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Refrigeración solar: en la parrilla de salida

Incluso si aún quedan algunos poblemillas por resolver, el desarrollo de la calefacción y refrigeración con apoyo solar deja claro que el "aire acondicionado solar" está avanzando.

Proximadamente el 40% de la demanda de energía en Europa se destina a edificios de todo tipo, y de ella, la mitad es utilizada en viviendas. La proporción destinada a la calefacción se ha reducido durante los últimos años como consecuencia del aumento de la eficiencia en los métodos de construcción actuales, pero la refrigeración cada vez demanda más energía, ya que en el sur de Europa se ha convertido en un equipamiento más de la casa, donde antes sólo era un lujo.

Además, cada vez disponemos de más aparatos eléctricos, además de la moda de disponer de ventanas más grandes. El cristal deja pasar la luz, pero es un mal aislamiento por donde se escapa el calor en invierno y por donde penetra en verano, cuando es indeseable.

Dadas estas circunstancias, a más de uno le parece sensato utilizar la energía solar para combatir los efectos producidos por ella misma. Existen dos métodos:

• El que parece tener más futuro es convertir la radiación solar en calor, y luego utilizar ese calor para producir un proceso de refrigeración.
• El otro, es producir electricidad mediante fotovoltaica y utilizar la electricidad para alimentar una nevera o aire acondicionado convencionales. Este método es el más utilizado en lugares donde no hay conexión a la red eléctrica, sobre todo para neveras de unidades médicas.

Nos centrarmos en la utilización de calor para producir frío.

En comparación con la tecnología de refrigeración convencional, que utiliza electricidad para el proceso de compresión de la bomba de calor, la refrigeración solar presenta una serie de ventajas. Estas máquinas utilizan refrigerantes que no son tóxicos para el medio ambiente, al contrario que las bombas de calor convencionales. A menudo se utiliza agua. Por este motivo, y dado que sólo utilizan la electricidad para sistemas auxiliares, como bombas hidrálicas, etc., apenas consumen electricidad si el dispositivo refrigerador está diseñado correctamente. De esta forma, el alivio que podrá experimentar la red eléctrica nacional es más que considerable, sobre todo en países del sur, donde el uso de aire acondicionado está generalizado y además resulta bastante necesario.

Además de refrigerar, los paneles solares se pueden utilizar también para la calefacción y para calentar el agua de la casa en el periodo invernal.

Existen varios sistemas de refrigeración solar, pero todos tienen en común un proceso similar: el proceso de absorción /adsorción. Una sustancia gaseosa o líquida se acumula en la superficie de una sustancia porosa y sólida (adsorción) o es absorbida por otra sustancia (absorción). En algunos procesos se acondiciona aire tomado del exterior, y no se recircula. Entonces, se denomina de ciclo abierto. En un ciclo cerrado, sin embargo, se refrigera el agua que circula de forma estanca.

Existen varias líneas de investigación para abrir nuevos caminos en la refrigeración solar, pero le dedicaremos un artículo aparte.

Procedimientos de ciclo abierto

El aire se deshumidifica y luego se le da la temperatura deseada. Normalmente la deshumidificación se consigue mediante un rotor que contiene material desecante (gel de silicio o clorido de litio), pero ahora cada vez se aplican más procedimientos con desecantes líquidos (clorido de litio). En estos sistemas, el calor solar se utiliza para la regeneración de la unidad de absorción/adsorción.

El uso de sistemas de ciclo abierto es prometedor en edificios con altas cargas de humedad. Se requiere de la instalación de conductos para la entrada y salida del aire exterior, ya que estamos hablando de ciclos abiertos.

Ciclos cerrados

Los sistemas de refrigeración solar mediante desecante evaporativo de ciclo cerrado utilizan los siguientes procesos:

Adsorción: trabaja con desecantes sólidos. Se usa gel de silicio o zeolito como desecante y agua como refrigerante.

Absorción: aquí los desecantes son líquidos. Las máquinas disponibles comercialmente utilizan bromuro de litio como desecante y agua como refrigerante, o agua como desecante y amoniaco como refrigerante. Con esta última pareja, se pueden alcanzar temperaturas incluso bajo cero.

Los siguientes párrafos ya se dedicarán a los sistemas de ciclo cerrado.

Reducir costes de energía aumentando el COP

La eficiencia de los sistemas de refrigeración solar viene determinado por el Coeficiente de Eficiencia (COP en inglés). Análogo al ratio de eficiencia energética de los sistemas por compresión, se define por el frío producido en base al calor consumido. Los valores típicos para máquinas pequeñas se encuentran entre el 0,5 y el 0,8. Estos valores, sin embargo, no se pueden comparar con los alcanzados por los sistemas que usan compresión, puesto que éstos son eléctricos. El COP depende de la temperatura del agua de entrada de la temperatura requerida de refrigeración, y de la temperatura del sistema de refrigeración. Un incremento del COP, que puede ser alcanzado por ejemplo a través de tecnologías más eficientes o a través de medidas técnicas en la parte operacional, conduce a una menor demanda de calor solar, lo cual tiene un efecto positivo sobre los costes de operación.

Las tecnologías descritas ya se han estado usando durante muchos años en la refrigeración industrial (más de 100 kW), así que ya hay muchos fabricantes de este tipo de tecnologías. Las máquinas de menor tamaño (menores de 20 kW), sólo han salido al mercado recientemente.

Estructura de sistemas de refrigeración solar

Los paneles solares transforman la radiación solar en calor, que se envía a la unidad de almacenamiento, de donde sale la energía en función de la demanda de calefacción, refrigeración o agua caliente. Cuando el calor solar es insuficiente, se recurren a fuentes de enenergía auxiliares.

El tipo de colector

La eficiencia de los colectores planos disminuye rápidamente cuando las temperaturas demandas aumentan. Por este motivo, son adecuados para sistemas de refrigeración solar que trabajan a bajas temperaturas (menos de 65ºC). Todo el resto de los procesos de refrigeración normalmente requieren temperaturas de trabajo superiores a los 75ºC, que sólo pueden proporcionar los colectores planos preparados especialmente con doble cristal o con cobertura antireflejo, o por colectores de tubos de vacío. Generalmente, se instalan entre 3 y 5 m2 de colectores por cada kW demandado para la refrigeración. Esta superficie se ha determinado buscando un equilibrio entre la demanda de calor solar por un lado, y la limitación de los costes de inversión en la instalación y la minimización del riesgo de estancamiento por otro. De todas formas, el tamaño exacto de una superficie de colectores depende de su localización así como de otras variables.

La unidad de almacenamiento

Durante la etapa de refrigeración, podrá proporcionar de forma rápida la temperatura requerida para la refrigeración. Sin embargo, para asegurar la operación continua incluso cuando hay nubes, es necesaria una gran capacidad de almacenamiento, lo que también resulta útil en invierno. Adicionalmente hay que proporcionar una temperatura de estratificación estable independientemente del volumen que se mueva. La práctica ha demostrado que tamaños de 50 litros por m2 de colector instalado son una cantidad adecuada.

Sistemas de refrigeración híbridos

En la mayor parte de los sistemas, el agua desechada se lanza al ambiente por medio de torres de refrigeración o refrigeradores secos. Estos últimos están bien para zonas de clima moderado que sólo tienen temperaturas superiores a los 30ºC de forma ocasional. Las torres de refrigeración húmedas tienen la ventaja de que pueden refrigerar el agua por debajo de la temperatura ambiente. De todas formas esto sólo funciona si la humedad relativa permite la refrigeración evaporativa. En regiones con escasez de agua, por este motivo, no se puede hacer. Además, algunos países han impuesto estrictas normativas de higiene sobre este tipo de torres de refrigeración que convierten en inviables estos sistemas de tamaño pequeño. Los sistemas híbridos de refrigeración o los sistemas de refrigeración seca con sistemas de spray del agua combinan las ventajas de ambas tecnologías. Todas ellas tienen en común que el ventilador es una pieza clave en el sistema auxiliar. Por este motivo, se recomienda utilizar motores eficientes. Para reducir aún más la demanda de electricidad, éstos deberían ser controlados según las condiciones de operación y la demanda de refrigeración. Según la normativa local y las condiciones de la instalación, el calor residual puede ser eliminado de otras formas, por ejemplo a traves de perforaciones geotérmicas, piscinas o aguas subterráneas. De forma ideal, el calor residual puede ser utilizado para otras aplicaciones. Existen por ejemplo, motores que en lugar de combustible utilizan calor para funcionar, los motores Stirling. Su eficiencia no es muy elevada, pero teniendo en cuenta que el calor es residual, puede ser útil plantearse una aplicación de este tipo.

En el circuito de agua fría de la máquina de refrigeración, las temperaturas elevadas aumentan el rendimiento. Los techos y suelos radiantes son especialmente recomendables para distribuir este tipo de refrigeración.

Para conseguir reducir al mínimo el uso de las bombas hidráulicas, se deben seguir las especificaciones del fabricante en todas las tuberías. También se recomienda el uso de bombas hidráulicas de alta eficiencia energética.

Cuando se seleccionan los componentes, debe tenerse en cuenta su interacción, así como la interacción con el sistema de refrigeración solar. Es más, es esencial tener en cuenta que el hecho de que trabajen en condiciones diferentes a las recomendadas por el fabricante puede ser negativo para el sistema de refrigeración solar. En caso de duda, lo mejor es consultar con el fabricante. Así por ejemplo, un sistema refrigerante seco de ciclo reversible se puede utilizar también en climas cálidos si se adapta correctamente el sistema solar térmico.

La radiación solar y la demanda de refrigeración han de ir de la mano, es decir, la instalación ha de estar correctamente dimensionada y ha de ser utilizada de forma sensata, para evitar el uso de fuentes auxiliares de energía. De esta forma, sería recomendable planificar el sistema solar teniendo en cuenta que también requerirá demanda de calor para el agua caliente de la casa en pleno verano. Una opción es utilizar una fuente alternativa de energía para calentar el agua cuando la demanda de refrigeración es más alta. En caso de que el sistema de refrigeración se utilice a lo largo de todo el año (salas de refrigeración de restaurantes, etc.), el sistema solar será sólo un sistema auxiliar.

La situación del mercado

Hasta aquí, lo que se refiere a la situación tecnológica. Pero... ¿ cuál es mercado potencial real ?

Ahora mismo todavía hay algunos retos que afrontar: la complejidad de esta tecnología conduce al riesgo de fallos en la fase de instalación. Además, los instaladores aún tienen poca experiencia en estos sistemas, lo que puede conducir también a fallos humanos. Otro factor a tener en cuenta es que no existe aún un estándard de fabricación, y cada marca tiene un sistema propio. Esto se traduce en elevados costes de planificación. Además, los costes de entre 3.200 y 5000 euros por kW de refrigeración resultan caros. Los elementos que más peso tienen en el precio son las máquinas de absorción y los colectores. En el caso de las máquinas, se fabrican muy pocas, lo que eleva los costes de producción. Además, no hay programas de subvención integral para sistemas completos de refrigeración solar, al contrario que en el caso de otros sistemas renovables, a lo que se añade que los consumidores aún no conocen muy bien el producto.

Si tenemos en consideración todas estas variables, comprenderemos que el uso de la refrigeración solar aún no esté muy extendida. Hasta aquí, el presente. Pero el futuro muestra otro dibujo: el mercado para la refrigeración solar en la zona del Mediterráneo es enorme. La necesidad de reducir las emisiones de CO2 a nivel global requiere de todo tipo de medidas y fomento de las renovables, lo que coloca a la refrigeración solar en un puesto de honor en la parrilla de salida. A esta necesidad, se le suma la subida del precio de la energía e hipotéticas futuras crisis energéticas de las que la Agencia Internacional de la Energía -organismo que hasta hace no mucho defendía en exclusiva los intereses de las petroleras- ya nos ha advertido seriamente.

Con estas perspectivas, los fabricantes de sistemas de refrigeración solar ya han comenzado a prepararse para lo que se les avecina. ClimateWell, empresa sueca, ya ha inaugurado una fábrica en Soria, puesto que España es un mercado potencial importantísimo en este sector. Sortech AG, de Alemania, también se está preparando para la fabricación en serie. Algunas empresas incluso están ofreciendo kits solares de refrigeración (Solarnext AGE Solution Solartechnik GmbH). Y varias de estas empresas están cooperando en proyectos nacionales e internacionales para conseguir versiones más avanzadas de estos kits solares de refrigeración. Se están ofreciendo cursos sobre refrigeración solar para arquitectos, planificadores de todo tipo e instaladores.

Manual de instalación de sistemas de refrigeración solar

Fuente: Solarserver.de