debido a
que se juega con inercias térmicas enormes, junto con una gran capacidad de confinamiento debida a la
baja conductividad térmica de las barreras aislantes establecidas. Esto hace que se pueda hablar de
almacenamiento no ya diario, sino estacional e incluso plurianual con período de estabilidad térmica del
sistema, tanto teórica como experimental entorno a los tres años. Por otra parte, la gestión energética que
se realiza en el sistema se posibilita mediante el movimiento de fluidos, ya sea con agua que capta
radiación en cubierta, la almacena en el subsuelo y parte de ella la pone a trabajar como barrera térmica o
incluso con aire que permite jugar con recuperaciones en la ventilación.
8
En el instituto de Automática Industrial se ha construido un prototipo para validar experimentalmente el
sistema conjunto. Se le ha dotado de intercambiadores coaxiales para las recuperaciones de calor con aire
y se efectúa el almacenamiento térmico selectivo en el subsuelo, como se puede ver en la Figura 7.
Además se han colocado sondas para poder determinar la distribución de temperaturas en diferentes
puntos de los circuitos y del terreno a distinta profundidad, adquiriendo así datos que ayuden a
comprender y evaluar el comportamiento del sistema en conjunto. Sobre un mallazo de acero embebido
en el mortero de los muros se ha creado la barrera térmica con tubos de polipropileno, como se ve en la
Figura 8, completándolos con una capa de aislante externo como encofrado perdido, rellenando con
mortero el interior y cerrando con la cubierta que capta directamente bajo teja la radiación solar.
Tras la construcción del prototipo se han detectado posibles mejoras que pueden facilitar la construcción.
Éstas consisten en separar la misión estructural de la del cerramiento para facilitar la construcción en
altura; emplear una envolvente con piel cuádruple (patente CSIC), como se muestra en la Figura 9, con el
fin de disponer de tres isotermas de temperatura controlada que permitan actuar como intercambiador con
el exterior, usar la capa intermedia para recuperación y control y la interior como muro, techo o suelo
radiante; plantear el transporte energético no sólo a partir de agua, sino combinándolo con aire.
Finalmente, se puede estabilizar la deriva térmica del subsuelo complementando éste como
almacenamiento con materiales por cambio de fase.
Fig. 7.- Vista de los intercambiadores coaxiales para renovación del aire y del almacenamiento selectivo
en el prototipo ISOMAX del Instituto de Automática Industrial.
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Fig. 8.- Barrera térmica en el prototipo ISOMAX del Instituto de Automática Industrial.
Con estos criterios se ha diseñado una vivienda de consumo cero que será exhibida en la EXPO 2008 de
Zaragoza y cuyo diagrama de flujos térmicos se recoge en la Figura 10. En este diseño está incorporada la
renovación del aire interior, las cortinas de aire en los accesos puesto que ha de estar abierta al paso
continuo de visitantes y la envolvente compuesta por una piel cuádruple que permite mantener tres
isotermas. Puesto que ha de utilizarse inmediatamente después de su construcción, no se ha podido
acumular en el subsuelo los niveles térmicos requeridos en un edificio convencional. Por ello se está
empleando como refrigeración el nivel freático del Ebro a cuya ribera se encuentra a partir del agua de un
pozo a 15ºC, usando como elemento auxiliar un estanque decorativo que pre-enfría el aire de entrada. En
la ubicación definitiva en el Campus del CSIC se contará con un acumulador geotérmico bajo tierra que
es estabilizado con materiales de cambio de fase a la temperatura adecuada.
Las experiencias de viviendas construidas de esta forma en climas más severos que el de España, como el
de Polonia, donde las demandas no son de 100 kWh/m2-año sino del doble o más muestran unos
consumos inferiores a 15 kWh/m2-año. Por tanto, la tecnología existe, los modelos y las pruebas
experimentales confirman su eficacia, y su coste es similar al de la construcción tradicional. Un apartado
del mayor interés en la actualidad es la posibilidad de utilizar esta tecnología en la rehabilitación de
viviendas ya construidas. El procedimiento habitual de añadir un aislante y revocado sobre la cubierta y
fachadas se complementa con una capa intermedia por donde circula un fluido en forma controlada e
intercambiadores subterráneos en pozo o lámina donde almacenar calor en verano y frío durante el
invierno.
Satisfacción de la demanda eléctrica
Una vez resuelto en forma accesible, tanto técnica como económicamente, el consumo térmico de los
edificios que supone un 70% del total; para lograr la autosuficiencia falta abordar el 30% de demanda del
hogar, que según los datos estadísticos del IDAE las viviendas españolas necesitan en forma eléctrica. La
generación eléctrica fotovoltaica se ha generalizado en los últimos años disminuyendo notablemente su
precio por unidad de potencia generada. Ahora bien, la acumulación de esta energía de “elevada calidad”
trasciende de las prestaciones de las baterías convencionales para orientarse a la incipiente tecnología del
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hidrógeno. Partiendo de la electricidad fotovoltaica generada en las horas de luz se produce hidrógeno en
un electrolizador que se acumula en un tanque con elevada densidad másica de energía. Las pilas de
combustible permiten convertir la energía química del hidrógeno de forma directa en electricidad en un
proceso de recuperación de notable eficiencia. El esquema sería como el mostrado en la Figura 11, donde
se ha partido de pequeños equipos de laboratorio desde los que se ha podido migrar hacia equipos
comerciales que serán montados en el demostrador de la EXPO Zaragoza 2008.
Los sistemas de hidrógeno y pila de combustible en la actualidad son muy caros, tanto en el
electrolizador, como en los paneles fotovoltaicos para producir la electrólisis como en la propia pila. La
respuesta a eso llega desde la investigación, permitiendo desarrollar elementos que permitan remplazar
los materiales caros de los electrolitos y catalizadores por otros más simples y baratos, obteniendo el
hidrógeno de otras fuentes, como residuos, etc. Para lograr todo esto el CSIC involucró a un conjunto de
Institutos de los que en el de Automática actúa como integrador para llevar a cabo el proyecto conjunto.
Fig. 10.- Flujos térmicos en un prototipo de vivienda con consumo nulo de energía.
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Paneles fotovoltaicos
Electrolizador
Pila
de
combustible
Compresor
Conexión a la red
Inversor
Tanques
hidrógeno
de
Fig. 11.- Esquema de la producción de energía eléctrica para autoabastecer a una vivienda
Los flujos energéticos requeridos para satisfacer la demanda eléctrica de una vivienda aparecen mostrados
en la Figura 12, donde desde paneles fotovoltaicos se produce electricidad, que puede ser acumulada en
baterías o atacar al inversor para alimentar las cargas eléctricas de la vivienda. El excedente puede ser
dedicado a producir hidrógeno a partir de un electrolizador que lo almacena o bien en hidruros a baja
presión o en un depósito para finalmente atacar a una pila polimérica cuando sea precio disponer de
electricidad. Con este sistema, disponiendo de 11 kW pico en los paneles (100 m2) se puede satisfacer
una demanda media de 3 kW eléctricos en la vivienda, con unos picos de 6 kW, bastante más de lo
necesario si se ha excluido las necesidades térmicas.
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Figura 12.- Flujos de energía para gestionar la demanda eléctrica de una vivienda autosuficiente.
Si la tecnología reduce notablemente el coste de pila y electrolizador se puede asumir que estos
dispositivos se sobredimensionen para trabajar a una fracción de su potencia máxima con lo que su
eficiencia crece en forma notable. Con esta hipótesis, el balance energético global se puede estimar que
los 1.700 kWh/m2-año de radiación solar se ven afectados por un 16% de rendimiento en el panel
fotovoltaico, por un 80% de rendimiento en el electrolizador, por un 90% de rendimiento en el sistema de
almacenamiento y por un 60% en la pila de combustible, quedando 117,5 kWh/m2-año para satisfacer tan
solo 30 kWh/m2-año. Es decir, en este contexto se producen por m2 de cubierta unas tres veces la
electricidad demandada por la vivienda, por lo que el excedente podría ser vertido a red en un esquema de
generación distribuida, acumulado en las baterías de vehículos híbridos o incluso eléctricos, etc.
Conclusión
El Primer Principio de la Termodinámica nos muestra que la energía solar aporta a una vivienda mucha
más energía de la que ésta consume. El Segundo Principio pone cotas al aprovechamiento de esa aparente
disponibilidad, pero existen tecnologías probadas, disponibles y baratas que permiten almacenar la
energía de forma ordenada con objeto de hacer uso de ella en su discurso a favor de la entropía.
Se ha visto a lo largo del capítulo que el problema del aprovechamiento eficiente de la energía en última
instancia es un problema de gestión energética, de saber ordenar y usar los flujos térmicos y eléctricos de
forma conveniente, adaptando la “calidad de la energía” a las exigencias de su uso. Toda esa gestión se
puede llevar a cabo de forma sencilla, de manera que el “diablillo de Maxwell” puede reducirse a buen
diseño de electroválvulas y contactores operados a partir de los datos procedentes de unas sondas de
medida convenientemente establecidas.
En cuanto a la producción de electricidad vía generación y acumulación de hidrógeno, casi todos los
equipos implicados requieren unas inversiones todavía elevadas, lo que exige desarrollo de I+D+i para
poder obtener prestaciones similares a la solución térmica con elementos industrialmente competitivos
dentro de un esquema de uso razonable de la energía.
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Como conclusión final se puede establecer que es posible hoy día construir una vivienda autosuficiente
que haga uso de energía solar y geotérmica de baja temperatura. La tecnología existe y está probada,
aunque parte de ella es aún excesivamente cara, inconveniente a superar en unos años con la investigación
necesaria.
Agradecimientos
Los resultados que se comentan son fruto del trabajo, colaboración y financiación de muchos en la
aventura de una investigación útil para las generaciones venideras. Los compañeros de la red de Pilas de
Combustible y en particular los grupos del IAI, del ICV, del ICP y del IETCC del CSIC, al del INTA así
como el INSIA-ETSII y el grupo TISE-ETSA de la UPM. Los aspectos térmicos han sido posibles por la
financiación de la empresa GEOSOLMAX y la confianza de EXPOAGUA para construcción e
instrumentación de dos prototipos de vivienda a escala real. El MEC ha financiado el desarrollo de
nuevos dispositivos de hidrógeno en el proyecto Diseño y realización de una nueva Pila de Combustible
polimérica de bajo coste y alta eficacia” MCYT- ENE2005-09124-C04-02/ALT..
Referencias
[1] IEA World Energy Outlook 2004.
[2] Bookout, J.F., “Two centuries of fossil fuel energy”, International geological congress, Washington
DC, July 10, 1985. Episodes, vol 12, 257-262 (1989)
[3] Smalley, R.E., MRS Bulletin, 30, 412-417 (2005)
[4] Rifkin, J., The hydrogen economy, Tarcher, New York, (2002)
[5] G. Tyler Miller “Living in the Environment: Principles, Connections, and Solutions”, Brooks/Cole Pub
Co, September 14th ed. (2006) ISBN-10: 0495015989
[6] Hubbert, M.K., “Man’s Conquest of Energy: Its Ecological and Human Consequences”, in The
Environmental and Ecological Forum 1971-1972. Washington D.C., U.S. Atomic Energy Commission
Publication TID-25858, 1972.
[7] IDAE, Guía práctica de la energía. Consumo eficiente y responsable, 2ª edición, 2007
[8] Ballesteros, J.C., Energía solar térmica para generación eléctrica: estado actual y perspectiva
inmediata, en ENERGÍA SOLAR: ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVA INMEDIATA, Asociación
Nacional de Ingenieros del ICAI y Universidad Pontficia Comillas, 2007
[9] Aguilar, J., Curso de Termodinámica, Alhambra Longman, 1989.
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Capítulo IV del libro
Publicaciones de La Universidad Pontificia de Comillas
Instituto de Ingeniería de España
(en prensa) Publicación en Octubre de 2008
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