Fundamentos sobre Enfriamiento Evaporativo

El objetivo de esta entrada es dar a conocer mejor el mecanismo físico-ingenieril que hay detrás de los pulverizadores de agua empleados en terrazas y restaurantes durante el verano, que tienen la misión de mejorar la sensación térmica de los clientes. En contra de lo que pueda parecer, la idea original nunca es mojar.

Empezando por lo básico, vamos a considerar un cubo de agua, y vamos a distinguir entre la fase agua, la fase aire, y la superficie de interfase agua-aire, que es donde ambas están en contacto. En el agua las moléculas están en continuo movimiento y algunas de las que llegan a la superficie de interfase se escapan y pasan al aire; dicho de otro modo, de forma natural se produce una evaporación del agua. Pero como es bien sabido, para que una masa de agua pase a estado vapor necesita recibir una cierta cantidad de energía. ¿De dónde saca el agua la energía para cambiar de fase? Lo cierto es que sólo puede tomar la energía del aire con el que está en contacto. Por tanto, el agua absorberá energía del aire y pasará a estado vapor, y como al aire le están arrebatando energía, éste disminuirá su temperatura. En resumen, podemos decir que en las inmediaciones de la interfase agua-aire de nuestro cubo de agua, la temperatura del aire desciende ligeramente por efecto de la evaporación del agua.

Visto lo básico, nos podríamos preguntar lo siguiente: ¿Cómo de rápido se evaporaría el agua de mi cubo? ¿De qué depende la velocidad de evaporación natural? Podríamos considerar diversas variables, pero nos vamos a quedar con una sola: el área de interfase. Imaginemos un cubo donde cabe un litro de agua y una bandeja muy extensa donde cabe la misma cantidad de líquido. ¿En qué caso creéis que se evaporaría antes el litro de agua? A igualdad de otras condiciones, el líquido se evaporaría antes en la bandeja, sencillamente porque el área de interfase es mucho mayor y por tanto las moléculas de agua cuentan con una ‘región’ más extensa a través de la cual pueden escapar.

Ahora vamos a cuantificar un poco el efecto que presenta el área de interfase sobre el mecanismo de evaporación. Para ello, vamos a empezar suponiendo que tenemos el litro de agua conformando una única gota perfectamente esférica que, de alguna forma, mantenemos suspendida en el aire. ¿Cuál es el área de interfase en este caso? Os ahorro los cálculos: un litro equivaldría a una gota de 6,2 cm de radio y un área de 0,05 m2. Al igual que en el caso del cubo de agua, podemos intuir que este líquido tardaría muchos días en evaporarse.

A continuación dividimos el litro de agua en 9 gotas, también esféricas. Las gotas ahora tienen un radio de 3 cm, y el área de todas resulta ser de 0,1 m2 (el doble que antes). El agua se evaporará más rápido de esta forma porque se cuenta con más área de interfase, aunque esto todavía resulta difícil de visualizar.

Demos un salto cuantitativo mucho más apreciable: 1 millón de gotas, que tendrían un radio de poco más de medio milímetro, y una área total de casi 5 m2 (100 veces más que en el caso de la gota única).

¿A dónde podríamos llegar siguiendo esta progresión? Los pulverizadores que se emplean en algunas terrazas y restaurantes -que no difieren mucho del spray limpiacristales que tenemos en casa- producen una gota con un tamaño del orden de la micra (1 micra equivale a 0,001 mm). De este modo, si pulverizamos el litro de agua en gotas de 10 micras, tendríamos un área de interfase de 300 m2 (6.000 veces más que con la gota individual). Y en este caso si podemos visualizar fácilmente lo rápido que se evapora el agua, porque cuando usamos un pulverizador como el del limpiacristales comprobamos que el líquido desaparece a la vista bastante antes de llegar al suelo.

Número de gotas	Volumen de una gota (L)	Radio de una gota (m)	Superficie de una gota (m2)	Superficie TOTAL
1	1	0,0620	0,050	0,050
9	0,11	0,0300	0,011	0,100
1.000.000	0,000001	0,0006	5·10-6	5
2,35·1011	4,3·10-12	10-5	1,3·10-9	300

Concluimos por tanto que, tras multiplicar el área de interfase por 6.000 mediante la reducción del tamaño de gota, conseguimos multiplicar la velocidad de evaporación del agua. Y esto es crucial en hostelería porque lo que se persigue es que el agua se evapore antes de entrar en contacto con la gente, para así refrescar el ambiente sin llegar a mojar a nadie. Porque nadie duda que mojar refresque, pero normalmente no es ésta la idea que tienen en mente las personas que van a un restaurante.

'Demanda energética' vs. 'Consumo energético' en un edificio

A grandes rasgos, la ‘demanda energética’ de un edificio es la energía que éste requiere para que en su interior un usuario pueda disfrutar de unas determinadas condiciones de confort.

Vamos a suponer que analizamos el caso de nuestra vivienda, que estamos en Madrid y que es verano. Consideramos, por simplificar, una única condición de confort deseable: 24 ºC como temperatura máxima.

La pregunta que nos hacemos a continuación es la siguiente: ¿qué factores suponen un obstáculo para que podamos disfrutar de esta condición de confort en nuestra vivienda?

Podemos hablar de cinco factores:

Temperatura exterior.- Todos intuimos que el hecho de que haya en la calle una temperatura de 40 ºC supone un inconveniente para que nosotros disfrutemos de 24 ºC en el interior de nuestra vivienda. ¿Por qué exactamente? Porque cuando tenemos dos focos a diferente temperatura, se establece de forma natural una transferencia de calor desde el foco caliente (la calle) hasta el foco frío (nuestro salón). Por tanto, el mero hecho de que en la calle haga más calor inevitablemente va a suponer la entrada de calor en nuestra vivienda, hasta el punto –si no hiciéramos nada– de alcanzarse en nuestro salón la misma temperatura que hay en la calle.

Radiación solar.- En el caso anterior, el calor se transmite desde el aire exterior al muro, a través del muro, y desde el muro al aire interior. Pero el muro no sólo se calienta porque está en contacto con aire caliente, sino también porque recibe radiación directa del Sol. Por tanto, la radiación solar también fomenta la diferencia de temperaturas entre el foco caliente y el foco frío, promoviendo la transferencia de calor hacia el interior de nuestra vivienda.

Infiltraciones.- Es fácil entender que por la rendija de la puerta se cuela aire. En realidad, las líneas en las que un muro da paso a una ventana o a una puerta son lugares por los que se filtra aire del exterior (en este caso caliente). Dicho de otro modo, una ventana (o una puerta) no es más que un agujero en la pared donde se acopla un marco y un vidrio, pero este acoplamiento nunca se ejecuta en condiciones perfectamente herméticas. Por tanto, por cada ventana y puerta está entrando un pequeño volumen de aire que se encuentra a la temperatura exterior (40 ºC).

Ventilación.- Este caso es análogo al anterior pero con un matiz: las infiltraciones constituyen una entrada involuntaria de aire exterior, mientras que el aire de ventilación es una entrada de aire exterior necesaria. ¿Por qué necesaria? Porque cuando climatizamos el aire de nuestra vivienda no podemos utilizar siempre el mismo aire. ¿Por qué no? Porque el aire se va saturando de CO2 (y eventualmente de olores) y hay que renovarlo, lo que supone expulsar una cierta cantidad a la calle y tomar de la calle la misma cantidad pero de aire ya fresco. Y meter aire a 40 ºC está genial para evitar un ambiente viciado pero es un problema en lo relativo al acondicionamiento térmico.

Cargas internas.- Apuesto a que no te gusta estar en la cocina en verano cuando alguien está cocinando al horno. Eso es fundamentalmente porque el horno emite una cantidad de calor muy apreciable. En realidad todos los electrodomésticos, equipos y dispositivos que funcionan con electricidad emiten una cierta cantidad de calor cuando funcionan, y por tanto tenderán –aunque sea en poca medida– a elevar la temperatura del interior de la vivienda.

Así, pues, estos cinco factores conllevan la entrada de ciertas cantidades de calor en nuestra vivienda que, de no ser combatidas con el aire acondicionado, nos harían alcanzar en nuestra vivienda una temperatura similar (o incluso superior) a la del exterior. Por tanto, el calor entrante debe ser neutralizado con frío, o mejor dicho, con aire a una temperatura suficientemente baja como para que de la mezcla se obtenga un ambiente a 24 ºC. La energía que se requiere para producir este frío es justamente la demanda energética de nuestro edificio.

El ‘consumo energético’, por su parte, es el gasto energético que realmente tiene el edificio. ¿Y cómo es en relación a la demanda? Pues depende. Sobre todo porque mientras que la demanda depende fundamentalmente del clima y de las características del edificio, el consumo depende además del usuario y de sus pautas de comportamiento. Una persona que en verano quiera tener su vivienda a 20 ºC y que además ponga el aire acondicionado desde primera hora de la mañana consumirá bastante más energía de la que demanda el edificio, mientras que alguien que usa el aire acondicionado con moderación, fijando consignas de 25 ó 26 ºC y abriendo las ventanas por la mañana y por la noche, probablemente tendrá un consumo inferior a la demanda.

Hacia la Tercera Revolución Industrial

Los cambios más trascendentes que se han producido en la Historia de la humanidad han tenido lugar cuando se ha dado la confluencia entre un nuevo sistema energético y un nuevo sistema de comunicación.

Uno de los primeros casos claros es el de las sociedades que empezaron a utilizar la agricultura de riego (Mesopotamia, Egipto, China e India), en las que se inventó la escritura para poder gestionar la producción, almacenamiento y distribución de cereal. El excedente de grano permitía el crecimiento y expansión de las poblaciones, y asimismo la alimentación de más trabajadores que a su vez producían más alimento, estimulando el funcionamiento de una economía sustentada en la tierra. En este caso, la confluencia entre la comunicación escrita y el almacenamiento de energía en forma de materia orgánica vegetal dio lugar a la Revolución Agrícola, constituyendo además el principio de la civilización.

En el siglo XVIII se extiende ampliamente el uso del carbón como fuente de energía, hecho que se ve propiciado por el descubrimiento de mayores yacimientos y sobre todo por la invención de la máquina de vapor, que permitía transformar la energía calorífica procedente del combustible fósil en energía mecánica, particularmente en barcos y locomotoras, lo que a su vez serviría para transportar mercancías y pasarejos con mayor rapidez y a mayores distancias. Converge este avance con la invención de la imprenta, que resultaría vital para gestionar una economía en trepidante crecimiento, y para la que los antiguos métodos de comunicación escrita no habrían resultado funcionales. Es la Primera Revolución Industrial.

A finales del siglo XIX y principios del XX se consolida el uso del petróleo y se introduce el motor de combustión interna, al tiempo que surgen los primeros sistemas eléctricos de comunicación (telégrafo, teléfono, radio, televisión), avances tecnológicos que conformarían la Segunda Revolución Industrial, encauzando la económia hacia un nuevo proceso de expansión.

Hoy día, los diseños y tecnologías que sirvieron para materializar Internet empiezan a usarse para reconfigurar las redes eléctricas, con la idea de que cualquier persona pueda producir energía renovable y compartirla con otros usuarios, de la misma forma que en Internet se generan y comparten los contenidos. Hablamos por tanto de un nuevo uso descentralizado de la energía, donde millones de personas generan localmente energía renovable en sus casas, vehículos, oficinas e industrias, la almacenan en forma de hidrógeno, la transforman en electricidad en los momentos precisos y la comparten con el resto de usuarios a través de una red inteligente e interconectada que puede englobar países enteros.

El futuro de la distribución eléctrica: Las Redes Inteligentes

El esquema tradicional de distribución eléctrica ha venido presentando durante muchos años una estructura claramente jerarquizada, en la que un centro de producción de energía abastece de forma unidireccional a muchos puntos de consumo. Además, y a menudo, estos centros de producción se encuentran muy alejados de los puntos de consumo, por lo que la energía debe salvar grandes distancias y para ello es necesario disponer de una compleja y costosa infraestructura, que garantice la entrega de la energía al consumidor en condiciones óptimas para su consumo.

De forma resumida, podríamos señalar tres principales inconvenientes de las redes convencionales de distribución eléctrica:

• Dado que la electricidad no se puede almacenar a gran escala, la cantidad que se produce ha de ser consumida sobre la marcha. Por tanto, es necesario planificar continua y cuidadosamente la cantidad de energía que se va a producir en cada momento, con objeto de ajustar oferta y demanda todo lo posible. Los desajustes pronunciados entre oferta y demanda pueden producir efectos negativos sobre la red, como por ejemplo apagones.
• A medida que la electricidad recorre los cables de distribución, se va disipando energía en forma de calor, de modo que a mayores distancias a salvar, mayores pérdidas de energía. En nuestras redes actuales puede perderse en torno a un 10% de energía sólo en este transporte.
• Como ya se ha mencionado, la actual infraestructura de distribución es muy costosa, y no sólo económica, sino también ambientalmente.

Frente a este modelo tradicional está surgiendo un modelo nuevo de generación distribuida, basado en una red donde existen numerosos puntos que son al mismo tiempo productores y consumidores, un sistema donde hogares y otros edificios producen su propia energía y la consumen en el mismo punto para abastecer sus propias necesidades, vertiendo el sobrante a la red general para consumo de otros usuarios, o tomando de la red general la cantidad necesaria cuando localmente no se ha producido suficiente. Este sistema, como vemos, funciona de forma bidireccional.

La red distribuida consta de tres elementos básicos:

1. Mini redes que permitan a hogares y demás edificios generar su propia energía renovable (solar, eólica, minihidráulica, biomasa, etc.) y autoabastecerse sin necesidad de conectarse a la red general.
2. Contadores inteligentes que permitan a los productores locales vender su energía a la red general, o comprar energía de la red general.
3. Sensores, actuadores, procesadores inteligentes y software, que permitan saber cuánta energía de esta consumiendo en cualquier momento y en cualquier punto de la red, lo que resulta muy útil para redirigir los flujos de energía a las zonas con mayor demanda o con mayor déficit.

Una red de estas características resulta infinitamente más flexible y robusta. Por ejemplo, es capaz de adaptarse a la climatología (registrando velocidad del viento, radiación solar, temperatura ambiente…) y ajustar el flujo de electricidad tanto a las condiciones climáticas externas como a las necesidades de los consumidores. A efectos prácticos, suponiendo que en un momento dado la red general se encuentre sobrecargada por una elevada demanda, una aplicación informática podría ser capaz de seleccionar un programa de lavado más corto, o mover un grado la temperatura de consigna del aire acondicionado. Y los usuarios que permitieran estos ajustes en sus consumos eléctricos podrían recibir a cambio bonificaciones en sus facturas.

Además, puesto que el precio de la electricidad varía a lo largo del día, la información energética en tiempo real abre las puertas a una tarificación dinámica, permitiendo a los usuarios reducir sus consumos (o incluso desconectarse de la red general) durante periodos de precio elevado, y llevar a cabo ciertos consumos necesarios (siempre que sea posible) durante etapas de precio bajo. Los consumidores tienen así mucho más control sobre sus decisiones en materia de energía.

La red distribuida o red inteligente supondrá en el panorama energético lo que en el ámbito de la información ha supuesto Internet. Con la misma transparencia con la que en Internet se comparten los contenidos, los usuarios tomarán y cederán energía.

Islas verdes como reservorios energéticos

Las energías renovables, en particular la solar y la eólica, están llamadas a desempeñar un papel crucial en el objetivo de asegurar el abastecimiento energético y reducir la dependencia de los combustibles fósiles. No obstante, existen dos trabas importantes que dificultan este escenario: por una parte, la energía solar y la eólica no están disponibles en todo momento, sino que sólo se manifiestan cuando luce el sol y hace viento; por otra parte, la energía en general no se puede almacenar, o al menos no en grandes cantidades, ni durante largos plazos de tiempo, ni en condiciones técnico-económicas demasiado favorables.

Por ello, la implantación y consolidación de un sistema energético basado en renovables pasa necesariamente por el desarrollo de tecnologías que permitan el almacenamiento de la energía y, en particular, del excedente de solar y eólica que no se consuma en el momento de la generación por falta de demanda puntual.

En respuesta a esta problemática, se gesta en Dinamarca la idea de unas islas artificiales como reserva energética. En esencia, cada isla encerraría un gran depósito y en ella la energía se acumularía en forma de energía potencial a través del almacenamiento en altura de la propia agua de mar.

El principio de funcionamiento que subyace no es novedoso, de hecho es el mismo por el que se rigen las centrales hidroeléctricas y las estaciones de bombeo, aunque existiendo en este caso un aporte de energía solar y eólica:

• Una serie de placas fotovoltaicas y aerogeneradores distribuidos por la isla generan electricidad que, en momentos de baja demanda (por ejemplo de noche), se emplea en bombear agua de mar hacia unos grandes depósitos también situados en la isla. A medida que sube el nivel del agua en estos depósitos, aumenta la energía potencial disponible. Mientras se mantenga el nivel, se conserva la energía indefinidamente.

• En momentos de alta demanda, a la electricidad producida por las placas fotovoltaicas y por los aerogeneradores se suma la electricidad generada al liberar el agua de los depósitos, haciéndola pasar por una turbina (que a su vez estará acoplada a un generador, justo como en las centrales hidroeléctricas). En este caso la disminución del nivel del agua en los depósitos se corresponde con una liberación de la energía previamente almacenada.

Estas islas podrían tener un tamaño comprendido entre 200 y 6.000 campos de fútbol, y podrían generar y almacenar la energía que consumen 235.000 viviendas en un día. Según apuntan sus responsables, lo mejor del proyecto es que está basado en tecnología conocida y por tanto la idea se puede materializar ya.