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¿Cuánto gas LP se ahorra empleando captadores solares de agua?

Usar la energía solar es una opción mucho más barata que el gas LP, el gas natural u otros combustibles para calentar agua. Además, no contamina, es mucho más seguro, contribuye a conservar los energéticos fósiles y evita la fuga de divisas ocasionada por la importación de combustibles.

EDUARDO A. RINCÓN MEJÍA*

México es un país privilegiado por su recurso solar. Sobre cada metro cuadrado de su superficie se recibe diariamente un promedio de unos 20 MJ (un MJ es un millón de joules; el joule es la unidad de medida de energía en el Sistema Internacional de Unidades). Para tener una idea de esta cantidad, la energía calorífica contenida en un kilogramo de propano, que es el principal constituyente del gas LP, es de 48 MJ. Es decir que en 2.5 m2 de superficie horizontal de la azotea de una casa, se recibe en un día una cantidad de energía equivalente a la de un kilogramo de este gas. Si consideramos una azotea de 100 metros cuadrados, la energía solar que diariamente incide sobre ésta en la ciudad de México, es equivalente a más del contenido energético de 40 kg de gas LP.

Ahora bien, las leyes de la termodinámica nos impiden aprovechar el 100% de esta energía. El rendimiento térmico de un calentador o captador solar de agua es el porcentaje de la energía solar que incide sobre éste, que realmente se aprovecha para calentarla. Este rendimiento térmico depende esencialmente de los siguientes factores: 1) la calidad del captador solar, 2) la calidad de su instalación y las condiciones de su operación, 3) qué tan alta sea la radiación solar y la temperatura ambiente y 4) la temperatura requerida para el agua y la temperatura del agua de alimentación desde la tubería de distribución. Dependiendo de estos factores, el rendimiento térmico del captador puede variar desde cero hasta un 80% o más. En seguida, se comenta más ampliamente el efecto de estos factores.

1. La calidad del captador. Depende de qué tan buenos sean su diseño termomecánico, los materiales empleados en su manufactura y la calidad de ésta. En general, cuanto más rendidor se requiere que sea un captador solar, mayor deberá ser su calidad, pero también su costo. Es muy importante saber qué calidad es la óptima desde un punto de vista económico. Para un buen captador, aumentar su rendimiento un 8%, por ejemplo, puede implicar duplicar su costo, y esto puede no ser lo más adecuado.

2. Su instalación y su buena operación. Un excelente captador solar mal instalado o mal operado no rendirá lo que se espera de éste. Es muy importante que la instalación sea hecha por un fontanero solar calificado y supervisado por un experto en instalaciones solares, quien recomendará cómo operar el equipo y el mantenimiento que éste requiera.

3. El rendimiento térmico aumenta cuando la radiación solar es más intensa. Debido a este hecho, un calentador solar funcionará más eficientemente en México que en Europa, Asia o África del Sur, en donde los niveles de irradiancia solar son en general menores que en nuestro país (en un día despejado, la irradiancia máxima en la ciudad de México día es cercana a 1 kW por metro cuadrado). Asimismo, mientras mayor sea la temperatura ambiente, menores serán las pérdidas de calor y el rendimiento del captador será mayor.

4. La temperatura requerida para el agua caliente depende de la aplicación que se le desee dar. Por ejemplo, para calentar piscinas se requieren temperaturas del orden de 30° C, mientras que para bañarse se recomiendan temperaturas de unos 50° C. Para muchas aplicaciones industriales se requerirán temperaturas cercanas a los 100° C (ver Figura 1).Mientras mayor sea la temperatura requerida, el rendimiento térmico será necesariamente menor. Obviamente, la cantidad de agua caliente que un captador solar puede proporcionar depende también de la temperatura del agua de alimentación.

Para hacer una buena elección de un sistema de calentamiento de agua solar se deben tener en cuenta los anteriores factores, pero además habrá que elegir cuál será la mejor opción para un determinado presupuesto. Como ejemplo, para uso doméstico existen varios sistemas de calentamiento solar de agua de fabricación nacional que, de acuerdo con las condiciones ambientales de la ciudad de México, permiten ahorrar anualmente a una familia de 5 personas, entre 500 y 700 kilogramos de gas LP, dependiendo del sistema y su operación. El costo de estos sistemas es de unos 12 mil pesos. Si se considera que el precio del gas LP en el 2005 será del orden de 8 pesos por kilogramo, el ahorro anual en este combustible sería de entre 4,000 y 5,600 pesos, por lo que el sistema se paga en menos de tres años, si se le usa adecuadamente. Estos sistemas están garantizados para una vida útil de al menos 15 años, por lo que resultan sumamente rentables. Si se desea ahorrar aún más gas, se tendrá que elegir un captador más caro, de modo que el ahorro extra en gas no siempre justifica su instalación desde un punto de vista puramente económico. Sin embargo, otros factores (ambientales, estéticos, comodidad, etcétera) pueden conducir a la adquisición de un sistema importado de alto costo.

Si lo que se desea es calentar piscinas, lo mejor es emplear captadores desnudos de plástico, que son muy económicos y suficientemente buenos para calentar agua a 30° C, ideal para nadar y otras actividades acuáticas recreativas. La inversión en este tipo de sistemas se recupera en un año y medio, aunque la vida útil de estos captadores no rebasa los 15 años.

Para aplicaciones industriales se requieren calentadores con cubiertas de vidrio, recubrimientos especiales en los captadores y un excelente aislamiento térmico para operar con buenos rendimientos a altas temperaturas. Lossistemas de calentamiento con este tipo de captadores son más caros, pero siguen siendo sumamente rentables al ahorrar una gran cantidad de combustibles fósiles, además de que no contaminan el ambiente. En general, la inversión en este tipo de sistemas se recupera en un periodo de menos de cuatro años y estos equipos tienen una vida útil de más de 20 años, por lo que también resultan muy rentables.

En términos muy prácticos, la cantidad de captadores solares que se requerirían para una aplicación dada puede estimarse a grosso modo mediante el siguiente procedimiento:

a) Determinar la cantidad de agua caliente requerida para la aplicación deseada en un cierto periodo, por ejemplo: 2,000 litros de agua caliente a 52° C cada día, para uso doméstico.

b) Calcular la cantidad de energía calorífica requerida. Para el ejemplo anterior éste sería:

Qu = (litros/día)(densidad del agua)(calor específico)(incremento en la temperatura),o sea:

Qu=(2000 litros / día) (1 kg / litro) (4.187 kJ / kg º C) (52º C - 14º C)=318 212 kJ/día

c) Determinar el rendimiento medio de los captadores solares para esta aplicación. Este rendimiento que, como se mencionó antes, depende de la temperatura requerida para la aplicación deseada, se puede leer en la escala de la izquierda de una etiqueta, como la que se muestra en la Figura 1, que deberá ser proveída por el vendedor. En este caso corresponde a un captador de buena calidad, que proporciona al menos 40 MJ/día para una temperatura de aplicación de 52° C en un día típico de la ciudad de México. En días muy soleados, el rendimiento puede ser un 25% mayor. Asimismo, en días muy nublados el rendimiento será inferior, pero al menos para aplicaciones domésticas, una buena estimación permite eliminar por completo el calentador de gas de “respaldo”.

d) Dividir la cantidad de energía calorífica requerida entre la energía captada diariamente por cada captador. Para obtener 2000 litros de agua caliente al día empleando captadores que rinden 40 MJ/día a 52º C de temperatura de aplicación, se requerirán entonces de:

(318.212 MJ/día) / (40 MJ/día-captador) =7.9553 captadores

e) Redondear al mayor número entero par más próximo. En este ejemplo serían ocho los captadores que se requerirían para suministrar 2,000 litros de agua a 52º C, a partir de agua de la tubería a 14º C.

e agua?

Figura 1.Etiqueta de rendimiento de un captador solar comercial.

Para estimar la cantidad de combustible ahorrado, simplemente se lee en la escala de la derecha los kilogramos de gas LP ahorrados diariamente por cada captador –para el ejemplo dado se leen 1.40 kg/día de gas LP - y se multiplica por el número de captadores solares. Esto da muy aproximadamente el número de kilogramos de combustible fósil ahorrado si el sistema es operado correctamente. Para el ejemplo dado, se ahorrarían al menos 1.40 x 8 = 11.20 kilogramos de gas LP diariamente, que corresponden a más de 32 mil pesos anuales de ahorro en gas LP.

En conclusión, podría decirse sin lugar a dudas que es un error quemar gas LP, gas natural u otro combustible en vez de emplear captadores solares, tanto para calentamiento de piscinas, de agua para bañarse o para la gran mayoría de las aplicaciones caloríficas industriales. Usar la energía solar es mucho más barato, no contamina, contribuye a conservar los energéticos fósiles, evita la fuga de divisas ocasionada por importar combustibles, es mucho más seguro (se evitan accidentes por intoxicación, quemaduras y explosiones, que anualmente ocasionan decenas de muertes tan sólo en México) y proporciona una completa independencia energética. Todo mundo en nuestro país debería utilizar en su beneficio la energía solar, no hacerlo sale cada vez más caro, peligroso y deteriora el ambiente en que vivimos. Existen en México muchas empresas que pueden proveer el sistema de calentamiento solar que más convenga a las necesidades de una familia o una empresa. Para mayor información, puede visitarse la página de la AsociaciónNacional de Energía Solar:www.anes.org

* Expresidente de la Asociación Nacional de Energía Solar. Actualmente, es investigador del Programa de Energía de la Universidad de la Ciudad de México (rinconsolar@hotmail.com)