un bajo potencial de incorporación en las ZNI. Únicamente una parte del departamento de Nariño (departamento con ZNI) parece tener potencial, sin embargo, corresponde al municipio de Tumaco, que no hace parte de las ZNI.
3.2.4.
Energía geotérmica
Descripción: La energía geotérmica es la energía térmica contenida en el interior de la tierra la cual se obtiene a partir de la perforación de la superficie terrestre en terrenos cercanos a volcanes, en búsqueda de fuentes de agua a altas temperaturas para realizar conexiones que permitan la generación de la energía. Esto involucra maquinaria pesada y alta capacitación técnica, entre otros requisitos que la hacen la más compleja de los tipos de energía consultados en el presente trabajo (Valenzuela, 2011). Existen yacimientos de muy baja, baja, media y alta temperatura, tal que los de baja temperatura abarcan entre 20 y 30 °C, siendo útil en la producción de agua caliente sanitaria y sistemas de climatización; los yacimientos de baja temperatura abarcan entre 60 y 100 °C y son útiles para aplicaciones directas del calor tanto de forma residencial, como industrial y agrícola. Los yacimientos de media temperatura involucran temperaturas entre los 100 y 150 °C siendo útil en la producción de electricidad, aunque con rendimientos termodinámicos muy bajos, por lo cual resulta más aprovechable en aplicaciones de calefacción y refrigeración a través de máquinas de absorción. Los yacimientos de alta temperatura, tal como se muestra en el esquema de la Figura 13, abarca temperaturas entre los 150 y 350 °C, lo cual implica fuentes de calor magmático entre 1.500 y 2.250 m de profundidad tal como se ilustra en la figura. Las fuentes a alta temperatura permiten aprovechar el agua caliente o el vapor para accionar turbinas en centrales geotérmicas de producción de electricidad (P. R. Martínez, 2009).
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
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Figura 13. Yacimiento geotérmico de alta temperatura. Fuente: Tomado de (P. R. Martínez, 2009)
Ventajas y desventajas: la energía geotérmica por lo general puede ser explotada localmente, es decir, sin necesidad de que los países la importen, además por el recurso que utiliza, la fuente de calor está disponible en todo momento, ofrece una alta confiabilidad siempre y cuando se cumplan los requisitos tecnológicos. Además de ello se puede explotar por largos periodos de tiempo. Por otro lado, tiene consecuencias ambientales entre las que se encuentran la demolición de ecosistemas, la posible contaminación del ambiente con ácido sulfhídrico, y la limitante de que no se puede transportar la fuente de agua, por lo tanto, requiere de redes de distribución especializadas (Valenzuela, 2011).
Uso en Colombia y el mundo: Estados Unidos, Filipinas e Indonesia lideran el uso de la energía geotérmica en el mundo. Para el caso de Colombia, que se encuentra ubicado en el Cinturón de
Fuego del Pacífico, donde la temperatura natural del subsuelo es significativamente alta e igualmente la actividad volcánica, el potencial de explotación se ubica en las zonas de los volcanes Cerro Negro, Cumbal, Azufral, Galeras, Doña Juana, Sotará, Puracé, Nevado del Huila, Nevado del Ruiz y Nevado del Tolima. Se considera que realizar la explotación de los recursos que necesita este tipo de energía representa altos riesgos y costos especialmente en la fase exploratoria, además en Colombia no existe una normatividad clara y definida ya que son pocas las empresas que se encuentran realizando algún tipo de estudio al respecto (UPME,2015a).De acuerdo con lo anterior la energía geotérmica no representa una oportunidad potencial para la de generación de energía en ZNI, teniendo en consideración además que las fuentes principales de energía no se encuentran cercanas a estas zonas del país.
3.3.
Tecnologías de refrigeración con fuentes de energía no
convencional
A nivel general, los dispositivos de refrigeración tienen tres componentes principales: una caja térmica aislada, un sistema de control para mantener la temperatura dentro de los umbrales deseados y una tecnología de eliminación de calor, la cual puede ser activa o pasiva. Dentro de las tecnologías pasivas se incluyen los métodos que no requieren de ningún tipo de energía o equipamiento técnico para reducir la temperatura dentro del volumen enfriado; esto incluye los contenedores enfriados usando hielo, las técnicas de secado, la refrigeración subterránea (utilizando silos) y los enfriadores por evaporación; en estos casos los productos finales suelen ser espacios o contenedores. Por otro lado, las tecnologías activas si utilizan una fuente de energía y un sistema técnico, con un producto final definido habitualmente como un refrigerador o un congelador, dentro de lo cual se incluyen los sistemas de compresión mecánica, la refrigeración de sorción accionado por calor, la refrigeración termoeléctrica y la refrigeración Stirling. Mientras las tecnologías activas pueden abarcar amplios rangos de temperatura de refrigeración, las tecnologías pasivas en general permiten un rango de entre 10 y 20 °C (Barbieri, Colombo, Jerome, & Riva, 2015). Con el objetivo de considerar un amplio rango de temperaturas de refrigeración se considerará la evaluación de las tecnologías activas.
A continuación, se enuncia el funcionamiento de cada una de las tecnologías encontradas en la consulta bibliográfica para conocer su potencial aplicabilidad en las ZNI. En la Tabla 10 de la sección 0, donde se comparan las diferentes características de cada tecnología, se amplía la información sobre los dispositivos de refrigeración por compresión mecánica, por absorción, por adsorción, la refrigeración termoeléctrica y Stirling. Otras tecnologías como la de refrigeración por eyector, refrigeración magnética y refrigeración termoacústica, no representan oportunidades de aplicación en las ZNI por aspectos como su costo, ausencia de prototipos e información, complejidad técnica, entre otros.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
62
3.3.1.
Refrigeración por compresión mecánica o de vapor
El proceso de refrigeración por compresión de vapor funciona a partir de seis elementos principales que son: compresor, condensador, evaporador, válvula de expansión, termostato, líquido refrigerante y caja de almacenamiento. En la Figura 14 se representan las partes del proceso de enfriamiento, el cual funciona utilizando un fluido refrigerante que se ubica en el evaporador, una tubería en forma de serpentín que recibe calor de la caja en que se almacenan los productos a refrigerar. Cuando el refrigerante aumenta su temperatura, habiendo recibido la transferencia de calor de la carga a refrigerar, debe volver a disminuirla para garantizar la continuidad del ciclo; esto es detectado por el termostato el cual envía una señal al compresor para que ejerza presión de tal forma que el refrigerante se transporte hacia el condensador, dispositivo en el que se libera calor al ambiente y debido al cambio de estado del líquido refrigerante se presenta una disminución de la temperatura y la presión de la sustancia, convirtiéndola a estado líquido para luego ser recirculada al evaporador cruzando por una válvula de expansión en la que se disminuye su presión de acuerdo con las necesidades de refrigeración (Barbieri et al., 2015).
Figura 14. Representación de un sistema de refrigeración por compresión de vapor. Fuente: Adaptado de (Isaza, 2015)
La tecnología por compresión es la más común en refrigeración, puesto que, de contar con fuentes confiables de energía, el sistema funciona correctamente garantizando el cumplimiento de los requisitos del usuario. Para zonas no conectadas a la red existen proyectos en los cuales la fuente de alimentación de energía del compresor está directamente conectada con paneles solares y/o celdas fotovoltaicas; en la sección 3.4, se encuentran expuestos algunos de los dispositivos que ya han sido desarrollados.
3.3.2.
Refrigeración impulsada por sorción de calor
La tecnología por sorción de calor tiene un ciclo similar al de la refrigeración por compresión, con la diferencia de que en lugar de emplear un compresor utiliza un sistema de generación accionado por transferencia de calor, lo cual se logra aprovechando la atracción física o química entre pares de sustancias. Es la única tecnología capaz de transformar energía térmica directamente en trabajo de enfriamiento, alimentándose con calor residual, energía solar o combustibles tradicionales. Una de las ventajas de los sistemas de sorción es el hecho de que utiliza muy pocas e incluso ninguna parte móvil, lo cual se traduce en menores requerimientos de mantenimiento. Son además fáciles de controlar, no producen vibraciones ni ruido y utilizan gases con bajo o nulo potencial de GEI (Gases de Efecto Invernadero). Sin embargo, tienen una menor eficiencia en comparación con los sistemas de refrigeración por compresión. Varios dispositivos de refrigeración solar por sorción se han implementado con éxito en zonas rurales donde se cuenta con radiación solar ampliamente disponible (Aste et al., 2017b).
Los ciclos de sorción pueden caracterizarse en abiertos o cerrados (Sarbu & Sebarchievici, 2015a). Cuando se trata de un sistema abierto se utilizan desecantes, los cuales son eliminadores de la humedad del aire en un determinado ambiente; este ciclo suele emplearse en aplicaciones de humidificación y deshumidificación de ambientes. Los sistemas cerrados por otra parte cumplen con propósitos de refrigeración, teniendo dos tipos de funcionamiento: refrigeración por absorción y refrigeración por adsorción.
3.3.2.1.
Refrigeración por absorción
En el ciclo de refrigeración por absorción se utiliza un par de trabajo en donde el fluido absorbente tiene una alta afinidad hacia el refrigerante (el cual tiene una temperatura de ebullición menor), es decir, exhibe un fuerte potencial para absorber la fase de vapor del refrigerante (hasta cierta temperatura en el absorbente(Sarbu & Sebarchievici, 2015a). El par de trabajo refrigerante/absorbente puede ser por ejemplo 𝑁𝐻3/𝐻2𝑂 (amoniaco/agua) o, 𝐻2𝑂/𝐿𝑖𝐵𝑟
(agua/bromuro de litio) (Allouhi et al., 2015).
Una máquina de absorción consta de cinco componentes principales: un generador (o desorbedor), un absorbente, una válvula de expansión, un condensador y un evaporador. En el generador ingresa el par de trabajo en forma de mezcla; allí se le suministra calor (a través de una fuente de calor residual, calor solar o algún combustible fósil), hasta llegar a cierta temperatura en la que el absorbente pierde la capacidad de retención del refrigerante y lo libera en forma de vapor (desorción) haciendo que fluya hacia el condensador en donde liberaría calor pasando a estado líquido (condensación). Mientras que, por un lado, el absorbente obtenido al final de la desorción se hace circular desde el generador hasta el absorbente (lo cual puede darse en un mismo espacio para ciclos intermitentes), el refrigerante al salir del dispositivo de condensación pasa por una válvula de expansión que regula su presión para darle paso al evaporador, en donde absorbe el calor de la carga que se desee enfriar, pasando de nuevo a un estado gaseoso (Aste et al., 2017a). El refrigerante en forma de vapor pasa de nuevo al absorbente en donde es absorbido formando de
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nuevo una mezcla que posteriormente pasará al generador, iniciando nuevamente el ciclo (N’Tsoukpoe, Yamegueu, & Bassole, 2014). El ciclo básico de absorción se representa en la Figura 15 relacionando los estados de temperatura y presión en cada una de las etapas del ciclo. Como se observa, puede ser necesario la utilización de una bomba que transporte la mezcla de absorbente y refrigerante desde el proceso de absorción hasta la etapa de generación (o desorción), lo cual depende del diseño particular del dispositivo de refrigeración.
Figura 15. Ciclo básico de refrigeración por absorción. Fuente: Tomado de (N’Tsoukpoe et al., 2014)
Es posible aumentar el COP (coeficiente de rendimiento) en el ciclo por absorción cuando se dispone de una fuente de calor a mayor temperatura, agregando efectos o etapas, lo cual consiste en aprovechar el calor que se rechaza en el efecto de mayor temperatura en un ciclo (efecto) de menor temperatura. Un refrigerador por absorción de un ciclo de una sola etapa también conocido como de simple efecto, en el cual no se aproveche el calor que se rechaza, el COP variaría entre 0.6 y 0.8. El COP puede aumentar a 1.35 para un ciclo de dos etapas (doble efecto) y aproximadamente 1.7 para una máquina de triple efecto. En caso de emplear un solo efecto se suelen utilizar colectores solares de placa plana; con dos efectos se utilizan colectores de tubo de vacío; en caso de un triple efecto son ideales los colectores parabólicos concentrados o colectores de tubos de vacío (Allouhi et al., 2015). Cabe resaltar que mientras más efectos se consideren en el diseño, mayor es la complejidad del sistema y, asimismo, aumentan factores como el mantenimiento requerido y el costo, entre otros.
3.3.2.2.
Refrigeración por adsorción
La tecnología de adsorción tiene un ciclo similar al de los sistemas de absorción, con la diferencia de que el absorbente se encuentra en estado sólido y no líquido, siendo este normalmente un sustrato sólido altamente poroso con grandes superficies internas, del orden de cientos de 𝑚2/𝑔. En el mercado es posible encontrar pares de trabajo de agua como refrigerante y gel de sílice como adsorbente, sin embargo, existen líneas de I+D enfocadas al uso de zeolitas como material de adsorción o la utilización metanol/carbón activo como refrigerante/adsorbente (López, Ibarra, & Platzer, 2017).
El ciclo de adsorción incluye los mismos componentes principales en el ciclo de absorción, utilizando un adsorbente en lugar de un absorbente. En la Figura 16 se observan los componentes principales en el diseño propuesto por Mayor (Mayor, 2003), en la cual se tiene una aproximación dimensional entre el tamaño de la cámara de refrigeración y un colector solar de placa plana empleado como fuente de energía. 1: Captor solar. 2: Cristal de teflón. 3: Adsorbente. 4: Persianas de refrigeración. 5: Condensador. 6: Válvula autónoma. 7: Caja de refrigeración. 8: Evaporador.
Figura 16. Componentes de un refrigerador solar por adsorción. Fuente: Adaptado de (Mayor, 2003)
Durante el ciclo de adsorción, cuando el refrigerante se evapora en el evaporador se une a la superficie del adsorbente por fuerzas de Van Der Waals. Luego de ello se transfiere calor al adsorbente por medio de una fuente de aporte (solar, por ejemplo) aumentando la presión y separando el refrigerante (desorción), lo cual es usualmente llamado un proceso de regeneración, ya que el adsorbente queda listo para una nueva adsorción del refrigerante. El refrigerante pasa al condensador liberando energía para pasar a un estado líquido (condensación). Mientras tanto, el
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
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adsorbente disminuye su temperatura con un intercambiador de calor, disminuyendo su presión hasta igualar la presión en el evaporador. El refrigerante pasa del condensador al evaporador recibiendo el calor de la carga de refrigeración (acción refrigerante), pasando a un estado gaseoso, para luego pasar al proceso de adsorción, en donde es adsorbido por el material de adsorción hasta llegar a una temperatura equivalente a la del condensador, finalizando el ciclo (López et al., 2017). Los pares de trabajo en el ciclo de adsorción son componentes críticos, por lo cual, las investigaciones recientes sobre el tema se han dedicado a la mejora de la eficiencia del adsorbente seleccionando adecuadamente el par óptimo. Muchos sistemas integran el adsorbente y el colector solar juntos, donde el adsorbente se empaqueta en el colector solar. Para un funcionamiento continuo, es necesario combinar dos ciclos de adsorción; dichos sistemas pueden lograr un COP de 0.6 (Allouhi et al., 2015). Por otro lado, las tecnologías de adsorción alimentadas por biomasa aún se encuentran subdesarrolladas (Aste et al., 2017).
En general, los sistemas de adsorción térmica han sido estudiados exhaustivamente. Aunque varios prototipos de refrigeración solar de adsorción fuera de la red han sido diseñados y probados con éxito en trabajos de investigación, alcanzando a veces una eficiencia muy alta (demostrando la viabilidad de esta tecnología), solo se han desarrollado pocos dispositivos y se han probado con éxito en campos en áreas rurales con radiación solar ampliamente disponible (Aste et al., 2017). En ejemplo de ello es el diseño de Santori et. al. quienes fabricaron un refrigerador solar por adsorción para ayuda humanitaria en países del tercer mundo, útil para refrigerar vacunas y alimentos, con dimensiones de 1,7x1,5x0,95𝑚, con un colector solar de 1,2 𝑚2 de área (Santori, Santamaria,
Sapienza, Brandani, & Freni, 2014).
3.3.3.
Refrigeración termoeléctrica
El funcionamiento de la tecnología termoeléctrica se basa en el efecto Peltier, el cual consiste en el proceso de transferencia de calor que sucede al unir dos tipos de material diferentes utilizando una pieza semiconductora-base. Suministrando corriente continua de baja tensión al módulo, una cara de este se enfría mientras que la otra se calienta; la cara fría puede alcanzar temperaturas de hasta 30 °C por debajo de la temperatura del aire externo. La Figura 17 representa un esquema con los componentes principales de un refrigerador termoeléctrico(Enescu, Ciocia, Mazza, & Russo, 2017a), donde se puede observar la utilización de materiales semiconductores (3) ubicados dentro de la placa de transferencia de calor, empleando conductores de cobre (4) en contacto con sustrato cerámico a partir del cual se encuentran fabricadas las caras de la placa.
Figura 17. Componentes en un refrigerador termoeléctrico. Fuente: Tomado de (Enescu et al., 2017a)
Entre las ventajas de la refrigeración termoeléctrica se encuentran la alta durabilidad de estas ya que tiene pocas partes móviles, se elimina el riesgo de escapes al no utilizar algún tipo de refrigerante y a su vez tiene un bajo impacto ambiental al no emplear ningún tipo de refrigerante inflamable o tóxico. Además de ello su costo de fabricación es bajo. Como desventaja principal se encuentra el bajo COP en comparación con otras tecnologías. (Aste et al., 2017)
3.3.4.
Refrigeración Stirling
Este tipo de tecnología se conforma básicamente por un pistón, un desplazador y un gas no refrigerante (helio y nitrógeno, por ejemplo). En la Figura 18 se representan los componentes de un refrigerador Stirling, su funcionamiento consiste en la compresión de un gas a través de un pistón, que en la mayoría de los casos es accionado por un motor eléctrico (Aste et al., 2017). El gas a presión elevada se transporta entre un intercambiador de calor a alta temperatura, en el que se disipa el calor; posteriormente pasa a un regenerador en el que se disminuye la temperatura, así el gas se transporta hacia una cámara de expansión en la que se baja a un más su temperatura; en esa etapa se logra el proceso de enfriamiento de la caja de almacenamiento, la cual trasmite calor al fluido, y al igual que en los otras tecnologías expuestas se inicia nuevamente el ciclo.(Barbieri et al., 2015)
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
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Figura 18. Diagrama de un refrigerador Stirling Fuente: Adaptado de(Wang et al., 2018)
Entre las principales desventajas de esta tecnología se encuentra la alta complejidad de instalación, el mantenimiento requerido, y su alto costo, además, de acuerdo con la información consultada, en el mercado existen pocos dispositivos que funcionan con esta tecnología donde en la mayoría de los casos están diseñados específicamente para áreas de la salud.(Aste et al., 2017). Su principal ventaja es la baja temperatura que puede llegar a alcanzar, útil en aplicaciones comerciales (Hachem, Gheith, Aloui, & Ben Nasrallah, 2018a).
3.3.5.
Otras tecnologías de refrigeración
Además de las tecnologías descritas, existen algunas otras con las características de ser sistemas complejos, costosos y de investigación científica en desarrollo. Se consultó en diversas fuentes bibliográficas y es poca la aplicabilidad e información que se encuentra con respecto a las ZNI, por lo tanto, no harán parte de las tecnologías a evaluar para la selección del dispositivo, pues aun no son competitivas en comparación con las anteriores (principalmente debido al costo, complejidad asociada y falta de desarrollo científico). Sin embargo, a continuación, se describe su funcionamiento:
Sistema Eyector: Esta tecnología es similar a la de refrigeración por compresión, con la diferencia de que se omite la necesidad de un compresor al agregar un circuito de fluido que contiene un dispositivo eyector, un generador y una bomba de recuperación de energía de baja graduación. La Figura 19 muestra el ciclo de refrigeración por eyector, en el cual el trabajo principal del eyector es el de aumentar la presión del fluido refrigerante que circula en el evaporador (lo cual se realizaría por un compresor en un sistema tradicional por compresión), con ayuda de un fluido primario