LOW←TECH MAGAZINE Español

Manteniendo Algunas Luces Encendidas: Redefiniendo la Seguridad Energética

Tue, 16 Jan 2024 00:00:00 +0000

Mantener un suministro constante de algo que es finito es imposible. Imagen: [Camilla MP](https://www.flickr.com/photos/dieknochenblume/8454004839/in/photolist-nJrNa3-z9St6d-vicpX8-bjNYMa-CNWajb-PKUbFu-8TqWZX-qzaoch-r3Gb3J-28jYUV3-p3gMD1-snwVj-2chyArN-4ehCVH-cWuLz-dT3Z78-pnFKK9-5qGDSP-hxU2d7-24uoKVs-f7CoCe-93ZqZQ-jPMVaK-T4yoN-4HiX59-97Kq68-23hFdSw-jE59uD-9aFpr7-68DbEo-NvymKZ-335BtT-8RtT65-a6Jut4-nt2zNy-qrkSGP-HPM9ee-bcdyA2-5Fy731-FGSpvq-eqKSpH-8jGFmq-qcFSw4-6USSog-dJEYby-jk3JQ2-7BMzWV-jetX2F-hLnHJy-5SHzAW).

A medida que una sociedad depende más de las fuentes de energía para su funcionamiento diario, se vuelve más vulnerable si se interrumpe el suministro de energía. Este hecho evidente se ignora en las estrategias actuales para lograr la seguridad energética, volviéndolas contraproducentes.

¿Qué es la Seguridad Energética?

¿Qué significa para una sociedad tener “seguridad energética”? Aunque existen más de cuarenta definiciones diferentes del concepto, todas comparten el criterio fundamental de que el suministro de energía siempre debe satisfacer la demanda de energía. Esto también implica que el suministro de energía debe ser constante, sin interrupciones en el servicio. ¹ ² ³ ⁴ Por ejemplo, la Agencia Internacional de Energía (AIE) define la seguridad energética como “la disponibilidad ininterrumpida de fuentes de energía a un precio asequible”, el Departamento de Energía y Cambio Climático de EE. UU. (DECC) define el concepto como “los riesgos de interrupción en el suministro de energía son bajos”, y la UE lo define como un “suministro estable y abundante de energía”. ⁵ ⁶ ⁷

Históricamente, la seguridad energética se lograba asegurando el acceso a bosques o turberas para la energía térmica y a fuentes de energía mecánica como humana, animal, eólica o hidráulica. Con la llegada de la Revolución Industrial, la seguridad energética pasó a depender del suministro de combustibles fósiles. Como concepto teórico, la seguridad energética está estrechamente relacionada con las crisis del petróleo de la década de 1970, cuando embargos y manipulaciones de precios limitaron el suministro de petróleo a las naciones occidentales. Como resultado, la mayoría de las sociedades industrializadas aún acumulan reservas de petróleo equivalentes a varios meses de consumo.

Aunque el petróleo sigue siendo tan vital para las economías industriales como lo era en la década de 1970, principalmente para el transporte y la agricultura, ahora se reconoce que la seguridad energética en las sociedades modernas también depende de otras infraestructuras, como las que suministran gas, electricidad e incluso datos. Además, estas infraestructuras están interconectándose cada vez más y dependen unas de otras. Por ejemplo, el gas es un combustible importante para la producción de energía, mientras que ahora se requiere que la red eléctrica opere los gasoductos. Las redes eléctricas son necesarias para ejecutar las redes de datos, y ahora las redes de datos son necesarias para ejecutar las redes eléctricas.

Las redes eléctricas son necesarias para operar las redes de datos, y las redes de datos son necesarias para operar las redes eléctricas.

Este artículo investiga el concepto de seguridad energética centrándose en la red eléctrica, que se ha vuelto tan vital para las sociedades industriales como el petróleo. Además, la electrificación se considera una forma de disminuir la dependencia de los combustibles fósiles, como los vehículos eléctricos, las bombas de calor y los aerogeneradores.

La “seguridad” o “confiabilidad” de una red eléctrica se puede medir con precisión mediante indicadores de continuidad como la “Probabilidad de Pérdida de Carga” (LOLP) y el “Índice de Duración Promedio de Interrupción del Sistema” (SAIDI). Utilizando estos indicadores, solo se puede concluir que las redes eléctricas en las sociedades industriales son muy seguras. Por ejemplo, en Alemania, la electricidad está disponible el 99,996% del tiempo, lo que corresponde a una interrupción del servicio de menos de media hora por cliente al año.⁸ Incluso los países con peor rendimiento en Europa (Letonia, Polonia, Lituania) tienen escasez de suministro de sólo ocho horas por cliente al año, lo que corresponde a una confiabilidad del 99,90%.⁸ La red eléctrica de EE. UU. se encuentra entre estos valores, con interrupciones de suministro de menos de cuatro horas por cliente al año (confiabilidad del 99,96%).⁹

¿Qué tan segura es una red eléctrica renovable?

En la operación actual de las infraestructuras, el paradigma es que los consumidores podrían y deberían tener acceso a tanta electricidad, gas, petróleo, datos o agua como deseen, en cualquier momento que lo deseen y durante el tiempo que lo deseen. El único requisito es que paguen la factura. Mirando al sector eléctrico, esta visión de la seguridad energética es bastante problemática, por varias razones. En primer lugar, la mayoría de las fuentes de energía de las que se produce electricidad son finitas, y mantener un suministro constante de algo finito es, por supuesto, imposible. A largo plazo, la estrategia para mantener la seguridad energética está destinada a fracasar. A corto plazo, puede alterar el clima y provocar conflictos armados.

La Agencia Internacional de Energía (AIE), creada tras la primera crisis del petróleo a principios de la década de 1970, fomenta el uso de fuentes de energía renovable para diversificar el suministro de energía y mejorar la seguridad energética a largo plazo. Un sistema de energía renovable no depende de importaciones extranjeras de energía ni es vulnerable a manipulaciones en los precios del combustible, que son las principales preocupaciones en una infraestructura energética basada en gran medida en los combustibles fósiles. Por supuesto, los paneles solares y las turbinas eólicas tienen vidas útiles limitadas y deben fabricarse, lo que también requiere recursos que podrían provenir del extranjero o que pueden agotarse. Pero, una vez instalados, los sistemas de energía renovable son “seguros” de una manera y por un período de tiempo que los combustibles fósiles (y la energía atómica) no lo son.

Las fuentes de energía renovable plantean desafíos fundamentales para la comprensión actual de la seguridad energética.

Además, la energía solar y eólica brinda mayor seguridad en cuanto a fallos físicos o sabotajes, aún más cuando la producción de energía renovable está descentralizada. Las plantas de energía renovable también tienen emisiones de CO2 más bajas, y los eventos climáticos extremos causados por el cambio climático representan un riesgo para la seguridad energética. Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas, las fuentes de energía renovable plantean desafíos fundamentales para la comprensión actual de la seguridad energética. Lo más importante es que las fuentes de energía renovable con mayor potencial, como el sol y el viento, solo están disponibles intermitentemente, según el clima y las estaciones. Esto significa que la energía solar y eólica no cumplen con el criterio que todas las definiciones de seguridad energética consideran esencial: la necesidad de un suministro ininterrumpido e ilimitado de energía.

Imagen: [Eduard Bezembinder](https://www.flickr.com/photos/bezembinder/3560945758/in/photolist-6qEM7w-7urQui-iSeKZ-8VjqeD-dUgKQ-e4ybCy-eke2Zk-ekeCdc-eke4NV-qBE1z-6Dfw5n-68EJKh-ekk6Rs-qBE2V-NqkS-oWp8Du-psYQc1-pCDop-5JSFFH-9fr321-oguPbE-6pZ6MT-dZ9YLx-vhpHJb-3oeLdu-69J2h1-7hatWp-d26CpQ-27dVzAC-5BEpZz-sUBfz-7B8zeq-HkygG-bHhG5R-2UoYjD-bRCZnx-o1e2oL-4LcBmy-69vhwD-ekz9ec-bLqreV-5jtvAp-2GUCLK-GpCny7-s36gn-dy6aBU-8moRHP-8rrRxd-5BJJyC-8KdmGR).

La fiabilidad de una red eléctrica con un alto porcentaje de energía solar y eólica estaría significativamente por debajo de los estándares actuales de continuidad del servicio. ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ En una red eléctrica renovable de este tipo, el suministro de energía las 24 horas, los 7 días de la semana, solo se puede mantener a costos muy elevados, ya que requiere una infraestructura extensa para el almacenamiento de energía, la transmisión de energía y la capacidad de generación excedente. Esta infraestructura adicional corre el riesgo de hacer que una red eléctrica renovable sea insostenible, porque, por encima de un cierto umbral, la energía de los combustibles fósiles utilizada para construir, instalar y mantener esta infraestructura se vuelve más alta que la energía de los combustibles fósiles ahorrada por los paneles solares y las turbinas eólicas.

Las fuentes de energía renovable como el viento y el sol tienen ventajas que las definiciones actuales de seguridad energética no capturan

La intermitencia no es la única desventaja de las fuentes de energía renovable. Aunque muchos medios de comunicación y organizaciones medioambientales han pintado un panorama de la energía solar y eólica como fuentes abundantes de energía (“El sol entrega más energía a la Tierra en una hora de la que el mundo consume en un año”), la realidad es más compleja. El suministro “bruto” de energía solar (y eólica) es realmente enorme. Sin embargo, debido a su muy baja densidad de potencia, para convertir este suministro de energía en una forma útil, los paneles solares y las turbinas eólicas requieren magnitudes de espacio y materiales mucho mayores en comparación con las plantas de energía térmica, incluso si se incluye la extracción y distribución de combustibles. ¹⁵ Por lo tanto, una red eléctrica renovable no puede garantizar que los consumidores tengan acceso a tanta electricidad como deseen, incluso si las condiciones meteorológicas son óptimas.

¿Qué tan seguro es un sistema de energía fuera de la red?

Las políticas energéticas actuales relacionadas con la electricidad intentan conciliar tres objetivos: un suministro ininterrumpido e ilimitado de energía, la asequibilidad de los precios de la electricidad y la sostenibilidad ambiental. Una red eléctrica basada principalmente en combustibles fósiles y energía nuclear no puede lograr el objetivo de la sostenibilidad ambiental y solo puede alcanzar los otros objetivos siempre y cuando los proveedores extranjeros no corten los suministros o aumenten los precios de la energía (o mientras no se agoten las reservas nacionales o internacionales).

Sin embargo, una red eléctrica renovable tampoco puede conciliar estos tres objetivos. Para lograr un suministro ininterrumpido las 24 horas, los 7 días de la semana, la infraestructura debe ser sobredimensionada, lo que la hace cara e insostenible. Sin esa infraestructura, una red eléctrica renovable podría ser asequible y sostenible, pero nunca podría ofrecer un suministro ilimitado las 24/7. En consecuencia, si queremos una infraestructura de energía que sea asequible y sostenible, necesitamos redefinir el concepto de seguridad energética y cuestionar el criterio de un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido.

Si miramos más allá de las típicas infraestructuras centralizadas a gran escala en las sociedades industriales, queda claro que no todos los sistemas de provisión ofrecen un suministro ilimitado de recursos. La microgeneración fuera de la red, la producción y almacenamiento local de electricidad mediante baterías y paneles solares fotovoltaicos o aerogeneradores, es un ejemplo. En principio, los sistemas fuera de la red pueden dimensionarse de manera que estén “siempre encendidos”. Esto se puede lograr siguiendo el “método del peor mes”, que sobredimensiona la capacidad de generación y almacenamiento para que el suministro pueda satisfacer la demanda incluso durante los días más cortos y oscuros del año.

Ajustar el suministro a la demanda en todo momento hace que un sistema fuera de la red sea muy costoso e insostenible, especialmente en climas con alta estacionalidad

Sin embargo, al igual que en una imaginaria red de energía renovable a gran escala, ajustar el suministro a la demanda en todo momento hace que un sistema fuera de la red sea muy costoso e insostenible, especialmente en climas con alta estacionalidad. ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ Por lo tanto, la mayoría de los sistemas fuera de la red se dimensionan según un método que busca un equilibrio entre confiabilidad, costo económico y sostenibilidad. El “método de dimensionamiento de la probabilidad de pérdida de carga” especifica un número de días al año en los que el suministro no coincide con la demanda. ¹⁹ ²⁰ ²¹ En otras palabras, el sistema se dimensiona no sólo según una demanda de energía proyectada, sino también según el presupuesto disponible y/o el espacio disponible.

Imagen: [Stephen Yang / The Solutions Project](https://www.flickr.com/photos/149368236@N06/33068752693/in/photolist-Sob15v-bBnpyx-keyKG-cuaVX3-nuP1zk-U2eVh7-cuaWEf-pskKMf-cuaswE-p27cJW-cu9SQu-cuaMky-mCLFCt-ajiCfB-4AFrsp-943usV-TyoqrN-pu9HK-erKVcJ-aYHgDT-7zrUXc-tQv77b-6xot6g-baF4gg-Xjymka-qHgAkg-ii2jys-9eD7tj-9fJDFi-Ge2Mn-guUowg-amvdKB-cvDZ15-79wfLn-c6XjSS-ddFjjF-9KYuQV-8Zp8z6-guV3wK-9P1nHp-q5c2cz-9RCRVu-cD8w4d-9YDNzC-7ehy1e-4obYkG-8tkNMS-cvDZru-4obYtN-23Aqhr).

Dimensionar un sistema de energía fuera de la red de esta manera genera reducciones significativas de costos, incluso si se reduce un poco la “confiabilidad”. Por ejemplo, un cálculo para una casa fuera de la red en España muestra que disminuir la confiabilidad del 99.75% al 99.00% produce una reducción del 60% en los costos, con beneficios similares para la sostenibilidad. El suministro se interrumpiría durante 87.6 horas al año, en comparación con las 22 horas en el sistema de mayor confiabilidad. ¹⁶

Según la comprensión actual de la seguridad energética, los sistemas de energía fuera de la red dimensionados de esta manera son un fracaso: el suministro de energía no siempre satisface la demanda de energía. Sin embargo, aquellos que viven fuera de la red no parecen quejarse de la falta de seguridad energética, al contrario. Hay una razón simple para esto: adaptan su demanda de energía a un suministro de energía limitado e intermitente.

En su libro de 2015 Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life, Phillip Vannini y Jonathan Taggart documentaron sus viajes por Canadá para entrevistar a alrededor de 100 hogares fuera de la red. ²² Entre sus observaciones más importantes se encuentra que aquellos que viven fuera de la red de manera voluntaria utilizan menos electricidad en general y se adaptan rutinariamente a su demanda de energía según el clima y las estaciones.

Quienes viven fuera de la red de manera voluntaria utilizan menos electricidad en general y se adaptan rutinariamente a su demanda de energía según el clima y las estaciones.

Por ejemplo, las lavadoras, aspiradoras, herramientas eléctricas, tostadoras o consolas de videojuegos no se usan en absoluto o solo se utilizan durante períodos de abundante energía, cuando las baterías ya no pueden almacenar más carga. Si el cielo está nublado, quienes viven fuera de la red actúan de manera diferente para consumir menos energía y tener algo más para el día siguiente. Vannini y Taggart también observan que quienes viven fuera de la red de manera voluntaria parecen sentirse perfectamente satisfechos con niveles de iluminación o calefacción diferentes a los estándares que muchos en el mundo occidental han llegado a esperar. A menudo, esto se manifiesta en la concentración de actividades alrededor de fuentes de calor y luz más localizadas. ²²

Observaciones similares se pueden hacer en lugares donde las personas, de manera involuntaria, dependen de infraestructuras que no están siempre en funcionamiento. Si las redes centralizadas de agua, electricidad y datos están presentes en países menos industrializados, a menudo se caracterizan por interrupciones regulares e irregulares en el suministro. ²³ ²⁴ ²⁵ Sin embargo, a pesar de la muy baja confiabilidad de estas infraestructuras, según los indicadores comunes de continuidad, la vida continúa. Las rutinas diarias en los hogares se adaptan a las interrupciones de los sistemas de suministro, que se perciben como normales y una parte en gran medida aceptada de la vida. Por ejemplo, si la electricidad, el agua o Internet solo están disponibles durante ciertas horas del día, las tareas domésticas u otras actividades se planifican en consecuencia. Además, las personas utilizan menos energía en general: la infraestructura simplemente no permite un estilo de vida intensivo en recursos. ²³

Más confiable, ¿menos seguro?

La muy alta “confiabilidad” de las redes eléctricas en las sociedades industriales se justifica mediante el cálculo del “valor de la carga perdida” (VOLL), que compara la pérdida financiera debido a las escaseces de energía con los costos adicionales de inversión para evitar estas escaseces. ¹ ¹⁰ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹ Sin embargo, el valor de la carga perdida depende en gran medida de cómo esté organizada la sociedad. Cuanto más dependa de la electricidad, mayores serán las pérdidas financieras debido a las escaseces de energía.

Las definiciones actuales de seguridad energética consideran que la oferta y la demanda no están relacionadas y se centran casi por completo en asegurar la oferta de energía. Sin embargo, las formas alternativas de infraestructuras energéticas, como las descritas anteriormente, demuestran que las personas se adaptan y ajustan sus expectativas a un suministro de energía limitado y no siempre disponible. En otras palabras, la seguridad energética se puede mejorar no solo aumentando la confiabilidad, sino también reduciendo la dependencia de la energía.

Imagen: Terminal de almacenamiento de gas natural. [Jason Woodhead](https://www.flickr.com/photos/woodhead/7150825737/in/photolist-bTTRmV-85JomL-jysSQn-fw7gTZ-5Jkm2T-eDueWy-ohYc4x-fFxZCm-eD8VG8-eDfhqy-8pCnxZ-qPTdqx-22WNtVf-fFybmb-fFxRVG-fFyhCf-mGNU1p-24mDPG2-8efS2s-fFguSX-nN4pMi-fFgpjT-6br69i-hVGdgU-9DSQQ5-cDwVt-EqVP-dp7vJX-fwmwQh-oHAfHH-fFy6QS-fFgvS8-aaCofJ-fFxW5L-agEkAL-eDfonE-fFgrrn-eD9m9a-PLLffy-fFggcX-fFgka6-nRdzs-fFgwFH-88JrU8-nN4epz-2atchc9-nN523B-24mDNL4-2atciAb-GFzRM).

La demanda y la oferta también están interconectadas y se influyen mutuamente en sistemas eléctricos 24/7, pero con el efecto opuesto. Al igual que las infraestructuras de energía “no confiables” fuera de la red fomentan estilos de vida menos dependientes de la electricidad, las infraestructuras “confiables” fomentan estilos de vida que dependen cada vez más de la electricidad.

Las sociedades industriales con redes eléctricas “confiables” son, de hecho, las más débiles y frágiles frente a las interrupciones en el suministro.

En su libro de 2018 Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies, Olivier Coutard y Elizabeth Shove argumentan que un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido ha permitido que las personas en las sociedades industriales adopten una multitud de tecnologías dependientes de la energía, como lavadoras, aires acondicionados, refrigeradores, puertas automáticas o acceso a Internet móvil las 24 horas del día, los 7 días de la semana, que se vuelven “normales” y centrales para la vida cotidiana. Al mismo tiempo, formas alternativas de hacer las cosas, como lavar la ropa a mano, almacenar alimentos sin electricidad, mantenerse fresco sin aire acondicionado o navegar y comunicarse sin teléfonos móviles, han desaparecido o están desapareciendo.

Como resultado, la seguridad energética es, de hecho, mayor en los sistemas de energía fuera de la red y en infraestructuras de energía central “no confiables”, mientras que las sociedades industriales son las más débiles y frágiles frente a las interrupciones en el suministro. Lo que generalmente se asume como una prueba de seguridad energética, un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido, en realidad está volviendo a las sociedades industriales cada vez más vulnerables a las interrupciones en el suministro: las personas carecen cada vez más de las habilidades y la tecnología para funcionar sin un suministro continuo de energía.

Redefiniendo la seguridad energética

Para llegar a una definición más precisa de la seguridad energética, es necesario definir el concepto no en términos de commodities como kilovatios-hora de electricidad, sino en términos de servicios energéticos, prácticas sociales o necesidades básicas. ¹ Las personas no necesitan electricidad en sí misma. Lo que necesitan es almacenar alimentos, lavar la ropa, abrir y cerrar puertas, comunicarse entre sí, moverse de un lugar a otro, ver en la oscuridad, y así sucesivamente. Todas estas cosas se pueden lograr ya sea con o sin electricidad, y en el primer caso, con más o menos electricidad.

Definida de esta manera, la seguridad energética no se trata solo de asegurar el suministro de electricidad, sino también de mejorar la resiliencia de la sociedad, de manera que dependa menos de un suministro continuo de energía. Esto incluye la resiliencia de las personas (¿tienen las habilidades para hacer cosas sin electricidad?), la resiliencia de dispositivos y sistemas tecnológicos (¿pueden manejar un suministro intermitente de energía?), y la resiliencia de las instituciones (¿es legal operar una red eléctrica que no está siempre encendida?). Dependiendo de la resiliencia de la sociedad, una interrupción del suministro eléctrico puede o no conducir a una interrupción de los servicios energéticos o prácticas sociales.

Por ejemplo, aunque nuestro sistema de distribución de alimentos depende de una cadena de frío que requiere un suministro continuo de energía, existen muchas alternativas. Podríamos adaptar los refrigeradores a un suministro eléctrico irregular aislando mucho mejor, podríamos reintroducir bodegas frías (que mantienen los alimentos frescos sin electricidad), o podríamos volver a aprender métodos antiguos de almacenamiento de alimentos, como la fermentación. También podríamos mejorar las habilidades de las personas en términos de cocina fresca, cambiar a dietas basadas en ingredientes que no necesitan almacenamiento en frío y fomentar las compras diarias locales en lugar de viajes semanales a grandes supermercados.

Para mejorar la seguridad energética, debemos volver menos confiables las infraestructuras.

Si examinamos la seguridad energética de manera más integral, teniendo en cuenta tanto la oferta como la demanda, rápidamente queda claro que la seguridad energética en las sociedades industriales sigue deteriorándose. Seguimos delegando cada vez más tareas a máquinas, computadoras e infraestructuras a gran escala, aumentando así nuestra dependencia de la electricidad. Además, Internet se está volviendo tan esencial como la red eléctrica, y tendencias como la computación en la nube, el Internet de las cosas y los vehículos autónomos se basan en varias capas interconectadas de infraestructuras que operan de manera continua.

Imagen: Una línea eléctrica abandonada.[Miura Paulison](https://www.flickr.com/photos/paulisson_miura/10318768955/in/photolist-gHQovz-kCLi9r-82pqq6-f4539G-6i3Aih-5m5G9b-6RkZvr-6V6k85-2b9wdNP-4DvxJx-WfvmJT-5CGLgF-5C1ojh-eANWrM-kjDG4Z-9QKWz-DnnTH9-ntvKWL-82sxbf-UssMS3-deJRBD-d6qh1S-5C1ooU-tkcYLj-MpbqCB-84zF9u-5CM5d7-5CM51J-82ppX6-a1H2sr-Rd9o59-a1LEed-6W3He9-VCD56X-bg3vgT-5BW5CT-82sxDb-2b1hTxi-6hpZ1g-8d19tj-qm9Cy-cgpx3-gszM15-eANtbt-MpbCWK-98h2dj-7HyrGe-5md8aD-d9fLdq-2cyGoSv).

Porque la demanda y la oferta se influyen mutuamente, llegamos a una conclusión contraintuitiva: para mejorar la seguridad energética, necesitamos hacer que la red eléctrica sea menos confiable. Esto fomentaría la resiliencia y la sustitución, haciendo que las sociedades industriales sean menos vulnerables a las interrupciones en el suministro. Coutard y Shove argumentan que “tendría sentido prestar más atención a las oportunidades de innovación que surgen cuando los grandes sistemas de red se debilitan y abandonan, o cuando se vuelven menos confiables”. Añaden que las experiencias de quienes viven sin conexión a la red “brindan algunas ideas sobre los tipos de configuración en juego”. ³⁰

Argumentar a favor de un suministro eléctrico menos confiable seguramente generará controversia. De hecho, la frase “Mantener las luces encendidas” se utiliza a menudo para justificar reformas energéticas como la construcción de más plantas atómicas o mantenerlas en funcionamiento más allá de sus vidas útiles planificadas. Para lograr una seguridad energética real, “mantener las luces encendidas” debería ser reemplazado por frases como “mantener algunas de las luces encendidas”, “¿cuáles luces deberíamos apagar a continuación?” o “¿qué tiene de malo un poco más de oscuridad?”. ³¹ Obviamente, un suministro de energía menos confiable traería cambios fundamentales a las rutinas y tecnologías, ya sea en hogares, fábricas, sistemas de transporte o redes de comunicación – pero ese es precisamente el punto. Las formas de vida actuales en las sociedades industriales simplemente no son sostenibles.

Este artículo fue originalmente escrito para el Centro de Demanda del Reino Unido.

Winzer, Christian. “Conceptualizing energy security.” Energy policy 46 (2012): 36-48. https://www.repository.cam.ac.uk/bitstream/handle/1810/242060/cwpe1151.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎ ↩︎ ↩︎
Sovacool, Benjamin K., and Ishani Mukherjee. “Conceptualizing and measuring energy security: A synthesized approach.” Energy 36.8 (2011): 5343-5355. https://relooney.com/NS4053-Energy/00-Energy-Security_1.pdf ↩︎
Kruyt, Bert, et al. “Indicators for energy security.” Energy policy37.6 (2009): 2166-2181. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421509000883 ↩︎
Cherp, Aleh, and Jessica Jewell. “The concept of energy security: Beyond the four As.” Energy Policy 75 (2014): 415-421. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421514004960 ↩︎
Energy security, International Energy Agency. https://www.iea.org/topics/energysecurity/ ↩︎
Lucas, Javier Noel Valdés, Gonzalo Escribano Francés, and Enrique San Martín González. “Energy security and renewable energy deployment in the EU: Liaisons Dangereuses or Virtuous Circle?.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 62 (2016): 1032-1046. https://www.researchgate.net/profile/Javier_Valdes4/publication/303361228_Energy_security_and_renewable_energy_deployment_in_the_EU_Liaisons_Dangereuses_or_Virtuous_Circle/links/5a536f45458515e7b72eab26/Energy-security-and-renewable-energy-deployment-in-the-EU-Liaisons-Dangereuses-or-Virtuous-Circle.pdf ↩︎
Strambo, Claudia, Måns Nilsson, and André Månsson. “Coherent or inconsistent? Assessing energy security and climate policy interaction within the European Union.” Energy Research & Social Science 8 (2015): 1-12. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221462961500047X ↩︎
CEER Benchmarking Report 6.1 on the Continuity of Electricity and Gas Supply. Data update 2015/2016. Ref: C18-EQS-86-03. 26-July-2018. Council of European Energy Regulators. https://www.ceer.eu/documents/104400/-/-/963153e6-2f42-78eb-22a4-06f1552dd34c ↩︎ ↩︎
Average frequency and duration of electric distribution outages vary by states. U.S. Energy Information Administration (EIA). April 5, 2018. https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=35652 ↩︎
Röpke, Luise. “The development of renewable energies and supply security: a trade-off analysis.” Energy policy 61 (2013): 1011-1021. https://www.econstor.eu/bitstream/10419/73854/1/IfoWorkingPaper-151.pdf ↩︎ ↩︎
“Evolutions in energy conservation policies in the time of renewables”, Nicola Lablanca, Isabella Maschio, Paolo Bertoldi, ECEEE 2015 Summer Study – First Fuel Now. https://www.eceee.org/library/conference_proceedings/eceee_Summer_Studies/2015/9-dynamics-of-consumption/evolutions-in-energy-conservation-policies-in-the-time-of-renewables/ ↩︎
“How not to run a modern society on solar and wind power alone”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. <here. ↩︎
Nedic, Dusko, et al. Security assessment of future UK electricity scenarios. Tyndall Centre for Climate Change Research, 2005. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.461.4834&rep=rep1&type=pdf ↩︎
Zhou, P., R. Y. Jin, and L. W. Fan. “Reliability and economic evaluation of power system with renewables: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 58 (2016): 537-547. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136403211501727X ↩︎
Smil, Vaclav. Power density: a key to understanding energy sources and uses. MIT Press, 2015. https://mitpress.mit.edu/books/power-density ↩︎
Landeira, Cristina Cabo, Ángeles López-Agüera, and Fernando Núñez Sánchez. “Loss of Load Probability method applicability limits as function of consumption types and climate conditions in stand-alone PV systems.” (2018). https://www.researchgate.net/profile/Cristina_Cabo2/publication/324080184_Loss_of_Load_Probability_method_applicability_limits_as_function_of_consumption_types_and_climate_conditions_in_stand-alone_PV_systems/links/5abca9fa45851584fa6e1efd/Loss-of-Load-Probability-method-applicability-limits-as-function-of-consumption-types-and-climate-conditions-in-stand-alone-PV-systems.pdf ↩︎ ↩︎
Singh, S. Sanajaoba, and Eugene Fernandez. “Method for evaluating battery size based on loss of load probability concept for a remote PV system.” Power India International Conference (PIICON), 2014 6th IEEE. IEEE, 2014. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7117729 ↩︎
How sustainanle is stored sunlight? Kris De Decker, Low-tech Magazine. here. ↩︎
Chapman, R. N. “Sizing Handbook for Stand-Alone Photovoltaic.” Storage Systems, Sandia Report, SAND87-1087, Albuquerque (1987). https://prod.sandia.gov/techlib-noauth/access-control.cgi/1987/871087.pdf ↩︎
Posadillo, R., and R. López Luque. “A sizing method for stand-alone PV installations with variable demand.” Renewable Energy33.5 (2008): 1049-1055. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096014810700184X ↩︎
Khatib, Tamer, Ibrahim A. Ibrahim, and Azah Mohamed. “A review on sizing methodologies of photovoltaic array and storage battery in a standalone photovoltaic system.” Energy Conversion and Management 120 (2016): 430-448. https://staff.najah.edu/media/published_research/2017/01/19/A_review_on_sizing_methodologies_of_photovoltaic_array_and_storage_battery_in_a_standalone_photovoltaic_system.pdf ↩︎
Vannini, Phillip, and Jonathan Taggart. Off the grid: re-assembling domestic life. Routledge, 2014. http://lifeoffgrid.ca/off-grid-living-the-book/ ↩︎ ↩︎
“Materialising energy and water resources in everyday practices: insights for securing supply systems”, Yolande Strengers, Cecily Maller, in “Global Environmental Change 22 (2012), pp. 754-763. http://researchbank.rmit.edu.au/view/rmit%3A17990/n2006038376.pdf ↩︎ ↩︎
Pillai, N. “Loss of Load Probability of a Power System.” (2008). https://mpra.ub.uni-muenchen.de/6953/1/MPRA_paper_6953.pdf ↩︎
Al-Rubaye, Mohannad Jabbar Mnati, and Alex Van den Bossche. “Decades without a real grid: a living experience in Iraq.” International Conference on Sustainable Energy and Environment Sensing (SEES 2018). 2018. https://biblio.ugent.be/publication/8566224 ↩︎
Telson, Michael L. “The economics of alternative levels of reliability for electric power generation systems.” The Bell Journal of Economics (1975): 679-694. https://www.jstor.org/stable/3003250?seq=1#page_scan_tab_contents ↩︎
Schröder, Thomas, and Wilhelm Kuckshinrichs. “Value of lost load: an efficient economic indicator for power supply security? A literature review.” Frontiers in energy research 3 (2015): 55. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2015.00055/full ↩︎
Ratha, Anubhav, Emil Iggland, and Goran Andersson. “Value of Lost Load: How much is supply security worth?.” Power and Energy Society General Meeting (PES), 2013 IEEE. IEEE, 2013. https://www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/itet/institute-eeh/power-systems-dam/documents/SAMA/2012/Ratha-SA-2012.pdf ↩︎
De Nooij, Michiel, Carl Koopmans, and Carlijn Bijvoet. “The value of supply security: The costs of power interruptions: Economic input for damage reduction and investment in networks.” Energy Economics 29.2 (2007): 277-295. https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/40102922/The_Value_of_Supply_Security_The_Costs_o20151117-24458-1eo081r.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1544213977&Signature=d01qoyIcopj1rE5HpSWkCGcQzRk%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DThe_value_of_supply_security.pdf ↩︎
Coutard, Olivier, and Elizabeth Shove. “Infrastructures, practices and the dynamics of demand.” Infrastructures in Practice. Routledge, 2018. 10-22. https://www.routledge.com/Infrastructures-in-Practice-The-Dynamics-of-Demand-in-Networked-Societies/Shove-Trentmann/p/book/9781138476165 ↩︎
Demand Dictionary of Phrase and Fable, seventeenth edition. Jenny Rinkinen, Elizabeth Shove, Greg Marsden, The Demand Centre, 2018. http://www.demand.ac.uk/wp-content/uploads/2018/07/Demand-Dictionary.pdf ↩︎

Cómo construir un bicigenerador práctico

Tue, 02 Jan 2024 00:00:00 +0000

Imagen: la bicicleta generadora de energía en la sala de estar.

Proporcionamos planes detallados para que construyas el tuyo propio, utilizando habilidades básicas y herramientas comunes.

Artículo

Manual

Introducción

Resumen

Muchas personas han construido bicigeneradores y han publicado manuales en línea y en libros. Sin embargo, cuando nos propusimos hacer nuestra propia máquina, descubrimos que estos manuales son incompletos cuando se trata de hacer que el generador sea práctico de usar. El enfoque se centra en construir la fuente de energía en sí, con relativamente poca atención a lo que sucede con la energía que sale de ella.

Para intentar hacer que la producción de energía humana sea más útil, construimos no solo un bicigenerador, sino también un panel de control en forma del “tablero” adjunto al manillar. El tablero permite alimentar o cargar una amplia variedad de dispositivos, independientemente del voltaje con el que funcionen. Además, se pueden alimentar varios dispositivos simultáneamente, lo que permite al ciclista ajustar la resistencia en los pedales para obtener un entrenamiento óptimo.

También intentamos mejorar el bicigenerador en sí. Aunque hay manuales buenos disponibles, queríamos una fuente de energía que fuera fácil de construir (sin necesidad de soldaduras o herramientas complejas), cómoda de pedalear, lo más compacta posible y que no fuera una molestia visual. La bicicleta generadora de energía está configurada en una pequeña sala de estar y se utiliza regularmente. Encontramos la solución en una bicicleta de ejercicio vintage con un volante de inercia, un enfoque que no habíamos visto antes.

Prueba y error

El bicigenerador y el panel de control fueron diseñados y fabricados en colaboración con Marie Verdeil como parte de su pasantía en Low-tech Magazine. No pudimos encontrar la información técnica que estábamos buscando, así que seguimos un enfoque de prueba y error. Eso tomó mucho tiempo y fue costoso, pero obtuvimos perspicacia y aprendimos lecciones. Cometimos muchos errores que tú puedes evitar.

No somos ingenieros y agradecemos los comentarios técnicos sobre posibles mejoras. Con base en esos comentarios y más experimentos con la bicicleta generadora de energía, actualizaremos y ampliaremos el manual. Nuestro diseño puede ajustarse y adaptarse a tus necesidades. Agradecemos una donación si encuentras interesante nuestro trabajo. Tu apoyo hace posible financiar más experimentos y proyectos de construcción que tenemos en mente.

El bicigenerador

Hay muchas formas de construir una bicicleta generadora de energía, y cada una tiene sus ventajas y desventajas. Nosotros basamos nuestra máquina en una bicicleta de ejercicio vintage de la década de 1950. Nuestra bicicleta fue fabricada por la marca española BH, pero modelos vintage similares se pueden encontrar en cualquier parte del mundo industrializado.

Imagen: La bicicleta de ejercicio que data de la década de 1950. Tiene un pesado volante de inercia en la parte delantera.

El volante de inercia

Nuestro enfoque tiene varias ventajas. La primera y más importante es que las antiguas bicicletas de ejercicio tienen un gran volante de inercia en la parte delantera. Las bicicletas generadoras de energía sin volantes de inercia, que son la mayoría en la actualidad, probablemente terminarán acumulando polvo en el garaje porque son agotadoras e incómodas de pedalear.

Un volante de inercia es esencial porque pedalear en una bicicleta estacionaria es una experiencia diferente a andar en bicicleta en la carretera. La potencia que nuestros pies aplican a los pedales alcanza su punto máximo cada 180 grados de rotación del pedalier. En la carretera, esto tiene poco efecto debido a la inercia del ciclista.

En cambio, en una bicicleta estacionaria, esta producción de potencia desigual resulta en un movimiento brusco y estrés adicional en las piezas. El volante de inercia resuelve esto gracias a su gran masa y velocidad de rotación. Iguala la diferencia entre los picos de potencia y permite un pedaleo cómodo. El ciclista se cansa menos rápidamente y puede generar más energía. Un volante de inercia también produce un voltaje más estable.

Nuestro enfoque también permite construir un bicigenerador con herramientas simples y habilidades básicas. No es necesario cortar ni soldar metal; la bicicleta permanece tal como está. ¹ Tampoco es necesario construir una estructura de soporte; la bicicleta ya tiene una. Solo tuvimos que agregar lo que se llama una transmisión por fricción: un pequeño rodillo conectado al eje del generador y presionado contra el volante de inercia.

Imagen: La transmisión por fricción: un pequeño rodillo conectado al eje del generador y presionado contra el volante de inercia.

Nuestro método también resulta en un bicigenerador muy compacto. Apenas supera los 1 metro de longitud. Finalmente, y aunque esto es cuestión de gusto personal, da como resultado una máquina hermoso de contemplar. La bicicleta fue comprada a alguien en un pueblo vecino que la tenía en la sala de estar como decoración.

Como desventaja, se podría mencionar que una transmisión por fricción es menos eficiente energéticamente que una transmisión por engranajes o correas. Sin embargo, la mayor eficiencia del volante de inercia compensa eso. Solo una combinación de volante de inercia y transmisión por engranajes o correa sería mejor, pero sería más difícil de construir. Otra desventaja es que nuestra máquina no tiene cambios de velocidad conmutables, pero más sobre eso más adelante.

Máxima producción de energía

La potencia de salida (W) de un bicigenerador corresponde al voltaje (V) multiplicado por la corriente (A). Obtuvimos aproximadamente 100 vatios (12V, 8-9A) de potencia durante un entrenamiento corto e intenso. Durante un esfuerzo moderado, que podemos mantener durante más tiempo, la producción de potencia oscila entre 45 y 75 vatios. La producción de potencia no solo depende de la bicicleta, sino también de la persona que la opera. Los atletas podrían generar más potencia, mientras que las personas menos activas podrían (¡inicialmente!) generar menos. ² ³

Medimos la potencia de salida justo después del generador. Sin embargo, se necesita aplicar más potencia a los pedales para obtener esa potencia de salida. En primer lugar, ningún generador es 100% eficiente. Nuestro generador alcanza su máxima eficiencia (75-78%) a una potencia de salida de más de 6A (72W). La eficiencia disminuye cuando se produce menos potencia: cae al 60% a 3A y a menos del 45% a 2A. En segundo lugar, hay pérdidas de energía en la transmisión entre los pedales y el generador. No podemos medir estas pérdidas, pero según los datos que encontramos, una transmisión por fricción introduce en promedio un 15% de pérdidas de energía adicionales.

Teniendo en cuenta las pérdidas de eficiencia tanto en el generador como en la transmisión por fricción, necesitas aplicar al menos 150 vatios a los pedales para obtener una potencia de salida de 100 vatios. También hay pérdidas de energía adicionales en la transmisión de la bicicleta. En teoría, los engranajes de bicicleta tienen bajas pérdidas de energía, como máximo unos pocos porcentajes. Sin embargo, en la práctica, estas pérdidas de energía pueden ser altas. Demostramos esto involuntariamente. La producción de energía se duplicó después de limpiar a fondo y engrasar la transmisión de la bicicleta. Cometimos el error de limpiar la bicicleta solo al final. Eso obligó a hacer ajustes en el panel de control para manejar las corrientes más altas que de repente pasaban por él.

El arte de la potencia de pedaleo: ¿cuáles son los desafíos?

Como ciclista de energía, debes igualar el voltaje (V) y la corriente (A) del dispositivo que estás alimentando o cargando. Sin embargo, esto es más fácil decirlo que hacerlo. Los dispositivos eléctricos funcionan con voltajes diferentes y tienen demandas de energía muy distintas. El voltaje se refiere a qué tan rápido pedaleas y la corriente a qué tan fuerte pedaleas.

Imagen: la bicicleta generadora de energía en funcionamiento.

1. Igualando el voltaje

Una bicicleta generadora de energía produce energía de corriente continua de bajo voltaje (DC), similar a un sistema solar fotovoltaico (12/24V). La salida de voltaje depende de la velocidad a la que gira el bicigenerador. La frecuencia de pedaleo y la relación de engranajes determinan la velocidad del generador. El manual explica detalladamente cómo configurar la relación de engranajes correcta. En resumen, debes medir el diámetro exterior de tres partes (piñón del pedal, piñón del volante, volante) y utilizar esos datos para calcular el tamaño correcto del husillo para la salida de voltaje deseada.

Una vez que hayas establecido la relación de engranajes, podrías producir un voltaje más bajo o más alto al pedalear más lento o más rápido, respectivamente. Esto hace posible alimentar dispositivos con diferentes voltajes. Sin embargo, suponiendo que tu generador proporciona 12V a una velocidad de pedaleo promedio, tendrías que pedalear en cámara lenta extrema para producir 5V, y sería difícil mantener los pies en los pedales para proporcionar 24V. Los engranajes facilitarían la variación de la salida de voltaje, pero nuestra bicicleta no tiene ninguno.

Operar un electrodoméstico directamente desde el generador puede ser una solución práctica si necesita aproximadamente 12V. El volante de inercia ayuda a mantener una salida de voltaje relativamente constante. Sin embargo, los dispositivos electrónicos y las baterías requieren un voltaje preciso. De lo contrario, podrían no funcionar o dañarse. Además, operar un electrodoméstico directamente desde el generador te impide alimentar o cargar varios dispositivos con diferentes voltajes simultáneamente, lo cual es una solución al próximo problema.

2. Igualando la corriente

Los dispositivos eléctricos y electrónicos pueden tener demandas de potencia muy diferentes, incluso si funcionan con el mismo voltaje. Desafortunadamente, ajustar la corriente es mucho más difícil que ajustar el voltaje. Qué tan fuerte debes pedalear depende completamente del dispositivo que estás alimentando. En algunos casos, esto resulta en una resistencia óptima. Con más frecuencia, la resistencia en los pedales es demasiado baja o demasiado alta.

En un extremo, la resistencia en los pedales es casi cero al cargar un teléfono inteligente o una batería de plomo-ácido relativamente pequeña. En el otro extremo, la resistencia en los pedales es demasiado alta al alimentar una tetera eléctrica o un refrigerador. Algunos dispositivos tienen demandas de corriente variables. Por ejemplo, la impresora demanda entre 25 y 70 vatios de potencia, dependiendo de lo que esté haciendo exactamente. Hay picos en la demanda de energía después del arranque y entre páginas, y imprimir imágenes requiere más esfuerzo que imprimir texto.

3. Cargando las baterías

Los sistemas solares fotovoltaicos fuera de la red a menudo cargan baterías de plomo-ácido. La energía humana no depende del clima ni de la hora del día, pero puede ser práctico almacenar la energía humana en una batería para su uso futuro.

Basándonos en una producción de energía de 100 vatios, es fácil hacer cálculos excesivamente optimistas sobre el tiempo necesario para cargar una batería. Por ejemplo, si se necesitan 100 vatios-hora para cargar una batería, ¿puedes hacerlo en una hora? ¿Correcto? Incorrecto. Incluso si pudieras mantener una producción de energía de 100 vatios durante una hora, la batería limita cuánta energía puedes ingresar. No es posible hacer un breve entrenamiento para cargar la batería más rápido de lo que te permite.

Las baterías de plomo-ácido se cargan entre el 10 y el 25% de su capacidad máxima. Para baterías grandes, esto no es un problema. Cargar una batería de automóvil de plomo-ácido (aproximadamente 60-80 Ah) requiere obtener 85-115 vatios del generador, lo que es un ejercicio intenso. Una carga casi completa (de 12V a 13V) tomará cinco horas, sin incluir las pérdidas de carga y descarga.

Sin embargo, para baterías de plomo-ácido más pequeñas, la baja demanda de energía es problemática. Hay poca o ninguna resistencia en los pedales (por lo que no hay un verdadero entrenamiento), es muy ineficiente (el generador tiene altas pérdidas de energía), y aún así, lleva tanto tiempo como cargar una batería mucho más grande. Por ejemplo, recargar una batería de 12V con una capacidad de almacenamiento de 14Ah (similar a la que alimenta el sitio web alimentado por energía solar) requiere solo 1.4A. Eso no es mucho ejercicio (20W).

El mismo problema ocurre con los dispositivos USB. El uso más citado de un bicigenerador es cargar un teléfono inteligente. Sin embargo, recargar un teléfono inteligente requiere muy poca potencia (5-10W) en comparación con lo que la bicicleta puede producir. (Algunos modelos más nuevos permiten una carga más rápida). Puedes pensar que cargar una batería de teléfono de 10Wh solo tomaría 6 minutos a una potencia máxima de 100W, pero lleva tanto tiempo como cuando lo conectas a un enchufe de pared. Un cargador manual mucho más pequeño sería suficiente para cargar un teléfono inteligente, pero luego no tendrías las manos libres.

El panel de control: ¿cómo abordar estos desafíos?

Para superar todos estos problemas, construimos un panel de control que distribuye la energía del bicigenerador en circuitos conmutables con diferentes voltajes para la operación de varios dispositivos. Puedes utilizar estos circuitos de forma independiente o en combinación, lo que te permite ajustar la resistencia en los pedales con precisión para obtener el entrenamiento óptimo. También puedes controlar algunos dispositivos directamente reduciendo su demanda de energía.

Imagen: El panel de control.

Imagen: Vista lateral del panel de control.

1. Coincidir con el voltaje: convertidores reductores y elevadores

No es necesario pedalear más rápido o más despacio para coincidir con el voltaje de diferentes dispositivos. En su lugar, puedes utilizar convertidores de reducción y convertidores elevadores, que son módulos electrónicos que convierten una entrada de voltaje fluctuante en una salida de voltaje constante.

Los convertidores de reducción tienen un voltaje de entrada más alto que el voltaje de salida (reducen el voltaje), mientras que los convertidores elevadores tienen un voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada (aumentan el voltaje). Puedes ajustar el voltaje de salida girando un pequeño tornillo en el módulo. Hay más información sobre los convertidores reductores y elevadores en el manual.

2. Coincidir con la corriente: Circuitos conmutables y reguladores de intensidad

Puedes construir un circuito eléctrico utilizando sólo un convertidor reductor o elevador. Luego, puedes ajustar el voltaje girando el pequeño tornillo cada vez que alimentas un dispositivo que requiere un voltaje diferente. Sin embargo, construir varios circuitos conmutables con diferentes voltajes ofrece ventajas. No sólo puedes cambiar fácilmente entre diferentes tipos de electrodomésticos sin necesidad de un destornillador, sino que también puedes ajustar la resistencia en los pedales ejecutando varios circuitos simultáneamente.

El panel de control incluye:

Dos circuitos para alimentar o cargar dispositivos USB (5V)
Tres circuitos para alimentar electrodomésticos de 12V
Un circuito para cargar baterías de plomo-ácido (14.4V)
Un circuito para alimentar electrodomésticos de corriente alterna (220V aquí en la UE)
Un circuito no regulado donde la salida de voltaje coincide con la entrada de voltaje

Imagen: El frente del panel de control.

Imagen: La parte posterior del panel de control.

Si hay una demanda de energía insuficiente, puedes aumentar la resistencia en los pedales encendiendo más circuitos. Eso también aumentará la eficiencia del generador. Para abordar la baja demanda de energía de las baterías, puedes mantener los circuitos de 5V y 14.4V siempre abiertos. Eso introduce una carga eléctrica básica de aproximadamente 20W (dos a cinco dispositivos USB y una batería de plomo-ácido de 14Ah). Para un entrenamiento más intenso, aumenta la carga abriendo otros circuitos y alimentando más dispositivos. Este enfoque no acorta el tiempo que lleva cargar las baterías. Sin embargo, hace que tu esfuerzo valga más la pena.

Otra opción es tener un panel de control con nada más que circuitos USB de 5V. Además, puedes usar el panel de control de esa manera con pequeños cambios. Puedes conectar un puñado de dispositivos a una sola salida USB, con un uso máximo de energía de 10 vatios (5V/2A). Nuestro panel de control tiene dos circuitos de 5V, uno sirve principalmente para la iluminación del panel de control, pero puedes agregarle un concentrador distribuidor USB para otros 10W de dispositivos.

Puedes agregar seis salidas de energía USB adicionales conectando conectores USB en las tres salidas de 12V, al menos cuando agregas tres conectores hembra de 12V. Esto lleva la demanda total de energía a 80 vatios, suficiente para recargar 10 a 15 teléfonos inteligentes simultáneamente. No hay escasez de dispositivos USB en estos días: teléfonos, tabletas, libros electrónicos, bancos de energía, luces de bicicleta, cámaras, auriculares inalámbricos, cargadores de pilas AA, y así sucesivamente.

Regulador de intensidad

Si hay una demanda de energía demasiado alta, puedes apagar uno o más circuitos. Para algunos dispositivos más potentes de 12V, el panel de control también te permite reducir la corriente y, por lo tanto, la resistencia en los pedales directamente mediante el uso de un resistor variable o potenciómetro (más conocido como un regulador de intensidad).

Cuando “ajustas” electrodomésticos como la tetera eléctrica o el refrigerador Peltier, funcionan igual de bien, solo que más lentamente. Sin un potenciómetro, solo los atletas podrían alimentar estos dispositivos (100-120W). Si planeas cargar baterías de plomo-ácido grandes, también puedes agregar un regulador de intensidad al circuito de 14.4V. Sin embargo, el ajuste de intensidad no funciona para todos los dispositivos. Una computadora portátil, por ejemplo, se apagará si no recibe la energía que necesita.

Al cambiar y combinar diferentes circuitos, y al ajustar finamente la corriente en el circuito de 12V, puedes ajustar la resistencia en los pedales tan precisamente como en una bicicleta de ejercicio. Esto optimiza la resistencia pero también la producción de energía.

Cómo utilizar la bicicleta: Experimentos

Un generador de bicicleta es más adecuado para alimentar dispositivos eléctricos directamente, sin almacenar la energía en una batería primero. Esto evita pérdidas de carga y descarga (hasta un 30% en baterías de plomo-ácido) y reduce la complejidad y los costos de configurar una planta de energía humana práctica. Para este propósito, el panel de control tiene varios circuitos de 12V y un circuito de 220V.

Imagen: Algunos de los electrodomésticos que probamos: compresor de aire, luces, refrigerador Peltier, impresora de matriz de puntos, hervidor eléctrico, soldador.

Entre los dispositivos de 12V que alimentamos directamente se encuentran un refrigerador Peltier experimental, un hervidor de agua, computadoras portátiles alimentadas por un adaptador de 12V, sin batería o con la batería al 100%, luces, un soldador, un taladro eléctrico y una lijadora. Existen muchos más dispositivos de 12V, principalmente dirigidos a conductores de camiones y automóviles, marineros, habitantes de caravanas (y hábiles bricoladores de baja tecnología que cablean su apartamento como si fuera un velero).

Estos son todos los dispositivos que hemos alimentado o cargado hasta ahora:

Todos los tipos de dispositivos USB (5V)
Baterías de plomo-ácido de diferentes tamaños (14.4V)
Refrigerador Peltier (12V)
Hervidor eléctrico (12V)
Soldador (12V) (video)
Taladro eléctrico con cable (12V)
Máquina lijadora con cable (12V)
Compresor de aire (12V)
Guitarra eléctrica y pedales (220V) (video)
Encendedor de cigarrillos (12V) (video)
Maqueta de tren (12V)
Máquina de coser (220V)
Impresora de matriz de puntos (220V) (video)
Amplificador estéreo + reproductor de CD (220V)
Tocadiscos (12V) (video)
Computadoras portátiles (12V, 220V)
Iluminación (220V) (video)
Iluminación (12V) (video)
Proyector de video (12V) (video)
Ventiladores (5V, 12V, 220V)

Alimentar las luces suele ser más práctico con una batería, ya que eso te permite disfrutar de la iluminación sin tener que pedalear al mismo tiempo. Sin embargo, es perfectamente factible leer un libro en la bicicleta mientras proporcionas la iluminación en tiempo real, especialmente en invierno: requiere poco esfuerzo, es más saludable que estar sentado quieto y te mantiene abrigado. Otros electrodomésticos que son adecuados para la producción de energía humana “directa” son las herramientas eléctricas y los dispositivos de calefacción y refrigeración.

1. Herramientas eléctricas con cable

Aunque las herramientas eléctricas de 12V son ampliamente utilizadas, casi siempre funcionan con baterías de ion de litio. Podrías recargar estas baterías con energía humana. Sin embargo, eso llevará mucho tiempo, no proporcionará mucho ejercicio y generará pérdidas significativas de energía. Por lo tanto, tiene sentido convertir estos dispositivos en herramientas eléctricas con cable. De esta manera, solo necesitas producir energía cuando la necesitas, con mucha mayor eficiencia. Además, ya no es necesario esperar a que las baterías se carguen; la herramienta siempre está lista para usar.

Convertir una herramienta alimentada por batería en una herramienta con cable puede ser bastante sencillo. Después de quitar la batería, localiza los contactos positivos y negativos y suelda dos cables a ellos. Ten en cuenta que solo tienes una oportunidad para decidir cuál es el positivo o negativo. Para el taladro, fue muy fácil de averiguar. Para la lijadora, pedimos consejo porque el cableado es más complicado. Las herramientas eléctricas de 12V con baterías ausentes o agotadas generalmente se venden a buen precio en el mercado de segunda mano.

Un taladro eléctrico con cable es quizás la herramienta más versátil. Puedes usarlo con un batidor (para batir huevos), un cepillo resistente (para quitar pintura o limpiar objetos), una rueda de pulido (para afilar cuchillos) o una rueda de pulido (para hacer que el cromo u otros metales y materiales brillen). Las herramientas de precisión para joyería o fabricación de modelos también se combinan bien con la energía directa del pedal. Todavía estamos en la fase inicial de las pruebas para convertir y usar herramientas eléctricas de 12V con cable.

Herramientas manuales o herramientas accionadas con los pies

En comparación con herramientas mecánicas manuales accionadas por humanos, los equipos eléctricos accionados por humanos son menos eficientes desde el punto de vista energético. La electrificación introduce pérdidas de energía adicionales, tanto en el generador, el convertidor de reducción, los cables y el tren motriz. Sin embargo, esto se compensa con creces mediante un uso más eficiente de la fuente de energía humana. Nuestras piernas son aproximadamente cuatro veces más fuertes que nuestros brazos.

La electrificación también es más ergonómica porque preserva las articulaciones y los músculos de las manos. Fijar docenas de tornillos a mano puede ser más sostenible que usar un taladro eléctrico, pero puede dañar la muñeca. Un generador de bicicleta te permite trabajar de manera más rápida y ergonómica sin depender de una fuente de energía externa.

Las herramientas mecánicas manuales conservan algunas ventajas: son silenciosas, más portátiles y requieren menos energía para fabricarse. Una tercera opción combina estas ventajas: equipo mecánico accionado por pedal. Sin embargo, es difícil construir una bicicleta estacionaria compacta que pueda alimentar muchas herramientas diferentes. Diseñamos el generador de bicicleta para que sea lo más compacto y multifuncional posible.

Las herramientas eléctricas pueden tener altas demandas de potencia, pero esto no debería detenerte. La lijadora solo necesita como máximo 30 vatios, pero nuestro taladro eléctrico puede demandar hasta 20A de corriente, lo cual es demasiado alto para el generador de bicicletas y el panel de control (12V×20A=240W). Sin embargo, la máquina rara vez requerirá esa potencia a menos que la uses para taladrar materiales duros.

La demanda de energía de una herramienta eléctrica aumentará siempre que aumente el par, así que sientes cuando la broca ha atravesado el material o cuando el tornillo se ha fijado o aflojado. Puedes manejar la herramienta tan precisamente con los pies como lo harías con las manos.

2. Hervidora electrica

La calefacción y refrigeración eléctricas son intensivas en energía. Alternativas, como calor solar directo, son más sostenibles. Sin embargo, la calefacción y refrigeración se pueden incorporar fácilmente a tu rutina de ejercicio y proporcionar resultados.

Aplicamos este principio con una tetera eléctrica y un refrigerador experimental de Peltier. Ambos electrodomésticos están muy bien aislados. En consecuencia, convertir la energía humana en calor o frío se convierte en otra forma (muy económica y sostenible) de almacenamiento de energía, sin todos los inconvenientes de las baterías.

Las teteras eléctricas que funcionan con energía de la red suelen ser muy potentes y hierven agua en cuestión de minutos o incluso segundos. Hervir agua utilizando un generador de bicicleta llevará mucho más tiempo, pero es perfectamente posible. Adquirimos una tetera eléctrica comercial de 12V con un depósito aislado al vacío de un litro. Durante una prueba, hervir agua para una taza de té tomó poco más de una hora a una producción de energía promedio de 60W.

La tetera eléctrica también puede preparar bolsas de agua caliente para comodidad térmica. Eso requiere más agua que una taza de té, pero a una temperatura más baja, alrededor de 60 grados Celsius. Durante una prueba, calentar un litro de agua para una (pequeña) bolsa de agua caliente tomó 1 hora y 30 minutos a una producción de energía promedio de 60 vatios.

Después de ese esfuerzo, lo último que necesitas es una bolsa de agua caliente. Aún más, durante ese esfuerzo, eres un calentador de espacio con una potencia de varios cientos de vatios y podrías aumentar la temperatura del aire en una habitación pequeña. Sin embargo, la tetera aislada al vacío se puede colocar en una cocina sin fuego y se puede usar horas después cuando estás inactivo y necesitas calor.

3. Refrigerador Peltier

Los refrigeradores comerciales de 12V son caros. Después de investigar generadores termoeléctricos (TEGs), surgió la idea de un refrigerador Peltier. Un refrigerador Peltier es esencialmente una cocina sin fuego bien aislada con un TEG montado encima. Si se aplica energía, el módulo se calentará en un lado y se enfriará en el otro, enfriando el interior de la caja. La refrigeración con TEG no es particularmente eficiente. Sin embargo, es silenciosa, funciona sin problemas con gases de refrigeración y es la forma más fácil de hacer un refrigerador tú mismo.

El refrigerador TEG es un prototipo temprano que necesita más pruebas y mejoras. Alimentar un TEG a máxima potencia requiere aproximadamente 60 vatios (12V×5A), medidos justo después del generador. Eso es un buen ejercicio, y el regulador permite reducir la resistencia en los pedales con precisión. Sin embargo, rápidamente quedó claro que un TEG no es suficiente para el tamaño del espacio de enfriamiento. Agregaremos un segundo para un ejercicio más intenso (60-100 vatios).

Electrodomésticos de Red (220V)

Nuestro panel de control también incluye un circuito de 220V. Esto lo hace compatible con dispositivos alimentados por la red (110V en EE. UU., 240V en el Reino Unido). El circuito de 220V requiere un inversor. El inversor es demasiado grande para incluirlo en el panel de control, así que lo colocamos en una caja en el portaequipajes que construimos en la parte delantera.

Un enchufe de 220V no es necesario. Muchos electrodomésticos de 220V tienen alternativas de 12V (o 24V) que son más eficientes energéticamente para la producción descentralizada de energía. Sin embargo, incluimos un circuito de 220V para alimentar dispositivos que no se han (o aún no se han) reemplazado o convertido a alternativas de bajo voltaje: la impresora de matriz de puntos, la máquina de coser, el sistema estéreo y el enrutador.

La impresora de matriz de puntos y la máquina de coser son difíciles de operar debido a sus demandas de energía cambiantes rápidamente. Por ejemplo, para evitar que la tensión caiga por debajo de 12V en los picos de alto consumo de energía mientras imprime, necesitaría pedalear muy rápido (alrededor de 20V) para proporcionar suficiente inercia al volante. Un supercondensador podría resolver esto; es algo que intentaremos en los próximos meses. Una máquina de coser y una impresora mecánicas accionadas por el pie serían mucho más eficientes en cuanto a energía, pero mucho menos eficientes en cuanto a espacio.

Configuraciones alternativas: Bicigenerador con escritorio de trabajo

El panel de control está diseñado para alimentar una amplia diversidad de dispositivos, pero puedes seguir un enfoque similar con resultados diferentes. Por ejemplo, si solo deseas cargar baterías de plomo-ácido, un circuito de 14,4V es suficiente. Puedes utilizar un convertidor de reducción y elevación para crear cualquier voltaje que necesites, por ejemplo, para construir un circuito de 3V, 6V, 9V o 24V.

Sin embargo, si principalmente deseas alimentar dispositivos de 24V, es mejor ajustar la relación de engranajes. Lo mismo si solo quieres cargar baterías de plomo-ácido de 14.4V en un sistema de 12V: ajusta la relacion de engranajes para generar 16-17V (para compensar las pérdidas de energía en el convertidor reductor).

Imagen: La salida de corriente de 220V.

Imagen: El portaequipajes y los enchufes de corriente (no regulados, 3x12V, 14.4V, 5V USB).

Imagen: Dentro de la caja: el inversor, el controlador de carga eólica, la batería de plomo-ácido.

Nuestra elección de tener un gran panel de control en el manillar tiene ventajas y desventajas. Tener el panel de control en la bicicleta facilita su lectura y manipulación. También hace que el generador de bicicletas sea portátil. Si el vecino necesita energía de emergencia, recoges la bicicleta y estás allí en un minuto. Por otro lado, tener el panel de control en la bicicleta añade vibraciones, que aumentan el ruido y las pérdidas de energía. También se hace necesario ajustar la salida de voltaje de los convertidores reductores y elevadores de vez en cuando.

Lo más importante es que tener un panel de control tan grande en la bicicleta impide colocar un gran escritorio en la parte superior del manillar. Eso podría ser útil para operar herramientas eléctricas o una computadora portátil mientras proporcionas energía al mismo tiempo. Nuestra configuración actual no es ideal para usar herramientas eléctricas. Requiere a dos personas: una para pedalear y otra para operar la herramienta eléctrica. Del mismo modo, puedes proporcionar energía a la computadora portátil de otra persona, pero no puedes cargar la tuya mientras la usas.

Planeamos construir un generador de bicicletas con un panel de control más pequeño, con un circuito de 12V y dos puertos USB, y un amplio espacio de trabajo en el manillar. Un generador de bicicletas de este tipo recuerda a máquinas de bicicleta similares (mecánicas) de principios del siglo XX. Otra opción es atornillar el panel de control a la pared o colocarlo en un estante, y colocar el bicigenerador al lado de él. El inversor, la batería de plomo-ácido y el controlador de carga eólica, que ahora están en el “portaequipajes”, también pueden alejarse de la bicicleta.

Sistema híbrido humano y solar

Algunos de ustedes pueden pensar que nuestro generador de bicicleta es más un truco que una fuente de energía práctica para el hogar. En parte, esto es cierto. Nuestra planta de energía humana es la máquina de ejercicio perfecta: la producción de energía es motivadora. También es práctica en emergencias, especialmente si hay suficiente energía humana disponible, puede producir hasta 2.4 kWh por día.

Sin embargo, no proporcionará suficiente energía diaria, ni siquiera para un hogar de baja tecnología. En la práctica, no hay suficientes personas dispuestas a andar en bicicleta. Por otro lado, un bicigenerador es una excelente adición a un sistema fotovoltaico fuera de la red, al menos en un hogar de baja energía. La salida de energía del generador no depende del clima, las estaciones o la hora del día.

La energía humana puede proporcionar energía adicional durante el mal tiempo, lo que reduce la necesidad de baterías costosas e insostenibles. Esto es especialmente útil en invierno, cuando el sistema fotovoltaico produce mucha menos energía y cuando el esfuerzo necesario para operar la bicicleta también te mantiene caliente. Hay suficiente energía solar en verano, cuando a menudo hace demasiado calor para usar una bicicleta estática.

Imagen: El bicigenerador está junto a los sistemas fotovoltaicos. El plan final es integrar ambos sistemas.

Con una producción de energía de 50-100 vatios, el generador de bicicleta es más potente que los dos paneles solares que están en el balcón junto a él: el panel solar de 50 vatios que alimenta las luces en la sala de estar y el panel solar de 30 vatios que alimenta el sitio web solar. Los paneles solares rara vez, si alguna vez, alcanzan su máxima producción de energía y durante mal tiempo, producen mucha menos energía que el bicigenerador. Con nubes oscuras sobre nosotros, la producción de energía casi se reduce a cero, y si esto dura dos días, las luces y el sitio web se apagan. Una o dos horas al día en el bicigenerador podrían solucionar esto. Alternativamente, la energía generada por pedalear podría operar herramientas eléctricas u otros dispositivos sin agotar el almacenamiento de energía del sistema fotovoltaico.

También es posible usar el tablero con un panel solar en lugar de un generador de bicicleta. Basta con reemplazar el controlador de carga eólica con un controlador de carga solar. Luego, puede usar la energía solar para alimentar dispositivos directamente, sin necesidad de utilizar un controlador de carga solar y una batería. Reemplace el controlador de carga eólica con un controlador de carga híbrido solar/eólico y podrá utilizar ambas fuentes de energía para cargar baterías y alimentar dispositivos directamente. La energía solar y la humana también se pueden combinar, aumentando la producción de energía.

Combinar la energía solar y humana debería hacer posible tomar más medidas hacia un hogar urbano fuera de la red. El plan es agregar otro panel solar de 50W, sacar más dispositivos de la red (especialmente el refrigerador) y mantener el almacenamiento de batería como está.

Manual: El bicigenerador

Imagen: El sistema de transmisión por fricción.

¿Qué tipo de generador necesitas?

Para convertir la energía mecánica del volante en electricidad, necesitas un generador de corriente continua (CC) con imanes permanentes de 12V/24V y una potencia máxima de aproximadamente 150-250 vatios. No cualquier generador servirá. Necesitas uno que funcione a una velocidad relativamente baja (menos de 5000 rpm en vacío) para obtener 12 o 24V con una relación de engranajes práctica (ver más adelante). Muchos generadores necesitan funcionar a velocidades más altas para generar 12V o 24V, y no podrás producir más que unos pocos voltios a una velocidad de pedaleo promedio.

Asegúrate de obtener un motor CC con escobillas. Los motores CC sin escobillas no funcionarán porque necesitan una velocidad de rotación muy alta. Ten en cuenta que un generador es un motor que funciona al revés. Al buscar en línea, “motor CC” te dará más resultados que “generador CC”. Los alternadores de automóviles también funcionan, y muchos sistemas de generación de energía por pedaleo los utilizan porque son económicos y fáciles de obtener. Sin embargo, son muy ineficientes y requieren una batería de 9V para arrancar.

Puedes conseguir generadores de corriente continua de scooters o bicicletas eléctricas desechadas, pero nosotros compramos uno nuevo: el Ampflow Pancake Motor P40-250. Tiene una velocidad sin carga de 1700 rpm a 12V y una potencia máxima de 250 vatios. Puedes fijarlo de forma segura a una superficie de metal o madera, lo cual ahorra muchos problemas.

Cómo calcular la relación de engranajes y el tamaño del rodillo.

La tensión creada por el generador es directamente proporcional a la velocidad de rotación del generador (RPM o “revoluciones por minuto”). Sin embargo, la velocidad de rotación del generador no es un valor fijo. Depende de la rapidez con la que pedaleas (las RPM de los pedales). También depende de la relación de engranajes entre los pedales y el generador. Las RPM promedio de los pedales en una bicicleta estática, es decir, la velocidad de pedaleo cómoda que puedes mantener durante mucho tiempo, son aproximadamente 60 RPM. Se puede calcular con precisión mediante un tacómetro o mediante trucos de baja tecnología.⁴

Nuestro bicigenerador utiliza un sistema de transmisión por fricción. Este sistema consta de una pequeña rueda unida al eje del generador que girará en contacto con el volante. Calcular la relación de engranajes implica medir el diámetro externo de cuatro partes: el piñón del pedal, el piñón del volante, el volante y la pequeña rueda. Los tres primeros son conocidos, mientras que el último fue algo que tuvimos que determinar. El tamaño del rodillo que necesitas depende de las especificaciones de tu generador y de la tensión exacta que deseas producir. Entender esto puede resultar confuso a menos que alguien te proporcione la fórmula correcta (¡gracias, Gabriel Verdeil!).

Primero, necesitas encontrar las “RPM en vacío” de tu generador. Esta información debería ser proporcionada por el fabricante. Nuestro generador tiene una RPM en vacío de 3400 a 24V. Esta proporción es directamente proporcional: puedes calcular las RPM en vacío necesarias para cualquier voltaje que desees. Por ejemplo, a 12V son 1700 RPM (3400/24×12) y a 16V son 2267 RPM (3400/24×16). A continuación, mide el diámetro externo del piñón del pedal, el piñón del volante y el volante. No importa si usas mm, cm u otra unidad, pero sé consistente. Ahora tienes todos los datos necesarios para calcular el tamaño del rodillo. A continuación se presenta la fórmula, seguida del cálculo para nuestro caso específico (suponiendo 60 RPM en los pedales):

Diámetro del rodillo = (PS×W×RPM en los pedales)/(WS×RPM del generador)

PS = diámetro del piñón del pedal
W = diámetro del volante
RPM pedales = lo rápido que pedaleas
WS = diámetro del piñón del volante
RPM generador = la velocidad de rotación sin carga del generador

Diámetro del rodillo para nuestra configuración (en mm) para producir diferentes voltajes:

12V = (190×525×60)/(60×1700) = 58.68mm diámetro del rodillo.
13V = (190×525×60)/(60×1842) = 54.15 mm diámetro del rodillo.
14V = (190×525×60)/(60×1983) = 50.30 mm diámetro del rodillo.
15V = (190×525×60)/(60×2125) = 46.94 mm diámetro del rodillo.
16V = (190×525×60)/(60×2267) = 44.00 mm diámetro del rodillo.
17V = (190×525×60)/(60×2408) = 41.42 mm diámetro del rodillo.
24V = (190×525×60)/(60×3400) = 29.34 mm diámetro del rodillo.

La tensión exacta que necesitas, y por lo tanto, el tamaño exacto del rodillo, depende de lo que desees hacer exactamente con la bicicleta. Abordamos esto en detalle en el manual del panel de control. Imagina que deseas cargar baterías de plomo-ácido (que requieren 14.4V). Utilizas un convertidor reductor (que reduce la tensión de entrada), por lo que necesitarás producir cerca de 17V para compensar las pérdidas en la conversión de voltaje. Esto da como resultado un diámetro del rodillo de 41.42 mm. Esta configuración se muestra en la ilustración a continuación.

Puedes usar la fórmula de diferentes maneras. Puedes utilizarla para calcular las RPM mínimas en los pedales para un tamaño de rodillo dado; para calcular las RPM del generador en función de las RPM dadas en los pedales y el tamaño del eje; y para calcular el voltaje que se producirá con una configuración determinada. Encuentra las fórmulas a continuación, seguidas de un ejemplo basado en la configuración ilustrada anteriormente:

Calcular las RPM mínimas en los pedales para un tamaño de rodillo dado (S):

Generador RPM/[(PS×W)/(FS×S] * 2260/[(190×525)/(60×41)] = 55.81 RPM a los pedales.

Calcula el generador RPM para un tamaño del rodillo y RPM a los pedales:

(PS/FS)×(W/S)×RPM a los pedales * (190/60)×(525/41)×55 = 40.61 (relación de engranajes)×56 = 2274 RPM

Calcula el voltaje para una RPM dada en el generador:

Generador RPM multiplicado por la relación de RPM en vacío * 2274×(3400/24) = 16.1V

¿Qué tipo de rodillo necesitas?

Descubrir el tamaño del rodillo es solo la mitad del trabajo. Puede ser desafiante encontrar una rueda con el diámetro correcto, fabricado con los materiales necesarios y compatible con el eje del generador. Probamos una docena de rodillos hasta encontrar el adecuado. Un volante tiene una superficie dura y requiere una rueda blando hecho de goma o poliuretano. Descubrimos que un amortiguador sólido de metal y goma permitía una fricción óptima con nuestro volante. Lo llevamos a un taller de metal donde perforaron un agujero de 10 mm en la pieza.

Imagen: Una muestra de nuestros ruedas de prueba.

Otras opciones incluyen pequeñas ruedas sólidas de poliuretano y suspensiones de goma. Las ruedas de skate tienen un diámetro interior más grande, lo cual no es ideal para un eje de 8-10 mm. Ten cuidado al elegir un material que pueda manejar la fricción: algunos plásticos tienden a calentarse y derretirse. Ten en cuenta: este es un proceso de prueba y error. No acertarás en el primer intento. Otra opción que podrías considerar es diseñar una pieza torneada a medida, como se describe en el tutorial de magnificientrevolution.org. Un cubo de montaje universal puede ayudar a fijar ruedas que tienen agujeros para pernos, como las ruedas de robots.

Comprar un generador de corriente continua con una rueda preinstalado parece ser la solución más fácil. Por ejemplo, Pedal Power Generator ofrece un generador de 360 W con un tamaño de eje de 37.5 mm. Sin embargo, no puedes elegir un rodillo con un diámetro diferente. Esto significa que no puedes controlar el voltaje de salida a menos que reemplaces los piñones en el tren de transmisión de la bicicleta. En nuestro caso, un rodilo de 37.5 mm produciría 18 V, lo cual es demasiado.

Cómo fijar la rueda al generador.

El generador viene con una transmisión integrada de piñón o polea. Necesitas quitarlo para conectar el eje. Una tuerca autoblocante de nylon con rosca inversa sujeta la transmisión de piñón o polea. Necesitas desenroscarla hacia la derecha. Probablemente necesitarás una abrazadera para gestionar esto.

Imagen: El generador con un árbol de eje roscado.

Imagen: El generador con el rodillo de 41 mm.

Nuestro generador cuenta con un eje de 8 mm, mientras que nuestro rodillo se adapta a un eje de 10 mm. Por lo tanto, utilizamos un eje de dos partes con un “árbol de eje” y una rueda. Para fijar adecuadamente la rueda, puedes aprovechar el corte en forma de D en el eje (un “eje redondo con una sección plana para transmisión”). Nuestro primer intento fue una fijación roscada, pero eso no funcionó. Debido a la rosca invertida, se aflojará cuando el generador comience a girar.

Descubrimos que un árbol de eje roscado con tornillos de ajuste era la solución más versátil para probar diferentes ruedas. Fijamos el árbol de eje con tornillos sin cabeza colocados en la sección plana del eje. Es una varilla roscada M10. Puedes asegurar una rueda en ella con un par de arandelas y una tuerca. Un acoplamiento rígido con orificio también podría servir como un pequeño eje. También puedes usarlo para unir el eje del generador a otro eje con una rueda. Sin embargo, encontramos que esto no era ideal para nuestra configuración porque los tornillos de ajuste sobresalen del acoplamiento, dañando el volante.

Cómo fijar la unidad de transmisión por fricción a la bicicleta.

Atornillamos el generador a una tabla de madera y luego lo presionamos contra el volante utilizando una estructura de soporte de madera. La tabla está sujeta a la bicicleta con una bisagra de puerta resistente. Esto permite ajustar el ángulo en el que el rodillo está en contacto con el volante. El soporte descansa sobre una cuña de corcho que amortigua las vibraciones. Consulta nuestro primer prototipo para otros métodos.

Imagen: La unidad de transmisión por fricción.

Manual: El panel de control

Convertidores reductores y elevadores, reguladores de intensidad

Los convertidores reductores y elevadores son módulos electrónicos que convierten una entrada de voltaje fluctuante en una salida de voltaje constante. Los convertidores reductores tienen un voltaje de entrada más alto que el voltaje de salida (reducen el voltaje), mientras que los convertidores elevadores tienen un voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada (aumentan el voltaje).

Puedes ajustar el voltaje de salida girando un pequeño tornillo en el módulo. Algunos convertidores reductores y elevadores vienen con una pequeña pantalla digital que muestra el voltaje de salida. Si no es el caso, puedes utilizar un multímetro para ajustar el voltaje de salida.

Ten en cuenta que necesitas un convertidor reductor o elevador. NO uses un convertidor reductor/elevador. Este es una especie de fuente de alimentación de banco micro que requiere ajustar el voltaje de salida cada vez que se enciende el sistema. Esto es poco práctico y puede dañar tus dispositivos. En cambio, un convertidor reductor o elevador recuerda el voltaje de salida cada vez que lo inicias.

Además, NO compres un regulador de voltaje. Este dispositivo te permite regular el voltaje de salida, pero solo en relación con el voltaje de entrada. Si el voltaje de entrada cambia, también lo hará el voltaje de salida. Necesitas un convertidor reductor o elevador, en el cual el voltaje de entrada pueda fluctuar pero el voltaje de salida sea estable.

Finalmente, debes verificar la clasificación máxima de corriente antes de comprar un convertidor reductor o elevador. Algunos solo admiten 2A, lo cual no es lo suficientemente potente para un bicigenerador. Necesitas al menos uno que pueda manejar 5A y preferiblemente uno que pueda manejar 10A o 15A, según tu producción de energía.

Convertidores reductores y elevadores.

Ya sea que elijas un convertidor reductor o elevador depende del voltaje producido por el generador y del voltaje del o los dispositivos que deseas alimentar o cargar. Si el generador de bicicleta produce 12V y deseas cargar dispositivos USB de 5V, necesitas reducir el voltaje y, por lo tanto, utilizar un convertidor reductor. Estos pequeños módulos con un conector USB convierten una entrada de voltaje fluctuante en una salida de voltaje constante de 5V. ⁵

Si deseas alimentar dispositivos de 12V o recargar baterías de plomo-ácido (14.4V), tanto un convertidor reductor como uno elevador podrían funcionar. Si optas por un convertidor reductor, el generador de bicicleta debe tener una salida de voltaje ligeramente superior a 12V o 14.4V (13-14V y 16-17V, respectivamente). Este voltaje de entrada más alto es necesario para compensar las pérdidas de energía en la conversión de energía. Si utilizas un convertidor elevador, el voltaje de salida del generador debe mantenerse por debajo de 12V o 14.4V.

Un convertidor reductor nunca superará el voltaje de salida elegido, sin importar cuántos voltios produzca el generador. En cambio, un convertidor elevador te garantiza un voltaje de salida mínimo, pero no establece un voltaje de salida máximo. Si pedaleas demasiado rápido, el voltaje de salida puede superar el voltaje de salida establecido y dañar el dispositivo o la batería que estás alimentando o recargando.

Para nuestro primer prototipo de tablero de instrumentos, utilizamos solo convertidores reductor. Utilizamos un convertidor elevador para cargar baterías de plomo-ácido en la siguiente versión. El generador debe producir 16-17V para obtener un voltaje de salida de 14.4V con un convertidor reductor. Esto está bien si solo deseas cargar baterías de plomo-ácido porque luego puedes ajustar la relación de engranajes para producir 16-17V a una velocidad cómoda de pedaleo. Sin embargo, si optimizas la relación de engranajes para voltajes más bajos, debes pedalear muy rápido siempre que incluyas la carga de baterías en tu entrenamiento.

El controlador de carga eólica

El bicigenerador debe suministrar 14.4V para cargar baterías de plomo-ácido, que es el voltaje máximo que necesita una batería de plomo-ácido. En principio, todo lo que necesitas es un convertidor reductor o elevador, pero hay una advertencia: puedes sobrecargar la batería, lo que puede provocar una explosión.

Puedes evitar este riesgo de una manera de baja tecnología, observando el amperímetro. Una vez que la corriente baja al 3% de la capacidad de almacenamiento nominal de la batería (en Ah), la batería está completamente recargada y debes dejar de pedalear. Dado que eres la fuente de energía y, por lo tanto, seguramente estás presente y despierto, este enfoque es menos arriesgado que cargar una batería de plomo-ácido desde una fuente de alimentación de CC o un panel solar sin un controlador de carga.

Sin embargo, es una buena idea agregar más seguridad. Un controlador de carga solar proporciona esta seguridad en un sistema de energía solar fotovoltaica. Corta la entrada de energía siempre que el voltaje sube por encima de 14.4V. Sin embargo, un controlador de carga solar no funciona cuando está acoplado a un bicigenerador. En cambio, necesitas un controlador de carga eólica, que opera de manera inversa.

En lugar de cortar la carga a cero, un controlador de carga eólica aumenta repentinamente la carga y “frena”. Si utilizas un convertidor reductor, el controlador de carga eólica rara vez activará el freno porque el convertidor reductor limitará el voltaje de salida a 14.4V. Solo frenará cuando amenaces con sobrecargar la batería. Si utilizas un convertidor elevador, el controlador de carga eólica frenará siempre que accidentalmente excedas un voltaje de salida de 14.4V.

Los controladores de carga eólica tienen tres cables verdes para conectar a la fuente de alimentación. Puedes tomar cualquier par de estos tres cables y conectarlos al positivo y al negativo de la entrada de energía, no importa cuál va a dónde.

La mayoría de los controladores de carga eólica disponibles comercialmente son demasiado potentes para un bicigenerador, así que consigue el más pequeño que puedas encontrar. Devolvimos dos controladores de carga al fabricante. Uno de los controladores de carga eólica con pantalla vino sin manual, y nadie pudo entender cómo funciona. El único controlador híbrido eólico/solar que probamos, por ahora, fue peligroso. El panel solar sobrecargó la batería. También mantuvo el freno eléctrico durante media hora cada vez que cruzábamos el umbral, bloqueando así la producción de energía humana.

Cables, conectores, diodos, fusibles, interruptores de encendido/apagado

Necesitarás cables, conectores, diodos, fusibles y botones de encendido y apagado para conectar todo. Todos estos componentes pueden resultar confusos, así que aquí tienes lo que necesitas saber.

Cables eléctricos

El panel de control incluye aproximadamente diez metros de cable eléctrico. Sin embargo, lo más importante no es la longitud, sino el grosor del cable. Si optas por cables demasiado delgados, tu panel de control podría incendiarse durante un ejercicio intenso. Tomar la decisión correcta puede ser confuso porque hay varias normas. Cableamos el panel de control con un cable de 20AWG y 0.52mm2, que soporta 11A. Una opción mejor habría sido un cable de 18AWG y 0.82mm2, que soporta 16A. Ten cuidado al pelar los cables: si cortas demasiado profundo, el cable puede soportar menos corriente.

Conectores

Los cables pueden conectarse utilizando métodos muy diferentes. Elegimos conectores de palanca: voluminosos y costosos pero prácticos. Ayudan a conectar los cables de forma segura sin necesidad de soldar ni usar tornillos. Estos conectores vienen con dos a diez pines. El cableado del panel de control puede volverse desordenado. Asegúrate de no cortar los cables demasiado cortos.

Fusibles

Puedes construir un generador de bicicletas y un controlador sin fusibles, pero no es una buena idea. Un fusible romperá el circuito eléctrico cuando se supere un umbral de corriente, evitando incendios y daños en los componentes. Colocamos un fusible de 12A en la entrada del panel de control (nuestra máxima producción de energía es de 8-9A). También añadimos fusibles a la mayoría de los dispositivos que alimentamos.

Interruptores de encendido/apagado

Los circuitos conmutables requieren interruptores de encendido/apagado. Nuestro panel de control tiene nueve de ellos. Queríamos interruptores que se iluminaran cuando estuvieran activos porque eso muestra rápidamente qué circuitos eléctricos están en funcionamiento al comenzar el generador de pedal. Sin embargo, las luces hacen que el cableado de los interruptores de encendido/apagado sea más complejo.

Compramos interruptores con los cables ya unidos porque preferimos no soldar las conexiones. Sin embargo, tuvimos que soldarlos de todos modos porque los cables gruesos ocupaban demasiado espacio. Los interruptores de encendido/apagado sin luces y con cables más delgados predefinidos simplifican esta parte.

Imagen: Cómo cablear los interruptores de encendido/apagado.

Diodo Schottky

Un diodo Schottky garantiza que la corriente solo pueda fluir en una dirección a través de un cable. Esta pequeña pieza es esencial cuando hay baterías conectadas a tu sistema. Sin un diodo, la batería podría alimentar el generador (y hacer girar los pedales) en lugar de al revés. Colocamos un diodo Schottky justo después del generador para evitar esto. Debe estar clasificado para el amperaje correcto: por encima de tu producción de energía esperada. Nuestra máxima producción de energía es de 8-9A, el diodo Schottky toma 10A.

Instrumentos del panel de control

El panel de control incluye varios indicadores que muestran el voltaje y la corriente en diferentes circuitos eléctricos. El medidor analógico de voltios y amperios en la parte superior es el más importante. Muestra cuánta energía está produciendo el generador (V×A=W). El voltímetro te dice qué tan rápido estás pedaleando, y el amperímetro qué tan fuerte estás pedaleando.

Los medidores analógicos de V&A son más precisos en el medio de su rango, así que elegimos un voltímetro que llega hasta 30V y un amperímetro que llega a 15A. Un medidor digital de V&A es más compacto, pero los medidores analógicos muestran las variaciones de manera más clara. Encima del medidor, hay un circuito USB para enchufar una pequeña luz LED. Esto te permite vigilar el medidor V&A cuando está oscuro. También es útil para verificar rápidamente si el sistema está funcionando.

Imagen: Cómo cablear el voltímetro y amperímetro analógicos.

Debajo del medidor V&A hay tres medidores de voltaje para cada convertidor reductor y elevador. Estos muestran el voltaje de salida para cada uno de los circuitos. La salida de voltaje debería ser de 12.0V para los circuitos eléctricos de 12V y 220V, y 14.4V para el circuito de 14.4V. Los dos primeros pueden caer por debajo de ese valor si no pedaleas lo suficientemente rápido, mientras que el último puede superar ese valor si pedaleas demasiado rápido, el controlador de carga eólica también te hará comprender esto. También hay un medidor de voltaje y corriente en el circuito de 5V. Esto ayuda a maximizar la producción de energía añadiendo tantos dispositivos USB como sea posible (hasta 2A).

Dos instrumentos más no están en el propio panel de control: el medidor de voltaje de la batería de plomo-ácido y los medidores de temperatura de la tetera eléctrica y el refrigerador Peltier. Ninguno de estos es esencial. Sin embargo, pueden motivar al ciclista de potencia. En la carretera, tus esfuerzos se traducen en la distancia recorrida. El ciclismo estacionario puede ser aburrido, no estás yendo a ninguna parte. Los instrumentos te ayudan a establecer metas. Por ejemplo: bajemos la temperatura del refrigerador en 2 grados Celsius antes de que te duches.

Panel de control y fijación

Adjuntamos el panel de control al manillar y añadimos un portaequipajes en la parte delantera que sostiene piezas adicionales como un inversor, un controlador de carga eólica y una batería de plomo-ácido. En la parte superior de la caja se encuentran las salidas de energía para cada circuito y un concentrador de distribución USB. La caja tiene una tapa abierta y agujeros por donde pasan los cables del panel de control (primero van dentro del manillar).

Utilizamos una cortadora láser en un espacio para fabricantes (MADE Barcelona) para producir el panel. Todos los componentes están ajustados o intercalados entre dos capas de MDF de 4 mm. Puedes quitar fácilmente el panel frontal si algo necesita ser cambiado o reparado. Una placa acrílica transparente protege los convertidores reductor y elevador. Puedes quitarla para ajustar el voltaje de salida. Fijamos el panel de control al manillar de la bicicleta con abrazaderas de tubo de goma, tuercas M8 y pernos.

Cómo cablear el panel de control

El panel de control completo:

1: Diodo Schottky. 2: Fusible. 3: Cables. 4: Amperímetro y voltímetro analógicos. 5: Interruptores de encendido y apagado. 6: Conectores de cable. 7: Luz LED USB.

Circuito 5V:

8: Convertidor reductor USB. 9: Voltímetro y Amperímetro USB. 10: Multienchufe USB y cable.

Circuito 12V:

11: Convertidor reductor. 12: Regulador de intensidad.

Circuito 14.4V:

13: Convertidor elevador. 14: Controlador de carga de turbina eólica. 15: Batería de plomo-ácido. 16: Voltímetro electrónico de batería.

Circuito 220V:

17: Convertidor reductor. 18: Inversor.

Manual: Lista de componentes

Generador

Motor (x1). Ampflow P40 - 250W Pancake DC Brushed Motor 24-12V. 1. Eje de montaje (x1). Conversión de eje roscado de 8 mm a M10.
Rueda (x1).

Dashboard

Diodo Schottky (x1). BOJACK Diode Schottky 10SQ045 (10A 45V)
Fusible (x1).
Amperímetro analógico (x1). Amperímetro analógico DH-670 0-5A Clase 2.0 y Voltímetro analógico (x1) — Voltímetro analógico DH-670 DC 0-30V Clase 2.0
Interruptor LED de encendido/apagado (x8) — Interruptor basculante de la serie KR1-5, 12V 20A, 3 pines con LED.
Conector de cable (aproximadamente 16 de diferentes formatos).
Luz LED USB de 5V.
Convertidor reductor de 5V (x2). Convertidor reductor MH KC24 DC-DC 24-12V de carga descendente a 5V USB con protocolo de carga rápida.
Voltímetro y amperímetro USB de 5V.
Multienchufe USB de 5V.
Convertidor reductor de 12V 5A (x2). Convertidor reductor DC-DC ajustable de 12-24-36V 5A.
Regulador de intensidad y toma de corriente de 12V (x1). Toma de corriente para encendedor de cigarrillos para automóvil a prueba de agua de 12V RUIZHI.
Convertidor elevador (x1).
Controlador de carga de turbina eólica (x1) — Controlador de carga de viento impermeable Asixx 24-12V 300/600W.
Voltímetro electrónico de batería.
Convertidor reductor de 12V 15A — Convertidor reductor 200W 15A DC 3-60V a 1-36V, módulo regulador de voltaje ajustable con rectificador sincrónico.
Inversor (x1) — Inversor de 300W o menos DC 12V a AC 220-240V.
Cable (+10m). 10M de cables paralelos de silicona de 0.52mm2 20AWG, 11A (10M de cada uno).

Hardware

Pernos M3. Se ajustan a los componentes electrónicos para asegurarlos al panel de control.
Pernos M6. Para sujetar el motor a la tabla de madera.
Pernos M8. Para unir las dos partes del panel de control.
Bisagra de puerta grande. Para sujetar el motor en un ángulo.
Soportes de montaje de metal (de todas las formas y tamaños). Para fortalecer la estructura.
Abrazaderas de metal y goma. Para sujetar el panel de control al manillar de la bicicleta.
Pegamento para madera, tornillos (de todos los tamaños), pernos, arandelas y tuercas (normales, de seguridad, redondeadas, en forma de alas), listones y tablas de madera, pintura acrílica negra, etc.

Los Costos

Solo incluimos los componentes que efectivamente utilizamos:

Generador

Bicicleta estática vintage (segunda mano): 60 euros
Generador: 60 euros
Eje del husillo: 10 euros
Husillo: 3 euros
Total: 133 euros

Panel de control (todos los circuitos)

Cables: 17 euros
Conectores: 25 euros
Voltímetro analógico: 9 euros
Amperímetro analógico: 9 euros
Interruptores de encendido y apagado: 20 euros
Diodo: 1 euro
Fusible: 1 euro
Total: 82 euros

Circuito de 5V

Convertidor reductor USB de 5V (2x): 8 euros
Voltímetro y amperímetro USB de 5V: 8,50 euros
Concentrador de distribución USB: 30 euros
Total: 46,5 euros

Circuitos de 12V

Convertidor reductor de 12V 5A (2x): 24 euros
Convertidor elevador de 12V 5A: 8 euros
Convertidor reductor de 12V 15A: 25 euros (circuito adicional que agregamos más tarde)
Regulador de intensidad: 7,50 euros
Total: 64,5 euros

Circuito de 14.4V

Inversor: 50 euros
Batería (14Ah): 31 euros
Controlador de carga eólica: 34 euros
Total: 115 euros

Hardware

Para fijar el panel de control y el generador: +/-30 euros

Gran total: 471 euros

Máxima amperios de todos los componentes (limitación del circuito):

Todos los componentes utilizados deben soportar la potencia que pasa a través de ellos. El voltaje generalmente no es un problema, pero debes prestar atención a los amperios. La producción de energía se limitó a 60 vatios (12V, 5A), pero eso fue antes de limpiar a fondo y lubricar el tren de transmisión de la bicicleta. Después de la limpieza, descubrimos que la bicicleta podía generar casi el doble de esa potencia (12V, 8-9A). Esto requirió que hiciéramos algunas actualizaciones.

Los componentes son más caros a medida que aumenta su amperaje máximo nominal. Para los circuitos de 12V, 220V y 14.4V, nos mantuvimos en un límite de 5A. Aunque la bicicleta generadora puede producir más potencia, generalmente combinamos varios circuitos, cada uno limitado a 5A. Agregamos un circuito adicional de 12V con un convertidor de 15A y cables más gruesos para alimentar un electrodoméstico más potente. Este circuito omite completamente el panel de control. Planeamos trasladarlo al circuito eléctrico no regulado en el panel de control (y mejorar el cableado).

Cables: 11A, 18A para el circuito adicional
Convertidores USB reductores: 2A
2x Convertidores reductores: 5A
1x Convertidor reductor: 15A
Convertidor elevador: 5A
Interruptores de encendido y apagado: 20A
Diodo: 10A
Fusible: 12A
Conectores: 20A

Herramientas necesarias

Cortacables
Destornillador pequeño (para ajustar la salida de voltaje en convertidores reductores y elevadores)
Calculadora, multímetro, tacómetro
Soldador. Soldamos los interruptores de encendido y apagado y los dos convertidores USB reductores. Sin embargo, esto se puede evitar. Los interruptores se pueden comprar con cables preinstalados y hay opciones alternativas para los convertidores USB.
Sierra de madera: para hacer el portaequipajes
Sierra de metal: para cortar varillas roscadas personalizadas
Taladro: para montar el portaequipajes y el panel de control
Juego de llaves de vaso: muy útil al trabajar en una bicicleta.

El primer prototipo

El panel de control puede tener diferentes formas y utilizar otras herramientas y materiales. Construimos una prueba de concepto con madera de desecho y Meccano, y luego la aseguramos al manillar con alambre de hierro y algunos bloques de madera.

Inicialmente, atornillamos el generador en una tabla de madera grande y colocamos la bicicleta encima. Hicimos agujeros en la tabla para las cuatro patas para que la bicicleta siempre estuviera en el lugar correcto. Esta configuración funcionó y fue útil para probar diferentes tamaños de husillos, pero ocupa mucho más espacio en el suelo que nuestra configuración final.

Un agradecimiento especial a Adriana Parra, Eris Belil, Gabriel Verdeil y Manvel Arzumanyan.

Una excepción, sin embargo. Tuvimos que quitar el rodillo de fricción y el tornillo que ajusta la resistencia en los pedales de la bicicleta estática. Cortamos esta parte con una pequeña sierra metálica. ↩︎
Es importante que el sillín esté a la altura correcta para maximizar la producción de energía. El sillín de nuestra bicicleta estática está demasiado bajo. Necesitamos encontrar un poste de asiento más largo. ↩︎
La resistencia en los pedales depende del dispositivo que estás alimentando. Si estás cargando un teléfono inteligente, solo podrás producir unos pocos vatios, tanto como el teléfono necesita. Por lo tanto, para conocer la potencia máxima de un generador de bicicleta, necesitas un dispositivo o multímetro más potente que tú. Realizamos la prueba con un compresor de aire eléctrico. ↩︎
Para calcular las RPM (revoluciones por minuto) en el ciclo de pedaleo durante 15 segundos, cuenta el número de vueltas completas del pedal (ya sea el pedal izquierdo o derecho) y multiplica este número por cuatro. ↩︎
Hay muchos otros tipos de conectores USB, pero esos requieren una entrada de 12V constante. ↩︎

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. ↩︎