Gestión eficiente de
la energía en la
difi
ió
edificación
Instituto de Ingeniería de España
4 de marzo de 2008
Domingo Guinea
[email protected]
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
www.csic.es
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INDICE
1 La situación actual
1. La situación actual
2. Esquemas de razonamiento
3. Algunas soluciones
2
La energía de los combustibles
representa hoy para el hombre:
• Alimentos
Alimentos
• Transporte
• Sanidad
• Construcción
• Vestido
2008_03_04
D.Guinea CSIC
3
• Tecnología
Oil
6 000
7 000
6 000
7 000
IEA World
Energy
Outlook
En demanda creciente
Natural gas
Coal
Nuclear power
Other renewables
1 000
2 000
3 000
4 000
5 000
Mtoe
1 000
2 000
3 000
4 000
5 000
Mtoe
Outlook
2004
Reference
Scenario:
• Fossil fuels
account for
almost
90% of the
60%
2008_03_04
D.Guinea CSIC
4
Nuclear power
Hydro power
0
1 000
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
0
1 000
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
Source: Fatih Birol (IEA)
Fatih Birol (IEA)
~60%
growth in
energy
demand
between
now and
2030.
Ligada a un crecimiento inusitado
de la población
Combustibles
2008_03_04
D.Guinea CSIC
5
Combustibles
fósiles
La peste
negra
Con repercusión en el resto
de los seres vivos
4
IEA World
Energy
Outlook
2004
World Energy
World Energy--Related CO
Related CO
2
2
Emissions
Emissions
16 000
20 000
E incluso en la atmósfera terrestre
2004
Reference
Scenario:
• Global
emissions
projected
grow 62%
between
2002 &
2030 and
4 000
8 000
12 000
Mt
o
f C
O
2
2
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7
Source: Fatih Birol (IEA)
Fatih Birol (IEA)
2030, and
developing
countries’
emissions
overtaking
OECD’s in
the 2020s.
0
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
OECD
Transition economies
Developing countries
Influyendo sobre la temperatura del planeta
Aunque los descubrimientos quedan atrás
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9
Herencia de energía cuyo uso ha llegado
al máximo para el petróleo
6
Urgent Need for an Alternate Source of Fuel
300
Por que hidrógeno como
f
?
Y pronto llegará para el resto
ions of
Barrels per
a
y
(Oil
Equiv
a
lent)
200
100
futuro?
•
Mayor densidad de energía
(28860 kcal/kg)
•
Muy abundante
•
No contaminante
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D.Guinea CSIC
11
Mill
D
a
John F. Bookout (President of Shell USA) ,“Two Centuries of Fossil Fuel Energy”
International Geological Congress, Washington DC; July 10,1985. Episodes, vol 12, 257-262 (1989).
R.E. Smalley MRS Bulletin 30, 412-417 (2005)
J. Rifkin, The Hydrogen Economy (Tarcher, New York, 2002).
0
1860 1900 1940 1980 2020 2060 2100
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Incluyendo el combustible
nuclear
Leña
Leña
%
Carbón
Petróleo
Gas natural
Hidrógeno
Hidrógeno
?
Leña
por combustible
al
b
al de
energía
en
%
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12
Nuclear
solar
solar
?
Año
Contribución
Consumo glo
Combustibles: un relámpago de
energía en la evolución humana
COMBUSTIBLES
FÓSILES.
LEÑA
ANIMALES
o…
LEÑA
ANIMALES
Renovables, fusión nuclear
geotérmica
Energía
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13
A. de C. año D. de C.
ANIMALES
ESCLAVOS
ANIMALES
ESCLAVOS
¿Existen soluciones?
8
El primer principio
! No hay
! No hay
más cera
que la que
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16
arde ¡
Necesidad y despilfarro
16% al usuario
Fuente de energía
Transporte
transformación
Destino
41% perdidas
inevitables
Sociedad
desarrollada
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17
43% perdidas
evitables
Fósiles
Nuclear
Hidráulica.
eolica, solar
Biomasa
No renovables
Renovables
Energía utilizable
Prod. petroquímicos
Irrecuperable
Recuperable
Miller 1993
El primer principio
• La energía disponible es la suma de
La que recibimos del sol
– La que recibimos del sol
– Más la acumulada en la Tierra
– Menos las pérdidas
• ¿Cuánto y de donde recibimos energía?
¿Conde están las reservas?
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D.Guinea CSIC
18
• ¿Conde están las reservas?
• ¿Cuánto pueden durar?
10
Recursos de energía sostenible
3
Mareas
82000
40000
370
40
32
0,3
Calentamiento
Ciclo del agua
Vientos, olas corrientes
Fotosíntesis
Permeación terrestre
Puntos calientes
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20
174000
52000
0
50000
100000
150000
200000
Radiación solar
Reflexión
* 10
12
W
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Energía geotérmica de alta temperatura
Aprovechar la energía
donde, cuando y como se
encuentre
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12
Enfriamiento de
intercambiadores profundos
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Con recarga estacional en
función de la demanda
Permeación térmica en calizas
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La
energía
d l S l
del Sol
sobre la
Tierra
14
El sol: motor de la actividad en el
planeta
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¿Cuanto recibimos?
Irradiación solar en Iberia
• Edificación:
100kWh/m
2
año
– Calefacción
M
ICO
¿Cuánto necesitamos?
– Refrigeración
– Agua caliente
– Iluminación
– Electrodomésticos
– Comunicaciones
70%
T
E
R
M
%
ELECTRICO
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D.Guinea CSIC
30
Comunicaciones
• Transporte
• Industria
30
%
Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía 2003
Necesidades de energía residencial
• Media en una vivienda en España:
100 kWh /m
2
año (IDAE)
• Luego el sol nos proporciona 16 veces
más de lo que necesitamos por m
2
16
El segundo principio
! Acompañar
a la energía
a la energía
en su
descenso ¡
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El segundo principio
• Lo natural es la homogeneidad
– Lo muy caliente se enfría
– Lo muy frío se calienta
• Del calor del verano y el frío del invierno al fresco
de la cueva
• El camino inverso es duro e ineficiente
– 1000kWh de energía solar producen:
• 900kWh al calentar el agua del océano
• 600kW en un colector térmico de baja Temp.
2008_03_04
D.Guinea CSIC
33
600kW en un colector térmico de baja Temp.
• 150kWh de electricidad fotovoltaica
• 100kWh fundiendo hielo
• 0,01kWh de agua hirviendo por calor de leña
• 0,005 kWh de biocombustible
Eficiencia en la captura
0,005
0,001
Biocombustible
Energía fósil
600
150
100
0,01
Panel térmico
Electricidad FV
Hielo fundido
Calor de leña
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34
1000
900
0
200
400
600
800
1000
1200
Radiación solar
Agua del océano
Solar One: Baristow CA 1982-1988
18
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Biocombustibles:
mala eficiencia
¿buen negocio?
¿buen negocio?
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D.Guinea CSIC
36
Image from www.fuelfromthesun.com
Aprovechar la energía posible
• Del despilfarro a la frugalidad
• La calidad adecuada para cada
uso: seguir la pendiente de la
entropía
• Generar donde se necesita
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• Almacenar en lo que se dispone
• Evitar las transformaciones
Buscar en la abundancia
• Calor del verano
• Frío del invierno
• Electricidad de la luz
Guardando la energía
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Guardando la energía
• En la tierra: geotérmia
• En el agua: hidrógeno
Algunas soluciones
•
La temperatura del subsuelo:
barrera térmica
barrera térmica
•
La bomba de calor
geotérmica
20
Temperatura en el campus
de CSIC en Arganda
Temperatura interior 22ºC
Temperatura interior 22ºC
Banda de confort 20-24ºC
refrigeración
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40
Temperatura media 16ºC
Temperatura en el subsuelo
calefacción
La inercia del subsuelo
Temperatura interior 22ºC
Temperatura interior 22ºC
Banda de confort 20-24ºC
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D.Guinea CSIC
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Temperatura media 16ºC
Temperatura en el subsuelo
T. de barrera de
la envolvente entre
capas aislantes
Evitar pérdidas con el calor de la
tierra.-
Barrera térmica en invierno
Interior
Mortero
20-22 ºC
Con barrera
16ºC
Sin barrera
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42
Exterior
4ºC
Poliestireno
Patente ISOMAX (LU)
Refrigerar con una barrera
térmica en verano
Exterior
Mortero
Exterior
40ºC
Sin barrera
22
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“A clean energy future: the case of geothermal power”
Olafur Ragnar Gimssom ante el Comité de Energía del Senado de los EEUU
Eficiencia de una bomba de
calor según el salto térmico
Coeficiente de operación de una bomba de calor en una casa a
22ºC
80
100
120
140
160
O
pe
ra
c
ión
Eficiencia
Bomba de calor
(depende de la T
de la fuente)
Rendimiento del sistema
• radiador eléctrico ---> 1
• bomba aire a -4ºC ---> 10
• bomba terreno 16ºC --> 40
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45
0
20
40
60
-10
0
10
20
30
40
50
T (ºC)
C.
O
Variación diaria en invierno
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46
calefacción
Variación diaria en verano
24
Cambiadores estructurales
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Si la T. media en Madrid es
de unos 16ºC y la banda de
confort de 22+-2ºC
->
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Hay un enfriamiento
progresivo del subsuelo
que hemos de compensar
Captura directa en cubierta y
almacenamiento selectivo:
Aprovechando las características de
los materiales de construcción:
•Calor específico
•Densidad
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D.Guinea CSIC
50
•Conductividad térmica
•Calor latente
Almacenamiento selectivo:
el diablillo de Maxwell
26
Radiación solar media
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52
24-40ºC
Alta radiación solar
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D.Guinea CSIC
53
La ecuación térmica
Ecuaciones de difusión
para calcular la
temperatura de cada
uno de los nodos es la
siguiente:
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D.Guinea CSIC
54
Donde la temperatura actual de cada nodo depende de la temperatura
de los nodos que lo rodean y de su propia temperatura en el instante
anterior, a su vez también depende su capacidad calorífica Ci y de la
conductividad térmica Rij
28
Climatización del aire
Captación
solar
Barrera
térmica
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D.Guinea CSIC
56
Gestión de flujo aire
para ventilación y
recuperación
Acumulador
Junto a la herencia de la crisis
de los ´70
Intercambio tierra-aire
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58
30
Terminales y sondas
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60
Losa de hormigón
Barrera en los muros
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32
Muros completos
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La cubierta
“La casa posible” EXPO 208
Vivienda de consumo cero
• Cerramiento independiente de la estructura
• Cerramiento independiente de la estructura.
• Elementos ligeros
• Envolvente con piel cuádruple con tres
isotermas de temperatura controlada:
– Intercambiador exterior
Intermedia para rec peración
control
– Intermedia para recuperación y control
– Interior como muro, techo o suelo radiante
• Transporte mixto aire-agua
• Estabilización por M. de cambio de fase
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D.Guinea CSIC
66
34
El consumo térmico
• ¿Queda resuelto el 70% de las
necesidades de energía en la
vivienda?
– Los principios son sencillos
– Los modelos parecen confirmarlo
– Existen numerosos ejemplos en
otros países
2008_03_04
D.Guinea CSIC
68
• Es una tecnología barata, abierta y
mejorable
Hacia la autosuficiencia
a coste razonable
Paneles fotovoltaicos
Electrolizador
Pila de
combustible
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D.Guinea CSIC
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Conexión a la red
Inversor
Tanques de
hidrógeno
Compresor
Del combustible a la electricidad:
Motor de
l ió
Energía
E
í
caldera
explosión
generador
Energía
térmica
Energía
mecánica
Rend. max. 20%
Teórico y práctico
2008_03_04
D.Guinea CSIC
70
Combustible
químico
Energía
eléctrica
Pila de
combustible
Rend. teor. 90%
práctico 50 %
De un sistema a escala
36
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A un demostrador real
D.Guinea
Con captura fotovoltaica
Hidrógeno en la vivienda
2008_03_04
D.Guinea CSIC
74
Y el restante 30%
• Sol en la cubierta 1700 kW h/m
2
año
• Electricidad fotovoltaica 16%
• Electrolizador 80%
• Acumulación de hidrógeno 90%
• Pila de combustible 60%
38
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