GEOTERMIA

La energía geotérmica es aquella producida a partir del calor del interior de la Tierra. Consiste en perforar y posteriormente canalizar el agua y el vapor, que se encuentran a elevada temperatura a presión, para ello se utiliza una turbina conectada a un generador, con el que se produce finalmente la energía. Existen diversos tipos de energía geotérmica, según su mayor o menor temperatura, que van desde las de alta temperatura (150 y 400°C), pasando por las de media y baja temperatura (70 a 150°C y de 50 a 70°C respectivamente), son las utilizadas en las centrales eléctricas y se suelen ubicar en zonas activas de la corteza terrestre y cuencas sedimentarias aprovechando así el gradiente geotérmico.

Por último se encuentran las de muy baja temperatura, utilizadas para cubrir las necesidades de las edificaciones, ya sea en uso residencial, agrícola o urbano. Centrándonos en éstas últimas, las temperaturas que los fluidos pueden alcanzar rondan entre los 20 y 50°C y su uso más extendido es el de generación de electricidad o aprovechamiento del calor, como refrigeración por absorción y como calefacción o aire acondicionado.

Los sistemas de geotermia destinados a la edificación, en los que se aprovecha el calor del subsuelo que se mantiene homogéneo durante todo el año, con independencia de las condiciones meteorológicas externas, consisten en la perforación o excavación de la Tierra hasta una profundidad en la que su temperatura sea constante. En el caso del invierno, y debido a que la temperatura media del subsuelo es aproximadamente de unos 17°C, resulta más sencillo conseguir un confort térmico adecuado en nuestra edificación, mucho más asequible energéticamente hablando que si tuviéramos que lidiar con temperaturas muchos más bajas y también de manera inversa, si en el exterior la temperatura es de 30 a 40°C supondría un menor esfuerzo para la instalación reducir esa temperatura hasta una temperatura adecuada.

Este aprovechamiento energético se realiza mediante una bomba de calor geotérmica que se encuentra conectada a un circuito de intercambio de calor con el terreno y otro con la edificación, según de donde proceda se pueden distinguir dos tipos principales, las que aprovechan la energía del suelo o de lazo cerrado y las que utilizan las aguas freáticas conocidas como de lazo abierto.  La principal diferencia radica en que estas últimas no utilizan el mismo fluido y requieren de un pozo, que tenga el mismo sentido que el del flujo de la capa freática, de manera que se pueda devolver el agua después de su utilización.

Instalación geotérmica

Imagen: Instalación geotérmica uso de suelo, horizontal, vertical y suelo radiante. Fuente: soliclima.com

En la imagen superior pueden apreciarse las distintas soluciones que se pueden realizar con estos sistemas. Podemos encontrar instalaciones de lazo cerrado, en las que las sondas por donde circula el fluido transportador, por ejemplo agua y anticongelante, se entierran en contacto con la tierra. En el caso de los sistemas verticales se debe alcanzar una profundidad mayor (cimientos geotérmicos), sin embargo en el caso de los sistemas horizontales se requiere una superficie mayor pero no requieren de una gran profundidad de excavación. Su disfrute final puede aplicarse a los sistemas convencionales de calefacción o ACS, así como a los sistemas de suelos radiantes.

 

La Geotermia es compatible con:

  •        Dimensionamiento para cargas base de calefacción y refrigeración.
  •        Puede convivir con todas las tecnologías asegurándose un balance neutro energético en el terreno.
  •        Se adapta muy bien a sistemas radiantes (techos fríos, suelos refrescantes y radiantes) o radiadores de baja temperatura.

BIOMASA

Es una sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal, no hay que olvidar que no hace mucho era la fuente más importante de energía, puesto que en ella se basaba la actividad de las manufacturas hasta el comienzo de la revolución industrial. Tras la aparición de los combustibles fósiles el aprovechamiento de este tipo de energía renovable fue disminuyendo de manera paulatina hasta casi su total desaparición.

Su contenido energético proviene de la energía solar captada por los vegetales en el proceso de la fotosíntesis y acumulado en los enlaces de las moléculas orgánicas que los conforman. La utilización de esta energía consiste en aprovechar las materias orgánicas de origen animal, vegetal y los productos derivados del uso del hombre, es decir, reutilizar los residuos sólidos urbanos, residuos agrícolas, forestales, industriales, etc.

El elevado precio actual de los combustibles fósiles, además del conocido perjuicio que suponen para el medio ambiente, mezclado con los continuos avances tecnológicos que se han producido a lo largo de los últimos años, han generado sistemas que cada vez son más eficientes y sobre todo limpios, de modo que la conocida como bioenergía está tomando cada vez mayor importancia y presentándose cada vez más como una posible alternativa al hasta ahora uso generalizado de combustibles fósiles.

Entendemos como biomasa natural a aquella que proviene de un proceso de transformación previo, por ejemplo la leña obtenida directamente del tronco de los arboles utilizada para generar calor, frío o electricidad, la podemos encontrar en diferentes estados:

  • Sólido: pellets, briquetas o astillas
  • Líquido: biodiesel o bioetanol.
  • Gaseoso: biogás.

 

En la actualidad podemos encontrar sistemas de biomasa residual seca, entendiéndola como la proveniente de los procesos forestales y los residuos de las industrias de transformación de la madera, en su aplicación a la edificación, como calderas o estufas de pellets. Se suelen colocar en serie, es decir, de forma paralela utilizando el número que sea necesario según la demanda energética de la edificación. Los denominados pellets son virutas de madera compactada, también se utilizan astillas de madera, huesos de aceitunas o leña siendo las materias primas más comunes que utilizan estos sistemas. Este tipo de maderas suelen obtenerse, de plantas como el sauce o álamo que son árboles de rotación corta.

Sin embargo, se pueden utilizar como combustibles derivados de cereales, materiales como la cascara de los cereales, paja, son materias primas en forma sólida, pero también podemos encontrar aceites como el de girasol que se convierten en biodiesel, además se puede obtener en forma gaseosa o biogás, utilizando estiércol liquido en combinación con cereales por ejemplo el maíz.

Caldera biomasa

Imagen: Caldera de astillas de madera, pellets y hueso de aceituna KWB. Fuente: kwb.es

El hecho de que se utilicen subproductos es la clave del crecimiento que está sufriendo este tipo de sistemas en el presente más inmediato, supone un aprovechamiento máximo de los recursos. Un ejemplo que nos permite apreciar con más claridad este aprovechamiento total es el uso del hueso de aceituna como fuente de energía, actualmente se están desarrollando un proyecto de investigación para el desarrollo de procesos avanzados de fraccionamiento y conversión biológica para la obtención de energía y productos químicos a partir de la poda de olivo presentado en la última “Biomass Conference and Exhibition”, con lo que se alcanzaría aun más el objetivo de aprovechamiento completo en la manufactura de la oliva.

Hay que prestar especial interés al tratamiento posterior de las cenizas originadas tras el proceso de combustión, actualmente se pueden utilizar como relleno de materiales cerámicos o como aditivo en la fabricación de cementos, investigadores de la Universidad de Navarra están realizando estudios para su aplicación incluso como fertilizantes.

La Biomasa es compatible con:

  • Solar térmica (dimensionada para ACS), la caldera cubriría la calefacción.
  • Fotovoltaica.
  • Eólica.
  • Geotermia. La caldera cubriría ACS y parte de la calefacción. La geotermia cubriría el resto de la calefacción. Este caso es incompatible con paneles térmicos.
  • Enfriadora por absorción (frio solar). La caldera cubriría la calefacción. Los paneles térmicos cubren ACS y aportan calor a la enfriadora.
  • Cogeneración. La cogeneración cubre el ACS. La caldera cubre el resto de la calefacción.

La biomasa no es totalmente incompatible con ninguna tecnología. Es probable que requiera caldera auxiliar tradicional por posibles contingencias. Es muy importante prever bien el espacio para entrega, almacenaje de combustible así como la retirada de las cenizas.

 

ENERGÍA EÓLICA

Aunque pueda parecer extraño a primera instancia, esta energía proviene del sol, puesto que es el sol, el que al calentar diferentes puntos del planeta produce diferencias de presión en la atmósfera, lo que provoca las corrientes de viento que son transformadas por aerogeneradores en energía eléctrica.

Podemos encontrar este tipo de energía en forma de aerogeneradores aislados, que se usan para abastecer las edificaciones y en grandes parques que vuelcan la electricidad generada a la red.

Sus componentes principales son:

  • El rotor: transforman la energía cinética del viento girando las palas del rotor.

 

  • La góndola: que sirve de alojamiento para el resto de componentes, compuesta por el generador, y una multiplicadora, encargada de transformar la velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico.

 

  • La torre: eleva el aerogenerador con lo que se captan los vientos con mayor intensidad, además de controlar la orientación y posición del conjunto.

 

  • El sistema de control: comprueba el correcto funcionamiento del sistema, regulándolo y optimizando su funcionamiento.

 

Actualmente el objetivo de aplicarlo al uso en las edificaciones para lograr así el autoabastecimiento está promoviendo que se realicen investigaciones sobre este tipo de sistemas, apareciendo algunos aerogeneradores de uso domestico con inversor y regulador incluidos en el propio aparato, requiriendo de esa forma menor espacio de instalación.

Existen distintos tipos de aerogeneradores, por ejemplo según el numero de palas, siendo el de tres palas o “tripala” el más común entre los aerogeneradores modernos. Los dos tipos principales son los aerogeneradores de eje horizontal que son los más comunes, los podemos encontrar en los grandes parques eólicos y los de eje vertical, cuyo eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo.

Aerogeneradores

Imagen: Aerogenerador de eje horizontal (izquierda) y eje vertical (derecha). Fuente: ecovive.com

Éstos últimos se diseñaron para lograr un mayor aprovechamiento del espacio, su uso se puede aplicar a zonas en las que el volumen edificatorio pueda ser un impedimento, sin embargo la eficiencia de los aerogeneradores de eje horizontal, si se dispone del espacio suficiente, los convierten en la mejor solución para la aplicación de este tipo de sistemas.

La Energía eólica es compatible con:

  •        Todas las tecnologías.

Asegurar que hay acceso al viento, especialmente en ubicaciones urbanas.

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Los sistemas fotovoltaicos, basándose en las propiedades de los materiales semiconductores, transforman radiación solar en energía eléctrica, para ello no se utilizan reacciones químicas o procesos mecánicos que requieran partes móviles. Este proceso se desarrolla a través de un elemento semiconductor denominado célula fotovoltaica, ésta recibe la radiación solar y los fotones de la luz solar transmiten su energía a los electrones del semiconductor para que de ése modo circulen dentro del sólido. Esta tecnología permite que parte de estos electrones salgan al exterior del material semiconductor generando así una corriente eléctrica suficiente para conducirla por un circuito externo.

Tras conectar las células fotovoltaicas y encapsularlas obtenemos los sistemas de paneles o módulos fotovoltaicos. El correcto funcionamiento de estos módulos depende de la radiación solar y la temperatura de funcionamiento, para poder medir correctamente la potencia suministrada por cada modulo, y así comparar correctamente los diferentes tipos se ha normalizado para una temperatura de funcionamiento de 25°C y una radiación solar media de 1000 W/m², midiéndose la potencia de cada módulo en vatios pico. Esta unidad de energía producida, se obtiene multiplicando la potencia nominal por las horas con más intensidad de sol, es decir, dividiendo la energía producida durante el día por la media de 1000  W/m², en España esta media varía según la región entre 6 a 8 horas en verano y 2 a 4 horas en invierno dependiendo de la zona climática.

Podemos diferenciar dos tipos principales de sistemas para utilizar este tipo de energía:

Sistemas aislados: en este tipo de instalaciones eléctricas, la energía se almacena en baterías para utilizarlas cuando sea necesaria. Se emplean en los lugares en los que no se tiene acceso a la red eléctrica y es una solución económica de obtener energía.

Debido a que los paneles solo producen energía durante las horas de sol, es necesaria la instalación de un sistema de acumulación, que pueda suministrar electricidad durante los periodos nocturnos o los días con menor radiación solar. Dependiendo la zona climática y el consumo previsto, por lo tanto tendrá que adaptarse adecuadamente la acumulación para evitar por ejemplo el sobredimensionamiento.

Su esquema compositivo es básico, consta de:

  • Generador fotovoltaico: encargado de transformar la energía solar en energía eléctrica y cargar con ella las baterías.

 

  • Regulador de la carga: evita que se produzcan sobrecargas o descargas excesivas, generalmente incorporan un control de seguimiento.

 

  • Acumulador: son las baterías que proporcionan la electricidad previamente acumulada cuando no hay radiación solar.

 

  • Inversor: modifica la corriente continua que generan los paneles solares convirtiéndola en alterna, es decir, de uso domestico.

Debido a que es un sistema básico, su versatilidad es total, podemos encontrar infinidad de usos, para este tipo de sistemas, son sistemas totalmente inocuos, no requieren apenas mantenimiento y su proceso de amortización es inmediato.

Sistemas conectados: se utilizan en lugares donde no se dispone de una instalación eléctrica, su uso favorece la reducción de emisiones de CO₂ a la atmosfera, toda su energía se envía a la red convencional de electricidad para su distribución posterior donde sea necesaria. En este caso el tamaño de la instalación no depende del consumo de electricidad de la edificación, para dimensionarla únicamente se debe tener en cuenta el espacio y la inversión que se quiera realizar.

Está compuesta principalmente por tres elementos, el generador, el inversor y los contadores, un contador principal mide la energía que se produce (kw/h) y es enviada a la red.

Sus aplicaciones son igual de variadas que para el anterior sistema, integrándose a la red convencional y aportando electricidad limpia y sana. Como ejemplo de aplicación en zonas urbanas podríamos destacar el proyecto de alumbrado público de la ciudad de Bilbao, obra del arquitecto vasco Xavier Pérez.

uTree

Imagen: Prototipo uTree. Fuente: renewableenergiesdevices.com

 La propuesta presentada en el concurso “Plan Solar de Navarra 2012”,  integra estos sistemas de captación solar, generando energía para uso público.

Este aprovechamiento de la radiación a pequeña escala contrasta con las pretensiones de los científicos más prestigiosos del mundo que estudian la posibilidad de generar la energía solar directamente en el espacio y transmitirla a la tierra, de esta manera se ganaría en eficiencia ya que no existiría la “barrera atmosférica”, que impide que una gran parte de la radiación solar llegue a la superficie de la tierra. Es interesante mencionar este proyecto para comprender un poco mejor el aspecto global que pueden alcanzar este tipo de tecnologías, además de que podrían suponer grandes cambios en la concepción arquitectónica del futuro de hacerse realidad.

SPS-Alpha

Imagen: Solar Power Satellite (SPS – ALPHA). Fuente: nomadaq.com

Este proyecto que consiste en una matriz de pétalos formada por miles de cristales que dirigen la luz solar hacia las células solares, siendo éstas las que la transforman enviándola a la Tierra en forma de microondas, es una propuesta de John Mankins de Artemis Innovation Management Solutions, basándose en la forma en que las flores captan y metabolizan la radiación solar.

El principal problema que existe con las células fotovoltaicas es su baja eficiencia, capaces de transformar una reducida cantidad de la energía solar total que incide sobre ellas. Actualmente se están planteando la utilización de nuevos materiales en su fabricación, para reducir los costes, además de aumentar su eficiencia energética, según estudios a nivel europeo “en los últimos dos años se ha reducido el coste un 70%, alargando además la vida útil de los nuevos captadores hasta 30 años”.

El material más común es el silicio, sin embargo otro tipo de células, las llamadas “células de capa fina”, usan otros materiales como el cobre, indio, galio y selenio, utilizan mucha menos materia prima lo que reduce enormemente los costes de producción y su uso se podrá aplicar a todo tipo de soluciones, desde fachadas, suelos, superficies móviles, etc. Además, se están utilizando nuevas tipologías como las llamadas capas transparentes y aplicar sus propiedades translucidas como una forma de incluirlas en las ventanas de los edificios directamente en su fabricación.

A parte de los materiales, los institutos de investigación más prestigiosos del mundo, como es el caso del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), realizan experimentos para modificar la manera en que se obtiene la energía. Los investigadores han logrado obtener de cada fotón dos electrones, en lugar de uno, lo que mejora la eficiencia del modulo aumentando la eficiencia hasta valores superiores del 30%, además de crear células solares finas sobre un papel, una esperanzadora tecnología que permitiría instalarlas sobre cualquier tipo de superficie, sin embargo su baja eficiencia la convierte en una tecnología aun por desarrollar, pero puede servir para hacernos una idea de lo que puede llegar a dar de sí ésta tecnología a largo plazo.

Thin film

Imagen: “Thin Film” fabricado por Eni-MIT Solar Frontiers Research. Center. Fuente: ison21.es

Cabe destacar, el anuncio del IES Fraunhofer (Instituto de Investigación de Energía Solar), centrándose en fundamentos científicos y tecnológicos anunció el pasado año que “está obteniendo resultados notables en la investigación de células solares multi-unión con un potencial de eficiencia de hasta el 50 % bajo luz solar concentrada” utilizando los mejores materiales compuestos y la tecnología de unión para fabricar la célula solar de cuatro conexiones, con la ayuda de la tecnología francesa de la empresa Soiltec.