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Energía solar directa: fuera de la red sin baterías.

Tue, 06 Feb 2024 00:00:00 +0000

Imagen: una computadora portátil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.

Las instalaciones solares convencionales no cuestionan nuestra dependencia de los combustibles fósiles y del estilo de vida derrochador de energía que resulta de ello. Tanto los paneles solares en los techos como las granjas solares a gran escala nos suministran toda la energía que queremos, incluso cuando el sol no está brillando. Esto se debe a que estos sistemas utilizan la red eléctrica central, que funciona en gran medida con combustibles fósiles, como una especie de batería para hacer frente a las escaseces de energía.

Aunque los paneles solares conectados a la red pueden reducir el consumo de combustibles fósiles en las plantas de energía térmica, estos ahorros se ven al menos parcialmente compensados por los combustibles fósiles adicionales necesarios para construir y mantener lo que es esencialmente una infraestructura energética dual. La combinación de energía solar y eólica puede aumentar aún más la proporción de energía renovable en la red eléctrica, pero esto requiere un mayor desarrollo de infraestructura. Además de la energía, esto también demanda una gran cantidad de dinero y tiempo.

Reemplazar las centrales eléctricas que funcionan con combustibles fósiles con almacenamiento de energía, de manera que la electricidad excedente generada en días soleados pueda almacenarse para cuando no haya sol o sea insuficiente, se encuentra con el mismo problema. El almacenamiento de energía, ya sea integrado en una red eléctrica o ubicado en hogares individuales (sistemas fuera de la red), es muy costoso y intensivo en carbono para construir y mantener.

Instalación solar autónoma

La producción de paneles solares obviamente implica costos en dinero y energía. Sin embargo, los costos financieros y energéticos de la infraestructura de respaldo asociada son muchas veces mayores. Para las instalaciones solares conectadas a la red, estos costos son muy difíciles de calcular con precisión, pero para las instalaciones solares autónomas (sin conexión a la red y con su propio almacenamiento de energía), es mucho más fácil. Como ejemplo, tomaré la pequeña instalación solar autónoma que alimenta mi sala de estar en Barcelona.

Este sistema consta de dos paneles solares de 50 W en el balcón, una batería de plomo-ácido de 100 Ah y un controlador de carga de 10 A. La energía generada se utiliza para la iluminación, el sistema de música y cargar computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos, entre otras cosas. La inversión financiera inicial fue de 340 euros: 120 euros para los paneles solares, 170 euros para la batería y 50 euros para el controlador de carga.

Pero mientras que se espera que los paneles solares duren 30 años y el controlador de carga alrededor de 10 años, tengo que reemplazar la batería de plomo en promedio cada tres a cinco años. ¹ A lo largo de una vida útil de 30 años, los costos ascienden a 120 euros para los paneles solares, 150 euros para los controladores de carga y, en el mejor de los casos, 1,020 euros para las baterías. Las baterías (y los controladores de carga asociados) representan aproximadamente el 90% de los costos totales durante toda la vida útil.

El almacenamiento de energía también domina la “energía incrustada” de la planta (y las emisiones de carbono resultantes). La producción de mi batería de plomo-ácido consumió 1,200 megajulios (MJ) de energía. ² A lo largo de una vida útil de 30 años (seis baterías como máximo), eso equivale a 7,200 MJ. Los tres controladores de carga suman otros 360 MJ durante una vida útil de 30 años, lo que lleva el consumo total de energía del sistema de batería a 7,560 MJ. ³ En contraste, la producción de los paneles solares cuesta solo 2,275 MJ de un total de 9,835 MJ. ⁴ Conclusión: más del 75% del consumo total de energía fósil se debe al almacenamiento de energía.

Imagen: A la derecha en el balcón se encuentran los dos paneles solares de 50 W que alimentan la sala de estar de mi apartamento. Junto a ellos está el panel solar de 30 W que hace funcionar este sitio web. Foto: Marie Verdeil.

Imagen: La estructura para los paneles solares, construida con madera reciclada. Foto: Kris De Decker.

Imagen: La batería de plomo-ácido de 100 Ah que alimenta la sala de estar después del atardecer. Foto: Kris De Decker.

Otros tipos de baterías no cambiarían significativamente esta conclusión. Para un sistema fuera de la red comparable con baterías de ion de litio, el almacenamiento de energía representaría aproximadamente el 95% del costo total durante toda la vida útil (casi el doble que un sistema con baterías de plomo-ácido). Suponiendo una vida útil optimista (10 años) e incluyendo controladores de carga, el almacenamiento de energía de litio representa alrededor del 70% de la energía invertida en un sistema de red solar. ⁵ ⁶ Para las baterías de níquel-hierro, el almacenamiento de energía representaría el 85% del costo total durante toda la vida útil (no hay datos de costo de energía). ⁷

La escala y la ubicación de la instalación solar tampoco hacen ninguna diferencia. Un sistema más grande necesita más paneles solares, pero también baterías más grandes y controladores de carga más caros y potentes. Las proporciones siguen siendo las mismas. ⁸ El único factor que podría dar a los paneles solares una parte ligeramente mayor del costo total son las estructuras en las que están montados. No lo tengo en cuenta porque los construí yo mismo con madera reciclada. Sin embargo, si los paneles solares están montados en un techo, una solución de bricolaje es menos evidente. Pero incluso en ese caso, el costo del almacenamiento de energía sigue siendo, con mucho, la consideración más importante.

Energía solar directa: mucho más barata y sostenible

A diferencia de los combustibles fósiles, el sol y el viento no están disponibles a pedido. El problema con nuestro enfoque hacia la energía renovable es que insistimos en que la energía siempre debe estar disponible infinitamente, independientemente del clima, las estaciones o la hora del día. Coincidir la demanda de energía con la oferta, como se hacía en el pasado - llevaría a reducciones dramáticas en el costo y en el uso de los combustibles fósiles.

Por ejemplo, si omitiera el almacenamiento de baterías de mi instalación solar, mi sistema se volvería aproximadamente 10 veces más barato: 120 euros en lugar de 1,290 euros durante toda su vida útil de 30 años. Alternativamente, podría gastar 1,290 euros solo en paneles solares, lo que me daría un sistema solar de 1,075 vatios. Eso es diez veces la capacidad de la configuración con baterías, más de lo que cabría en el balcón.

Sin la batería y el controlador de carga, el costo energético de la instalación también disminuye de 9,835 MJ a 2,275 MJ. En otras palabras, podría generar al menos cuatro veces más energía solar con la misma inversión en combustibles fósiles.

¿Cómo puede ser práctica la energía solar directa?

Todo bien, pero el sol no brilla después del atardecer y la cantidad de energía solar varía a lo largo del día y del año. Entonces, ¿cómo puede ser práctico el uso de paneles solares sin baterías (o sin otra infraestructura de respaldo en el caso de instalaciones conectadas a la red)?

Para responder a esa pregunta, observamos a un pionero de la “energía solar directa”: la Living Energy Farm. Esta comunidad de educación ambiental en el estado de Virginia, Estados Unidos, está completamente “fuera de la red” gracias a la energía solar, pero solo el 10% de la energía solar generada pasa a través de una batería de níquel-hierro. Sin embargo, los paneles solares proporcionan energía para varias viviendas, una cocina comunitaria, un taller de metal y una granja. ⁹ ¹⁰

Imagen: energía solar directa en la Living Energy Farm.

La instalación solar ha estado en funcionamiento desde 2011 y consta de sistemas separados con una potencia máxima total de 1,400 vatios. ¹¹ En comparación, la potencia máxima promedio de una instalación solar residencial en el Reino Unido y en los Estados Unidos, para un hogar, es de 4,000 vatios y 6,500 vatios, respectivamente. Al igual que en mi apartamento, en la Living Energy Farm se utiliza la energía de manera frugal, pero el hecho de que apenas se utilicen baterías tiene otras razones.

Algunos electrodomésticos solo se utilizan durante el día

Una primera razón es evidente: algunos electrodomésticos y máquinas eléctricas solo se utilizan durante el día. Esto es cierto, por ejemplo, para todas las máquinas en el taller de metal, incluyendo una sierra de banda, un compresor, una amoladora, una sierra circular, un torno, una fresadora y una taladradora. También se aplica a maquinaria agrícola como un molino de granos y una bomba de pozo profundo. Conectadas directamente a los paneles solares, estas máquinas ofrecen todas las capacidades de la tecnología moderna alimentada por la red, con la excepción de que solo pueden utilizarse durante el día. ¹⁰

En una escala mucho más pequeña, he utilizado energía solar directa para una plancha, una pistola de pegamento y una bomba de riego (para el balcón) en casa. Otros ejemplos de electrodomésticos y máquinas que podrían utilizarse sólo durante el día incluyen aspiradoras, máquinas de coser, lavadoras, consolas de juegos, cortadoras láser e impresoras 3D. No es tan difícil imaginar una sociedad moderna donde actividades como aspirar y realizar tareas de bricolaje solo ocurran durante el día. Ciertamente, no es un retorno a la Edad Media.

Imagen: varias herramientas de taller en la Living Energy Farm, la mayoría de ellas funcionando con energía solar directa. Imagen: Alexis Zeigler.

Image: Metal lathe running on direct solar power, Living Energy Farm. Image: Alexis Zeigler.

Imagen: Soldadura con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil. [Ver el vídeo](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Además, no todos los electrodomésticos requieren atención constante. Las lavadoras o lavavajillas que se activan automáticamente cuando brilla el sol a menudo se citan como ejemplos de aplicaciones en una “red eléctrica inteligente”. Pero ese enfoque depende de una infraestructura extensa de transmisión eléctrica, redes de comunicación y electrodomésticos llenos de electrónica.

En cambio, en un enfoque descentralizado de energía solar directa, la inteligencia la proporciona el sol y la rotación del planeta. Una lavadora o lavavajillas alimentados directamente por energía solar pueden cargarse completamente y encenderse por la noche. La máquina luego se inicia “automáticamente” por la mañana. Incluso puede utilizar temporizadores (electrónicos o mecánicos) para hacer funcionar diferentes electrodomésticos uno tras otro.

Si las nubes representan un límite adicional para una instalación solar directa, y en qué medida, depende del tamaño de los paneles solares. Duplicar el área de los paneles solares garantiza suficiente energía solar durante una cobertura de nubes moderada, mientras que la instalación sigue siendo mucho más barata y sostenible que un sistema con baterías u otra infraestructura de respaldo.

Un área aún mayor de paneles solares podría proporcionar suficiente energía incluso durante una cobertura de nubes densa, pero aumentar el tamaño del sistema diez veces vuelve a llevar el costo al nivel de un sistema autónomo con baterías. Cuadruplicar el área hace que el sistema vuelva a depender igualmente de los combustibles fósiles.

Muchos electrodomésticos ya tienen baterías

La energía solar directa no excluye el uso de electrodomésticos eléctricos después del atardecer. Como se mencionó, la Living Energy Farm tiene un modesto sistema de baterías que proporciona energía para luces, ventiladores y dispositivos electrónicos después del atardecer, entre otras cosas. ¹⁰ Además, muchos electrodomésticos modernos ya tienen almacenamiento de energía incorporado. Esto es válido para todo tipo de vehículos eléctricos, la mayoría de los gadgets electrónicos y electrodomésticos más antiguos con baterías AA.

Consecuentemente, estos tipos de dispositivos pueden cargarse con energía solar directa durante el día y luego utilizarse durante varias horas después del atardecer gracias a la batería incorporada. Combinado con un banco de energía de ion de litio, un panel solar directo también puede permitir cargar dispositivos USB después del atardecer. Esta estrategia incluso puede funcionar para la iluminación, ya que existen muchas lámparas a batería que se pueden usar como linternas modernas, colgadas en diferentes partes de habitaciones y edificios.

Imagen: Un teléfono móvil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.

Por supuesto, externalizar el almacenamiento de energía química en el dispositivo no es la opción más sostenible. La producción de baterías de ion de litio requiere combustibles fósiles y (a diferencia de las baterías de plomo-ácido) no se reciclan. La mejor solución, por supuesto, es reducir el uso de dispositivos eléctricos. Pero cargarlos con energía solar directa es mucho más sostenible y eficiente que a través de otras baterías o una red eléctrica alimentada con combustibles fósiles. Si usamos dispositivos de alta tecnología, preferiblemente de la manera más inteligente posible.

Almacenamiento de energía no eléctrico

Una tercera razón por la cual la energía solar directa es más práctica de lo que parece inicialmente es que algunos electrodomésticos pueden utilizarse después del atardecer gracias al almacenamiento de energía térmica. Esto es mucho más barato y sostenible que el almacenamiento de energía eléctrica. El almacenamiento de energía térmica ya está bastante establecido para sistemas de calefacción de espacios y agua, que almacenan agua calentada por el sol en un calentador aislado o (solo para calefacción de espacios) en el envolvente del edificio. No sorprende que la Living Energy Farm tenga tales sistemas, y la energía solar térmica también proporciona agua caliente en mi apartamento.

Sin embargo, el mismo enfoque también funciona para dos electrodomésticos importantes que necesitan funcionar después del atardecer y también consumen mucha electricidad: la nevera y la cocina. En lugar de almacenar electricidad de un panel solar en una batería para luego alimentar una nevera o cocina después del atardecer, estos electrodomésticos en la Living Energy Farm utilizan aislamiento térmico. Esto mantiene el calor dentro (en el caso de la cocina) o fuera (en el caso de la nevera) cuando no hay suministro de energía. El aislamiento térmico también garantiza una eficiencia energética muy alta, lo que significa que cada uno de estos electrodomésticos puede funcionar con un panel solar de solo 100-200 vatios.

Una nevera alimentada directamente por energía solar

Es perfectamente posible conectar una nevera o congelador convencional directamente a un panel solar, pero dicho electrodoméstico se calentaría muy rápidamente por la noche. Incluso las neveras con las etiquetas de eficiencia energética más altas tienen un grosor de aislamiento relativamente limitado (generalmente 2.5 cm). Sin embargo, si ese grosor de aislamiento se aumenta a aproximadamente 12.5 cm, el consumo de energía de una nevera se reduce en un factor de cuatro. ¹² ¹³ La capacidad de enfriamiento pasivo de una nevera se puede aumentar aún más agregando masa térmica en forma de un tanque de agua dentro del electrodoméstico. Durante el día, el panel solar enfría el agua o la convierte en hielo. Por la noche, este agua fría o hielo retrasa el calentamiento de la nevera. ¹⁴

Una nevera alimentada directamente por energía solar también se abre en la parte superior, no en la parte frontal. El aire frío es pesado, y de esa manera se pierde mucha menos energía cuando alguien abre la puerta. Todas estas elecciones de diseño se suman a una eficiencia energética espectacular. Un estudio de neveras solares directas en regiones muy soleadas (Texas y Nuevo México, EE. UU.) mostró que mantenían su capacidad de enfriamiento durante 6 o 7 días sin suministro de energía. Las unidades operaban durante todo el año con paneles solares de solo 80W a 120W. ¹⁵ La Living Energy Farm alimenta su nevera solar con un panel de 200W. ¹⁰

Imagen: El Sundanzer DDR165. Una nevera diseñada específicamente para funcionar con energía solar directa. Foto: Sundanzer.

A diferencia del calentamiento solar, la refrigeración solar está optimizada para las variaciones estacionales en la radiación solar. La refrigeración requiere más energía en verano, cuando hay más energía solar. La nevera mencionada en Nuevo México registró un consumo de electricidad de 406 vatios-hora por día en verano y solo 230 vatios-hora en invierno. ¹⁶ Además, la tecnología se puede utilizar en toda la cadena de frío, de la cual la nevera doméstica es solo una pequeña (pero esencial) parte. Otra aplicación es la refrigeración del aire, aunque esto está menos investigado y es más desafiante. ¹⁷

Una cocina eléctrica solar directa

En principio, una cocina convencional también se puede conectar directamente a un panel solar, pero al igual que con una nevera convencional, no es muy práctico. Solo se puede cocinar durante el día, y hay que instalar muchos paneles solares. Una sola placa caliente necesita 1,000 vatios de potencia eléctrica. Una cocina eléctrica solar resuelve estos problemas al llenar la placa con aislamiento térmico. La tecnología es básicamente una combinación de una placa de cocina eléctrica y una caja de heno.

Imagen: Prueba de una cocina eléctrica solar. Foto: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).

Gracias al aislamiento térmico, una cocina eléctrica solar acumula lentamente calor durante el día, que luego se puede utilizar para cocinar después del atardecer. De esta manera, puede ser suficiente un suministro de energía mucho menor para alcanzar altas temperaturas. Piensa en ello como “cargar” tu cocina, no con electricidad, sino con calor.

Investigadores de la Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly) en EE. UU. construyeron la primera cocina eléctrica solar en 2015. Su dispositivo de 12 voltios, que desde entonces ha sido mejorado, solo necesita un panel solar de 100W para funcionar. Hierve un litro de agua en una hora. Con un día completo de luz solar, puede cocinar casi 5 kg de frijoles, arroz, guisos o papas. ¹⁸

Cocinar después del atardecer es posible utilizando una olla con un fondo mucho más grueso (5-10 kg). El equipo de investigación de Cal Poly logró llevar la temperatura de ese almacenamiento sólido de calor a 250°C en cinco horas con un panel solar de 100W. Luego pudieron hervir un litro de agua en tres segundos después del atardecer. En otra prueba, saltearon 1 kg de verduras en dos minutos. La configuración ideal consta de dos ollas: una con almacenamiento de calor y otra sin él. Así, una cocina eléctrica solar puede cocinar tanto lentamente como rápidamente, según la hora del día y el plato. ¹⁹

Imagen: El principio de una cocina eléctrica solar con almacenamiento sólido de calor. Dibujo: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).

¿Térmico o eléctrico?

Al igual que los sistemas de calefacción solar de agua y espacio, la cocina y la refrigeración pueden funcionar tanto con electricidad, a través de paneles fotovoltaicos (PV), como con colectores solares térmicos. Sin embargo, mientras que la calefacción solar de agua y espacio es más rentable y eficiente en términos energéticos sin electricidad, para la refrigeración y la cocción solares sucede lo contrario.

La calefacción de espacios y agua requiere diferencias de temperatura relativamente pequeñas, que pueden proporcionar colectores solares térmicos de bajo costo hechos de placas de vidrio y tuberías de agua. En cambio, la refrigeración y la cocción requieren diferencias de temperatura mayores, lo que implica colectores solares más sofisticados (tubos al vacío o parabólicos) que son más caros que los paneles fotovoltaicos. ²⁰ ²¹

La única excepción es una cocina solar simple, una caja aislada con una tapa de vidrio, pero no puede alcanzar temperaturas tan altas. Además, una cocina eléctrica solar tiene algunas ventajas adicionales. Con un aparato no eléctrico, debes cocinar afuera, lo cual es menos práctico pero también menos eficiente, especialmente en invierno: una cocina solar térmica perderá más calor en el entorno. Una cocina eléctrica solar también es más eficiente en energía porque está aislada por todos lados. También funciona mejor en días nublados y se puede usar después del atardecer. En la Living Energy Farm, la cocina solar parabólica solo se utiliza en condiciones óptimas, con sol pleno y altas temperaturas exteriores.

¿Cuáles son los desafíos técnicos?

Aunque la Living Energy Farm está poniendo en práctica todas estas aplicaciones de energía solar directa, hay algunos desafíos técnicos para aquellos que quieran seguir el mismo camino. Casi toda nuestra tecnología moderna está diseñada para funcionar con un suministro de energía estable e ininterrumpido. No tiene que ser así, pero por ahora, la energía solar directa suele requerir ciertas modificaciones. Un sistema solar directo es mucho más fácil de construir que un sistema autónomo con baterías, pero a menudo requiere modificaciones en el lado del electrodoméstico.

Algunos dispositivos se pueden conectar directamente a un panel solar: basta con conectar los contactos positivos y negativos del panel solar y el dispositivo. Por ejemplo, las máquinas con un motor de corriente continua (DC) toleran grandes fluctuaciones en el suministro de energía. El taller de metal y la maquinaria agrícola en la Living Energy Farm funcionan de esta manera. Si las nubes bloquean el sol, la carga eléctrica combinada puede ser mayor que el suministro de energía de los paneles solares, pero esto no detiene las máquinas. Todos los motores se ralentizarán porque comparten la energía disponible, pero todos continúan haciendo un trabajo útil. ¹⁰ ²²

Lo mismo se aplica a todos los electrodomésticos que funcionan sobre la base de elementos calefactores resistivos, como hervidores, placas calientes o sistemas de calefacción eléctrica. Funcionan independientemente de la potencia o voltaje, simplemente más lentos o más rápidos. Una nevera alimentada directamente por energía solar opera preferiblemente con un compresor de corriente continua variable, que puede ajustar su velocidad según la producción variable de energía solar. ¹⁰ ²³

Muchos otros dispositivos necesitan una entrada de voltaje específica y estable, que generalmente no coincide con lo que produce el panel solar. Esto se puede solucionar colocando un convertidor de corriente continua a corriente continua (un convertidor “buck” o “boost”) entre el panel solar y el dispositivo. Este es un pequeño módulo electrónico que convierte el voltaje fluctuante de un panel solar en un voltaje de salida constante para un dispositivo de bajo voltaje (5V, 12V o superior). ²⁴

Imagen: Experimentos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.

Si utilizas un inversor además de esto, incluso los electrodomésticos de corriente alterna pueden funcionar directamente con un panel solar. ²⁵ Los convertidores de corriente continua a corriente continua son esenciales para todos los electrodomésticos que contienen componentes electrónicos. Esto es válido para muchos electrodomésticos hoy en día, incluidos aquellos, como lavadoras o cafeteras, que hasta hace poco funcionaban sin electrónica. Esto te ofrece a menudo dos opciones para hacer funcionar tales electrodomésticos con energía solar directa. Puedes instalar un convertidor de corriente continua a corriente continua o modificar el electrodoméstico eludiendo la electrónica.

Manuales de bricolaje y dispositivos comerciales

La mayoría de las aplicaciones de energía solar directa funcionan a bajo voltaje, por lo que puedes hacerlo de forma segura por ti mismo. Low-tech Magazine publicará pronto un manual al respecto. Sin embargo, la Living Energy Farm utiliza corriente continua con voltajes más altos para varias aplicaciones. Ejemplos son las herramientas de la máquina en el taller de metal (90V) y algunas cocinas solares eléctricas potentes (48V, 180V). No es buena idea construir estos sistemas por ti mismo a menos que cuentes con la ayuda de un electricista calificado, ya que estos voltajes pueden provocar accidentes fatales.

Quienes deseen construir sus propias cocinas solares eléctricas (de bajo voltaje) encontrarán manuales completos tanto en Living Energy Farm como en Cal Poly. ²⁶ Los dispositivos se pueden fabricar con materiales simples. El material de aislamiento debe ser ignífugo. Ejemplos de materiales son lana de roca, fibra de vidrio, lana natural o arcilla.

Se pueden utilizar diferentes tecnologías para los elementos calefactores, pero incrustar alambres de nichrome en cemento es la opción más sencilla. Estos cables se pueden obtener de varios electrodomésticos como tostadoras, hornos y placas calientes. En principio, los cables calefactores se pueden sujetar directamente a la olla, pero es más práctico hacer un “nido” calefactado en el que se pueda colocar una olla.

Imagen: Inspirada en el trabajo de Cal Poly, Living Energy Farm también desarrolló varias cocinas solares eléctricas, una de las cuales [ofrecen a la venta a través de su sitio web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). El horno Roxy se puede utilizar como placa caliente u horno, por ejemplo, para hornear pan. La puerta también permanece cerrada cuando se utiliza como placa caliente. Esta cocina solar no tiene almacenamiento de energía.

Imagen: El horno Roxy sin la puerta y con el aislamiento de lana de vidrio visible. El dispositivo, fabricado en el taller de metal con energía solar directa, funciona con 48V y requiere un panel solar de 200 a 500 vatios. Living Energy Farm también ofrece el refrigerador solar Sunstar [a la venta en línea](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

¿Desperdicia energía la energía solar directa?

La sostenibilidad de una instalación solar depende no solo de la energía requerida para producir y mantener la infraestructura, sino también de la energía producida por los paneles solares durante su vida útil. Algunas personas argumentarán que el uso directo de la energía solar es inferior a las instalaciones solares convencionales conectadas a la red o alimentadas por baterías en este aspecto.

Después de todo, la aspiradora, la lavadora y el taladro no se utilizan todos los días, y si no hay ningún electrodoméstico conectado, entonces un panel solar no producirá energía. En consecuencia, la cantidad de electricidad producida por el panel disminuirá a lo largo de su vida útil, mientras que la energía necesaria para fabricar el panel permanece igual. Esto hace que la energía de un panel solar directo sea más intensiva en carbono.

Sin embargo, dado que el almacenamiento de energía en baterías (o la alternativa conectada a la red) representa una gran proporción de la energía total invertida, un panel solar independiente puede desperdiciar bastante energía antes de volverse menos sostenible que su contraparte con almacenamiento de batería o conexión a la red.

Además, el uso directo de la energía solar evita las pérdidas de carga y descarga causadas por las baterías, o las pérdidas de energía en la infraestructura de transmisión para los sistemas conectados a la red. Ambos deben ser compensados con paneles solares adicionales. Además, los paneles solares conectados a baterías o a la red también desperdician energía, como consecuencia de la gran diferencia en la producción de energía entre el verano y el invierno.

Maximizando la energía solar directa con servicios colectivos

Sin embargo, es importante maximizar la producción de energía de un panel solar directo. En ese contexto, es útil regresar por un momento al sistema de ejemplo original ubicado en mi balcón. La energía solar directa podría ser una buena adición a este sistema, especialmente para el refrigerador y la cocina. Fue por estos electrodomésticos que concluí en 2016 que era imposible desconectar completamente mi piso de la red.

Sin embargo, Living Energy Farm demuestra que se podría hacer: hay espacio para otros 200 vatios de paneles solares (4 x 50W) en el balcón, suficientes para alimentar tanto un refrigerador como una cocina con aislamiento térmico. No se necesitaría capacidad adicional de batería.

Para otros electrodomésticos, sin embargo, la energía solar directa no sería de mucha utilidad en mi caso. No sería muy eficiente instalar un panel solar adicional para la lavadora o el taladro, ya que solo se utilizan ocasionalmente. Esto parece favorecer a una red eléctrica “inteligente”, porque de esa manera muchos hogares pueden utilizar la misma energía solar: siempre hay alguien que necesita lavar la ropa o taladrar un agujero.

Sin embargo, una red inteligente de este tipo requiere mucha infraestructura, incluso si la energía solar directa se utilizara a esa escala. Puede que no requiera baterías o combustibles fósiles como respaldo, pero sí necesita infraestructura de transmisión y comunicación.

Imagen: Un tocadiscos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil. [Ver el video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm demuestra una solución alternativa: la organización comunal de tareas domésticas y trabajo. En lugar de una red eléctrica comunal distribuyendo energía a muchos hogares individuales, podemos establecer servicios colectivos con producción de energía descentralizada.

En el taller comunal de la Living Energy Farm, la energía solar directa se puede utilizar de manera mucho más eficiente que en un taller individual que solo se utiliza ocasionalmente. Una lavandería colectiva en cada calle también utilizaría la energía solar directa de manera mucho más eficiente. Además, ahorramos mucha energía al construir electrodomésticos de esta manera y ganamos mucho espacio.

¿Energía eólica directa?

Esta estrategia se vuelve aún más importante si elegimos no la energía solar directa, sino la energía eólica directa, o una combinación de ambas. La Living Energy Farm se encuentra en una región soleada, pero el mismo enfoque también podría funcionar en lugares ventosos.

Sin embargo, hay una diferencia importante entre la energía solar y la energía eólica. La eficiencia de un panel solar no depende de su tamaño, lo que hace que la energía solar sea ideal para la producción descentralizada de energía. En cambio, la eficiencia de un aerogenerador aumenta más que proporcionalmente a medida que aumenta el diámetro del rotor. Mucho mejor que un aerogenerador por hogar, por lo tanto, es un aerogenerador algo más grande para una comunidad de hogares, por ejemplo, para alimentar una lavandería o taller colectivo.

La vida útil de las baterías de plomo-ácido depende de muchos factores. Si se descargan demasiado profundamente o no se cargan completamente regularmente, la vida útil puede ser inferior a tres años. Por otro lado, una batería de plomo-ácido que apenas se utiliza o no se descarga en absoluto puede durar mucho más de cinco años. Sin embargo, la literatura académica establece una expectativa de vida de tres a cinco años, y esta también ha sido mi experiencia con las baterías que he utilizado desde 2016. Consulte, por ejemplo, “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, en “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008, y “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, en “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, julio de 1998. ↩︎
La fabricación de una batería de plomo-ácido (basada en gran medida en materiales reciclados) requiere aproximadamente 1 MJ de energía por vatio-hora de capacidad de almacenamiento. Mi batería de 100 amperios-hora equivale a una capacidad de almacenamiento de 1,200 vatios-hora, y así la energía incorporada es de 1,200 MJ. A lo largo de una vida útil de 30 años, necesitaría seis de estas baterías como máximo, lo que suma un total de 7,200 MJ. Fuente: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” y “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎
No se ha investigado mucho sobre la energía incorporada de los controladores de carga. Los datos más relevantes que encontré indican un valor de 1 MJ por vatio de potencia máxima: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Para una capacidad de 120W (mi controlador de carga tiene una capacidad máxima de 10A x 12V = 120W), esto equivale a 120 MJ. Para la vida útil estimada, encontré valores de 7 y 12.5 años: misma referencia que anteriormente mencioné, así como Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Por lo tanto, hice el cálculo con una vida útil estimada de 10 años. ↩︎
Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Según esta fuente ampliamente citada, se necesitan 3,500 MJ para producir 1 m2 de panel solar. Mis dos paneles solares juntos miden 0.65 m2, lo que representa un costo total de energía de 2,275 MJ. Una revisión bibliográfica más reciente sitúa el costo energético de la producción de diferentes tipos de paneles solares entre 1,034 y 5,150 MJ/m2. Los estudios más recientes sobre paneles solares de silicio en esta revisión sitúan el costo energético en alrededor de 1,000 MJ/m2, mucho más bajo que la cifra que estoy utilizando. Consultar: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎
Las baterías de iones de litio son mucho más caras que las baterías de plomo-ácido, pero a diferencia de estas últimas, pueden descargarse más profundamente (hasta el 15% de su capacidad total) y tienen una vida útil más larga (de 7 a 10 años). En consecuencia, se necesitan menos y más pequeñas baterías. Teniendo en cuenta estos factores, el costo de por vida de la batería es de 750 euros, en comparación con los 1,020 euros de las baterías de plomo-ácido. Por otro lado, las baterías de iones de litio requieren un controlador de carga más sofisticado y más caro: un controlador de carga de 10A cuesta entre 200 y 600 euros, según la calidad. Suponiendo un precio de 400 euros para el controlador de carga y una vida útil de 10 años tanto para la batería como para el controlador de carga, el almacenamiento de batería representa el 95% del costo total de por vida (un total de 2,070 euros, mucho más que el costo total del sistema con baterías de plomo-ácido). Fuentes: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Aunque la producción de una batería de iones de litio consume más energía que la producción de una batería de plomo-ácido (1.4-1.9 MJ/Wh frente a 1 MJ/Wh), esto se compensa con una vida útil más larga y una mayor capacidad de descarga. El costo energético de las baterías de iones de litio durante una vida útil de 30 años es de aproximadamente 3,000 MJ, significativamente menos que un sistema de baterías de plomo-ácido comparable. En cambio, el controlador de carga contiene electrónica más compleja. Desafortunadamente, no hay datos disponibles sobre el costo energético de dicho controlador de carga. Por lo tanto, no queda más remedio que estimar el costo energético en función del costo financiero, que es de cuatro a doce veces más caro que un controlador de carga para una batería de plomo-ácido. Suponiendo un costo cuatro veces más alto, la energía incrustada del controlador de carga aumenta a 480 MJ, o 1,440 MJ durante un período de 30 años. El costo total de energía para el sistema es entonces de 6,685 MJ, menos que un sistema comparable con baterías de plomo-ácido. De esto, casi el 70% se atribuye al almacenamiento de la batería. ↩︎
Las baterías de níquel-hierro son incluso más grandes y más pesadas que las baterías de plomo-ácido y requieren un mantenimiento regular. Pero pueden descargarse completamente y tienen una vida útil muy larga (20 años). Además, se pueden utilizar con los mismos controladores de carga que las baterías de plomo-ácido. El costo de por vida durante 30 años para la batería es de 750 euros, más barato que las seis baterías de plomo-ácido de capacidad similar. El costo total de por vida para un sistema de batería de níquel-hierro con paneles solares de 100 W es de 1,020 euros, de los cuales el 85% se destina al almacenamiento de energía. Lamentablemente, las baterías de níquel-hierro son difíciles de encontrar, especialmente los modelos más pequeños. Fuentes: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
De hecho, el precio de los paneles solares en una instalación solar algo más grande sería proporcionalmente aún menor. Esto se debe a que los paneles solares con tamaños pequeños (como 50W) son proporcionalmente más caros por vatio de capacidad pico que los paneles solares con tamaños más convencionales (a partir de 250W en adelante). Más o menos lo mismo se aplica al costo energético. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fundador de Living Energy Farm, escribió un libro sobre el proyecto, que está disponible en línea en su totalidad: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Tambien se puede comprar en formato impreso. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Dado que la energía solar directa no requiere un controlador de carga para cada sistema por separado, dividir un sistema solar no implica costos adicionales ni consumo de energía. ↩︎
La investigación muestra que duplicar el grosor del aislamiento de 2.5 cm (aislamiento estándar) a 5 cm reduce el consumo anual de electricidad de un refrigerador (capacidad de 50 litros) de 250 a 125 kilovatios-hora.¹³ Con un grosor de aislamiento de 10 a 12.5 cm, el consumo de electricidad se reduce a la mitad nuevamente, llegando a alrededor de 60 kilovatios-hora por año. Un aislamiento aún más grueso produce una reducción más pequeña en el consumo de electricidad y ya no resulta atractivo debido a que el aislamiento adicional también aumenta el costo y el tamaño del refrigerador. El estudio se refiere a un refrigerador con energía solar que funciona gracias a un inversor y una batería, siendo menos eficiente en términos de energía que un refrigerador solar directo. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Esta masa térmica puede ser literalmente un recipiente de agua colocado dentro del refrigerador o algunas botellas de agua para beber. Pero el agua también se puede almacenar en depósitos a lo largo del costado del electrodoméstico, detrás de un revestimiento interno que las mantiene en su lugar y las oculta a la vista. El agua tiene una mayor densidad de almacenamiento de calor que el aire, lo que ayuda a mantener la temperatura estable por más tiempo. ↩︎
Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎
Esta ventaja sólo se aplica si el refrigerador se instala en una habitación no climatizada. La moderna costumbre de colocar un refrigerador en una cocina climatizada cuando la temperatura exterior en invierno es igual o inferior a la del refrigerador es evidentemente absurdamente derrochadora. Sin embargo, esta ventaja tampoco es válida en países tropicales, donde las temperaturas son altas durante todo el año. ↩︎
El uso de energía solar directa para la refrigeración de espacios no se ha analizado tan exhaustivamente como en el caso de los refrigeradores domésticos. Consulta: Luerssen, Christoph, et al.“Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.” Applied energy 273 (2020): 115145. Además, es poco probable lograr ahorros de energía igualmente significativos. Un refrigerador siempre está aislado, pero en el caso de una habitación o edificio enfriado por aire, esto no es necesariamente así. Además, un refrigerador se coloca en una habitación donde hay una temperatura estable. Un edificio está sujeto a mayores fluctuaciones de temperatura y también puede ser calentado por radiación solar directa. Por lo tanto, la refrigeración solar directa del aire es mucho más complicada. Consulta: Qi, Ronghui, Lin Lu y Yu Huang. “Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Consulta this PowerPoint del mismo autor. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. See also this video. ↩︎
Consulta: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Debido a la falta de investigación, no está claro si lo mismo se aplica al consumo de energía incrustada. ↩︎
En ambos casos, sin embargo, es necesario omitir el interruptor del dispositivo, porque la electricidad de corriente continua (CC) produce más calor que la electricidad de corriente alterna (CA). En su lugar, un interruptor externo adecuado puede ayudar, pero al hacerlo, se evita el mecanismo de seguridad del dispositivo, lo cual obviamente representa un riesgo. ¹⁰ Una vez más, esto no tiene que ser así: es técnicamente posible fabricar dispositivos aptos para funcionar con energía solar directa. ↩︎
Un compresor de velocidad fija solo puede utilizar el 50% de la energía solar producida de forma útil, mientras que un compresor de velocidad variable utiliza aproximadamente el 75% de forma útil. ¹⁵ Se necesita un condensador para proporcionar al compresor un impulso de energía durante la fase de arranque. ↩︎
En lugar de un convertidor CC-CC, también puede instalar una pequeña “batería de reserva” y un controlador de carga. Al igual que un convertidor CC-CC, el controlador de carga garantizará un voltaje de salida estable. Además, la pequeña batería puede proporcionar un almacenamiento de energía limitado que puede ser útil para manejar picos cortos en el consumo de energía. Por ejemplo, algunos dispositivos tienen un pico de corriente cuando se cargan. La desventaja de una batería de reserva es que el costo y la energía incorporada aumentan, y los componentes adicionales pueden fallar. Un condensador es una tecnología alternativa para absorber picos de potencia. ↩︎
Sin embargo, el uso de dispositivos de corriente continua de bajo voltaje es mucho más eficiente energéticamente porque los paneles solares también producen corriente continua de bajo voltaje: https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Video presentation manual solar electric cookers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video manual for making heating wires. Thermal heat storage: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Also see this video. ↩︎

Cocinas termoeléctricas: es hora de descartar los paneles solares?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Ilustración: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Si los molinos de viento de 2.000 años de antigüedad son los predecesores de las turbinas de viento modernas.

La fotosíntesis también nos ha proporcionado todo tipo de energía mecánica a lo largo de la historia: nos ha provisto de combustible tanto para humanos como para animales, y de materiales de construcción para molinos de viento y agua. Ni los antiguos molinos de viento ni las antiguas cocinas a leña proveen electricidad, pero ambos pueden ser adaptados para hacerlo: basta con conectar un generador eléctrico al molino, y uno termoeléctrico a la cocina.

Generadores Termoeléctricos

Los generadores termoeléctricos (o “GTES”) son muy similares a los generadores “fotoeléctricos” – llamados hoy en día generadores “fotovoltaico”, o celdas solares FV: un generador fotovoltaico convierte luz directamente en electricidad, y un generador termoeléctrico convierte calor directamente en electricidad. ¹

Un generador termoeléctrico consiste en uno o más lingotes de elementos semiconductores conectados en serie con planchas de metal, intercalados entre dos placas de material eléctricamente aislante, pero térmicamente conductor, formando un módulo muy compacto. ² Pueden adquirirse de varios fabricantes, como Hi-Z, Tellurex, Thermalforce o Thermomanic.

Un módulo termoeléctrico. Imagen: Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Un módulo termoeléctrico. Imagen usada con permiso, Applied Thermoelectric Solutions LLC, [Cómo funciona un generador termoeléctrico](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Si uno adhiere un módulo termoeléctrico a la superficie de una cocina a leña, producirá electricidad cuando la cocina se use para cocinar, calefaccionar o calentar agua. A lo largo de varios experimentos y prototipos descriptos en mayor detalle más adelante, la potencia generada por cada módulo ha sido de entre 3 y 19 watts.

Al igual que con los paneles solares, los módulos pueden conectarse unos a otros en paralelo o serie, con el fin de obtener el voltaje y potencia que uno necesite – al menos mientras haya espacio disponible en la superficie de la cocina. Al igual que con los paneles solares, la corriente eléctrica que producen los módulos puede ser regulada por un controlador de carga y almacenada en una batería, para ser consumida inclusive cuando la cocina no se encuentra en uso. Una cocina termoeléctrica se combina habitualmente con dispositivos de corriente directa y poco voltaje, evitando pérdidas por conversión.

Las cocinas termoeléctricas podrían ser usadas en muchas partes del mundo. Las investigaciones se enfocan principalmente en el “Sur Global”, donde cerca de 3.000 millones de personas (40% de la población mundial) dependen de quemar biomasa para cocinar y calentar agua. Algunos de estos hogares también usan cocinas u hogueras para iluminación (1.300 millones de personas no tienen acceso a electricidad) y para calefacción durante partes del año. Sin embargo, también hay investigaciones sobre su uso en hogares en sociedades industriales, donde las cocinas a biomasa y hornallas han aumentado en popularidad, sobre todo fuera de las ciudades.

100% Eficiente

Desde que Thomas Seebeck describió el efecto termoeléctrico por primera vez, en 1821, los generadores termoeléctricos han sido famosos por su baja eficiencia al convertir calor en electricidad. ³⁴⁵⁶ Hoy en día, la eficiencia de los módulos termoeléctricos es de tan solo 5 a 6%, aproximadamente tres veces menor que la de los paneles FV más usados. ⁴

Sin embargo, en combinación con una cocina, la eficiencia de un módulo termoeléctrico no importa demasiado. Si el módulo es solo 5% eficiente al convertir el calor en electricidad, el 95% restante se emitirá nuevamente como calor. Si la cocina se usa para calefaccionar el ambiente, este calor no puede considerarse una pérdida de energía, dado que aún contribuye a su fin original. La eficiencia total del sistema (calor + electricidad) es por lo tanto cercana al 100%, o sea, no se pierde energía. Con una cocina diseñada apropiadamente, el calor generado a partir de la conversión a electricidad puede inclusive reutilizarse para cocinar o para calentar agua.

Más confiable que los paneles solares

Los módulos termoeléctricos comparten muchas ventajas de los paneles solares: son modulares, requieren poco mantenimiento, no tienen partes móviles, operan silenciosamente, y su expectativa de vida es larga. ⁷ Sin embargo, los módulos termoeléctricos ofrecen algunos ventajas adicionales sobre los paneles solares FV, siempre y cuando el hogar cuente con una fuente de calor no eléctrica usada con frecuencia.

Aunque los módulos termoeléctricos tienen aproximadamente un tercio de la eficiencia de los paneles solares FV, las cocinas termoeléctricas son una fuente de energía más confiable, dado que su uso es independiente del clima, la estación del año, o la hora del día. En jerga técnica, las cocinas termoeléctricas tienen un “factor de planta” más elevado que los paneles solares FV.

Aunque la cocina se use únicamente para cocinar y calentar agua, estas tareas cotidianas garantizan de todas formas una fuente constante de energía sin importar el clima. Además, la producción de energía de una cocina termoeléctrica coincide con las demandas de energía de un hogar: por lo general, el mayor uso de electricidad se da al mismo tiempo que se usa la cocina. Los paneles solares, por otra parte, producen muy poca o ninguna electricidad en los momentos de mayor demanda hogareña.

Imagen: Un generador termoeléctrico basado en una lámpara de querosén, alimentando una radio, 1959. Fuente: [Museo de retro tecnología](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Estas ventajas desaparecen rápidamente cuando el generador termoeléctrico se alimenta de energía solar. Los generadores termoeléctricos solares, en los que los módulos termoeléctricos son calentados con luz solar concentrada, no logran compensan su baja eficiencia con una alta disponibilidad, dado que son tan dependientes del estado del tiempo como un panel solar FV.⁸⁹¹⁰

Menos almacenamiento de energía

Gracias a tener una mayor disponibilidad, los sistemas termoeléctricos no necesitan sobredimensionar la capacidad de generación y almacenamiento de electricidad para compensar por las noches, estaciones del año más oscuras, o días nublados, como ocurre con los paneles solares FV. Las baterías no necesitan almacenar más electricidad que la que se consume entre dos usos de la cocina, ni hace falta agregar módulos adicionales para compensar por períodos de baja producción.

Los paneles solares y las cocinas termoeléctricas se pueden combinar, dando lugar a un sistema autónomo, con una necesidad baja de almacenamiento. Un sistema híbrido de estas características combina bien con una cocina empleada principalmente para calefaccionar el ambiente. Los módulos termoeléctricos producen la mayor parte de la energía durante el invierno, mientras que los paneles solares lo hacen en el verano.

Más económico de instalar, más fácil de reciclar

Una ventaja adicional de los módulos termoeléctricos por sobre los paneles solares, es que son más fáciles de instalar. No hay necesidad de construir una estructura en el techo y una conexión eléctrica con el exterior de la vivienda, dado que la generación se produce en el interior. Esto evita también el robo de electricidad, un problema significativo asociado a los paneles solares en algunas regiones del mundo.

La suma de estos factores hace que la energía generada por una cocina termoeléctrica pueda ser más barata y sustentable que la proveniente de paneles solares FV, con menos energía, materiales y dinero necesarios para fabricar las baterías, módulos y estructuras de soporte.

En términos de sustentabilidad, hay otra ventaja: a diferencia de los paneles solares FV, los módulos termoeléctricos son relativamente fáciles de reciclar. A pesar de que las celdas solares son perfectamente reciclables, se encuentran protegidas por una capa de plástico (típicamente “EVA” o etileno/acetato de polivinilo), fundamental para el desempeño de los módulos en el largo plazo. ¹¹ Quitar esta capa sin destruir las células de silicio, aunque técnicamente posible, es tan complejo que su reciclado es muy poco atractivo desde el punto de vista económico y energético. ¹²¹³ Los módulos termoeléctricos, por otro lado, no contienen plástico en absoluto. ¹⁴¹⁵¹⁶

Refrigeración de los módulos

La eficiencia energética de los generadores termoeléctricos no depende únicamente de los módulos, sino también de la diferencia de temperatura entre sus lados frío y caliente. Un módulo termoeléctrico operando a la mitad de diferencia de temperatura, generará solo una cuarta parte de la electricidad. Esto significa que con una disipación apropiada, el generador termoeléctrico genera más electricidad con menos módulos, y es por lo tanto un foco importante de su diseño.

Por un lado, esto significa instalar los módulos en los puntos más calientes en la cocina – siempre y cuando puedan soportar el calor. La mayoría de las cocinas tienen una temperatura superficial de entre 100 y 300 grados Celsius, mientras que el lado caliente de los módulos basados en teleluro de bismuto (los más económicos y eficientes) puede soportar temperaturas continuas de entre 150 y 350 grados, dependiendo del modelo.

Por otro lado, de debe reducir la temperatura del lado frío de los módulos lo más posible. Hay cuatro formas de hacerlo: convección forzada de aire o agua, lo que requiere ventiladores eléctricos y bombas, o convección natural de aire o agua, usando disipadores pasivos que no hacen uso parasítico de la carga del sistema.

La refrigeración activa generalmente tiene una eficiencia mayor, inclusive teniendo considerando el consumo del ventilador o de la bomba de agua. Pero los sistemas pasivos son más económicos, operan silenciosamente y son más confiables que los activos. En particular, la rotura de un ventilador puede ser problemática, resultando en la falla de un módulo por sobrecalentamiento. ¹⁷

Cocinas termoeléctricas con disipadores

Las primeras cocinas termoeléctricas a biomasa se fabricaron a principio de los años 2000, aunque los soviéticos habían probado un concepto similar en los años 50, usando linternas de querosén para alimentar radios eléctricas. ⁶ En el 2004, un grupo de investigadores en el Líbano adaptaron una cocina de fundición de hierro a base de leña, típica en áreas rurales, con un módulo termoeléctrico de 56 x 56 mm que ellos mismos fabricaron. La cocina, usada tanto para cocinar y hornear, como para calefaccionar y calentar agua, era relativamente pequeña (52 x 44 x 29 cm) y pesaba 40 kg.

Imagen: La cocina de fundición de hierro usada en los experimentos. [^18]

Los investigadores atornillaron una plancha de aluminio de 1 cm de grosor en el punto más caliente de la cocina. Instalaron ahí el módulo, y adosaron al lado frío un gran disipador de aluminio (180 x 136 x 125 mm) con aletas. Quemando 2,5 kg de madera blanda de pino por hora, lograron una potencia de salida de 4,2 watts. Si la cocina se usara durante 10 horas al día (dejando de lado la fase inicial de entrada en calor), podría proveer de 42 watt-hora de electricidad, suficiente para cubrir las necesidades básicas de un hogar rural en el Líbano.

Imagen: Detalle de instalación del GTE y ubicación en la cocina. [^18]

Para aumentar la potencia de salida se pueden agregar más módulos y disipadores. Pero por supuesto la superficie de la cocina es limitada, y los módulos adicionales deberán ser instalados en puntos con menor temperatura superficial, disminuyendo su eficiencia. Otra forma de aumentar la producción es usando un disipador aún más grande, o uno más caro, basado en materiales con mayor conductividad térmica.

Cocinas termoeléctricas con ventiladores

La mayoría de las cocinas termoeléctricas construidas hasta la fecha, enfrían el módulo usando una combinación de ventiladores y disipadores. Los ventiladores pueden romperse y son una carga parasitaria en el sistema, pero permiten aumentar la eficiencia de la cocina al soplar aire caliente dentro de la cámara de combustión, reduciendo el consumo de leña y la polución aérea a aproximadamente la mitad. Las cocinas con ventiladores permiten además eliminar la necesidad de construir una chimenea, usando en cambio un caño de escape horizontal. ¹⁸ En consecuencia, las cocinas con ventiladores auto alimentados permiten reducir el consumo de leña y la polución del aire interior en las regiones del sur global, donde la gente no tiene acceso ni a electricidad, ni a los recursos para construir una chimenea a través del techo.

Un estudio de una cocina termoeléctrica, con un módulo y ventilación forzada, mostró que puede producir 4,5 watts de potencia, de los cuales 1 es consumido por el ventilador. ¹⁹ La producción neta (3,5 watts) es menor que en la cocina que solo usa un disipador (4,2 watts), pero la cocina con el ventilador consume menos de la mitad de leña: genera 3,5 watts netos de electricidad quemando solo 1 kg por hora, mientras que la cocina con refrigeración pasiva requiere 2,5 kg por hora para producir los 4,2 watts.

Imagen: Cocina con GTE y ventilación forzada. [^20]

Un estudio de campo evaluó en Malaui, durante 80 días, un diseño similar de cocina termoeléctrica portátil. Encontraron que los usuarios apreciaban enormemente la tecnología, y que las cocinas producían más electricidad de la que necesitaban. Durante la duración del estudio la producción de electricidad fue de entre 250 y 700 watt-hora, con un uso de solo 100 a 250 watt-hora. ²⁰

Hay cocinas termoeléctricas con ventilador disponibles comercialmente, en general diseñadas para mochileros. Algunos ejemplos son las cocinas de BioLite, Thermonamic y Termefor, que prometen una generación de entre 3 y 10 watts, dependiendo del diseño y de la cantidad de módulos. ¹⁷

Cocinas termoeléctricas con tanques de agua

Las cocinas termoeléctricas más eficientes son aquellas en las que el lado frío de los módulos se encuentra en contacto directo con un tanque de agua. El agua tiene una resistencia termal menor que el aire, por lo que refrigera más eficientemente. Además, la temperatura del agua no puede superar los 100 grados Celsius, lo que reduce la posibilidad de que un módulo falle por sobrecalentamiento.

Imagen: el funcionamiento de las cocinas termoeléctricas con refrigeración pasiva con agua. [^17]

Cuando se emplea agua para refrigerar los módulos termoeléctricos, el calor residual generado por la conversión de energía se usa para calentar agua, y no para calefaccionar el ambiente. Las cocinas termoeléctricas con refrigeración a agua pueden ser activas (usando una bomba) o pasivas (sin partes móviles). ¹⁷

La mayoría de las cocinas termoeléctricas con refrigeración pasiva a agua son pequeñas, y calientan cantidades reducidas de agua. De hecho, el módulo termoeléctrico suele adosarse a una pequeña cacerola, y no a la cocina. Un ejemplo es el PowerPot, una cacerola que se coloca directamente sobre la cocina y que tiene un módulo termoeléctrico adosado a su base. Se puede adquirir comercialmente, y supuestamente puede generar entre 5 y 10 watts.

Imagen: cocina multifuncional a base de leña con refrigeración pasiva a agua. [^22]

Investigadores franceses diseñaron una cocina termoeléctrica con refrigeración pasiva a agua mucho más grande y versátil, basada en el diseño marroquí de una cocina multifuncional de barro a leña. ¹⁸²¹²²²³²⁴ Embebieron un tanque de agua de 30 litros en la cocina, y le adosaron ocho módulos termoeléctricos al fondo. El tanque funciona como disipador del generador, y provee de agua caliente al hogar. La cocina cuenta además con ventilador eléctrico, alimentado por la cocina misma, y una doble cámara para aumentar la eficiencia de la combustión.

El prototipo generó 28 watts de potencia usando dos módulos y quemando 1,5 kg de madera para cocinar o calefaccionar. El ventilador usaba 15W, por lo que solo quedaban 13W para otros usos. La cocina podía calentar 60 litros de agua por hora, y una batería almacenaba entre 35 y 55 watt-hora por día, dependiendo de la duración de dos sesiones de cocinado. Estos valores tienen en cuenta las pérdidas generadas por la batería, su cargador, y el ventilador.

Cocinas termoeléctricas con bombas

La refrigeración pasiva a agua tiene una desventaja: a medida que la temperatura del agua aumenta, la diferencia de temperatura entre el lado frío y caliente del generador disminuye, y por lo tanto se vuelve menos eficiente. O bien se deja suficiente tiempo entre los usos de la cocina para que el agua se enfríe, o el agua caliente debe ser usada regularmente y reemplazada por agua fría. Una bomba de agua facilita esta tarea.

Imagen: Prototipo de una cocina termoeléctrica con módulos refrigerados a agua. [^26]

En el 2015, una cocina a leña usada para cocinar, calefaccionar y calentar agua, fue equipada con 21 generadores termoeléctricos refrigerados con una bomba de agua. Quemando 1 kg de madera de pino por hora, este prototipo generó 25W; con 4kg/hora, 70W; y quemando 9kg/hora, 166W. ²⁵ La potencia de salida llegó a picos de 7,9 watts, casi el doble que la producida por módulo cuando eran ventilados solo con aire. La bomba consumía 5W, y se usaba 1W adicional para un ventilador que aumentaba la eficiencia de la combustión. ²⁶²⁷

Calderas a gas termoeléctricas?

Los generadores termoeléctricos con refrigeración forzada a agua se adaptan mejor a la infraestructura eléctrica de sociedades industrializadas, especialmente en hogares con sistemas de calefacción central. Agregándoles más módulos pueden suplir las necesidades de un estilo de vida con alto consumo eléctrico, pero no están faltos de obstáculos. Primero, los sistemas de calefacción centralizada se usan únicamente para calentar el ambiente y el agua, no para cocinar, lo que significa que su uso no es constante a lo largo del año. Segundo, solo algunos de tales sistemas quema biomasa o gránulos de madera; la mayoría usa gas, petróleo o electricidad.

Prototipo de un quemador termoeléctrico a gránulos de madera. [^30]

Cuando el calor se genera a partir de electricidad, no tiene ningún sentido agregar un generador termoeléctrico. Un sistema de generación termoeléctrico no es compatible con la idea de un edificio sustentable de alta tecnología, donde se calefacciona usando una bomba eléctrica, se cocina con una cocina eléctrica, y el agua caliente es provista por una caldera eléctrica.

Sin embargo, cuando la fuente de energía es gas o petróleo, una caldera termoeléctrica es una solución tan baja en carbono como un sistema solar FV conectado a la red eléctrica. ²⁸ Ni un sistema de calefacción termoeléctrico, ni uno solar FV conectado a la red, vuelven a un hogar independiente de combustibles fósiles. Ambos siguen dependiendo de la red eléctrica, mayormente alimentada por combustibles fósiles, para solucionar excesos y faltas de energía, y generalmente cuentan con un sistema de calefacción y agua caliente central, alimentado también por combustibles fósiles.

Imagen: Un generador termoeléctrico de 1kW con refrigeración forzada a agua, para fuentes de energía termal de baja temperatura. [^31]

Un sistema termoeléctrico de calefacción basado en combustibles fósiles tiene ventajas por sobre una planta de cogeneración eléctrica, que captura el calor residual de la producción eléctrica, y lo distribuye a los hogares para calefaccionar y calentar agua. En el sistema termoeléctrico, el calor y la electricidad son generados y consumidos en el mismo sitio. A diferencia de la planta cogeneradora, no hay necesidad de construir una infraestructura para distribuir calor y electricidad, con lo que se ahorran recursos y se evitan las pérdidas generadas durante el transporte. Estas pérdidas rondan entre el 10 y 20% para la distribución del calor, y entre un 3 y 10% (o mucho más, en algunas regiones) para la electricidad.

Una planta cogeneradora es más eficiente (de 25 a 40%) al transformar calor en electricidad, lo que significa que, en comparación, un generador termoeléctrico provee una proporción mayor de calor que de electricidad. Esto dista de ser problemático, dado que inclusive en Europa, el 80% del uso de energía hogareña se emplea en la calefacción y el calentado de agua.

En ambos casos se puede revertir el funcionamiento. Si uno envía una corriente eléctrica a un módulo termoeléctrico, se convierte en un calentador o refrigerador. Una corriente eléctrica enviada a un dispositivo fotovoltaico generará electricidad – el principio detrás de los LEDs. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
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Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
El motor Stirling, otro predecesor del panel solar FV que convierte el calor en electricidad, carece de muchas de estas ventajas. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
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Por peso, un módulo termoeléctrico de 5 gramos consiste en alúmina para las placas cerámicas (44%), cobre para los contactos eléctricos (28%), telurio (10%), bismuto (6%) y antimonio (2%) para las patas termoeléctricas, así como pequeñas cantidades de estaño (para las soldaduras), selenio (para el “dopaje” del teleluro de bismuto) y pasta de silicona (el único polímero en el módulo, usando para pegar las partes). En los módulos termoeléctricos, la concentración de los los elementos raros antimonio, telurio y bismuto es mucho más grande que en sus fuentes originales, haciendo muy atractivo su reciclado. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
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Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
Los investigadores sugirieron también una forma de eliminar la bomba: colocando un tanque de agua a 1 metro de altura para proveer el agua, la gravedad se encargará de llevar el agua al sistema de refrigeración, y el agua caliente producida se almacenaría en un tanque insulado. ↩︎
Otro prototipo generó un promedio de 27W con solo dos módulos, más que suficiente para alimentar una bomba (8W), con una producción neta por módulo de de 9,5 watts. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
Los primeros experimentos con sistemas de calefacción termoeléctricos datan de fines de los años 90, e intentaban desarrollar calderas a gas auto alimentadas. Los sistemas de calefacción central requieren unos 250-400W para sus componentes eléctricos: ventiladores, sopladores, bombas y paneles de control. Al agregar los módulos termoeléctricos, el sistema mantiene su capacidad de calefaccionar el hogar, inclusive durante cortes eléctricos extendidos. De usarse en combinación con paneles solares FV conectados a la red, solo funcionarían cuando el sol brillara. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎

Demasiada combustión para tan poco fuego

Sun, 29 Dec 2019 00:00:00 +0000

Illustración: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

El fuego – utilizado en nuestros hogares durante más de 400.000 años - sigue siendo la tecnología doméstica más versátil y sostenible que la humanidad jamás ha conocido. Únicamente el fuego proporcionaba lo que ahora obtenemos a través de una combinación de electrodomésticos modernos como el horno y la placa de cocina, el sistema de calefacción, las luces, el frigorífico, el congelador, la caldera de agua caliente, la secadora y el televisor. A diferencia de estas tecnologías más recientes, el fuego no necesitaba de una infraestructura central para que funcionase, y podía construirse localmente con materiales fácilmente disponibles.

Del hogar a la central eléctrica

El uso habitual del fuego se remonta a –por lo menos– 300.000 o 400.000 años atrás. ¹² Hasta el siglo XX, el fuego alimentado con biomasa era la única energía que los “electrodomésticos” empleaban en el hogar, con independencia de que las personas habitasen en una cueva, en una cabaña temporal o permanentemente en un edificio. Los primeros refugios a menudo se erigieron con el propósito expreso de mantener vivo el fuego y protegerlo del viento y la lluvia.

Durante la mayor parte de la historia, el fuego tomó la forma de un hogar abierto, construido en el suelo de tierra en un refugio. El humo del fuego escapaba por un agujero en el techo. A partir del siglo XIV, en Europa, el hogar abierto fue gradualmente reemplazado por el fuego de una chimenea, la mayoría de las veces construida en la pared. En las regiones más frías (como Escandinavia) solían construirse estufas de azulejo, más eficientes en términos de energía; mientras que en climas más suaves (como el Mediterráneo) la gente seguía utilizando los braseros, cestos metálicos portátiles en los que se quemaba carbón. En los siglos XVIII y XIX, las chimeneas comenzaron a sustituirse por estufas de metal.

El fuego continuó siendo un elemento central de los hogares hasta el siglo XX, momento en el que fue relegado por una amplia variedad de electrodomésticos conectados a infraestructuras centrales. Actualmente, en las sociedades industriales, incluso las estufas metálicas en los hogares nos parecen extrañas. La combustión en los espacios abiertos prácticamente se ha prohibido, especialmente en las ciudades. Los edificios nuevos ya no disponen de chimeneas ni agujeros en el techo.

La centralidad del fuego en los hogares permaneció hasta el siglo XX, cuando fue reemplazado por una amplia variedad de electrodomésticos conectados a infraestructuras centrales.

“Paradójicamente”, escribe Luis Fernández-Galiano en Fire and Memory: On Architecture and Energy, “las viviendas que comenzaron como lugares donde promover el fuego, hoy evitan la quema abierta”. ³ Por su parte, Stephen J. Pyne, en Fire: A Brief History, observa: “Los residentes de áreas urbanas pueden pasar años sin ver un fuego. Mayormente, éste aparece por accidente o como un incendio provocado, y casi siempre entraña peligro. ⁴

Sin embargo, el fuego está lejos de desaparecer. Miles de fuegos individuales en hogares han sido reemplazados por unos pocos fuegos gigantescos en las centrales eléctricas. Y el fuego también arde en cualquier otro lugar. “En nuestra economía de la abundancia”, escribe Stephen J. Pyne, “el fuego está en el corazón de la magia –en fábricas, automóviles, hogares y centrales de energía … Las ciudades modernas siguen siendo ecosistemas impulsados por el fuego … Si se apaga la combustión, se apaga la ciudad. Pero la llama abierta en sí se ha desvanecido. Como un agujero negro en el espacio, el fuego ha dado forma a todo lo que lo rodea sin ser visible”.

La industrialización sólo ha alterado, pero no abolido la combustión. Lo más importante es que el fuego empezó a emplear otra fuente de energía: los combustibles fósiles en lugar de la biomasa. Hasta el siglo XX, casi todos los fuegos provocados por el hombre eran producto de fuentes de energía renovables: la leña, la hierba o el estiércol –la turba y algunos de los primeros usos del carbón eran las excepciones. Hoy en día, en las sociedades industriales, la llama de casi todos los fuegos prende con gas, carbón o petróleo.

Fuego vs. Electricidad

A nivel global, unos pocos miles de millones de personas aún viven en hogares construidos alrededor de un fuego a la vieja usanza, a menudo en forma de hogar abierto. Algunas personas en el mundo occidental consideran que esto es una práctica atrasada y primitiva que debe ser abolida, a pesar de que se basa en el uso de fuentes de energía renovables. Por ejemplo, en 2011 la ONU y el Banco Mundial lanzaron la iniciativa Sustainable Energy for All, con el objetivo de “garantizar el acceso universal a los servicios de energía modernos” en 2030. ⁵ El concepto de “servicios de energía modernos” es vago, pero en esencia se refiere al uso de la electricidad y del gas –por lo tanto, en la práctica, al uso de combustibles fósiles.

“Los urbanitas ven el fuego como una tecnología que puede ser sustituida por otras tecnologías más avanzadas”

Iniciativas como esta implican que los “servicios de energía modernos” son “mejores” que el tradicional hogar abierto o la chimenea. “Los urbanitas ven el fuego como una tecnología que puede sustituirse por otras tecnologías más avanzadas”, escribe Stephen J. Pyne. “Si el fuego es un dispositivo, quieren una actualización sin llamas ni humo”.

Algunos ejemplos de estas actualizaciones libres de humo y de llama son los paneles solares fotovoltaicos y las turbinas eólicas de hoy en día, supuestamente llamados a terminar con la dependencia de combustibles fósiles para proporcionar los “servicios de energía modernos”. Sin embargo, ¿cómo pueden realmente compararse el tradicional hogar abierto con los “servicios de energía modernos” (incluyendo los que usan fuentes de energía renovables) en términos de eficiencia, sostenibilidad, salud y seguridad? ¿Qué estamos diciendo realmente cuando argumentamos que la electricidad o el gas son “mejores” que el fuego tradicional?

La versatilidad del fuego

Una razón por la cual las personas de las sociedades industriales consideran que el fuego abierto es ineficiente e insostenible es porque desconocen, sencillamente, cómo lo usaron sus antepasados. Si actualmente consideramos que el fuego es ineficiente es porque sólo medimos la eficiencia de una de sus funciones; por lo general, suele ser la calefacción de espacios. No obstante, nuestros antepasados no sólo utilizaron el fuego para calentarse. También lo utilizaron, entre otras cosas para cocinar, iluminar, preservar los alimentos, calentar el agua, secar la ropa y protegerse de depredadores e insectos.

Illustración: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

El fuego es extremadamente versátil; es difícil destacar qué funciones fueron las más valoradas por nuestros antepasados. Por consiguiente, si medimos el uso de energía del fuego doméstico y lo comparamos con la tecnología moderna, no deberíamos compararlo únicamente con el uso de energía del sistema de calefacción o de la cocina, sino con el uso de energía de todo el hogar.

Cocinar con fuego

Sólo como dispositivo de cocina, el fuego puede acomodarse a una amplia variedad de métodos de cocción y reemplazar un número sorprendente de electrodomésticos de cocina modernos. El fuego no sólo funcionaba como dispositivo de cocina, sino también como horno. Para asar y asar a la parrilla, los alimentos se colocaban en un asador giratorio e iban cocinándose por exposición directa al fuego. Para hornear, se colocaba un recipiente de arcilla (un “horno holandés”) en las brasas del fuego. Alternativamente, se construía un horno separado en la jamba o parte trasera de la chimenea, o como estructura independiente fuera de la casa. Para hervir y freír, una olla colgaba sobre el fuego. ⁶⁷

El fuego también era el encargado de cubrir las funciones de muchos electrodomésticos más pequeños. Por ejemplo, puede pensarse que las personas sólo comenzaron a comer tostadas con la aparición del tostador eléctrico en el siglo XX, pero antes de ese momento, simplemente se sostenía un “tenedor para tostar” en el fuego. Del mismo modo, la preparación rápida de bebidas calientes no comenzó con la invención del calentador de inmersión eléctrico: mucho antes, las personas sumergían una herramienta de hierro hirviendo en una taza, calentando las bebidas en cuestión de segundos. ⁸

Sólo como dispositivo de cocina, el fuego puede acomodarse a una amplia variedad de métodos de cocción y reemplazar un número sorprendentemente grande de electrodomésticos de cocina modernos

El fuego también reemplazaba nuestros frigoríficos y congeladores actuales. En The Food Axis: Cooking, eating, and the architecture of American houses, Elizabeth Collins Cromley describe cómo se colgaban la carne y el pescado en lo alto del fuego durante varias semanas, de manera que el humo los preservase durante más tiempo. ⁶ A un nivel más simple, nuestros antepasados colgaban los cortes de carne o pescado en la chimenea de la cocina o, si no había chimenea, muy por encima del fuego, colgados en el techo. El pescado y la carne también podían ahumarse en la salida de humos o campana de la chimenea, bien como un anexo de la chimenea de la cocina, bien como una cámara construida independientemente de la chimenea, en el sótano o en la buhardilla. El ahumadero también podía estar en un edificio independiente.

Otros métodos parar conservar los alimentos también dependían del fuego. Las frutas, las verduras y las hierbas se secaban al fuego cuando el clima local no era lo suficientemente soleado. Para escarchar la fruta, elaborar la mantequilla y el queso se requería el calor del fuego. La sal, esencial para la conservación de los alimentos, se colgaba de la chimenea para mantenerla seca. ⁶

Distribuyendo Calor y Luz

El fuego, además de calor y humo, también produce luz. Como fuente de luz, el fuego era tan versátil como la iluminación eléctrica actual. La llama del fuego no sólo estaba presente en braseros o chimeneas, sino en antorchas, velas de junco y más tarde, velas y candiles. ⁹¹⁰ El calor del fuego podía extenderse, asimismo, por todo el hogar. A pesar de que la cocina solía ser el único espacio de la casa en calentarse, las brasas del fuego podían trasladarse a dispositivos portátiles de calefacción, tales como la estufa de pies o el calentador de camas. ¹¹

El fuego también calentaba el agua con la que se llevaba a cabo las tareas de lavar y fregar, una práctica que continuó con la aparición de las estufas de leña de hierro fundido; muchas de ellas tenían tanques de agua caliente. Al mismo tiempo, el fuego permitía que la ropa se secase, sustituyendo así las secadoras actuales. Y no sólo se empezó a planchar la ropa con la plancha eléctrica; desde la Edad Media, nuestros antepasados utilizaban planchas de metal lisas que se calentaban al fuego, en estufas o en “cajas de hierro” con brasas de carbón en su interior; algunas de éstas incluían una pequeña chimenea para mantener el olor a humo lejos de la ropa. ¹²

La gente no empezó a planchar sus ropas con la aparición de la plancha eléctrica. Desde la Edad Media, nuestros antepasados utilizaban planchas de metal lisas que se calentaban al fuego o con una estufa

Otra función del fuego era como centro de conversaciones y la socialización. Durante miles de años, el lugar donde ardía el fuego era “el antiguo foco de la conversación y el alma crepitante de la casa”. ³ Los televisores y teléfonos móviles han asumido actualmente estos roles, pero es dudoso que tengan el mismo atractivo para las personas que el fuego. Una cantidad considerable de bienes de consumo electrónicos imitan el efecto del fuego (como las vela o la chimenea eléctrica, las bombillas led con efecto de llama parpadeante, los vídeos de fuegos crepitantes), lo que parece indicar que los seres humanos echamos de menos el fuego.

Sostenibilidad y eficiencia

En los hogares que se constituían alrededor del fuego, la elaboración de bebidas calientes y tostadas, el secado de ropa o la iluminación ambiental no aumentaban el consumo de energía; simplemente se hace un uso más eficiente del fuego preexistente para otros fines, como el calentamiento de espacios. Para lograr el mismo resultado en la actualidad, tenemos que encender varios electrodomésticos, y todos ellos requieren un uso adicional de energía: el sistema de calefacción, el calentador de inmersión, el tostador eléctrico, la secadora y las luces.

Al mismo tiempo, debemos tener en cuenta la minería y el uso de energía necesarios para reemplazar el fuego por docenas de electrodomésticos de fábrica, que deben distribuirse individualmente a los consumidores. Para finalizar, debemos tener en cuenta, además, la energía y los materiales necesarios para construir y mantener las infraestructuras de las que dependen estos aparatos para funcionar, como la red eléctrica, las infraestructuras del gas o la cadena de frío. Por el contrario, se puede construir una chimenea parcialmente abierta con materiales de fácil disponibilidad, y su funcionamiento es independiente de las infraestructuras centralizadas.

Illustración: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

En la actualidad, las plantas de energía renovables como los paneles solares fotovoltaicos o las turbinas eólicas no abordan adecuadamente la cuestión de la energía: igualmente deben fabricarse, transportarse, mantenerse y desecharse, e implican que podemos seguir diseñando, produciendo y desechando una gama creciente de electrodomésticos para satisfacer nuestras demandas. La electricidad de biomasa tampoco haría que este sistema fuese sostenible: aunque no emplea combustibles fósiles, una gran cantidad de energía se pierde en el proceso de conversión de la biomasa en electricidad, y aun así seguimos necesitando fábricas para los electrodomésticos y las infraestructuras.

Uso de energía comparado: Hogar Antiguo vs Hogar Moderno

Si observamos el uso de la energía que hacemos actualmente en los hogares europeos, vemos que una media del 64% de toda la energía se destina a la calefacción de espacios, mientras que el 15% al calentamiento del agua, el 14% a las luces y los electrodEl fuego podría suministrar la mayoría de estos servicios. Por lo tanto, ¿cómo puede el uso de energía de un hogar tradicional con fuego abierto, compararse con el uso de energía de un hogar moderno constituido alrededor de electrodomésticos e infraestructuras?

Obviamente, el consumo energético de los hogares modernos está mejor documentado que el de los edificios y alojamientos de tiempos pasados. Sin embargo, hay investigaciones que documentan el uso de energía de los hogares que aún dependen de un fuego tradicional.

Si medimos el uso de energía de un fuego doméstico y lo comparamos con la tecnología moderna, deberíamos compararlo con el uso de energía de todo el hogar

Una investigación de 2002 sobre el consumo de leña en las casas tradicionales en Nepal estima que el consumo anual de leña en cada hogar es de entre 6 y 33 metros cúbicos, lo que se corresponde con entre 35 y 165 Gigajulios (GJ) de energía.¹³¹⁴¹⁵ Esto es bastante en comparación con el uso total de energía en los hogares contemporáneos, que es de alrededor 75 GJ al año en Alemania y alrededor de 105 GJ en Canadá.

Sin embargo, los hogares nepalíes que participaron en la investigación estaban formados por una media de 5 a 12 miembros, mientras que en los hogares modernos la media era de poco más de dos miembros. En los hogares nepalíes del estudio, el uso de energía fue de entre 2 y 33 GJ per cápita, mientras que, en otro trabajo de investigación más reciente sobre el consumo de leña para calefacción, cocina y alumbrado en Nepal, se calcula un consumo per cápita de entre 2,5 y 10 GJ de energía por persona y año. ¹⁶¹⁷ En comparación, el consumo total de energía per cápita en los hogares es de alrededor 30-40 GJ en países como Alemania, Canadá o Países Bajos.

10.000 millones de personas alrededor del fuego

Incluso si no tenemos en cuenta los recursos adicionales necesarios para construir los electrodomésticos y las infraestructuras, el consumo energético en el hogar preindustrial parece haber sido significativamente menor de lo que es hoy. De hecho, un cálculo rápido revela que, al menos en teoría, 10.000 millones de personas que usan el hogar abierto como única fuente de energía sería una práctica perfectamente sostenible.

Suponiendo un consumo medio de leña de 6 m3 per cápita, necesitaríamos 60 mil millones de metros cúbicos de madera anualmente. Un metro cúbico de madera requiere un rendimiento anual de 0.2 ha de monte bajo, por lo que necesitamos 12 mil millones de hectáreas o 120 millones de kilómetros cuadrados de bosque si queremos evitar la deforestación. Eso es tres veces más de lo que tenemos hoy en día, y alrededor del 80% de la superficie terrestre total de nuestro planeta (150 millones de kilómetros cuadrados).

Debido a que no necesitamos espacio adicional para que las fábricas y las carreteras fabriquen y distribuyan bienes de consumo, en realidad podríamos volver al hogar abierto sin destruir el medio ambiente. No se puede decir lo mismo de 10 mil millones de personas utilizando combustibles fósiles e infraestructuras modernas.

Salud vs. Sostenibilidad

Si no es por su sostenibilidad o eficiencia, ¿por qué consideramos que los “servicios de energía modernos” son superiores al fuego tradicional? La supresión del fuego abierto en las ciudades modernas está respaldada por dos argumentos adicionales: el fuego no es saludable (ya que contamina el aire) y es peligroso (comporta riesgo de incendio incontrolable). Estos riesgos son reales, pero ¿cómo se compara el fuego con los “servicios de energía modernos” en términos de salud y seguridad?

No hay duda de que al sustituir el fuego doméstico por las infraestructuras modernas se ha mejorado la calidad del aire, la salud y la seguridad en las ciudades. Pero esto puede ser sólo una ganancia temporal; las infraestructuras modernas son, al menos, tan peligrosas para la seguridad y la salud como el fuego, debido a la dependencia de los combustibles fósiles.

¿Cómo podemos comparar el fuego con los “servicios de energía modernos” en términos de salud y seguridad?

Un ejemplo son las olas de calor y los incendios forestales que están asolando Australia mientras escribo esto; están matando personas, destruyendo propiedades y provocando que una espesa nube de humo cubra algunas de las ciudades más importantes. Sin embargo, estos incendios no han sido causados por el uso de fuegos abiertos o chimeneas; son la consecuencia del cambio climático, causado principalmente por el uso de infraestructuras industriales por parte de las personas, alimentadas por combustibles fósiles.

La gran dependencia de infraestructuras centrales para cubrir tantas necesidades vitales es otro riesgo para la salud y la seguridad: si se corta el suministro de energía a una gran ciudad, casi todo deja de funcionar, incluida la red de alcantarillado, el almacenamiento de alimentos y las alarmas antirrobo.

La visión problemática que tenemos del fuego como algo anticuado se debe en parte a la combinación de dos conceptos distintos: la “salud” y la “sostenibilidad”. De hecho, algo puede ser al mismo tiempo saludable, seguro y sostenible, como por ejemplo caminar –siempre que haya acera. Pero algo también puede ser saludable y seguro y, sin embargo, no muy sostenible (como el frigorífico, que depende de una cadena de frío que consume mucha energía). Como contrapartida, algo puede ser sostenible pero no muy saludable o seguro (como una sala en el sótano de ahumado de carne y pescado).

Salud y longevidad son conceptos que queremos, “necesitamos” o deseamos; y a los que nosotros, como individuos, nos sentimos con derecho. Así como nos sentimos con derecho a ciertos niveles de comodidad, conveniencia, velocidad o higiene. Aunque para definir la sostenibilidad, tenemos que preguntarnos qué niveles de comodidad, conveniencia, higiene, velocidad, seguridad y salud humanas puede soportar nuestro medio ambiente antes de que colapse. Cuando entran en conflicto entre sí, podemos elegir seguridad y salud antes que sostenibilidad, pero sólo a expensas de la seguridad y la salud de nuestras generaciones futuras de jóvenes.

Roebroeks, Wil, and Paola Villa. “On the earliest evidence for habitual use of fire in Europe.”. Proceedings of the National Academy of Sciences 108.13 (2011): 5209-5214. ↩︎
Berna, Francesco, et al. “Microstratigraphic evidence of in situ fire in the Acheulean strata of Wonderwerk Cave, Northern Cape province, South Africa.” Proceedings of the National Academy of Sciences 109.20 (2012): E1215-E1220. ↩︎
Fernández, Guillén, and Luis Fernández-Galiano. Fire and memory: on architecture and energy. Mit Press, 2000. ↩︎ ↩︎
Pyne, Stephen J. Fire: a brief history. University of Washington Press, 2019. ↩︎
https://www.seforall.org ↩︎
Collins Cromley, Elizabeth. The food axis: cooking, eating, and the architecture of American houses. University of Virginia Press, 2010. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Unlike today’s gas or electric stoves and ovens, a fire has no buttons to control its temperature. For boiling and simmering, this was solved by hanging the pots on a crane, which could be raised or lowered. In ovens, cooks decided to bake pies or bread first while the oven is the hottest, then, successively as the oven cools down, gingerbread, custards, then grains could be put in to dry. [6] ↩︎
Marcoux, Paula. Cooking with fire: From roasting on a spit to baking in a tannur, rediscovered techniques and recipes that capture the flavors of wood-fired cooking. Storey Publishing, 2014. ↩︎
Hough, Walter. Fire as an agent in human culture. No. 139. Govt. print. Off., 1926. ↩︎
The energy source for these distributed fires were wood, resin, wax, fat, grease or oil. Needs for special concentration and position of the source of illumination stimulated the invention of holders, brackets, and stands. [9] ↩︎
Heating people, not spaces: restoring the old way of warming, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2016. ↩︎
History of ironing, Old & Interesting, retrieved December 26, 2019. ↩︎
Rijal, H. B., and H. Yoshida. “Investigation and evaluation of firewood consumption in traditional houses in Nepal.” Proceedings: Indoor Air (2002): 1000-1005. ↩︎
The energy content of 1 m3 of wood also depends on the type of wood and how it is stacked. I’ve compared apples to apples when it was possible, but this was not always the case so the result is only a rough estimate. ↩︎
The annual firewood usage in 18th century Austria (Carinthia) was limited to 35 m3 per household. Source: Peter, Sieferle Rolf. The subterranean forest. Cambridge: The White Horse Press, 2001. ↩︎
Rijal, Hom Bahadur. “Firewood Consumption in Nepal.” Sustainable Houses and Living in the Hot-Humid Climates of Asia. Springer, Singapore, 2018. 335-344. ↩︎
The results are 0.5 to 2 m3 of firewoord per person per year, which I have converted to 2.5 to 10 GJ of energy per person per year. ↩︎