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I DIRECTRICES SOBRE TECNOLOGÍAS SOSTENIBLES PARA LA UTILIZACIÓN DE LOS ALIMENTOS EN CONTEXTOS HUMANITARIOS Y ASENTAMIENTOS INFORMALES Título original: Guidelines on sustainable energy technologies for food utilization in humanitarian contexts and informal settlements Esta publicación se desarrolla en el marco del proyecto “Tecnologías Energéticas Sostenibles para la Utilización de los Alimentos (SET4food)”, implementado por COOPI – COOPERAZIONE INTERNAZIONALE, Politecnico di Milano y Fondaziones Politecnico di Milano, y está cofinanciado por la Dirección General de Ayuda Humanitaria y Protección Civil de la Comisión Europea (ECHO). Convenio específico de subvención: ECHO/ERC/BUD/2014/91006. Esta publicación está promovida por: UNESCO Chair in Energy for Sustainable Development www.unescochair-e4sd.polimi.it Departamento de Energía – Politecnico di Milano Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano (MI), Italia. ISBN: 978-88-941226-1-9 Supervisores: Jacopo Barbieri, Emanuela Colombo Autores: Jacopo Barbieri, Emanuela Colombo, Jerome Ndam Mungwe, Fabio Riva (*) Alberto Berizzi, Cristian Bovo, Claudio Brivio, Stefano Mandelli, Marco Merlo, Godfrey Gladson Moshi (*) Rajendra Adhikari, Niccolò Aste, Claudio Del Pero, Fabrizio Leonforte (**) Marco Caniato (***) Ilustraciones: Caterina Fiorani (*) Departamento de Energía, Politecnico di Milano (**) Departamento de Arquitectura, Entorno Construido e Ingeniería de la Construcción, Politecnico di Milano (***) COOPI – COOPERAZIONE INTERNAZIONALE Traducido por Kosmos, Reggio Emilia (Italia) Excepto si se indica lo contrario, el contenido de esta publicación está sujeto a la licencia internacional de Creative Commons Attribution 4.0 EXENCIÓN DE RESPONSABILIDAD Los autores son responsables de la elección y presentación de los puntos de vista presentados en este manual y de las opiniones expresadas en él, que no son necesariamente los de la UNESCO, y esta organización no se hace responsable de ellos. Este documento trata de actividades de ayuda humanitaria ejecutadas con la asistencia financiera de la Unión Europea. Los puntos de vista expresados no son, de ningún modo, reflejo de la opinión oficial de la Unión Europea y la Comisión Europea no es responsable del uso que se pueda hacer de la información que contiene. II Índice de contenidos Índice de contenidos Acrónimos y abreviaturas ................................................................................................................................. VI Símbolos ........................................................................................................................................................... IX Unidades de medida .......................................................................................................................................... X 1. Introducción ............................................................................................................................................. 11 2 Tecnologías de cocinado............................................................................................................................... 15 2.1 Cocinas de combustible sólido .............................................................................................................. 16 2.2 Cocinas de combustible líquido o gaseoso ............................................................................................ 21 2.3 Cocinas eléctricas .................................................................................................................................. 21 2.4 Otras tecnologías de cocinado .............................................................................................................. 22 2.4.1 Cestas de heno ............................................................................................................... 22 2.4.2. Cocinas solares.................................................................................................................. 24 2.5 Producción combustibles alternativos .................................................................................................. 26 3 Tecnologías de conservación de alimentos .................................................................................................. 29 3.1 Refrigeración y congelación .................................................................................................................. 30 3.1.1 Refrigeración / congelación por compresión de vapor ...................................................... 32 3.1.2 Sorción accionada por calor............................................................................................... 33 DRAFT 3.1.3 Refrigeración termoeléctrica ............................................................................................. 34 3.1.4 Refrigeración Stirling ........................................................................................................ 34 3.1.5 Refrigeración pasiva .......................................................................................................... 35 3.2 Secado ................................................................................................................................................... 36 3.2.1 Secado térmico................................................................................................................... 37 3.2.2 Deshidratación osmótica .................................................................................................... 41 3.3 Conservación con sustancias químicas y microbios .............................................................................. 42 3.3.1 Fermentación ..................................................................................................................... 42 3.3.2 Nitritos en la conservación de alimentos ........................................................................... 43 3.4 Procesado y envasado por tratamiento térmico ................................................................................... 44 3.4.1 Pasteurización .................................................................................................................... 44 3.4.2 Enlatado y esterilización .................................................................................................... 45 3.4.3 Envasado ............................................................................................................................ 46 4 Sistemas de energía eléctrica ....................................................................................................................... 48 4.1 Electricidad en condiciones de emergencia: instalaciones mínimas..................................................... 48 4.2 Microrredes ........................................................................................................................................... 49 4.3 Aspectos básicos de los sistemas eléctricos .......................................................................................... 51 4.4 Diseño de microrredes .......................................................................................................................... 55 III 4.4.1 Sistemas CA y CC ............................................................................................................. 55 4.4.2 Sistemas eléctricos híbridos ............................................................................................... 57 4.4.3 Configuraciones de microrred adoptadas comúnmente ..................................................... 58 4.4.4 Tecnologías para la generación ......................................................................................... 62 4.4.5 Tecnologías de almacenamiento ........................................................................................ 62 4.4.6 Cargas ............................................................................................................................. 63 4.4.7 Tecnologías de conexión ................................................................................................ 64 4.4.8 Estándares y requisitos legales ....................................................................................... 65 4.4.9 Asuntos de seguridad y protección en microrredes ........................................................ 66 4.4.10 Funcionamiento de microrredes en campamentos de refugiados................................. 68 5 Suministro de agua.................................................................................................................................... 70 5.1 Sistemas de bombeo de agua ............................................................................................................ 71 5.1.1 Sistemas de bombeo eléctricos ....................................................................................... 75 5.1.2 Sistemas de bombeo mecánicos...................................................................................... 76 5.2 6 Tratamiento del agua ......................................................................................................................... 78 Fichas técnicas........................................................................................................................................... 84 6.1 Tecnologías de cocinado .................................................................................................................... 84 Cocinas de barro ......................................................................................................................... 84 Cocinas de metal ......................................................................................................................... 88 Cocinas de arcilla cocida ............................................................................................................ 93 Cocinas de cohete ....................................................................................................................... 98 Gasificadores ............................................................................................................................ 102 Cocinas de líquido y gas ........................................................................................................... 105 Tablas comparativas ................................................................................................................. 107 6.2 Tecnologías de cocinado adicionales................................................................................................... 110 Cocinas de panel ....................................................................................................................... 110 Cocinas de caja ......................................................................................................................... 113 Cocina parabólica ..................................................................................................................... 118 Tablas comparativas ................................................................................................................. 120 6.3 Producción de combustible ................................................................................................................. 122 Producción de biogás ................................................................................................................ 122 Sistemas mejorados de producción de carbón vegetal ............................................................. 127 Briquetas de combustible .......................................................................................................... 131 Tablas comparativas ................................................................................................................. 134 6.4 Tecnologías para la preservación de alimentos .................................................................................. 136 Refrigeración / congelación mecánica/ por comprensión de vapor .......................................... 136 Sorción accionada por calor...................................................................................................... 139 IV Índice de contenidos Refrigeración termoeléctrica .................................................................................................... 142 Refrigeración de olla Zeer ........................................................................................................ 145 Secado al sol y secado solar...................................................................................................... 147 Ahumado................................................................................................................................... 154 Curado .................................................................................................................................... 157 Conservas caseras ..................................................................................................................... 159 Envasado al vacío ..................................................................................................................... 162 Tablas comparativas ................................................................................................................. 165 6.10 Tecnologías para la generación de energía eléctrica ........................................................................ 170 Generadores a motor de combustión interna ............................................................................ 170 Microplantas de energía hidroeléctrica ..................................................................................... 174 Generadores eólicos .................................................................................................................. 189 Sistemas de almacenamiento de electricidad ............................................................................ 194 Tablas comparativas ................................................................................................................. 201 6.12 Tecnologías para el bombeo de agua ................................................................................................ 203 Bombas de mano....................................................................................................................... 203 Bombas eólicas mecánicas ....................................................................................................... 207 Bombas hidráulicas de ariete .................................................................................................... 209 Tablas comparativas ................................................................................................................. 214 DRAFT 6.13 Tecnologías de purificación de agua ................................................................................................. 216 Filtración por bioarena .............................................................................................................. 216 Destilación solar ....................................................................................................................... 219 Lámparas UV ............................................................................................................................ 222 Filtro de membrana ................................................................................................................... 224 Tablas comparativas ................................................................................................................. 227 7 Hacia la innovación en contextos humanitarios y asentamientos informales ........................................... 229 7.1 Metodología ........................................................................................................................................ 229 7.2 Tecnologías adecuadas identificadas para los estudios de caso ......................................................... 232 7.2.1 Caso A .......................................................................................................................... 233 7.2.2 Caso B ........................................................................................................................... 243 7.2.3 Caso C ........................................................................................................................... 248 8 Recomendaciones sobre acciones relativas a las tecnologías de energía para la utilización de los alimentos ....................................................................................................................................................................... 255 Bibliografía ..................................................................................................................................................... 260 V Acrónimos y abreviaturas ACNUR Alto Comisionado de las Naciones Unidas para los Refugiados ARTI Instituto para una Tecnología Rural Apropiada AT Alta tensión BBC Consorcio de la Frontera de Birmania BCT Bombas como turbinas BT Baja tensión CA Corriente alterna CAES Almacenaje de aire comprimido CAWST Centro para la Tecnología del Agua y Saneamiento CC Corriente continua CERTS Consorcio para Soluciones Tecnológicas Eléctricas Fiables CNR Comisión Nacional para Refugiados CO Monóxido de carbono CP Conductor de protección DA Digestión anaeróbica DAH Digestión anaerobia húmeda DAS Digestión anaerobia seca DDR Dispositivo diferencial residual DOD Profundidad de descarga DSM Gestión de la demanda EBN Red empresarial europea GAC Carbón activado granular GN Gas natural GPL Gas de petróleo licuado HH Hogar HHV Poder calorífico superior ICS Cocina mejorada IEC Comisión electrotécnica internacional IMC Cuerpo médico internacional LRA Ejército de la resistencia del señor MPP Punto de máxima potencia MPPT Buscador del punto de máxima potencia MT Media tensión NFI Producto no alimentario OCHA Oficina de Coordinación de Asuntos Humanitarios OI Organización internacional PA Poliamida PAC Punto de acoplamiento común PCU Unidad de acondicionamiento energético PDI Persona desplazada internamente PDN Red de distribución de energía eléctrica VI Índice de contenidos PE Polietileno PETP Poliéster PL Propano líquido PM Partículas materiales PP Polipropileno PV Fotovoltaico PVC Cloruro de polivinilo PVDC Policloruro de vinilo RPM Revoluciones por minuto SAPV Fotovoltaico autónomo SHS Sistema solar doméstico SIER Sistemas integrados de energía renovable SMES Almacenamiento de energía magnética por superconducción SO Gestor de red SO2 Dióxido de azufre SOC Estado de carga SODIS Desinfección solar del agua TEG Generador termoeléctrico TG Tecnologías de generación UV Ultravioleta VG Violencia de género WEDC Centro para el Desarrollo y la Ingeniería del Agua ZG Película de celulosa DRAFT VII Símbolos CP Coeficiente de potencia E Energía f Frecuencia I Corriente PM Potencia máxima p Polos eléctricos S Área de barrido del rotor tamb Temperatura ambiente v Velocidad del viento VAC Corriente alterna ρ Densidad del aire € Euro $ Dólar IX Unidades de medida °C Centígrado A Amperio Da Dalton kg kilogramo l litro m metros V Voltio W Vatios Wh Vatios-hora Ω Ohmio Prefijos tera Símbolo T Significado 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hecto h 102 deca da 10 deci d 10-1 centi c 10-2 mili m 10-3 micro µ 10-6 nano n 10-9 pico p 10-12 X 1. Introducción Las catástrofes naturales, el aumento de la población, los conflictos sociales y las crisis políticas o estructurales dan origen a migraciones forzosas, que pueden acarrear emergencias humanitarias. Según el informe anual de ACNUR Tendencias globales, a finales de 2013 el número de refugiados o personas desplazadas internamente (PDI) era el más elevado desde que hay disponibles estadísticas completas (desde 1989): 51,2 millones de personas se encontraban en situación de desplazamiento (45,1 millones a finales de 2012), incluyendo 16,7 millones de refugiados, 1,2 millones de solicitantes de asilo y 33,3 millones de PDI. En este contexto, los alimentos tienen un papel fundamental. De hecho, una disponibilidad de alimentos insuficiente conduce a la desnutrición y a la mala salud, aumenta las causas de mortalidad y crea un estado de emergencia permanente. Por esta razón, la emergencia humanitaria se ocupa, en primer lugar, de la seguridad y protección de los alimentos, que se construye sobre cuatro pilares principales: 1. disponibilidad física de alimentos 2. acceso económico y físico a los alimentos 3. utilización de los alimentos y recursos relacionados 4. estabilidad del suministro de alimentos a lo largo del tiempo Energía Producción de cosechas Producción de ganado y pescado Procesado poscosecha Almacenamient o y pescado Distribución Detalle Preparación Cocinado Utilización de alimentos Suministro de agua Conservación de alimentos Figura 1: vínculo entre energía, comida y agua (adaptado de Alimentos Energéticamente Inteligentes en FAO: Visión General). El término procesado de alimentos se refiere a una serie de operaciones por medio de las cuales los alimentos no procesados son convertidos en productos alimenticios para poder ser ingeridos, prolongar su almacenamiento y duración, y reducir (o suprimir) el tiempo o esfuerzo empleados en procedimientos culinarios. El cocinado es la última fase de esta cadena. Por otra parte, conservación de alimentos se refiere a un conjunto de procesos de tratamiento necesarios para prolongar la vida de los alimentos y retener las características que determinan su calidad, como la textura, el sabor, el color y, sobre todo, su valor nutricional. Está claro que existe un fuerte vínculo entre los alimentos y otros recursos, principalmente agua y energía (figura 1). En general, el vínculo entre la energía, los alimentos y el agua está relacionado tanto con las necesidades básicas y los servicios para las personas como con las actividades que generan ingresos y 11 sustento. Cada uno de estos recursos afecta a los otros, y se pueden resaltar los elementos que conectan el agua, la energía y los alimentos de forma multidireccional. En el contexto específico de las emergencias humanitarias, la energía desempeña un papel fundamental para garantizar el acceso seguro y protegido a los alimentos y para permitir su utilización: es necesaria para todas las fases de la cadena agroalimentaria (como la producción de cosechas, pesca, productos de ganadería y silvicultura), para las tareas de poscosecha y para la preparación y conservación de alimentos. Según la Oficina de Coordinación de Asuntos Humanitarios (OCAH) (Seguridad Energética y Acción Humanitaria: Tendencias y Desafíos Emergentes Claves): “La inseguridad energética también puede conducir a la inseguridad alimentaria. Sin acceso a una fuente de energía predecible, las comunidades no afectadas por la inseguridad alimentaria pueden llegar a tener este problema, y las que carecen de seguridad alimentaria pueden volverse incluso más vulnerables. No puede haber seguridad alimentaria en las comunidades donde no hay un acceso fiable a una fuente de combustible para calentar y cocinar”. La energía también es fundamental en muchos casos para proporcionar acceso seguro y fiable al agua y al suministro de la misma. Es más, es necesaria para la purificación y potabilización del agua. Si nos centramos en el procesado y conservación de los alimentos, la energía desempeña un papel clave en la resolución de los problemas principales, que son recurrentes en contextos humanitarios y de refugiados: La falta de soluciones de energía adecuadas conduce a la escasez de agua o al uso de agua contaminada y, como consecuencia, a enfermedades y efectos negativos en la ingesta nutricional. La falta de instalaciones de cocinado limpias y de acceso a fuentes de energía modernas (por ejemplo: cocinas mejoradas, gas, queroseno) es una de las principales causas de contaminación en lugares cerrados, lo cual tiene un impacto en las enfermedades y las dolencias respiratorias e influye, además, en la deforestación local. Una alta dependencia y un consumo elevado de madera, debido a la falta de fuentes de energía modernas asequibles, conduce a problemas sociales (sobre todo para las mujeres y los niños). La falta de energía suficiente y sostenible para la utilización de los alimentos tiene un impacto negativo en otros desafíos humanitarios claves. El primero de ellos es la protección: “(…) existen varios riesgos de protección asociados a la satisfacción de necesidades energéticas del hogar: entre otros, los relacionados con la violencia de género. Los acosos son especialmente habituales cuando las mujeres recolectan leña fuera de los campamentos. El segundo es la educación: “(…) las mujeres y las niñas son normalmente las encargadas de la recolección de la leña y, por lo tanto, se ven afectadas de manera desproporcionada por este problema, ya que la recolección de leña les quita mucho tiempo y limita su tiempo disponible para la educación”, como señaló ACNUR (Energía doméstica en campamentos de refugiados y PDI: desafíos y soluciones). La falta de métodos y tecnologías de conservación de alimentos adecuados conduce al deterioro de los alimentos: por una parte, la ausencia de fuentes de energía asequibles para cocinar hace que la gente cocine pocas veces; por otra parte, esta práctica aumenta la necesidad de almacenar alimentos, pero unas condiciones de almacenaje deficientes causan tanto la pérdida de propiedades nutricionales como problemas de salud. De ahí que la introducción de tecnologías de energía sostenible para ofrecer un acceso eficiente, fiable y equitativo a servicios básicos, como el cocinado, la conservación de alimentos y el suministro de agua, sea obligatoria. Por lo tanto, la selección de tecnologías adecuadas para los servicios energéticos es crucial para este fin y debe cumplir las principales dimensiones de sostenibilidad, especialmente a largo plazo en el caso de los asentamientos semipermanentes. No existe una única solución basada en una mezcla de tecnologías predeterminadas: es fundamental seleccionar las tecnologías más adecuadas y ajustar las necesidades a los recursos disponibles según el contexto específico. Por lo tanto, la finalidad de este trabajo es ofrecer varias soluciones que posibiliten la opción más apropiada, partiendo de las condiciones y necesidades locales. Se 12 Introducción proporcionará a los usuarios una lista de las posibles necesidades y de las correspondientes soluciones energéticas para la utilización de los alimentos, agrupadas dentro de las siguientes categorías: Tecnologías domésticas o comunitarias, que sean eficientes y efectivas, para satisfacer las necesidades de cocinado (cocinas mejoradas, cocinas de biogás, cocinas eléctricas, cocinas de gas…). Sistemas de energía renovable domésticos para la conservación de alimentos y otros servicios auxiliares como la luz (refrigeradores solares, conservas caseras, refrigeración termoeléctrica…). Pequeños sistemas de conversión energética renovables comunitarios para satisfacer las necesidades de bombeo y purificación del agua, y otros servicios auxiliares como la luz (sistemas fotovoltaicos, microturbinas eólicas, lámparas, lámparas UV…). Sistemas de energía renovable integrados (IRES) modulares comunitarios para proporcionar electricidad local fiable (sistemas híbridos solares fotovoltaicos / diésel, sistemas eólicos / diésel híbridos…) para tareas de cocinado y conservación de alimentos. Cada área de intervención y cada sistema se analizan partiendo del contexto específico de las intervenciones humanitarias, las necesidades y los recursos, y también observándolos desde un punto de vista tecnológico. Los aparatos y sistemas se describen en fichas técnicas específicas, que son de gran ayuda a la hora de elegir las tecnologías más adecuadas. Estas fichas dan información sobre sus características tecnológicas principales, además de indicaciones sobre construcción local (si es posible), advertencias y requisitos específicos, funcionamiento y mantenimiento y costes. Las tablas resumen comparan las diversas opciones y proporcionan los pros y contras para facilitar la identificación de la tecnología más adecuada para cada área de intervención. Por último, cabe destacar que este manual se ha desarrollado dentro del proyecto Tecnologías de energía sostenible para la utilización de los alimentos (SET4food), llevado a cabo por COOPI –COOPERAZIONE INTERNAZIONALE y el Politecnico di Milano, y financiado por la Dirección General de Ayuda Humanitaria y Protección Civil de la Comisión Europea (ECHO). El objetivo específico del proyecto es mejorar la capacidad de respuesta de los actores humanitarios a la hora de identificar y ejecutar tecnologías energéticas eficientes y sostenibles para la utilización de los alimentos. Así, este proyecto se centra en los vínculos que hay entre la utilización de los alimentos y la disponibilidad, eficiencia y sostenibilidad de energía en campamentos temporales, casi permanentes y permanentes o asentamientos informales. En particular, facilita la transferencia de conocimiento técnico acerca de tecnologías energéticas específicas — identificadas por el manual y probadas en cuatro proyectos piloto— al personal de ONG, tanto en la sede como en el campo. 13 2 Tecnologías de cocinado No hay una definición universal aceptada de “cocina” relacionada con el rendimiento o estándares técnicos. Sin embargo, las Naciones Unidas han definido algunos criterios que deberían respetar las cocinas para reducir los daños a la salud, y las amenazas al medio ambiente. Específicamente, tienen que ser sostenibles (desde el punto de vista social, medioambiental y económico), tienen que satisfacer las necesidades sociales, económicas y de hábitos de conducta de los usuarios, adecuarse a los recursos disponibles y alcanzar altos niveles de rendimiento y diseño tecnológico. No existe una clasificación estándar de las cocinas, pero generalmente se clasifican según su rendimiento y tipología de combustible. Rendimiento: Una cocina con un alto rendimiento produce niveles bajos de emisiones y una alta eficiencia térmica. Con el término “eficiencia” nos referimos a una medida de la fracción de calor producida por el combustible que llega al contenido de la cazuela. El resto de la energía se pierde en el entorno entre la cocina y la cazuela. (Figura 2) Cazuela Q Cocina Q Figura 2: pérdidas térmicas que condicionan el valor de la eficiencia. Por lo tanto, una mayor eficiencia térmica indica una mayor capacidad para transferir el calor producido a la cazuela. Si las cocinas tradicionales se caracterizan por una eficiencia baja, las cocinas mejoradas están diseñadas para mejorar la eficiencia energética, limitar las emisiones de humo o reducir la arduidad de las tareas de cocinado. La peculiar forma de la cámara de combustión también permite que la leña esté mejor colocada para incrementar la eficiencia térmica. De hecho, la eficiencia y las emisiones de las cocinas son muy sensibles a la forma, el material, la altura y el diámetro de la chimenea, y al emplazamiento de la cámara de combustión. Las cocinas con menor eficiencia son las tradicionales. Estas pueden ser tanto a fuegos abiertos (también llamados fuegos de tres piedras) como cocinas construidas por uno mismo con muy bajo coste o baja eficiencia. Tanto los fuegos abiertos como las cocinas tradicionales de baja eficiencia se usan principalmente en países en vías de desarrollo, además de en contextos humanitarios. Los fuegos abiertos, en concreto, son la “tecnología” más simple y fácil para cocinar, pero su eficiencia es baja, normalmente alrededor del 15 %, y pueden causar graves problemas de salud debido a emisiones nocivas (principalmente PM y CO). Por el contrario, las cocinas mejoradas (ICS) son cocinas con una mayor eficiencia que las tradicionales y un menor nivel de emisiones. Las cocinas avanzadas o modernas de biomasa son las cocinas fabricadas más recientemente. Estas cocinas son por lo general más caras y proporcionan el mejor rendimiento en cuanto a seguridad, eficiencia, emisión y durabilidad. En esta 15 categoría se incluyen las cocinas de aire forzado y los gasificadores. Finalmente, las cocinas de combustible gaseoso y líquido muestran los rendimientos más altos, en términos de alta eficiencia y bajas emisiones. Tipología de combustible: las cocinas tradicionales y las cocinas mejoradas utilizan combustibles de biomasa sólidos, además de gasificadores; también existen otras cocinas que utilizan combustibles líquidos o gaseosos. Finalmente, las cocinas solares son aparatos que utilizan la energía del sol para cocinar alimentos; no suelen definirse como cocinas, ya que no hay fase de combustión. Siguiendo la clasificación anterior, en la figura 3 se muestran las principales tipologías de cocinas. Tradicional Biomasa mejorada Gasificadores Combustible líquido Combustible gaseoso Cocinas solares Barro Simple de cohete Simple Alcohol Gas natural / GLP Cocinas de panel Metal De cohete con aire forzado Aire forzado Queroseno Biogás Cocina de caja Arcilla cocida De cohete con acople termoeléctrico Aceite vegetal Cocina parabólica Figura 3: principales tipologías de cocinas. La tecnología de las cocinas solares se analiza por separado, porque funciona solo en condiciones climatológicas específicas; por lo tanto merece la pena usarla en combinación con los aparatos anteriores para reducir la necesidad de quemar combustibles y disminuir las emisiones. En los siguientes párrafos se ofrece una visión general de las diferentes tipologías de cocinas y de sus características. El fuego abierto se ha usado como base de referencia para la comparación. Es importante recordar que no hay una sola respuesta tecnológica a las numerosas necesidades de los campamentos. La solución tiene que buscarse en una variedad de aplicaciones hechas a medida o diseñadas ex profeso, especialmente para la construcción de los modelos, donde el diseño más apropiado depende del contexto local y de la situación particular. De hecho, las cocinas tienen que adaptarse a las personas y a los hábitos de cocinado tradicionales, y no al revés. En conclusión, es fundamental conocer y evaluar las características y los usos de los diferentes diseños para hacer la elección adecuada según cada conjunto de condiciones. 2.1 Cocinas de combustible sólido Las especificaciones técnicas y los materiales usados en la fabricación de cocinas de combustible sólido influyen en su rendimiento. En particular, los principales elementos que determinan la eficiencia y calidad de una cocina son los siguientes: Cámara de combustión Chimenea Tiro de aire Materiales de aislamiento 16 Cocinado Falda alrededor de la cazuela Figura 4: cámara de combustión normal. El primer componente a tratar es la cámara de combustión (figura 4). Con respecto a un fuego abierto, una mejora básica es contener la llama con un muro circular de arcilla o metal. La primera ventaja es que las cocinas con un fuego mejor cercado se ven menos afectadas por el viento. La forma de la cámara de combustión afecta a la calidad de la combustión y, como resultado, a la eficiencia de la cocina. Si la forma de la cámara de combustión no se optimiza, puede haber baja temperatura en algunos puntos, y causar la formación de sustancias como monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar. La mejora más extendida en la forma de la cámara de combustión es la forma de L, que se adopta en el diseño llamado de cohete (figura 5). El diseño de cohete consiste en una entrada cerca del fondo de la cocina donde se inserta el combustible de madera y a través del cual el aire puede entrar en la cámara de combustión. La gran diferencia de temperatura entre el aire frio que entra por el fondo de la cocina y los gases calientes de la combustión que salen por arriba de la cámara de combustión produce una caída de presión. Este efecto reduce drásticamente la producción de CO y de partículas, y reduce el humo emitido por la cocina. Se puede hacer otra mejora introduciendo una rejilla o agujeros (figura 7). La presencia de este elemento permitirá que el aire fluya por debajo del lecho de combustible y se mezcle mejor con este. Esto incrementara la eficiencia térmica y REDUCIRÁ las emisiones. Figura 5: cámara de combustión en L. De hecho, cuanto mejor se controle y optimice el flujo de aire que entra en la cámara de combustión, mayor será la eficiencia del aparato. La introducción de una chimenea reduce enormemente la contaminación en lugares cerrados (figura 6). Sin embargo, las chimeneas que no están bien diseñadas pueden tener un tiro excesivo, lo cual conduce a un consumo excesivo de combustible. Esta es la principal razón por la que las cocinas de chimenea no son necesariamente más eficientes. Es más, las cocinas de chimenea son más caras: en el caso de las cocinas domésticas, la chimenea a veces cuesta tanto como la cocina. 17 Figura 6: cocina con chimenea. Figura 7: rejilla y agujeros para mejorar el tiro de aire. Los materiales de aislamiento son otro factor importante y determinante para el rendimiento de las cocinas. Los ladrillos aislantes son refractarios y pueden aguantar temperaturas muy altas. Se usan comúnmente en la parte exterior de la cocina para mantener el calor dentro de la cámara de combustión y alcanzar una eficiencia térmica más alta (figura 8). Otra medida común adoptada para evitar el excesivo calor emitido por el cuerpo de la cocina es añadir una segunda pared exterior, que puede hacerse colocando una lámina fina o tela metálica alrededor de la pared interior. La superficie de contacto entre las partes calientes y otras partes de la cocina debería minimizarse, mientras que el espacio entre la pared interior y la exterior a menudo se deja vacío o se rellena de materiales de aislamiento, como fragmentos de vidrio, arena o cenizas. Figura 8: material de aislamiento. Otra característica común que aumenta aún más la eficiencia de la cocina es colocar una falda alrededor de la cazuela. Es una simple pieza de metal redonda (figura 9) que se coloca en lo más alto de la cámara de 18 Cocinado combustión, donde las llamas están en contacto con el fondo de la cazuela. Rodea la cazuela y concentra la llama y los gases calientes en los laterales de esta. Colocar una falda alrededor de la cazuela puede reducir el consumo de combustible y las emisiones en un 25-30 %. El principio es muy fácil de describir. Si no se coloca una falda alrededor de la cazuela, parte de la llama no entra en contacto con la cazuela y, como resultado, se desperdicia una gran cantidad de calor. Al colocar una falda que envuelve la cazuela y dirige la llama a la cazuela, la eficiencia es mayor, sobre todo en los casos de gestión no óptima del combustible. Figura 9: falda alrededor de la cazuela. Tal y como se muestra en la figura 3, las cocinas pueden clasificarse en tres categorías principales, según su diseño y materiales de construcción: Tradicionales Cocinas mejoradas Gasificadores Las cocinas tradicionales están entre los aparatos de combustible sólido para cocinar más extendidos en los países en vías de desarrollo. En general las cocinas tradicionales tienen una baja eficiencia térmica y un alto nivel de emisiones, aunque su rendimiento sea mayor que el de los fuegos abiertos, excepto por las emisiones de partículas materiales (PM). De hecho, la producción de PM se debe a un tiro insuficiente o zonas frías en la cámara de combustión, fenómenos causados por un mal diseño. En función del material de construcción, las tipologías más difundidas de cocinas tradicionales son las cocinas de barro, de metal y de arcilla cocida o arcilla/metal. Las cocinas mejoradas se definen como cocinas con mayor eficiencia que la cocina de fuego de tres piedras y un menor nivel de emisiones específicas. Además, tienen que ser sostenibles para satisfacer las necesidades sociales y económicas y para adecuarse a los recursos y a los hábitos de conducta de los futuros usuarios. Existen varios tipos de cocinas mejoradas, pero merecen la pena analizar las de tipo cohete por su alta eficiencia y la disponibilidad en varios modelos. 19 Cocinas de cohete comunitarias Las cocinas de cohete normalmente se diseñan para el uso de toda una comunidad y, por consiguiente, son grandes y de mayor potencia. El uso de grandes cocinas para satisfacer las necesidades de cocinado de una comunidad tiene dos ventajas: 1. Consumo decreciente de combustible: esto es porque estas cocinas tienen mayores eficiencias que las tradicionales; además, las cocinas grandes muestran menores pérdidas térmicas específicas que las cocinas domésticas. 2. Disminución o eliminación de emisiones: esto se debe en parte a su alta eficiencia, pero sobre todo a que las cocinas comunitarias están equipadas con una chimenea. Como resultado, siempre que sea viable en el campamento y compatible con las restricciones sociales locales, usar una cocina comunitaria suele ser la mejor opción. La cocina comunitaria está hecha normalmente de metal y ladrillos de arcilla/serrín, tiene una capacidad de 50 a 200 litros y presenta una cámara de combustión de cocina de cohete con una cazuela hundida y una falda interna que rodea la cazuela. Figura 10: cocina de cohete portátil institucional en Malawi. Figura 11: cocina institucional de 100 litros en Burundi. Algunos modelos también están aislados con una pared externa hecha de ladrillos con eficiencias de hasta el 45 %. Figura 12: cocinas institucionales altamente eficientes. 20 Cocinado Los microgasificadores son gasificadores usados para cocinar, cocinas que funcionan mediante un proceso de combustión de dos fases en el que, primero, la biomasa se quema en la parte inferior de la cámara de combustión, causando una descomposición de la biomasa en gases y vapores volátiles, que son entonces quemados gracias a un segundo influjo de aire hacia la parte de arriba de la cocina. Pueden alcanzar grandes eficiencias; pero sobre todo, una gran reducción de emisiones de hasta el 90 % comparado con el fuego de tres piedras. Funcionan con un amplio abanico de biomasas: madera, estiércol, residuos como cáscaras de cacahuetes, cáscaras de arroz y coco, bagazo de caña de azúcar y bambú. Por último, pero no menos importante, el producto derivado de este proceso es el biocarbón, una sustancia similar al carbón vegetal que se puede utilizar como abono para el suelo. 2.2 Cocinas de combustible líquido o gaseoso Entre las cocinas alimentadas a líquido o a gas, se encuentran las cocinas que utilizan combustibles líquidos o gaseosos como el queroseno, alcoholes (etanol y metanol), aceites vegetales como el aceite de jatrofa, gas de petróleo licuado (GPL), gas natural (GN) o biogás, que son combustibles modernos más eficientes (figura 13, figura 14, figura 15) que los usados en cocinas alimentadas con combustibles sólidos. Generalmente su eficiencia térmica es alta (hasta un 55 %) y el nivel de emisiones contaminantes es muy bajo. Sin embargo, las emisiones pueden ser más elevadas si se hace un uso incorrecto de algunos de estos combustibles, por ejemplo, un uso incorrecto del aceite de jatrofa y del queroseno. También hay cocinas híbridas alimentadas por más de un combustible, por ejemplo, queroseno y aceite vegetal, o parafina y gel de etanol. Debido a la falta de disponibilidad y el coste, la mayoría de la gente en los países en vías de desarrollo no utiliza estas cocinas. En contextos humanitarios, algunas de estas cocinas podrían ser muy útiles, sobre todo cuando el combustible se puede producir localmente, como es el caso de aceites vegetales como el aceite de jatrofa, alcoholes y biogás, o cuando el coste del gas es bajo. Figura 13: cocina de alcohol. Figura 14: cocina de queroseno. Figura 15: cocina de gas. 2.3 Cocinas eléctricas Las cocinas eléctricas son aparatos tecnológicos que transforman la energía eléctrica en calor. Pese a su alta eficiencia, la falta de disponibilidad y asequibilidad de la electricidad hace que estas cocinas no estén muy extendidas, especialmente en comunidades rurales. Además de garantizar altos ahorros energéticos de hasta un 80 % en comparación con los fuegos de tres piedras, son una solución limpia gracias a sus muy bajas emisiones durante la fase de cocinado. Cualquier posible emisión está, de hecho, relacionada con la fase de generación de electricidad. Las tecnologías más comunes que usan electricidad para cocinar son: 21 • Placas eléctricas: son aparatos simples que se componen de una o dos placas de metal calentadas por una resistencia eléctrica. Consumen una media de 1000 a 2000 vatios con una eficiencia de cocinado del 50-65 %. Su coste oscila entre los 20 y los 50 dólares. Las principales limitaciones están relacionadas con las dimensiones de las placas, que sólo pueden calentar cazuelas pequeñas (de 2 a 4 litros) y el tiempo de cocción, que generalmente es mayor que el de las cocinas alimentadas por líquidos o sólidos. Figura 16: placa eléctrica con un quemador alargado. • Hornos microondas: estos funcionan mediante un proceso llamado “calentamiento dieléctrico”, en el que los alimentos son bombardeados con radiación electro-magnética, que hace que las moléculas polarizadas de los alimentos roten y creen energía térmica. Consumen entre 600 y 750 vatios de media y tienen una eficiencia de cocinado del 50 al 60 %. Cuestan entre 50 y 200 dólares. No se deben introducir recipientes metálicos dentro de los Figura 17: horno microondas. microondas porque esto crea chispas, mientras que los recipientes de plástico se pueden fundir. Los microondas no pueden penetrar en los alimentos más allá de dos a cinco centímetros, por lo que la comida más gruesa no se puede cocinar fácilmente. El tiempo de cocinado es menor por regla general, comparado con los métodos clásicos de cocinado. 2.4 Otras tecnologías de cocinado La finalidad de esta sección es describir dos tecnologías que deben usarse solo como opciones de cocinado suplementarias junto con los aparatos analizados hasta ahora: la cesta de heno y las cocinas solares. Estos aparatos permiten disminuir el uso de combustibles y por consiguiente los costes y emisiones relacionados, si lo comparamos con el uso de solo cocinas de combustible eléctrico, solido, líquido o gaseoso. Aunque aumentan el tiempo de cocción, son útiles cuando el coste del combustible es elevado; el rendimiento de las cocinas es muy bajo y la recolección de combustible acarrea problemas sociales (p. ej.: mujeres y violencia de género, o tiempo perdido llevando a cabo esta actividad). 2.4.1 Cestas de heno Una cesta de heno o cocina sin fuego es un recipiente sencillo donde se puede guardar un alimento cocinado parcialmente para que continúe cocinándose sin necesidad de consumir más combustible o calor externo. Es útil en campamentos de refugiados con acceso limitado a combustible, especialmente para alimentos que requieren un largo tiempo de cocinado, como las legumbres y el arroz. Por ejemplo, se puede llevar a ebullición una cazuela de arroz utilizando una cocina tradicional y, más tarde, colocarla en una cesta de heno para terminar la cocción sin quemar combustibles adicionales. Por lo tanto, en lugar de cocer el arroz a fuego lento, el alimento continúa cociéndose en una cocina sin fuego, usando la propia energía almacenada y reduciendo el uso de combustible incluso en un 40 %. Obviamente, el período de tiempo de cocción requerido en una cesta de heno es más alto comparado con una cocina tradicional; por 22 Cocinado regla general la cesta de heno requiere una o dos veces más tiempo de cocción que una cocina alimentada con combustible. Figura 18: cesta de heno abierta. La cesta de heno se puede construir utilizando materiales locales, como cestas o cartón aislado con papel o con trapos y ropa que no sirven, siguiendo las siguientes instrucciones: - - Cosa el material aislante a la caja externa. Pegue o clave un forro de tela para mantener el aislamiento en posición. Si las hay disponibles, use cubiertas de polietileno resistentes al calor para forrar la tela de dentro y proteger el relleno. Ajuste dos almohadas o cojines negros por debajo y por encima de la cazuela. La capa de aislamiento de la parte inferior de la cazuela puede hacerse con una bandeja de arena o ceniza. OBSERVACIÓN: recuerde que la cazuela debe poderse encajar en la cesta. Cojín tapa Forro de doble capa de tela resistente y polietileno Olla para cocinar Aislamiento Cesta Bandeja de ceniza y arena Figura 19: diagrama de una cesta de heno. Es importante resaltar que las cestas de heno solo funcionan si son construidas correctamente y requieren un alto nivel de destreza; por lo tanto, se debe formar adecuadamente a las personas. 23 Figura 20: mujer africana con una cesta de heno. 2.4.2. Cocinas solares Utilizar el sol para cocinar es una opción de cocinado viable, suplementaria a la leña, para la preparación de alimentos en gran parte de los países en vías de desarrollo, mediante artefactos llamados cocinas solares. Una cocina solar es una tecnología que usa la energía de la radiación del sol para calentar, cocinar o pasteurizar alimentos o bebidas. Se han desarrollado por todo el mundo diversos tipos de cocinas solares y se pueden clasificar de una forma esquemática que identifica tres modelos: cocina de panel (a), de caja (b) y parabólica (c). Figura 21: categorías de cocinas solares. El principio de funcionamiento es la concentración de la radiación del sol. Las cocinas solares reflejan los rayos solares que inciden en una superficie grande (el área de abertura de la cocina) y los concentran en un área más pequeña, donde se coloca la cazuela, aumentando la energía especifica. Una superficie negra absorbe la radiación y calienta la comida que hay dentro. Una cubierta transparente que rodea la cazuela funciona como invernadero, permitiendo que los rayos solares pasen a través de la superficie e impidiendo cualquier descarga de calor. La principal ventaja de estos modelos es que se pueden fabricar en casa y pueden usarse para cocinar y calentar. Hay que destacar que las cocinas solares son opciones de cocinado suplementarias. Esto es porque son altamente dependientes de las condiciones meteorológicas y solo pueden usarse en días soleados. Son una buena opción en campamentos de refugiados, donde los combustibles no son asequibles y los artefactos tradicionales son muy contaminantes e ineficientes, porque disminuyen la necesidad de quemar combustibles y, por lo tanto, también las emisiones y costes. Además, si se prepara comida una vez por semana (o menos) y posteriormente se conserva, las cocinas solares pueden ser una solución óptima para 24 Cocinado calentar la comida precocinada sin necesidad de quemar combustibles para terminar la cocción. Los tres modelos presentan las siguientes ventajas: Ahorro en CO, PM, SO2, cenizas volantes y humo Reducción de CO2 Reducción de leña Ahorro en el coste de la leña PROS La siguiente tabla compara las tres tecnologías: Panel Portátil Muy barata (0- 5 $) Buen rendimiento Puede hervir agua Concentra los rayos solares CONTRAS Poco duradera No sirve para llevar a ebullición el agua antes de cocinar los alimentos Caja Parabólica Portátil Muy alto rendimiento Barata si se construye Concentra los rayos con materiales de solares desecho locales (0-20 $) Duradera Funciona como Conveniente también almacenamiento de calor para llevar a ebullición Buen rendimiento el agua antes de No necesita seguimiento cocinar los alimentos frecuente Cara si se compra (más Peligrosa de 100 dólares) No portátil Las superficies tienen Cara si se compra (más que estar inclinadas de 100-200 dólares) o No concentra los rayos se construye (30-60 solares dólares) Poco duradera si se hace Se requiere con papel corrugado seguimiento frecuente No sirve para llevar a ebullición el agua antes de cocinar los alimentos Un indicador inicial para saber si las cocinas solares son una opción viable es la radiación mínima anual: para cualquier proyecto de cocina solar, debería haber disponibles 1,5 TWh/(m²a), que corresponde a una insolación diaria media de 4 kWh/ (m²d). 25 Figura 22: radiación solar anual media (en teravatios-hora por km cuadrado/anual). En el informe “EVALUACIÓN DE PROYECTO DE COCINA SOLAR del campamento de refugiados de Iridmi, Chad, octubre de 2007, por la ONG Jewish World Watch” se muestra una aplicación útil de cocinas solares en campamentos de refugiados y se presenta un cuestionario para entrevistas de evaluación de cocinas solares. 2.5 Producción combustibles alternativos La madera es el combustible más habitual en campamentos de refugiados y asentamientos informales y, en general, en los países en vías de desarrollo. Además de estar en lo más bajo de la escala de energía con relación a las fuentes de energía usadas en los hogares, en los campamentos de refugiados puede no haber disponibilidad de leña y su suministro puede ser demasiado caro o estar prohibido. En estas situaciones existen otras fuentes de energía que pueden ser apropiadas. Dejando aparte los combustibles que no pueden producirse en los campos (p. ej.: queroseno, biodiesel), los combustibles sólidos alternativos más comunes son los siguientes: 1) Desperdicios y residuos orgánicos Los desperdicios y residuos orgánicos pueden recolectarse en los campamentos y en las inmediaciones cercanas: cáscaras de arroz, mazorcas, estiércol de vaca, tallos de cosechas, ramitas y hojas. Estos tipos de combustible tienen menos contenido energético que la madera. Por lo tanto, cocinar con desechos y residuos consume entre 20 y 35 % más combustible que cocinar con madera, y aumenta las emisiones como consecuencia. Además, el contenido energético del combustible final se ve muy afectado por el material, el tamaño de los residuos y su porcentaje de humedad. Por lo tanto, su uso se recomienda solo cuando hay escasez de madera. 2) Hierba De manera similar a los residuos, la hierba seca puede representar una solución alternativa en campamentos donde hay escasez de árboles pero están situados en una pradera. Las cocinas se pueden adaptar fácilmente para quemar hierba. Por ejemplo, las cocinas de arcilla o metal, como se ha visto 26 Cocinado antes, pueden adaptarse fácilmente con un cilindro exterior para proporcionar apoyo, estabilidad, retención de calor y ventilación, y un cilindro interior extraíble con perforaciones para contener la carga de combustible de hierba. Un anillo metálico colocado encima de este cilindro interior permite dirigir el calor al centro de la cazuela. Figura 23: utilización de combustible de hierba. Es importante recordar que la hierba es un combustible menos eficiente comparado con la leña, con alrededor de un 20 % menos de contenido energético por unidad de peso. Además, su combustión produce más humo y se caracteriza por un tiempo de combustión más corto. Por lo tanto, la hierba generalmente se considera un combustible de cocinado inapropiado a menos que el campamento haya agotado completamente la madera. 3) Turba La turba es un sustitutivo de la madera que puede reducir el consumo de combustible gracias a su mayor contenido energético (entre un 10 % y 25 % más que la madera). Es una acumulación de materia orgánica creada por la descomposición incompleta de vegetación de los pantanos caracterizada por condiciones particulares de exceso de humedad y escasez de oxígeno. Las fuentes de turba son por lo general pantanos, ciénagas y pocosines (pantanales). El uso de turba revela algunas ventajas en cuanto a una reducción de uso de combustible, pero tiene que ser secada antes de usarla. Puede ser difícil de prender y a menudo es humeante. Por lo tanto debe usarse preferiblemente para cocinar en el exterior, en cocinas bien ventiladas. Finalmente, se debe prestar gran atención al impacto potencial y a la sostenibilidad de programas de corte en los pantanos. 27 Figura 24: ejemplo de una mina de turba. 4) Carbón vegetal El carbón vegetal es el producto directo de la pirolisis de la madera, que es un tipo de combustión de madera sin oxígeno. Las principales ventajas de usar carbón vegetal son su alto contenido energético (el doble que la leña) y la eficiencia generalmente mayor de las cocinas de carbón vegetal con respecto a las tradicionales de madera. Por lo tanto, el uso de carbón vegetal permite reducir el uso de combustible durante la fase de cocinado. Por otra parte, producir carbón vegetal consume madera y el balance energético a lo largo de toda la cadena de producción a menudo causa un mayor consumo de madera. De hecho, la manera en que se produce el carbón vegetal está profundamente afectada por la eficiencia del proceso. Si no se produce en hornos mejorados, la producción de carbón vegetal es muy baja; por lo tanto, en este caso, el consumo de madera primaria convertida en carbón vegetal es mucho mayor que el de la madera usada directamente en las cocinas. Por consiguiente, si un campamento tiene escasez de madera, el carbón vegetal puede ser una solución solo si se produce en sistemas mejorados, y en lugares donde la alternativa tradicional principal o única es la cocina de fuego de tres piedras. Incluso si las cocinas usadas en el campamento o los asentamientos son mejoradas, los beneficios alcanzables mediante la conversión de madera en carbón vegetal y su uso no son tan evidentes, ni siquiera favorables. Los detalles relativos a la producción de carbón vegetal pueden encontrarse en la ficha técnica específica. Así pues, su producción en hornos mejorados (ver las fichas técnicas) es conveniente y apropiada donde la gente ya está acostumbrada a producirlo de forma tradicional. 5) Briquetas de combustible Son esencialmente bloques de combustible consistentes en desperdicios verdes, serrín o residuos sueltos comprimidos mediante compactación, carbonizado externo o completo. Normalmente se compran y se venden luego en el campamento. Los detalles relativos a la producción de briquetas se pueden encontrar en las fichas técnicas específicas. 28 3 Tecnologías de conservación de alimentos Alimentar a una población mundial creciente es uno de los problemas más urgentes a los que se enfrenta la humanidad. A este respecto, la conservación de alimentos desempeña un papel crucial para abordar el hambre en el mundo. En la actualidad, más de un tercio de los alimentos producidos globalmente se pierden por derroche o deterioro. En particular, la gente que vive en países en vías de desarrollo —donde los riesgos de inseguridad alimentaria son mayores— se enfrenta al impacto más negativo de esta pérdida, además de, en muchos casos, a los mayores obstáculos para superar el desafío. Muchos estudios recientes muestran que ya existen posiblemente suficientes alimentos producidos en el mundo para alimentar a una población creciente, si pudiéramos almacenarlos y guardarlos en lugar de dejar que se estropearan. Las pérdidas se producen a lo largo de la cadena de abastecimiento de alimentos actual, pero es probable que las consecuencias se sientan más intensamente en aquellas regiones más desesperadas por la falta de alimentos. En países con ingresos medios y altos, los niveles más altos de desperdicio se producen en la fase de consumo, cuando los consumidores desechan alimentos que aún son aptos para el consumo humano. Los países industrializados desperdician más alimentos per cápita que los países en vías de desarrollo. Pero en países de ingresos bajos los alimentos se echan a perder mucho antes de que lleguen a los consumidores, principalmente debido a limitaciones financieras, técnicas o de otro tipo. Las técnicas de recolección, almacenamiento, las instalaciones de refrigeración, la infraestructura de la cadena de abastecimiento y el envasado pueden ser deficientes, todas ellas, en países con ingresos bajos, y la escasez contribuye a las pérdidas de alimentos. En los campamentos de refugiados, la situación es aún peor cuando la comida no es suficiente para alimentar debidamente a la gente y la desnutrición hace a los refugiados frágiles y más propensos a una gran variedad de enfermedades y dolencias. Por esta razón, los refugiados dependen con frecuencia totalmente de la ayuda humanitaria. En esta condición crítica, el proceso de conservación puede proporcionar una solución para desactivar directamente las bacterias, levaduras, mohos o enzimas, y para evitar la contaminación de los alimentos antes o después del proceso de cocinado. De hecho, puesto que la humedad natural en muchos alimentos puede convertirse en caldo de cultivo de organismos como bacterias y hongos nocivos, la conservación de los alimentos puede considerarse como un proceso fundamental para garantizar la salud de la gente. En este sentido, la conservación empieza cuando los alimentos recolectados son separados del medio de crecimiento inmediato (planta, suelo o agua) o la carne es separada del animal después de la matanza, o la leche de la secreción normal de las glándulas mamarias, para evitar su deterioro. Una de las formas de conservación de alimentos es el secado, que elimina la humedad natural de los alimentos, añade un conservante que impide que los organismos como las bacterias vivan en los alimentos, y sella la comida en un recipiente herméticamente cerrado. Entre los métodos tradicionales de conservación están el secado (secado al sol), salado, ahumado, fermentación y pasteurización. Los métodos modernos incluyen las conservas y la refrigeración. Los avances en los materiales de envasado también han desempeñado un importante papel en la conservación moderna de alimentos. Con el avance de la tecnología, algunas de las soluciones podrían ser tan simples y baratas como el desarrollo de la refrigeración solar (mediante la sorción accionada por calor o por 29 compresión mecánica de vapor) o el secado solar por aire para permitir el almacenamiento y para mejorar la durabilidad del producto. Es importante señalar que la falta de variedad de frutas y verduras hace que muchos refugiados sufran carencias de vitaminas y minerales esenciales, y esto puede causar una variedad de enfermedades. Por lo tanto, es esencial una conservación correcta de los alimentos que pueda mantener intactas las propiedades de los mismos. Por ejemplo, las carencias crónicas de vitamina A pueden conducir a la xeroftalmia y a la ceguera en la infancia, mientras que una carencia de hierro puede conducir a la anemia, una carencia de vitamina C conduce al escorbuto, una carencia de niacina causa pelagra y una carencia de tiamina, el beriberi. La siguiente tabla muestra las técnicas de conservación más pertinentes de algunas categorías de alimentos. Tabla 1: técnicas de conservación más pertinentes de algunas categorías prevalentes de alimentos. Comida seca Secado (al sol y solar) Salazón/curado Ahumado Conserva casera Refrigeración Envasado Verduras frescas X Fruta fresca X Pescado X Carne X X X X X X X X X X X X X X X X X X 3.1 Refrigeración y congelación Los procesos de refrigeración y congelación consisten en la eliminación de calor de los alimentos que se quiere conservar para mantener una cierta temperatura de almacenamiento, que es generalmente entre 0 °C y 10 °C para la refrigeración y por debajo de -10 °C para la congelación El proceso de refrigeración conserva los alimentos al ralentizar el crecimiento y la reproducción de microorganismos y la acción de las enzimas que causa la putrefacción de los alimentos. La congelación cambia el estado físico de una sustancia al convertir el agua en hielo cuando se quita la energía mediante el enfriamiento hasta la congelación para extender considerablemente la duración de los alimentos. El proceso de congelación de alimentos frescos debería ser lo más rápido posible para no cambiar las propiedades de los alimentos. Por lo general, la refrigeración y la congelación necesitan los siguientes componentes principales: • caja térmica aislada • tecnología de eliminación de calor (pasiva o activa) • sistema de control para mantener la temperatura dentro de los umbrales deseados La transferencia de calor es impulsada tradicionalmente por trabajo mecánico, calor, magnetismo, electricidad u otros medios, y se pueden identificar cinco categorías principales de tecnologías disponibles: • Compresión mecánica / de vapor: está basada en el principio de que el calor es absorbido por un fluido (refrigerante) que cambia de líquido a gas, bajando la temperatura de los objetos a su 30 Conservación de alimentos • • • • alrededor. Un compresor controlado por un termostato ejerce presión en un refrigerante vaporizado, forzándolo a pasar a través de un condensador, donde pierde calor y se licúa. Sorción accionada por calor: esta incluye tecnologías como la absorción y la adsorción, que son sistemas impulsados térmicamente en los que el ciclo del compresor mecánico convencional es reemplazado por un “compresor térmico” y un absorbente/adsorbente. Refrigeración termoeléctrica: esta usa el efecto Peltier para crear un flujo de calor entre la juntura de dos tipos de materiales diferentes. Refrigeración Stirling: esta usa un sistema de transferencia de calor que tiene dos partes móviles, un pistón y un desplazador, y puede usar helio u otros gases no refrigerantes como fluido activo. El pistón es típicamente impulsado por un campo magnético oscilante o por un motor que es la fuente de energía necesaria para impulsar el ciclo de refrigeración. Refrigeración pasiva: esta incluye contenedores enfriados usando hielo, refrigeración subterránea y enfriadores por evaporación. Otras tecnologías emergentes, como la refrigeración magnética o la refrigeración termoacústica, son demasiado caras y técnicamente complejas para el contexto de aplicación analizado, y por ello no se incluyen en esta descripción. El producto final se define habitualmente como un refrigerador o un congelador en caso de tecnologías activas, o un contenedor o espacio en caso de tecnologías pasivas. Las tecnologías mencionadas anteriormente tienen diferentes tamaños y capacidades, que pueden variar desde unos cuantos litros a varios metros cúbicos de volumen enfriado y suponen diferentes costes iniciales y de mantenimiento. Así pues, se debería llevar a cabo una evaluación en profundidad para cada contexto y tipo de alimento para determinar sus niveles de aplicabilidad. La valoración final para seleccionar y medir la tecnología de refrigeración o congelación apropiada debe basarse en la temperatura y humedad de la conservación de los alimentos, los niveles relativos de temperatura y humedad relativa medioambiental y el tipo de fuente de energía disponible. Todos los alimentos se pueden conservar por refrigeración y congelación, pero hay que tener en cuenta los siguientes aspectos sobre la conservación: Congelar alimentos con un alto contenido de agua o grasas puede modificar significativamente sus propiedades, sobre todo, si se hace lentamente. Los alimentos frescos se pueden considerar seguros durante un período ilimitado de tiempo solo si se almacenan a −18 °C o menos. La cadena de frío tiene que garantizarse sin exceder la temperatura máxima permitida (definida para cada tipo de alimento) con el fin de asegurar una correcta conservación de los alimentos. Volver a congelar alimentos previamente descongelados está prohibido sin tratamientos intermedios adecuados (p. ej.: cocinado). Los siguientes gráficos muestran el índice de crecimiento de las bacterias en función de la temperatura de almacenamiento y el número de días de almacenamiento en función de la temperatura. 31 Figura 25: índice de crecimiento de los patógenos humanos en función de la temperatura de almacenamiento (izquierda) y número de días de almacenamiento en función de la temperatura para algunas categorías de alimentos (derecha). Efectos en los alimentos En general, la refrigeración no tiene efecto en el sabor o la textura de un alimento. Entre los factores que influyen en el contenido nutricional de los alimentos refrigerados están la temperatura de almacenamiento, la duración del almacenamiento, la humedad y la luz. Las verduras frescas se deben almacenar en un cajón para verduras o en bolsas selladas a prueba de humedad. La combinación de temperatura fría y humedad apropiada ha demostrado retrasar el marchitamiento, que está constantemente asociado a la pérdida de contenido en vitaminas. Las frutas frescas no son estables durante largos períodos de tiempo en el refrigerador y se deterioran rápidamente. En el caso de la leche, puede haber pérdida de vitaminas durante el almacenamiento refrigerado, principalmente por su exposición a la luz y al oxígeno. La congelación no tiene efecto en el sabor o la textura de la mayoría de las carnes, tiene efectos mínimos en las verduras, pero cambia completamente el estado de las frutas, que se reblandecen. Las fluctuaciones en la temperatura de congelación pueden ser responsables de una pérdida significativa de vitaminas en la carne y de pérdidas menores en las verduras; en general, estos alimentos se deben sellar con una cantidad mínima de aire alrededor y colocar en envoltorios a prueba de humedad y vapor. 3.1.1 Refrigeración / congelación por compresión de vapor La compresión mecánica o el ciclo de compresión de vapor es el sistema más común y generalizado para refrigeradores y congeladores. En este ciclo, un gas refrigerante se comprime mecánicamente y se envía a un condensador, que, por exposición a aire o agua a temperatura ambiente, enfría el vapor, licuándolo y transfiriendo calor al entorno externo. Cuando el líquido refrigerante sale del condensador, se le obliga a pasar por una válvula de expansión, bajando su presión y sacando calor del volumen aislado térmicamente mediante el evaporador interno. Un compresor alimentado por electricidad suele proporcionar el trabajo Figura 26: ciclo de vapor termodinámico. 32 Conservación de alimentos mecánico requerido para hacer funcionar el ciclo, pero en algunos casos podría haber un acoplamiento directo del compresor con un motor u otra fuente de trabajo mecánico (sistemas de acoplamiento directo). En general los refrigeradores y congeladores por compresión de vapor con compresores eléctricos son muy fiables, porque las piezas móviles y los fluidos están sellados, con posibilidad limitada de escape o contaminación. Por lo tanto, si existe un suministro eléctrico fiable, la opción más económica es instalar una unidad estándar impulsada por compresor. No obstante, estos sistemas pueden diseñarse fácilmente para que aguanten un suministro de energía discontinuo, integrando así un almacenaje térmico (hielo o material de fase cambiante) para mantener una temperatura interna establecida incluso sin el trabajo de un compresor, o una batería, para asegurar el funcionamiento correcto del compresor sin suministro de energía. Uno de los sistemas sin conexión a la red son los refrigeradores y congeladores solares por compresión de vapor, alimentados directamente por paneles fotovoltaicos; en este caso, el suministro de energía puede ser en corriente continua (CC) de los paneles fotovoltaicos (PV) al compresor, aumentando así la eficiencia del sistema. 3.1.2 Sorción accionada por calor La refrigeración por sorción no requiere compresores y el efecto de enfriado se obtiene por medio de un ciclo impulsado por calor que puede funcionar con fuentes de calor a temperaturas relativamente bajas (55-120°C), usando refrigerantes naturales. Según el diseño, pueden contener pocas partes móviles o ninguna y son sencillos de fabricar; además, el circuito de refrigeración generalmente usa gases con un menor “Potencial“ de GEI (gases de efecto invernadero). Comparados con los sistemas de compresión mecánica de vapor, los de sorción tienen menor eficiencia pero pueden alimentarse con calor residual, energía térmica solar o combustibles tradicionales, son más sencillos de controlar y no producen vibración o ruido. Actualmente existen dos procesos principales de producción de frío basados en la sorción: la técnica de absorción y la de adsorción. Absorción La refrigeración por absorción se ha adoptado sobre todo en la refrigeración solar. Para la misma capacidad, las dimensiones físicas de una máquina de absorción son menores que las de las máquinas de adsorción debido a un mayor coeficiente de transferencia de calor del absorbente. En el ciclo de absorción, se hace circular una solución de líquido refrigerante (p. ej.: bromuro de litio/agua, agua/amoníaco) entre el regenerador (o simplemente generador), el condensador, el evaporador y el Figura 27: ciclo de absorción. absorbente. En la regeneración se calienta el líquido saturado de refrigerante, haciendo que el refrigerante pase a estado gaseoso; el gas refrigerante se condensa entonces mediante un intercambiador de calor en el condensador y se envía al evaporador. Aquí el líquido refrigerante se evapora en un entorno de baja presión parcial, extrayendo así calor de la caja aislada del refrigerador. Debido a la baja presión, la temperatura necesaria para la evaporación también es baja (generalmente de 75 °C a 120 °C). El refrigerante gaseoso es absorbido por la 33 solución líquida concentrada en el absorbente, reduciendo su presión parcial en el evaporador y permitiendo que se evapore más refrigerante. Adsorción El ciclo de adsorción es similar al ciclo de absorción, pero el sorbente es un sólido, y se puede considerar la adsorción física o química. Como no hay circulación del adsorbente sólido, varios ciclos de adsorción son intermitentes y actúan con dos componentes (un adsorbente/desorbente y un condensador/evaporador), y este proceso continuo requiere simultáneamente cuatro componentes que actúan alternativamente. En comparación con los sistemas de absorción liquida, los de adsorción pueden operar con temperaturas más bajas (50-100 °C) y acoplarse así más fácilmente a fuentes de baja temperatura, como son los colectores térmicos solares, pero requieren un tamaño mayor y, por lo tanto, raramente se utilizan en refrigeradores de pequeño tamaño. 3.1.3 Refrigeración termoeléctrica Un componente termoeléctrico es un aparato basado en un semiconductor, que puede transferir calor usando el efecto Peltier; al aplicar una fuente de energía de corriente continua de bajo voltaje al módulo, el calor pasará a través del módulo de un lado al otro. Por lo tanto, una cara del módulo se enfriará mientras la otra cara se calentará al mismo tiempo. Es importante destacar que este fenómeno se puede revertir, por lo que un cambio en la polaridad (+ and -) del voltaje de corriente continua aplicado hará que el calor pase en sentido contrario. Figura 28: esquema de planta de refrigeración termoeléctrica. Por consiguiente, se puede usar un módulo termoeléctrico tanto para calentar como para enfriar, lo cual lo hace muy conveniente para aplicaciones de control preciso de la temperatura. Puesto que el enfriamiento termoeléctrico es una forma de refrigeración de estado sólido, tiene las ventajas de ser compacto y duradero: un enfriador termoeléctrico no usa partes móviles (excepto algunos ventiladores) y no emplea fluidos, y esto permite producir aparatos fiables de pequeño tamaño. Desgraciadamente el diferencial de temperatura que se puede alcanzar entre un lado del módulo termoeléctrico y el otro lado es limitado, y la máxima temperatura de enfriado se restringe así a 30 °C por debajo de la temperatura del aire en el exterior, y la eficiencia de enfriamiento es característicamente menor que la de los refrigeradores de compresión de vapor o impulsados por calor. 3.1.4 Refrigeración Stirling Los refrigeradores Stirling emplean un ciclo de gas que usa refrigerantes naturales como el helio y el nitrógeno, y tienen una eficiencia teórica casi igual a la eficiencia Carnot, que puede considerarse un límite teórico inalcanzable en la práctica. El ciclo comienza con la compresión de un gas a temperatura ambiente por medio de un pistón, usando así energía mecánica (motor eléctrico u otras fuentes externas). El gas, con una presión aumentada, pasa a través de un intercambiador de calor caliente que disipa el calor a temperatura ambiente y luego a un regenerador que enfría el gas casi a la temperatura de refrigeración; 34 Conservación de alimentos finalmente el gas pasa a través de un intercambiador de calor frío y una cámara de expansión donde se expande para hacerse aún más frío, congelando consecuentemente el espacio a su alrededor. En cuanto a aplicaciones prácticas, solo existen los sistemas de refrigeración criogénicos y los congeladores de baja temperatura, ya que el uso del ciclo Figura 29: principio operativo Stirling. Stirling solo es práctico con diferencias de temperatura altas entre el aire ambiental y la caja enfriada. En la actualidad sólo hay disponibles en el mercado unidades de poca capacidad. En su actual estado de desarrollo, los refrigeradores Stirling no pueden competir en precio y eficiencia con los sistemas de compresión de vapor. 3.1.5 Refrigeración pasiva En aplicaciones donde se permiten temperaturas de conservación entre 10-20 °C, se pueden tener en cuenta los métodos pasivos; estos métodos no requieren ningún tipo de energía o equipamiento técnico para reducir la temperatura dentro del volumen enfriado, y se pueden dividir fundamentalmente en las siguientes categorías. Refrigeradores por evaporación Consisten en métodos tradicionales como el uso de tinajas porosas o envolturas de saco mojadas, donde el calor latente del líquido, normalmente agua, es atraído a la atmosfera por medio de la evaporación natural causada por las altas temperaturas del aire. Este método es efectivo para climas secos. Además, los parámetros como la permeabilidad del material, el flujo de aire y el área disponible para la Figura 30: refrigeración por evaporación. evaporación afectan a la velocidad de evaporación y, por tanto, a la eficiencia del sistema. Sin embargo, algunas opciones, como el aumento del área, hacen necesario usar más material para cada artefacto, lo que aumenta obviamente el precio medio de este sistema. Además, el artefacto requerirá más agua mientras esté en funcionamiento, así que puede no ser adecuado para muchas partes del mundo. Por estas razones, se han de examinar en detalle los principales parámetros que afectan a la evaporación. Los aparatos de almacenamiento domésticos se han diseñado siguiendo estas pautas, especialmente con el uso de bases de carbón vegetal o dispositivos de goteo con agua, como el sistema de olla zeer. Silos Un silo es un almacén subterráneo con la capacidad de mantener los alimentos hasta 30 grados más fríos que la temperatura ambiente estival. Por lo general, un silo debe mantener una temperatura similar a la temperatura del suelo (aproximadamente entre 8 °C y 18 °C); también supone una ventaja durante el invierno, ya que mantener los alimentos por encima de la temperatura de congelación ralentiza el deterioro y la putrefacción. Figura 31: silo. 35 En los silos, se deben mantener bajo control tres parámetros fundamentales: temperatura, humedad y ventilación. La temperatura del silo se regula básicamente con la temperatura media del suelo, mientras que el nivel de humedad requiere cambios según el tipo de alimento, pero es normalmente alto para verduras. La ventilación se usa para ayudar a controlar la temperatura y la humedad. Es importante poner al menos dos ventiladores: un respiradero de entrada situado por lo general a un nivel más bajo, y otro respiradero de salida situado a un nivel más alto. Esto crea una especie de sifón para el intercambio de aire. La entrada y salida de aire se podrían establecer durante la instalación de simples válvulas. La ventilación es importante no solo para controlar la temperatura y la humedad, sino también para eliminar los gases provenientes de los productos almacenados. Este tipo de técnica de refrigeración se puede mejorar llenando el espacio de almacenamiento con paquetes de hielo, producidos con materiales no tóxicos, ya que permiten reducir aún más la temperatura. Otra cuestión importante es evitar las filtraciones de agua de lluvia o subterránea en el silo utilizando materiales impermeables y soluciones de drenaje. Algunos estudios han mostrado que este método de conservación es adecuado para verduras y para algunos tipos de fruta. Figura 32: paquete de hielo. Nevera Una nevera es un recipiente con aislamiento, capaz de contener hielo y, por lo tanto, mantener los alimentos frescos. El nivel técnico es rudimentario: se puede usar hielo seco o recipientes de hielo, o incluso bloques de hielo. En cualquier caso, se debe reponer el hielo periódicamente, por ejemplo, usando una máquina centralizada de hacer hielo que funcione con energía y que esté situada en el pueblo. Estas cajas pueden hacerse de poliestireno, caucho o también con materiales locales. Si se usan bloques de hielo, debe instalarse un sistema para drenar el agua. 3.2 Secado La conservación de alimentos mediante secado tiene una larga tradición y es uno de los métodos más comunes usados por las personas y por la industria del procesado de alimentos. La deshidratación de alimentos frescos es uno de los logros más importantes de la historia de la humanidad, y gracias a ella los humanos son menos dependientes del suministro diario de alimentos, incluso en condiciones medioambientales adversas. Aunque en tiempos pasados el secado dependía completamente del sol, actualmente se usan muchos tipos de aparatos y métodos sofisticados para deshidratar alimentos. El secado reduce la actividad del agua y permite conservar los alimentos, al evitar el crecimiento microbiano y las reacciones químicas que los deterioran. Los procesos de secado se pueden clasificar ampliamente según el método de eliminación de agua aplicado, como el secado térmico y la deshidratación osmótica. En el secado térmico, se usa un medio gaseoso o de vacío para eliminar el agua del material, mientras que en la deshidratación osmótica se aplica un solvente o solución para eliminar el agua. Puesto que cada método difiere considerablemente en el tamaño de la tecnología, la capacidad, el funcionamiento, la velocidad, el mantenimiento y el coste inicial, se debe realizar una evaluación detallada de la aplicabilidad para cada contexto y alimento que se quiere conservar. La valoración final para seleccionar una tecnología de secado debe tener en cuenta el contenido inicial de humedad del producto fresco, la distribución del tamaño de partículas, las características de secado del producto, la temperatura máxima permitida para el producto, las isotermas de la humedad y los datos físicos del material. Como el secado tiende a deteriorar la calidad de los productos alimenticios, las variedades de alimentos más adecuadas para su conservación mediante procesos de secado son los cereales y las legumbres, ya que sus propiedades apenas cambian después del proceso de secado. Sin embargo, artículos alimenticios como las verduras, la fruta y el pescado son más susceptibles a cambios en propiedades químicas y físicas. Los 36 Conservación de alimentos cambios en la calidad están relacionados con el tiempo y la temperatura: las técnicas que usan altas temperaturas durante el proceso de secado introducen por lo general transformaciones irreversibles, como la desnaturalización de las proteínas (insolubles), aroma y color modificados, y pérdida de firmeza y forma. Cabe destacar que la frescura óptima desempeña un importante papel a la hora de determinar la calidad y estabilidad de los alimentos secados. Cuanto más fresca sea la materia prima, más estable y mejor será la calidad del producto. Además, tras el proceso de secado los alimentos deben almacenarse adecuadamente en lugares frescos durante un período de tiempo, que depende de la temperatura de conservación y del producto seco específico, hasta su consumo. El principal problema durante la utilización y almacenamiento es la adsorción de humedad por la superficie del producto en contacto con la atmósfera circundante. Es por esto que el material de envasado es muy importante para la estabilidad del almacenamiento. El envasado más común se hace al vacío o atmosféricamente. Es importante advertir que, aunque los alimentos secos se ponen a remojo en agua antes de cocinarlos o consumirlos, la rehidratación no conducirá a la recuperación del producto inicial, sino a un producto diferente. Efectos en los alimentos La vitamina C (ácido ascórbico) es un nutriente importante y se toma a menudo como indicador de la calidad nutritiva de los procesos. En general, la retención de vitamina C después del secado es más baja, aunque se puede hablar de contenidos bastante elevados para productos secos debido a la evaporación de agua y el efecto de concentración. Por regla general, a mayor período de secado (bajas temperaturas, alta humedad relativa, productos gruesos), menor es la retención de ácido ascórbico. 3.2.1 Secado térmico El secado térmico es un proceso en el que el agua es eliminada por calor para detener o ralentizar el crecimiento de microorganismos de deterioro, además de la existencia de reacciones químicas. Así, los alimentos secos pueden ser almacenados y conservados durante más tiempo. El secado térmico es un proceso dual de: transferencia de calor de la fuente de calentamiento hasta el producto fresco; transferencia masiva de humedad desde el interior del producto fresco a su superficie y desde su superficie hasta el aire circundante. El secado térmico consiste en proporcionar al producto más calor del que hay disponible en condiciones ambientales, aumentando suficientemente la presión de vapor de la humedad contenida dentro del alimento que se desea preservar, aumentando así la migración de humedad desde dentro del alimento y reduciendo significativamente la humedad relativa del aire de secado, incrementando de este modo su capacidad de transportar humedad y asegurando un equilibrio lo suficientemente bajo en contenido de humedad. Los procesos de secado térmico se pueden clasificar, según el tipo de fluido de transferencia de calor y el modo en que fluye, de la forma siguiente: secado por aire secado en un entorno de poco aire secado en atmósfera modificada 3.2.1.1 Secado por aire En el secado por aire, la atmósfera se usa como el medio de secado. El secado de aire caliente se puede obtener mediante diversos métodos, divididos principalmente en dos tipos: pasivos o activos. Mientras que en los sistemas pasivos, las fuentes de energía renovable, como la energía solar, se usan para calentar la 37 temperatura del aire e incrementar la transferencia de calor de convección, en el método activo no se usan fuentes renovables, como los calentadores eléctricos o de gas de combustión, para secar los alimentos. Las principales tecnologías de secado de aire se pueden clasificar de la siguiente manera: Secado al sol y secado solar: en el secado al sol y en el secado solar se usa la energía del sol, ya sea como fuente única de calor necesario o como fuente suplementaria. Sin embargo, mientras que en el secado al sol los alimentos son expuestos directamente al sol colocándolos en tierra o dejándolos colgados, el secado solar hace posible acelerar el proceso de secado mediante el uso de tecnologías capaces de aumentar la transferencia de calor entre el aire y los productos que se quieren conservar (ver fichas técnicas). Figura 33: secador solar. Secado por convección de aire: como en el secado solar, el proceso tiene lugar en una cámara cerrada calentada. Sin embargo, puesto que en el secado por convección de aire se usa electricidad o gas combustible para calentar el aire, los factores principales que afectan a la velocidad de secado pueden controlarse, como la temperatura y velocidad del aire. Se permite que el medio secador, el aire caliente, a una temperatura entre 60 °C y 90 °C, pase sobre el producto, que ha sido situado en bandejas abiertas. 38 Conservación de alimentos Figura 34: secador por convección de aire. Secado fluidizado: esta técnica, usada generalmente para secar alimentos granulares, consiste en el movimiento de partículas materiales en una corriente de gas que fluye hacia arriba, normalmente aire caliente a una temperatura de entre 70 °C y 100 °C. La fluidización moviliza las partículas sólidas, creando así turbulencias en las superficies sólidas, lo que aumenta la velocidad de secado. Las ventajas principales del secado con base fluidizada son temperaturas uniformes y altas velocidades de secado y, así, menor daño térmico. También se usa una cámara giratoria con la base fluidizada, aumentando así la fuerza centrífuga para aumentar aún más la velocidad de secado y mezclado. Figura 35: secador fluidizado. 39 Secado de tambor: esta técnica elimina agua de un lodo, pasta o fluido colocados sobre la superficie de un tambor caliente. Un secador de tambor consiste en uno o dos cilindros huecos de hierro fundido de alta calidad o acero inoxidable montados horizontalmente sobre un soporte. El secado de tambor funciona a temperaturas entre 90 °C y 130 °C, y hay que comprobar que el producto a secar se adhiere bien a la superficie de secado. La principal ventaja del secado de tambor es la capacidad de secar alimentos viscosos que no se pueden secar fácilmente con otros métodos. Figura 36: secador de tambor. Efectos en los alimentos Los productos secados con secado por aire experimentan muchos cambios en sus propiedades físicas, químicas y nutricionales. En general, el producto final se caracteriza por baja porosidad y alta densidad aparente. Además, se producen cambios de color significativos durante el proceso de secado por aire y, muy frecuentemente, el producto secado tiene una baja capacidad de sorción. 3.2.1.2 Secado por entorno de aire reducido En el secado por entorno de aire reducido, el aire se usa parcialmente para eliminar el agua de los productos frescos. El proceso de secado a baja temperatura es muy suave y produce una excelente calidad mientras mantiene altos índices de germinación. Como normalmente se usan velocidades de aire muy bajas y se alcanzan temperaturas relativamente bajas, el requerimiento de energía específica es menor que en las tecnologías de secado por aire. Las principales tecnologías son: Secado al vacío: el secado de alimentos al vacío consiste en someter el alimento a baja presión y a una fuente de calor. El vacío permite que el agua se vaporice a una temperatura más baja que en condiciones atmosféricas y, así, los alimentos pueden secarse sin exponerlos a altas temperaturas. Además, el bajo nivel de oxígeno en la atmosfera reduce las reacciones de oxidación durante el secado. En general, el color, la textura y el sabor de los productos secados al vacío son mejores que los de los productos secados por aire. En algunos casos, el producto es comparable en calidad a los alimentos liofilizados. Secado con bomba de calor: los secadores que incorporan ciclos de deshumidificación se llaman bombas de calor de secado. El secado con bomba de calor proporciona un entorno de secado controlable (temperatura y humedad) para una mejor calidad de los productos con un consumo menor de energía. El rango de temperatura usado para la conservación de alimentos está entre 10 °C y 65 °C. Los secadores de 40 Conservación de alimentos bomba de calor funcionan según el principio de refrigeración que enfría una corriente de aire y condensa el agua contenida en ella. Esto seca el aire y recupera el calor latente de la evaporación mediante la eliminación del vapor de agua, lo cual permite la recirculación del aire. El aire seco calentado se suministra continuamente al producto para atrapar la humedad. Ahumado: la conservación de alimentos por medio de humo es posible porque algunos de los compuestos formados durante el ahumado tienen un efecto conservador (bactericida y antioxidante) debido a la presencia de una cantidad de compuestos. Es por esto que algunos alimentos muy salados y ahumados pueden conservarse sin refrigeración durante semanas o meses. Efectos en los alimentos El secado en un entorno con poco aire mejora tanto la durabilidad del alimento como la calidad del producto. Los materiales secados se caracterizan por tener una mayor porosidad y menor deterioro del color y aroma volátil que los alimentos secados con aire. 3.2.1.3 Secado por atmósfera modificada Este es un nuevo concepto de secado de alimentos mediante secadores de bomba de calor, que usa atmósferas modificadas como nitrógeno y dióxido de carbono para una mejor calidad y conservación de los componentes de los alimentos propensos a la oxidación. Las tecnologías para crear el secado en atmosfera modificada se están desarrollando en la actualidad. 3.2.2 Deshidratación osmótica La deshidratación osmótica es el proceso de eliminación de agua por inmersión de un sólido celular que contiene agua en una solución acuosa concentrada, generalmente lograda con sal. La fuerza impulsora para la eliminación del agua es el gradiente de concentración entre la solución y el fluido intracelular. De este modo, el transporte de masa en la deshidratación osmótica es una combinación de procesos simultáneos de transferencia de agua y solutos. Normalmente, el proceso osmótico no produce un producto de bajo contenido en humedad que se pueda considerar estable para el almacenamiento. Por consiguiente, el producto tratado deberá procesarse más (generalmente con el método de secado de aire o congelación) para obtener un producto de larga conservación (o no perecedero), o el proceso de deshidratación podría usarse como tratamiento previo para conservas enlatadas, congelados y procesados mínimos. Sin embargo, el producto obtenido por el proceso osmótico es más estable que las frutas y verduras sin tratar durante el almacenamiento debido a una menor actividad del agua por ganancia de soluto y pérdida de agua. A una baja actividad del agua, las reacciones químicas que causan el deterioro, y el crecimiento y la producción de toxinas de los microorganismos de los alimentos, son bajos. La deshidratación osmótica es un proceso menos intensivo energéticamente que el secado térmico, porque puede realizarse a temperatura ambiente. Además, puesto que se usan altos niveles de energía para congelar, debido a la gran cantidad de agua que contienen los alimentos frescos, se podría ahorrar una proporción significativa de esta energía si se concentran los materiales antes de congelarse. Una reducción en el contenido de humedad de los alimentos puede reducir la carga de refrigeración durante la congelación. Sin embargo, se deben superar una serie de problemas tecnológicos para que el proceso de deshidratación osmótica pueda aplicarse en los alimentos, como el aumento en la salinidad (o en el dulzor) o la reducción de la acidez del producto, que en muchos casos puede no ser deseable. Efectos en los alimentos La deshidratación osmótica minimiza los efectos en el color y el sabor y mejora la retención de nutrientes durante los siguientes pasos de conservación. Sin embargo, la deshidratación osmótica afecta considerablemente a la densidad y porosidad aparentes. 41 3.3 Conservación con sustancias químicas y microbios Los conservantes químicos y microbianos de alimentos son sustancias naturales que, bajo ciertas condiciones, retrasan el crecimiento de microorganismos sin destruirlos necesariamente o impiden el deterioro de la calidad durante la elaboración y distribución. La forma más antigua de tecnología de conservación metabólica es la fermentación, que está fuertemente vinculada a la cultura y la tradición, especialmente en hogares y comunidades rurales. Consiste en un proceso en el que un organismo convierte un hidrato de carbono, como un almidón o un azúcar, en un alcohol o ácido. Además, los productos fermentados, como el vinagre, también pueden usarse para aumentar la durabilidad de otros productos sumergidos en ellos. También se pueden añadir algunas sustancias químicas (compuestos extraños) para impedir el crecimiento de microorganismos. Algunos de los compuestos más usados son componentes alimentarios naturales, como el ácido ascórbico y los nitratos o los nitritos. La adición de cualquier sustancia natural se llama normalmente curado. 3.3.1 Fermentación La fermentación puede servir para prolongar la durabilidad de los alimentos, y a menudo se puede llevar a cabo con equipamiento básico relativamente barato. Así que es un método muy adecuado para países en vías de desarrollo y comunidades locales donde el acceso a equipamiento sofisticado es limitado. El proceso de fermentación minimiza el nivel de contaminación microbiana de los alimentos, especialmente el de fuentes de “alto riesgo”, (la asepsia), inhibe el crecimiento de micro-flora contaminante y mata a los microorganismos contaminantes. La fermentación es un proceso de conservación de baja energía y a menudo se puede llevar a cabo sin tecnologías sofisticadas o sistemas designados. La simplicidad de las técnicas permite llevar a cabo estos procedimientos en casa. Los productos fermentados más famosos son bebidas, cereales, pescado, carne, verduras, legumbres y frutas. En la siguiente tabla se indican los tipos de microorganismos asociados a algunos alimentos. Tabla 1: ejemplos de los alimentos fermentados más comunes. Alimento Vino Cerveza Sidra Sake Pan Yogurt Queso Suero de mantequilla Kéfir Vinagre Tempeh Salsa de soja Pepinos en salmuera Chucrut Aceitunas en salmuera Ingrediente principal Uvas Cebada Manzanas Arroz Trigo Leche Leche Leche Leche Uvas Soja Soja Pepinos Repollo Microorganismos clave Levaduras Levaduras Levaduras Mohos Levaduras Bacterias de ácido láctico Bacterias de ácido láctico Bacterias de ácido láctico Bacterias de ácido láctico + levaduras Levaduras seguidas de mohos de Acetobacter o Glunconobacter Mohos Mohos + bacterias de ácido láctico + levaduras Bacterias de ácido láctico + levaduras Bacterias de ácido láctico Aceitunas Bacterias de ácido láctico + levaduras 42 Conservación de alimentos Salchichas fermentadas Carne Bacterias de ácido láctico + levaduras Para las bebidas es necesaria la fermentación alcohólica por levaduras de las frutas y otros materiales de alto contenido en azúcar. El contenido en alcohol de la bebida actúa como conservante, y muchos de estos productos tienen una larga durabilidad. El vino se puede producir a partir de un zumo de fruta con niveles suficientes de azúcares fermentables; en la mayoría de los casos el vino es una bebida obtenida por la fermentación alcohólica completa o parcial de uvas prensadas o zumo de uvas frescas con un proceso de envejecimiento. Se pueden conservar una gran cantidad de verduras por fermentación de ácido láctico. Las verduras fermentadas comercialmente más importantes en Occidente son la col (chucrut), los pepinos y las aceitunas. También las zanahorias, la coliflor, el apio, la okra, las cebollas y los pimientos. Normalmente, para fermentaciones no se utiliza un cultivo o fermento y dependen de la flora natural. En la fermentación del chucrut, encurtidos y aceitunas, se preparan soluciones de salmuera simple (salado o curado). La concentración de sal en la salmuera puede variar del 2,25 % para el chucrut al 10 % para las aceitunas. La fermentación produce ácido láctico como producto principal. La sal extrae el líquido de la verdura, lo cual sirve de substrato para el crecimiento de las bacterias de ácido láctico, agentes ideales para la conservación de alimentos. Además, el crecimiento de microorganismos de deterioro también se ve limitado por la sal. Generalmente, se deben mantener condiciones aeróbicas durante la fermentación para permitir que los microorganismos existentes de forma natural puedan crecer y producir suficiente ácido láctico para impedir el crecimiento de microorganismos de deterioro. Como ya se ha indicado, incluso alimentos muy preciados como la carne y el pescado pueden conservarse mediante fermentación, añadiendo una mezcla de salsas fermentadas. Varios son los productos que utilizan este método: salchichas, salsas de pescado y paté de pescado. Resulta interesante que, aunque hoy en día se utilizan muchos métodos de fermentación tradicionales, la razón principal de su uso no es la conservación, sino el sabor que da a los productos. La durabilidad de muchos alimentos se puede prolongar almacenando el producto inmerso en vinagre; esto incluye verduras encurtidas como pepinillos, aceitunas y cebollas. Los vinagres se elaboran a partir de una variedad de sustratos fermentables; frutas, miel, coco, malta y granos de cereales están entre los más comunes, pero también se pueden elaborar a partir de bebidas alcohólicas, como el vino o la sidra. Efectos en los alimentos El proceso de fermentación de alimentos aumenta las cantidades de ciertas vitaminas y minerales en los mismos, incluyendo biotina, acido nicotínico, riboflavina, tiamina y vitamina B12. Además, la fermentación aumenta el glutatión, un aminoácido antienvejecimiento, y las enzimas necesarias para la digestión y la desintoxicación. 3.3.2 Nitritos en la conservación de alimentos Los nitratos y nitritos son compuestos químicos que existen de forma natural en el entorno y son importantes nutrientes de las plantas, pero también se pueden añadir a algunos productos alimentarios como conservantes. Los nitratos y nitritos son compuestos usados para retrasar o impedir el deterioro químico o microbiológico de los alimentos. Los nitritos se usan normalmente para curar productos cárnicos, avícolas y pescado, junto con otros aditivos como la sal. Estos compuestos también actúan como antioxidantes. Sin embargo hay que proceder con extrema cautela al añadir nitratos o nitritos a los alimentos, ya que demasiada cantidad de cualquiera de estos ingredientes puede ser tóxico para los humanos. No sobrepase nunca los límites prescritos recomendados. 43 Puesto que estas pequeñas cantidades son difíciles de pesar en la mayoría de básculas, se recomienda encarecidamente utilizar una premezcla comercial en recetas que exijan el uso de nitratos o nitritos. Se ha establecido un límite diario seguro, conocido como Ingesta Diaria Admisible (IDA), para la cantidad de nitritos que comemos. Puesto que algunos nitratos de los alimentos se convierten en nitritos en nuestro cuerpo, también hay una IDA para la cantidad de nitratos que comemos. Actualmente, la cantidad de nitrito admisible en una dieta diaria es de hasta 0,07 mg de nitrito por kg de peso corporal por día. Para una persona que pese 70 kg, esto sería unos 5 mg al día. El límite diario aceptable para los nitratos es de hasta 3,7 mg por kg de peso corporal por día, o 260 mg al día para una persona que pese 70 kg. Puesto que el uso de nitratos en la conservación de alimentos puede ser perjudicial para la salud humana, su uso no se recomienda a menos que esté supervisado por expertos. Efectos en los alimentos Los nitritos pueden reducir el valor nutricional de los alimentos, ya que disminuyen la asimilación de proteína, grasa y beta-caroteno, causan la descomposición de las vitaminas del grupo B y reducen el contenido de la vitamina A. Sin embargo, la adición de nitritos en el proceso de curado proporciona un sabor salado y mejora la apariencia de los productos cárnicos (les da un color rojo o rosado). 3.4 Procesado y envasado por tratamiento térmico La principal finalidad del tratamiento de calor es eliminar de los alimentos cualquier microorganismo que pueda causar deterioro y poner en peligro la salud del consumidor, o la completa destrucción y eliminación de todos los organismos viables en un producto alimentario. La conservación por calor puede hacerse con diferentes métodos según la temperatura que pueda alcanzarse, tal y como se indica a continuación: Pasteurizado: se traduce en un orden de tratamiento de calor comparativamente bajo, generalmente a una temperatura por debajo del punto de ebullición del agua. La finalidad general de la pasteurización es prolongar la durabilidad de un producto desde un punto de vista microbiano y enzimático: por ejemplo, cuando se pasterizan los zumos de frutas o verduras u otros productos. La pasteurización se combina frecuentemente con otros medios de conservación: por concentración, uso de sustancias químicas, acidificación, etc. Esterilización: se traduce en la destrucción completa de microorganismos. Debido a la resistencia de ciertas esporas bacterianas al calor, en un proceso de esterilización, los alimentos a conservar deberían someterse a un tratamiento de al menos 121 °C de calor húmedo durante 15 minutos o su equivalente. Cabe destacar que cada partícula del alimento debe recibir este tratamiento de calor. La pasteurización se usa para prolongar la durabilidad de los alimentos a bajas temperaturas, normalmente 4 °C durante varios días (p. ej.: leche) o durante varios meses (p. ej.: fruta embotellada). La durabilidad de los alimentos esterilizados es normalmente de varios meses si se envasan y almacenan correctamente. De hecho, aunque los procesos de envasado no son técnicas de conservación, pueden ser muy importantes en la producción de alimentos seguros de alta calidad, ya que evitan la contaminación o recontaminación. 3.4.1 Pasteurización El principal objetivo de la pasteurización es eliminar de los alimentos los microorganismos que puedan causar deterioro o poner en peligro la salud del consumidor. La severidad del tratamiento de calor y la extensión de la durabilidad resultante están determinadas principalmente por el pH de los alimentos. La finalidad de la pasteurización no es matar a los organismos portadores de esporas, como el thermophilic Bacillus subtilis, pero estos organismos y la mayoría de bacterias portadoras de esporas no pueden crecer 44 Conservación de alimentos en zumos de fruta ácidos y, como consecuencia, su presencia no tiene importancia práctica. La pasteurización es aplicable sobre todo a los zumos de frutas, la leche y sus derivados, como el queso. La siguiente tabla muestra las diversas condiciones de pasteurización para algunos alimentos. Tabla 3: finalidad de la pasteurización para diferentes alimentos. Alimento Finalidad principal Finalidad secundaria Condiciones mínimas de procesado pH < 4.5 Zumo de fruta Cerveza Desactivación enzimática (pectinesterasa y polygalacturonasa) (levaduras, hongos) Destrucción de microorganismos de deterioro (levaduras silvestres, especie Lactobacillus) y levaduras residuales, (especie Saccharomyces) Destrucción de microorganismos de deterioro 65 °C durante 30 min; 77 °C durante 1 min; 88 °C durante 15 s - 65 °C a 68 °C durante 20 min (en botella); 72 °C a 75 °C durante 1-4 min a 900-1000 kPa Destrucción de patógenos: Brucella abortis, Mycobacterium tuberculosis, Coxiella burnetti Destrucción de microorganismos y enzimas de deterioro 63 °C durante 30 min; 71,5 °C durante 15 s Destrucción de patógenos: Salmonella seftenburg Destrucción de microorganismos de deterioro 64,4 °C durante 2,5 min; 60 °C durante 3,5 min pH > 4.5 Leche Huevo líquido La pasteurización se puede lograr mediante una combinación de tiempo y temperatura, de la forma siguiente: Calentando los alimentos hasta una temperatura relativamente baja y manteniéndola un mayor tiempo, generalmente de 63 °C a 65 °C durante 30 minutos o 75 °C de 8 a 10 minutos. Calentando los alimentos a alta temperatura, normalmente de 85 °C a 90 °C, y manteniéndola durante poco tiempo, cerca de 1 minuto o unos cuantos segundos, según la temperatura requerida. El tratamiento se puede realizar de dos maneras: rellenando primero recipientes estériles con el producto y pasteurizándolo luego o pasteurizando primero el producto y llenando luego recipientes estériles. En el primer método, para reducir cualquier daño debido al choque térmico, el procesado con agua caliente es el más usado. Consiste en un baño de agua: se calienta el alimento envasado hasta una temperatura preseleccionada y se mantiene el tiempo necesario. Al final del proceso, el recipiente se enfría a 40 °C y luego se almacena a una temperatura menor. Efectos en los alimentos La pasteurización es un tratamiento de calor relativamente suave y solo se producen pequeños cambios en las características nutricionales y sensoriales de la mayoría de los alimentos. Sin embargo, la durabilidad de los alimentos pasteurizados se prolonga normalmente solo unos días o semanas, en comparación con los varios meses de los métodos más eficaces de esterilización por calor. Una pequeña pérdida de compuestos de aroma volátiles durante la pasteurización de zumos reduce la vitamina C y el caroteno. El cambio de calidad en la leche está limitado a un 5 % de pérdida de proteína de suero. 3.4.2 Enlatado y esterilización La esterilización es la completa destrucción o eliminación de todos los organismos viables en productos alimentarios. El proceso se puede aplicar a casi todas las verduras y frutas, pero rara vez a los productos cárnicos y pescados. La esterilización destruye las levaduras, los mohos, las bacterias vegetativas y los formadores de esporas, y permite al procesador de alimentos almacenar y distribuir los productos a 45 temperatura ambiente con una durabilidad prolongada. El proceso de esterilización consiste en calentar el alimento hasta una temperatura en el rango de los 110-125 °C hasta que la porción central del producto alcance la temperatura requerida. La alta temperatura alcanzada durante la esterilización mata casi todos los microorganismos, y prolonga la durabilidad de los productos sustancialmente, pero al mismo tiempo destruye los componentes de vitaminas y proteínas. Mientras que, en la industria, los medios de calentamiento usados en la esterilización son vapor, vapor/aire, agua y llama directa, el medio usado más habitualmente en las conservas simples (conservas caseras) es el agua caliente. Al final del proceso de esterilización, se debe meter el alimento en un recipiente estéril. Este método se denomina enlatado, aunque el recipiente puede ser de cristal, plástico o cualquier otro material que no sea latón, que originalmente dio nombre al proceso. Hay que mencionar que, puesto que el enlatado casero se lleva a cabo con recipientes de cristal en lugar de latón, que es más fino y tiene una mayor conductividad térmica que el cristal, la penetración del calor es más lenta y el tiempo de procesado es más largo. Además, puesto que la exposición prolongada de los productos a la luz induce a la fotodegradación de algunos alimentos, el uso de recipientes transparentes puede causar una pérdida de vitaminas y un cambio de color. Efectos en los alimentos Los factores físicos, como la perdida de nutrientes solubles o la lixiviación, pueden ser significativos para productos en los que se descarta el líquido que los contiene antes del consumo. Además, las reacciones químicas dañan algunos nutrientes, como las vitaminas. Más específicamente, el proceso de calentado en el enlatado destruye de 1/3 a 1/2 de vitaminas A y C, tiamina y riboflavina. Sin embargo, las cantidades de otras vitaminas son solo ligeramente menores en alimentos enlatados que en alimentos frescos. 3.4.3 Envasado Además del enfoque directo a la conservación de alimentos, como la pasteurización y la esterilización, otras medidas como el proceso de envasado son necesarias para evitar la contaminación o recontaminación de los alimentos tratados. Aunque estas medidas no se consideran técnicas de conservación, pueden ser muy importantes en la producción de alimentos seguros de alta calidad. De hecho, los factores medioambientales, como la temperatura, la humedad relativa y la intensidad de la luz u otros factores externos, como la contaminación por insectos o pequeños animales a los que está expuesto el producto durante el almacenamiento y la distribución, afectan a la calidad nutricional y comestibilidad de los alimentos. Por lo tanto, la finalidad principal del envasado de alimentos es proteger el producto de su entorno y mantener la calidad de los mismos a lo largo de la vida útil del producto, facilitando al mismo tiempo su almacenamiento. En general, los materiales de envasado pueden agruparse en materiales flexibles, como películas plásticas, láminas, papeles y textiles, y materiales rígidos, como el cristal, latón y plásticos duros. Como ya se ha indicado, en el proceso de pasteurización y esterilización casero, el envase más usado son las botellas de cristal selladas. La ventaja de las botellas de cristal es que se limpian fácilmente, son transparentes y rígidas, pero tienen la gran desventaja de tener un peso elevado y de ser frágiles. Puesto que la luz solar puede modificar los nutrientes en los alimentos conservados, a veces se usan botellas de cristal marrón para no dejar pasar los rayos de luz. Para prolongar aún más la durabilidad de los productos alimenticios, es posible reducir la cantidad de oxígeno en los envasados, con el fin de ralentizar el metabolismo del producto y el crecimiento de microorganismos de deterioro. Más concretamente, durante este proceso conocido como envasado al vacío, se coloca el producto en un paquete hermético y se aspira el aire antes de sellar el paquete. La falta de oxígeno también reduce la cantidad de deterioro debido a la oxidación. 46 Conservación de alimentos Efectos en los alimentos Comparado con el almacenamiento solo por refrigeración, se comprobó que el almacenamiento refrigerado con un vacío moderado mejoraba la calidad microbiana (p. ej.: pimiento rojo, achicoria, endivia, manzana en rodajas, tomate en rodajas), la calidad sensorial (p. ej.: albaricoque, pepino), o ambas (p. ej.: judía, brotes y una mezcla de verduras cortadas). En algunos casos, no se apreciaron efectos beneficiosos (champiñones, pimiento verde y una mezcla de frutas cortadas) ni una disminución impedida de la calidad sensorial (fresas, alfalfa). Con los productos cortados (ensaladas mezcladas de verduras y frutas, achicoria, endivia manzana), el envasado al vacío retrasó en gran medida el oscurecimiento enzimático de las superficies cortadas. 47 4 Sistemas de energía eléctrica Exención de responsabilidad: en capítulos previos se introdujeron varias tecnologías dedicadas al cocinado y a la conservación de los alimentos; este capítulo hace una presentación general de la energía eléctrica. La energía eléctrica es en la actualidad uno de los portadores de energía más potentes; sin embargo, las redes de energía eléctrica también son técnicamente complejas. Por lo tanto, el presente capitulo proporciona directrices básicas para aquellos que han de tomar decisiones, pero no son especialistas. En cualquier caso, será necesario buscar consejo profesional para diseñar un sistema eléctrico. 4.1 Electricidad en condiciones de emergencia: instalaciones mínimas La electricidad es conocida como una solución excelente y eficiente para proporcionar energía en cualquier condición de funcionamiento. Sin embargo las soluciones técnicas y su complejidad pueden variar ampliamente dependiendo de la escala de aplicación. Hoy en día, en muchos casos, es posible hablar de uso local de la electricidad, de pequeños aparatos eléctricos alimentados directamente por su propia fuente de electricidad. A veces, estos sistemas pequeños vienen con un sistema de almacenamiento integrado (normalmente baterías) para una solución más eficiente y flexible energéticamente. Los sistemas pequeños consisten normalmente en un único usuario, o incluso un solo aparato, alimentado localmente por un generador de electricidad exclusivo. Por ejemplo, un refrigerador alimentado por un panel fotovoltaico. Un sistema pequeño más complejo puede estar compuesto de una bomba de agua u otro tipo de carga, alimentado por un generador de electricidad. En la figura 37, el panel fotovoltaico alimenta una bomba de agua con CC, que es capaz de almacenar el agua. En este caso, la carga puede postergarse en el tiempo, cuando la fuente principal no está disponible; por ejemplo, el agua almacenada puede usarse por la noche y el bombeo puede hacerse durante el día, cuando brilla el sol. En otras palabras, no hay necesidad de almacenar electricidad, porque se puede almacenar el agua en su lugar. Figura 37: sistema de bombeo de agua fotovoltaico solar. 48 Generación de energía eléctrica En el caso anterior, el sistema eléctrico es típicamente un sistema de CC, porque no hay razón particular para adoptar un sistema de corriente alterna (CA) y el sistema fotovoltaico proporciona energía CC de forma natural. Si la carga eléctrica (la bomba) es CA, la energía CC generada por la planta fotovoltaica debería convertirse a CA mediante un inversor. La situación más generalizada es que la carga eléctrica tenga que usarse también por la noche (por ejemplo, un sistema de aire acondicionado o un sistema de alumbrado). En este caso, se necesita un recurso equilibrado de energía, porque la energía se necesita cuando su fuente primaria no está disponible. En este caso, se puede añadir una pequeña batería: si la carga es CC, el uso de una batería es muy conveniente, ya que es un aparato a CC. Todos los aparatos son a CC, así que no hay razón para adoptar tecnología CA. Un factor clave en estas plantas es el controlador, que es capaz de coordinar el punto de funcionamiento del panel fotovoltaico y la batería para maximizar la eficiencia energética general. En general, es necesario hacer uso de un recurso equilibrador cuando los requisitos de carga (variabilidad, etc.) no concuerdan con las características de la fuente principal. Efectivamente, el equipamiento eléctrico tiene que diseñarse de modo que regule las inyecciones de energía para respetar el equilibrio de energía; p. ej.: la bomba necesita un regulador que impulse el motor solo cuando la producción de energía del panel fotovoltaico exceda un umbral predefinido. De manera similar, un controlador cargador regula la batería para almacenar la energía producida por el panel fotovoltaico solo cuando el nivel de voltaje alcanza un umbral predefinido. Por otra parte, cuando la batería se usa para alimentar la bomba, la batería tiene que proporcionar tanta energía como requiera el motor (la bomba). Por regla general, estos sistemas pequeños se pueden comprar sin necesidad de un diseño ad hoc: normalmente se proporcionan como soluciones integrales. La parte más difícil de la instalación puede ser conectar los cables, aunque no deja de ser un paso sencillo. Si los elementos (paneles fotovoltaicos, refrigeradores, baterías) se compran por separado, solo es necesario hacer coincidir su potencia y voltaje nominales y asegurarse de que un controlador de potencia maneje los flujos de energía. No obstante, las soluciones locales para este tipo de suministro eléctrico son muy dependientes de la aplicación. En muchos casos, la solución puede ser un único aparato hecho a medida para esa aplicación en particular. Por ello, estas soluciones son bastante útiles para asentamientos informales, con el fin de proporcionar energía eléctrica a cada hogar, pero solo para aplicaciones secundarias. El rango de potencia para estos aparatos está limitado desde decenas de vatios a varios centenares de vatios, útiles para necesidades de alumbrado y comunicación, pero normalmente insuficientes para aplicaciones de cocinado o calefacción. 4.2 Microrredes En circunstancias en que se puedan agregar y conectar por cables muchos pequeños usuarios de electricidad, se puede ejecutar una solución mucho mejor, aunque más compleja y con más desafíos técnicos. Un “sistema de energía eléctrica local“ o, adoptando una nombre más técnico, una microrred puede definirse como un grupo de cargas conectadas a recursos de energía distribuidos y sistemas de almacenamiento dentro de unos límites eléctricos claramente definidos, que puede actuar como una entidad única controlable con respecto a la red principal. El Consorcio para las Soluciones de Tecnología de Fiabilidad Eléctrica (CERTS) define una microrred como una agrupación de cargas y microrrecursos que funcionan como un único sistema que proporciona energía y calefacción. Las microrredes pueden operar 49 conectadas a la red o de manera autónoma (aisladas), con diferentes características. En algunos casos, se han alimentado áreas remotas o islas usando un grupo de varios generadores diésel grandes. Debido a los crecientes costes de los combustibles y a las preocupaciones y problemas medioambientales y climáticos, la integración de unidades generadoras pequeñas de fuentes renovables disponibles y el almacenamiento son la elección más económica. En todo el mundo, las microrredes se están convirtiendo en un importante modelo para suministrar electricidad a diferentes categorías de clientes; los países en vías de desarrollo y los campamentos de refugiados están entre los escenarios más interesantes. Los principales beneficios de conectar cargas y generadores son los siguientes: La carga es la suma en el tiempo de todas las cargas individuales, y por lo tanto es más fácil de predecir y emparejar con la generación disponible; además, la variabilidad de la carga agregada es menor que la variabilidad de las cargas individuales. Se puede lograr la reducción de las reservas de seguridad, limitando así la capacidad total de generación que se ha de instalar. Si un generador falla, las otras unidades de generación disponibles pueden reemplazarlo, mejorando así la fiabilidad general. Cuando ya hay disponibles muchas unidades pequeñas y están trabajando individualmente (normalmente a una carga muy baja y, por lo tanto, con eficiencia muy baja), se pueden programar para funcionar juntas de manera coordinada, funcionando así a mayor carga con mejores rendimientos de energía. Una aplicación en una comunidad del Sur de Sudán, donde hay disponibles cuatro generadores diésel desconectados, muestra que, si estuvieran conectados y operaran de manera coordinada, se ahorraría alrededor del 37 % del combustible (para más detalles, ver G. Moshi y M. Pedico, “Programación de generación óptima de pequeños generadores diésel en una microrred”, Conferencia de energía (ENERGYCON), 2014 IEEE Internacional, 2014). Es posible llevar a cabo el mantenimiento de generadores individuales sin ninguna pérdida de carga, aumentando así la disponibilidad general de electricidad para los usuarios finales. Es posible explotar fuentes primarias como el sol o el viento y aprovechar su complementariedad; por ejemplo, generadores diésel o plantas hidráulicas de generación. También hay que destacar algunos inconvenientes para esta solución innovadora: Las microrredes tienen que ser diseñadas y puestas en funcionamiento con cuidado por profesionales expertos. Se requiere un controlador de microrred para lograr el nivel de coordinación necesario entre todas las fuentes y cargas de electricidad. Tiene que diseñarse y ejecutarse un plan de protección del sistema. Las averías mayores podrían extenderse a todos los usuarios de electricidad, y afectar así a la fiabilidad general: por lo tanto es importante llevar a cabo un mantenimiento correcto a intervalos regulares. Se deben definir reglas para el funcionamiento y gestión de la microrred, y cada usuario tiene que seguirlas. En este punto, se debe advertir que una microrred es un recurso compartido y una oportunidad compartida: su uso es compartido entre todos sus usuarios y, por lo tanto, todos los usuarios deben cuidarla juntos: si algo falla, todos los usuarios se verán afectados. Por lo tanto, es importante que todos ellos se pongan de acuerdo en algunas reglas para poner en funcionamiento y gestionar la microrred. Sin estas reglas, incluso si la microrred está correctamente diseñada desde un punto de vista técnico, no es 50 Generación de energía eléctrica posible garantizar un buen servicio y pueden producirse muchas averías (incluyendo apagones). Para poder entender los principales problemas de las microrredes, en las siguientes secciones se presentan algunos aspectos básicos del funcionamiento de un sistema de energía. 4.3 Aspectos básicos de los sistemas eléctricos Las microrredes son, como su propio nombre indica, sistemas eléctricos muy pequeños que reproducen, a una escala diferente, todos los desafíos de un gran sistema de energía. Por regla general, se proporciona energía a las cargas en CA, aunque también hay disponibles aparatos a CC (especialmente para aplicaciones que requieren una cantidad limitada de energía/potencia). En cualquier caso, hay dos problemas principales a los que hacer frente cuando se diseña una microrred: Estimación del comportamiento de las cargas. Control del voltaje y frecuencia (o, en una perspectiva más práctica, control del equilibrio de la corriente y regulación de la calidad de la corriente). El cálculo aproximado del comportamiento de las cargas consiste en hacer suposiciones coherentes sobre quién necesitará corriente eléctrica, cuánta y cuándo. Este paso es primordial, porque, como es bien sabido, la electricidad resulta difícil y poco económica de almacenar: por lo tanto, sería mejor generar electricidad exactamente cuando la necesitan los usuarios de la microrred. Dada esta condición, se pueden programar los generadores para ajustarlos exactamente a la energía requerida y no serían necesarios recursos de equilibrado. Desafortunadamente es imposible saber de antemano cuándo decidirán los usuarios enchufar un aparato o apagarlo y, por lo tanto, es imposible adoptar los procedimientos de funcionamiento ideales descritos anteriormente. La variación entre la generación y la carga requerida desequilibra el sistema y da como resultado una variación de frecuencia (o voltaje, para las microrredes de CC) que no se puede aceptar para el funcionamiento correcto tanto de los generadores como del equipamiento de los usuarios. La incertidumbre de carga se refleja en una perspectiva doble: el funcionamiento a corto plazo y el diseño a largo plazo. Desde el punto de vista operativo, es necesario equilibrar la energía extraída por la carga con la energía generada y la energía extraída del almacenamiento, si la hay. Desde el punto de vista del diseño, si se conectaran a la red 10 cargas de 500 W cada una, la manera más segura de diseñar un sistema de generación adecuado sería instalar una capacidad generadora de 5000 W. Esto daría como resultado una forma muy adecuada pero muy cara de suministrar energía: el sistema está diseñado de forma que, cada vez que los usuarios decidan usar electricidad, la microrred tendrá suficiente capacidad de generación para abastecerlos. Sin embargo es muy improbable que los diez usuarios decidan conectar sus aparatos al mismo tiempo: el enfoque habitual de diseño seria hacer suposiciones acerca de la simultaneidad de los usuarios y planificar la capacidad del sistema a partir de estas suposiciones. Por ejemplo, si suponemos que la carga máxima para el sistema es de 2500 W en lugar de 5000 W (es decir, si suponemos que solo cinco usuarios estarán conectados al sistema al mismo tiempo), entonces la capacidad del sistema por diseño será la mitad, reduciendo también a la mitad los costes de la generación de electricidad. El sistema será adecuado si las suposiciones son razonables y realistas. Por supuesto, durante el funcionamiento del sistema, el sistema presentará dificultades si más de cinco usuarios se conectan y requieren energía para sus aparatos: en este caso la única manera de tratar esta situación es desconectar cargas o posponer la conexión hasta que la energía total requerida sea menor. Por lo tanto, para diseñar la capacidad de generación de la microrred es muy importante ser capaz de estimar la carga punta total que resulta de la agregación del comportamiento desconocido de muchos usuarios en la microrred. Para gestionar esta incertidumbre, el diseñador establecerá un margen de reserva 51 que permitirá afrontar situaciones inesperadas. En esta fase, es necesario decir que el problema de la capacidad está relacionado con la energía requerida por los usuarios, no con la energía que necesitan: esto quiere decir que la demanda en cualquier instante de operación de la microrred tiene un impacto muy fuerte en el diseño. En la fase de diseño es importante planificar los recursos de generación para equilibrar la carga y, por lo tanto, también es muy importante estimar las futuras necesidades energéticas de los usuarios. Por ejemplo, suponiendo que la carga sea similar a la que se muestra en la figura 14, con un perfil plano de 1 MW para 10 horas, la energía total es E=10h x 1 MW = 10 MWh. Suponiendo un margen de 0, un generador único de 1 MW es suficiente para abastecer esta carga: funcionará constantemente a su máxima potencia durante 10 horas (normalmente estas son también las condiciones para su eficiencia máxima). Constant load 11 10 9 8 P [MW} 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 time [h] 7 8 9 10 Figura 38: un perfil de carga plana durante 10 horas. Ahora, analicemos la carga en la figura 39: no es para nada constante, porque está funcionando sólo durante una hora, pero a una potencia muy alta. En este caso la energía (E) (área azul) es la misma que en el caso previo, E= 1h x 10 MW = 10 MWh, pero el requerimiento de capacidad de generación a instalar (es decir a coste fijo) es diez veces mayor. Not very constant load 11 10 9 8 P [MW} 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 time [h] 7 8 9 10 Figura 39: demanda de carga punta en la 6.ª hora. 52 Generación de energía eléctrica Para caracterizar la variabilidad mediante un índice, a menudo se adoptan las horas equivalentes H: H E PM Es decir, la proporción entre la energía total generada (o extraída, si se considera una carga) en un intervalo de tiempo y la máxima potencia en el mismo intervalo de tiempo. Para los dos ejemplos considerados, para la figura 38 y la figura 39 obtenemos respectivamente: 10 MWh 10 h 1 MW 10 MWh 1 h 10 MW H const H peak El significado físico del índice es muy importante: es el número de horas de funcionamiento de la máquina evaluado a PM necesarias para producir la energía E. H es muy alta (p. ej.: cerca de 8760 horas al año) cuando el funcionamiento de la carga o generador considerados es bastante constante y cercana a la energía evaluada. H puede ser muy baja para tecnologías que no pueden funcionar continuamente a la máxima potencia (o que no es conveniente que funcionen de este modo). Este enfoque se adopta normalmente para comparar diferentes tecnologías de generación en términos de su capacidad para producir de modo más o menos continuo. El segundo problema mencionado es el control del voltaje y de la frecuencia. Siempre y cuando se instale una capacidad lo suficientemente alta durante la fase de diseño, el sistema de generación podrá “seguir la carga“; es decir, equilibrar la extracción de energía por los usuarios en cualquier momento, controlando la energía inyectada en la red. Este es un requisito adicional en términos de energía, que es necesario porque de otro modo la calidad del suministro a los usuarios finales se vería afectada negativamente. ¿Qué pasa realmente cuando se produce un desequilibrio de energía? Supongamos que una microrred de CA con 1000 W de capacidad de generación está funcionando y que la carga actual es de 500 W y el nivel de generación también es de 500 W (ignorando pérdidas). Si la carga subiera a 600 W y la generación se mantuviera a 500 W, ¿cuál sería el comportamiento físico? La carga extrae 100 W más de lo generado: ¿de dónde procede esta energía? Procede de la energía cinética almacenada en las masas giratorias de todas las maquinas eléctricas conectadas a la microrred. En esta condición, si se adopta un control de acciones se reducirá la velocidad de rotación de la maquina: para preservar la unidad generadora cuando la velocidad del rotor alcanza un valor mínimo, se desconecta automáticamente de la microrred y se produce un apagón. Por lo tanto, para mantener la frecuencia (que está relacionada con la velocidad de rotación de las máquinas) constante, es necesario que los generadores sean sensibles a la frecuencia (velocidad) y, cuando su regulador detecta una bajada de la frecuencia, se impone un aumento de la energía generada para equilibrar la microrred de nuevo. Por supuesto, no todos los generadores tienen las mismas propiedades dinámicas, es decir, la capacidad para enfrentarse a desniveles de carga (hacia arriba o hacia abajo): también es necesaria una predicción de la carga esperada cuando se tiene que programar el funcionamiento, con el fin de mantener los generadores en línea con características dinámicas compatibles con el comportamiento dinámico esperado de la carga. 53 El equilibrado de la carga también se puede llevar a cabo basándose en el uso de aparatos de almacenaje y vaciado de cargas. Los amortiguadores disipadores actúan como frenos para absorber y disipar los excesos de energía. Esta última solución es barata, fácil de ejecutar y fiable en la gestión de la microrred, pero también es muy ineficiente desde el punto de vista energético. Para resumir los problemas relativos a la importancia del equilibrio de carga y generación en cualquier sistema de energía, podemos identificar las siguientes fuentes de incertidumbre: Cargas Generación solar (incertidumbre creada por el recurso primario) Generación eólica (incertidumbre creada por el recurso primario) Averías y contingencias Para ocuparse de las incertidumbres, algunos recursos son completamente controlables y se pueden explotar: Generadores controlables (normalmente generadores diésel, pero también parcialmente generación eólica o solar, cuando es posible controlar la reducción de su rendimiento) Cualquier aparato de almacenamiento disponible, de acuerdo con sus características técnicas Conexión a una red principal si está presente y es fiable Cuando los recursos controlables no son capaces de equilibrar el sistema, la única solución para evitar un apagón total es un recorte parcial de carga controlado. Esta acción de control debe usarse solo en condiciones de emergencia, ya que la finalidad principal de cualquier sistema de energía (independientemente de su tamaño) es proporcionar energía a las cargas. Sin embargo, en muchos casos, es posible diseñar el sistema para que seleccione la carga y desconecte solo las cargas menos críticas (o aplazables) para mantener el suministro a las cargas eléctricas más importantes, hasta que haya mejores condiciones. Está claro, por lo tanto, que al diseñar una microrred se deben elegir los recursos de generación de acuerdo con la disponibilidad y el coste de la fuente primaria (diésel, gas, sol, viento, etc.), pero la mezcla también debe ser adecuada para equilibrar el sistema: cuando hay fuentes importantes de incertidumbre, se debe proveer al sistema de fuentes de equilibrado adecuadas y significativas. En la práctica, no es razonable diseñar una microrred sin una fuente diésel, una conexión a una red principal fiable o un aparato de almacenamiento, capaz de proporcionar los recursos de equilibrio necesarios. El control del voltaje también es un problema importante en los sistemas eléctricos: el voltaje está relacionado con la calidad del servicio prestado: cada aparato eléctrico se caracteriza por su voltaje nominal y funciona bien si el voltaje es muy cercano a su voltaje nominal. Por lo tanto es muy importante para el sistema eléctrico poder proporcionar el mejor control de voltaje para mantener el voltaje lo más constante posible en cada punto de conexión de los usuarios. Esto se puede garantizar con bloques de control adecuados, que suelen estar disponibles en generadores diésel o, de manera más general, en la presencia de máquinas sincrónicas y en los puntos de conexión con la red principal si la hay. Por el contrario, los generadores solares o eólicos normalmente tienen una capacidad de control de voltaje limitada. Además, para las microrredes de CC, el equilibrio de energía tienen que gestionarlo directamente los reguladores de voltaje. Los aspectos anteriores muestran que es necesario contar con un grado de coordinación y control adecuado para una microrred debido a la integración de múltiples fuentes de generación y cargas. Las siguientes secciones ilustran las soluciones adoptadas más frecuentemente. 54 Generación de energía eléctrica 4.4 Diseño de microrredes Se puede hacer una gran distinción inicial según si la microrred puede ser gestionada como un sistema autónomo o como un sistema conectado a la red. En el autónomo, como ya se ha mencionado, la microrred tiene que estar equipada con recursos de equilibrado apropiados. En el segundo caso, si la red principal es lo suficientemente fiable, los recursos de equilibrado se requieren solo cuando la red principal no está disponible. Los problemas a considerar cuando se diseña una microrred conectada a una red pueden gestionarse con las funciones descritas para microrredes autónomas, aunque con requerimientos menos estrictos. Sin embargo se pueden enumerar nuevos problemas: temas de protección como un cambio en los niveles de corto circuito, flujo reverso de energía, falta de corriente de falla sostenida y aislamiento; temas de control de voltaje; armónicos y parpadeos; estándares de interconexión y códigos de red. Finalmente es importante señalar que por regla general una microrred autónoma requiere un excedente en la capacidad de generación con respecto a la carga para garantizar márgenes de fiabilidad adecuados durante la operación. 4.4.1 Sistemas CA y CC La electricidad se puede proporcionar bajo dos condiciones diferentes, concretamente CC o CA. La mayoría de aparatos eléctricos son CA, aunque algunos también están disponibles en versión CC. Sin embargo, como es posible cambiar de CC a CA y viceversa en los sistemas de suministro, supondremos, para fines de simplificación, que todos los aparatos son del tipo CA, sin pérdida de generalidad. Los sistemas de corriente continua se caracterizan porque el sistema proporciona una fuente de voltaje que es lo más constante posible en el tiempo y que los aparatos eléctricos extraen la corriente (constante) necesaria para funcionar. Entre las fuentes CC, las más importantes son generadores CC, baterías, algunos tipos de generadores eólicos y generadores fotovoltaicos. Estos pueden alimentar aparatos CC directamente o conectarse a un sistema AC o a aparatos AC por medio de convertidores de interfaz. Pros de CC: los sistemas CC son eficientes, están intrínsecamente disponibles a partir de las fuentes CC antes mencionadas y son fácilmente controlables por medio de dispositivos electrónicos de corriente. Contras de CC: puesto que la mayoría de los aparatos funcionan con CA, los sistemas CC están a menudo conectados a redes o dispositivos CA y necesitan un convertidor de interfaz para hacer esto; los sistemas de protección para redes CC no son fáciles de manejar. Cambiar el nivel de voltaje para alimentar aparatos con una potencia nominal diferente no es fácil ni económico. Los sistemas de corriente alterna se caracterizan por una fuente de voltaje sinusoidal con magnitud constante. Cuando se conecta una carga, extrae una corriente alterna sinusoidal, tal y como se indica en la figura 40. En un sistema CA un requisito estricto es que todos los generadores y cargas tienen que estar caracterizados por la misma frecuencia, que debe ser constante. Tal y como se ha mencionado, este requisito se cumple si el equilibrio real de energía se mantiene. La frecuencia en máquinas que giran (máquinas sincrónicas y de inducción, es decir, el 99 % de las máquinas que giran en un sistema energético) está relacionada con su velocidad de rotación (también llamada velocidad síncrona), y para esas máquinas, la frecuencia constante significa velocidad de rotación constante. Está claro entonces por qué las caídas o aumentos de frecuencia no se pueden aceptar y pueden conducir a apagones locales o masivos. Los sistemas CA pueden manejar fácilmente diferentes niveles de energía que abarcan desde la alimentación de pequeños aparatos y grandes fábricas (es decir, desde W hasta cientos de MW), así como desde 55 pequeños niveles de generación hasta grandes plantas de energía nuclear. Esta gestión se lleva a cabo gracias a la capacidad de los sistemas CA de cambiar los niveles de voltaje por medio de transformadores: máquinas eléctricas estáticas capaces de transferir energía cambiando el nivel de voltaje con una eficiencia muy alta (99 %). Por lo tanto, mientras que los sistemas CC se caracterizan normalmente por un único nivel de voltaje, los sistemas CA pueden organizarse en varios niveles de voltaje. Pueden abarcar desde Voltajes Bajos (LV, 50-400 V) para pequeños clientes y sistemas civiles, hasta Voltajes Medios (MV, cerca de 15-20 kV) para pequeñas industrias y actividades terciarias, hasta sistemas de Voltaje Alto (HV, hasta 400 kV) capaces de abastecer a fábricas muy grandes. 400 400 200 v( t) i( t) 0 200 400 400 0 0 0.02 0.04 t 0.05 Figura 40: voltaje y corriente en sistemas CA. Los sistemas CA también pueden clasificarse según el número de conductores: los pequeños aparatos y clientes son abastecidos típicamente con dos conductores por sistemas CA de fase única, mientras que las cargas más grandes pueden abastecerse con un sistema de tres fases, caracterizado por tres conductores, con voltajes como en la figura 41. Cada conductor se llama fase. En muchos casos, los sistemas de tres fases tienen un cable adicional, el cable de tierra, y a veces incluso un quinto conductor (la conexión a tierra), por motivos de seguridad. Las redes públicas se suelen construir siguiendo un diseño de tres fases, aunque esto no es así en pequeños aparatos únicos. Los generadores y transformadores eléctricos están disponibles normalmente en diferentes tamaños, tanto las versiones de una fase como las de tres, dependiendo de su tamaño. Las cargas pequeñas son típicamente de fase única, y están conectados entre una fase y el conductor de tierra; las cargas trifásicas están conectadas a las tres fases del sistema. 56 Generación de energía eléctrica Figura 41: conductores en el sistema CA. Normalmente no hay disponible un diseño estándar para microrredes. En el caso de una microrred muy pequeña, por ejemplo para el abastecimiento de un solo hogar, se puede adoptar el enfoque de una fase; si abastece a muchos hogares es mejor cambiar a un sistema trifásico más eficiente, que en un momento dado también puede alimentar aparatos de una sola fase. Pros de CA: casi todos los aparatos son de CA. Es fácil cambiar los niveles de voltaje para aumentar la eficiencia. La mayoría de tecnologías de generación están basadas en la generación de CA. Los sistemas de protección son bastante conocidos y fiables. Contras de CA: el sincronismo de las máquinas es un requisito estricto. La coordinación de los recursos de generación es obligatoria. 4.4.2 Sistemas eléctricos híbridos Hasta ahora se han tratado los sistemas CA y CC por separado; sin embargo pueden conectarse y funcionar juntos, siempre que se ponga en funcionamiento el equipamiento de interfaz adecuado. El equipamiento de interfaz que permite a un aparato o sistema CA la conexión a un sistema CC se llama inversor, y se puede configurar su control para que proporcione voltaje adicional y servicios de frecuencia al subsistema CA. Si la corriente tiene que fluir desde la red CA al aparato o subsistema CC, se necesita un rectificador. El conjunto de las dos máquinas juntas, enlazadas por un enlace CC (rectificador, enlace CC, normalmente provisto de un capacitador e inversor) constituye un conversor de frecuencia y pueden conectar dos sistemas CA 57 operando a frecuencias diferentes. Este es típicamente el caso en la conexión de dos generadores eólicos que pueden generar energía CA a frecuencias variables, conectado a un sistema CA con una frecuencia fija. Hay algunas soluciones de diseño típicas disponibles para el diseño de una microrred, dependiendo de la cantidad y tipo de fuentes de generación disponibles, del tamaño de la microrred y de las necesidades de carga. 4.4.3 Configuraciones de microrred adoptadas comúnmente Existen estructuras de microrred más o menos complejas en función de los objetivos generales del pequeño sistema que se pretende diseñar. A continuación, se destacan algunas sugerencias generales a partir de algunos ejemplos: 1) Pequeño sistema de generación que abastece a un grupo de pequeñas cargas, con o sin sistema de almacenamiento Un pequeño sistema de generación puede abastecer a un grupo de cargas eléctricas; por ejemplo: a una pequeña comunidad. En este caso la carga no tiene las características positivas del sistema de almacenamiento de agua considerado antes y, en general, cambiará con el tiempo dependiendo de las necesidades de los usuarios individuales a lo largo de las 24 horas del día. Se suministrarán diferentes tipos de aparatos, de modo que es probablemente un sistema CA. Por lo tanto, si la fuente principal de electricidad es un panel fotovoltaico, como en la figura 42, se necesitará un sistema de almacenamiento o un pequeño generador diésel para proporcionar energía durante las horas de la noche (por ejemplo, para alumbrado público, que es muy importante para que la gente se sienta segura). Además, se necesitará un inversor para convertir la energía CC tanto de la planta fotovoltaica como de la batería a CA. La fuente de energía también podría ser un generador diésel solo: en este caso no hay necesidad de añadir una batería, puesto que el generador diésel puede equilibrar la carga variable. Se debe mencionar que, cuando el tamaño de la microrred aumenta, los cables eléctricos también tienen que tenerse en cuenta en el diseño de la microrred. En particular, el tamaño de los cables depende de muchos factores: temperatura ambiente, número de circuitos eléctricos, condiciones de la instalación. Por lo general deben adoptarse los estándares nacionales para elegir el tamaño de los cables. Si no hay estándares nacionales, se pueden adoptar estándares internacionales (Estándares IEC o Estándares IEEE/ANSI). Para hacernos una idea aproximada, funcionando en un sistema eléctrico de fase única, un pequeño cable de 2,5 mm2 puede ser suficiente solamente para las necesidades energéticas menores de 2,5 kW; adoptando cables de 4 mm2 es posible manejar hasta 5 kW (adoptando márgenes de seguridad razonables); las necesidades energéticas mayores, con un pico de consumo de energía de hasta 10-15 kW, necesitan un cable mayor de 10 mm2. Si el consumo de energía es mayor que 10-15 kW, se recomienda usar un sistema eléctrico trifásico, para el cual se requiere un diseño preciso. 58 Generación de energía eléctrica Figura 42: pequeña microrred alimentada por paneles fotovoltaicos. 2) Pequeña microrred con más de un generador y cargas locales, con o sin almacenamiento Cuando el tamaño de la carga aumenta, puede ser necesario juntar más de una fuente de electricidad para abastecer la carga total (figura 43). Cuando se conectan varias cargas, hay que aplicar el equilibrado de carga a la carga local, que es generalmente una carga variable conectada por una red CA. El requisito principal es, como siempre, equilibrar el sistema, lo que tiene que conseguirse coordinando diferentes fuentes de energía, explotando sus capacidades equilibradoras y/o de almacenamiento. Por lo tanto, si por ejemplo todas las fuentes de generación son paneles fotovoltaicos o turbinas eólicas, es probable que se necesite un sistema de almacenaje apropiado. Si, por otra parte, hay disponible un generador diésel (o una pequeña planta hidráulica con una pequeña cuenca), puede que no sea necesario tener un sistema de almacenamiento, dependiendo de los tamaños relativos. En este caso se sugiere un análisis exhaustivo del posible comportamiento de las cargas, además de las fuentes primarias disponibles. Además, tiene que ponerse en funcionamiento un sistema de control de la gestión de la microrred. Este tipo de control se describe más tarde en este capítulo. 59 Figura 43: microrred de comunidad con diferentes generadores y cargas locales. 3) Microrred simple conectada a una red principal con o sin almacenamiento En el caso de un pequeño usuario único (sin unidad de almacenamiento local disponible) conectado a la red principal de LV (figura 44), es importante considerar que, en muchos países, la red principal no ofrece un alto grado de fiabilidad y es a menudo objeto de apagones de duración variable. Para tener continuidad de servicio, un usuario final puede instalar baterías muy simples y eficientes, que se conectan normalmente a la red principal por medio de cargadores que controlan automáticamente el estado de carga de la batería. En el caso de un apagón de la red principal, la batería la sustituye automáticamente (hay diferentes tecnologías disponibles para el cambio) y alimenta temporalmente la carga. En muchos casos, con baterías de tamaño limitado, la batería sólo puede alimentar cargas esenciales, mientras que las cargas no esenciales se apagan hasta que la red principal esté disponible de nuevo. 60 Generación de energía eléctrica Figura 44: conexión de fase única desde la red principal al usuario. 4) Microrred que suministra varias cargas eléctricas por medio de diferentes generadores, con o sin almacenamiento, con conexión a la red principal Se puede explotar la posibilidad de conectar una microrred a la red con el objetivo de aumentar la fiabilidad del suministro eléctrico. Los problemas de equilibrado son los mismos que en el caso 2), pero ahora con la conexión a la red (figura 45). En países desarrollados, la red es generalmente muy fiable y las microrredes pueden servir simplemente para aumentar la fiabilidad en el caso muy remoto de que la red principal falle. En condiciones críticas o en campamentos de refugiados, la red eléctrica se ve a menudo afectada por problemas de fiabilidad estructural, y el funcionamiento aislado es una condición operativa muy común, y no algo excepcional. Por lo tanto todas las consideraciones hechas para el caso 2) siguen siendo válidas. Un concepto adicional a explicar está relacionado con su conexión a la red, que se hace muy importante tanto desde el punto de vista de la microrred como desde el punto de vista de la red externa. 61 Figura 45: microrred híbrida fotovoltaica-eólica-diésel con almacenamiento conectada a la red. El bus de la red eléctrica donde la microrred se conecta a la red principal se llama Punto de Acoplamiento Común (PAC). Desde el PAC, la microrred puede ser considerada por la red principal como una unidad única controlable. En este punto, la microrred debe cumplir todos los requerimientos de interfaz definidos por los estándares existentes. La mayoría de las conexiones se realizan en redes de distribución (MT) y nivel de baja tensión BT. El nivel de voltaje del PAC depende en gran medida del tamaño de la microrred, su distribución, la ubicación de los generadores, sus parámetros, el grado de control de cada carga exportable y DG, y la proximidad y distribución de la carga. Sin embargo diferentes países especifican las reglas de conexión a la red para niveles de MT y BT dependiendo de la regulación y la tecnología operativa adoptada. 4.4.4 Tecnologías para la generación Una clasificación de tecnologías de generación (TG) se puede basar en la fuente de energía. Otra clasificación de tecnologías de generación se basa en la posibilidad de ser exportada, una característica que depende del tipo de fuente de energía primaria, tecnología y nivel de control ejecutados. La primera clase es TG exportable, en la cual la energía producida puede ser controlada con precisión y exportada en acuerdos de compra programados. Algunos ejemplos de TG que entran en esta categoría son la energía hidráulica con cuencas, pilas de combustible, motores Stirling y generadores a motor de combustión interna, además de muchos planes de cogeneracion (que pueden ser sometidos a muchas restricciones). Para la “TG no exportable”, la fuente de energía primaria, a menudo renovable, es específica para el emplazamiento y la energía producida no puede controlarse, ya que depende de la disponibilidad de la fuente primaria. Tales planes de TG son fotovoltaica, mini y micro turbinas hidráulicas con drenaje y turbinas eólicas. Algunas otras tecnologías son intrínsecamente exportables, pero a veces se usan de manera que la generación de electricidad no es una prioridad, y por lo tanto su exportabilidad es limitada. Por ejemplo, cuando se considera la producción combinada de calor y energía, la producción de calor tiene prioridad y la generación de electricidad sigue la necesidad del calor y, por lo tanto, no puede considerarse exportable. En las fichas técnicas hay una descripción de estas tecnologías. 4.4.5 Tecnologías de almacenamiento Las tecnologías de almacenamiento son un elemento clave en el equilibrado de la energía, que es un requerimiento estricto de cualquier sistema eléctrico, incluyendo las microrredes. 62 Generación de energía eléctrica Se pueden considerar diversas tecnologías y requerimientos de almacenamiento para las microrredes, según sus condiciones de funcionamiento. Cuando una microrred está funcionando en modo desconectado de la red, la propia microrred tiene que proporcionar el equilibrio entre la generación y la demanda. La energía generada a partir de renovables puede ser altamente intermitente. Igualar la energía generada con la demanda de electricidad del consumidor final hace que sea necesario usar sistemas de almacenamiento de energía eficientes y rentables. Otras ventajas importantes del almacenamiento en las microrredes son mejora del control del voltaje, del control y estabilidad de la frecuencia de la microrred, reducción de interrupciones, reducción de la prolongación de los requerimientos de reserva para satisfacer las demandas en el pico de energía, reducción de las congestiones y mejora de la calidad y fiabilidad de la energía para clientes con procesos de gran valor u operaciones críticas. Cuando la microrred está conectada a un sistema de distribución externo, las necesidades de balance se hacen menos estrictas, puesto que la microrred puede importar energía de la red o exportarla hacia ella. Sin embargo, desde un punto de vista técnico y económico, su capacidad de gestión aún puede desempeñar un papel primordial. En estas fichas técnicas se proporciona una descripción de estas tecnologías. 4.4.6 Cargas En cualquier sistema eléctrico, las cargas son la prioridad principal, pero en algunos casos podría ser necesario despojarse de carga, lo que significa desconectar cargas de la red para evitar un apagón completo. La clasificación básica de cargas eléctricas en una microrred se basa en: (i) (ii) Nivel de controlabilidad: cargas controlables (discretamente o continuamente) o no controlables. Nivel de prioridad: crítica o no crítica, aplazable. Esta clasificación es importante en el modelado de cargas y la ejecución de algoritmos para la gestión de la demanda eléctrica en microrredes. En general, si la microrred es lo suficientemente potente, no es necesario poder controlar la carga. Sin embargo, esto no suele ser así en el caso de las microrredes de zonas rurales o en países en vías de desarrollo o, en general, en contextos difíciles. En tales casos, es muy importante ser capaz de gestionar las cargas. El control de carga puede llevarse a cabo localmente con dispositivos muy simples basados en algoritmos simples y contadores locales. Su efecto no es óptimo y puede consistir solo en acciones simples, como desconectar cargas cuando el voltaje o la frecuencia son demasiado bajos, emitir alarmas cuando hay riesgo de desconexión, impedir que un aparato se conecte, etc. La desconexión (despojarse de carga) es necesaria cuando no hay suficiente generación disponible para abastecer la carga dentro de una isla. La reconexión de cargas se realiza cuando el sistema recupera suficiente generación o cuando la conexión a la red principal está disponible, y normalmente debería llevarse a cabo gradualmente. El DMS (sistema de gestión de la demanda eléctrica) es una herramienta más coordinada y consiste en la conexión y desconexión de una carga no crítica de una microrred para mantener su funcionamiento general dentro de límites satisfactorios. En este marco, se pueden implementar algunas funciones más avanzadas, como la programación de carga, la optimización del funcionamiento, etc. De hecho, en el escenario de un campamento de refugiados, la forma más fácil de gestionar el balance energético de la microrred es diseñar una arquitectura de desconexión automática (o semiautomática) de carga. Para diseñar este plan, debe llevarse a cabo un análisis exhaustivo de los tipos de carga basándose en el nivel de prioridad. Las cargas eléctricas asociadas a la salud o seguridad de las personas (quirófanos, hospitales, escuelas, por ejemplo) 63 tienen que considerarse críticas y no deben desconectarse. Por el contrario, la mayor parte del alumbrado, calefacción, enchufes, etc., son cargas no críticas y pueden desconectarse en el caso de falta de energía generada. En estos casos, no obstante, las personas afectadas por la desconexión de la carga tendrían algunos inconvenientes. Las cargas transferibles son un tipo de carga no crítica que puede ser transferida en el tiempo sin afectar a la comodidad de la gente. Un ejemplo típico es la calefacción: los aparatos de calefacción pueden dejarse sin alimentación durante un período corto de tiempo sin consecuencias. Lo mismo ocurre, en algunos casos, para los congeladores o sistemas de bombeo de agua. Estas cargas son una herramienta valiosa para los DMS, que pueden programarlos, teniendo en cuenta su estado y comportamiento, y coordinándolos con otras cargas. 4.4.7 Tecnologías de conexión Los sistemas eléctricos están formados por generadores y cargas conectados por la red. La red está bastante estandarizada, ya que está formada por cables, transformadores, dispositivos de conmutación y cuadros de distribución (figura 46). En muchos casos todos los aparatos están configurados a baja tensión y solo se debe procurar que haya una instalación y un mantenimiento correctos (y tener en cuenta las directrices sobre la seguridad de las personas, mencionadas anteriormente). Para microrredes más potentes y complejas, podrían ser necesarias tensiones más altas, hasta algunos niveles de kV. En ese caso, se instalarían pequeñas subestaciones, incluyendo máquinas más complejas, como transformadores y conmutadores. Las personas sin formación no deben poder acceder a las subestaciones y se debe prestar especial atención a las condiciones ambientales, en particular para la selección correcta y, si es necesario, la refrigeración del transformador. Además, se debe evitar la presencia de animales, porque es probable que causen averías o daños en el equipo. Figura 46: subestación exterior protegida por rejilla metálica. 64 Generación de energía eléctrica Los cables (ya sean cables BT o MT) tienen que seleccionarse de acuerdo con los estándares técnicos; normalmente están aislados con protecciones de material orgánico que son bastante sensibles a la temperatura. Por lo tanto, al seleccionar los cables hay que prestar atención a su rango operativo de temperaturas, según la temperatura ambiente. Un experto debe coordinar los cables y disyuntores. Desde este punto de vista, las condiciones de instalación (subterránea, en bandejas de cables adecuadas, etc.) son muy importantes porque influyen en el comportamiento térmico del propio cable y afectan a su capacidad máxima. Para terminar, vale la pena mencionar que, cuando los conmutadores y las derivaciones por cable se calientan bastante, pueden atraer animales; incluso animales peligrosos como las serpientes pueden hacer sus nidos ahí: por lo tanto, hay que tener cuidado cuando se accede a estas partes del sistema eléctrico. 4.4.8 Estándares y requisitos legales Aunque, en los campamentos de refugiados, llegar a un acuerdo de estándares no sea una prioridad, merece la pena recordar que los sistemas eléctricos pueden ser peligrosos para la seguridad de las personas y deben ser diseñados y construidos de modo que no supongan un peligro para los usuarios o sus bienes. Hay dos tipos de regulaciones que se deben cumplir: el cumplimiento de las reglas relativas a la calidad del diseño con respecto a la seguridad de las personas y los bienes, y los estándares técnicos relativos al funcionamiento de la microrred cuando está conectada a la red principal. En lo que respecta a los estándares técnicos, hay una serie de estándares técnicos reconocidos relativos al diseño de los componentes individuales y sus conexiones. Los estándares técnicos que más se usan frecuentemente son los Estándares IEC (emitidos por la Comisión Electrotécnica Internacional) y los Estándares IEEE/ANSI (emitidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos e Instituto Nacional Americano de Normalización). Los primeros son adoptados principalmente en Europa, mientras que los segundos son considerados obligatorios en EE.UU. y América Latina. Independientemente del estándar adoptado, es importante tener en cuenta la seguridad de las personas frente al peligro eléctrico y diseñar el sistema de modo que se minimice este riesgo, sobre todo para las personas que no son expertas en electricidad o plantas eléctricas. En cuanto al interfaz a la red principal, cuando se adopta esta opción para la microrred, es importante asegurar su funcionamiento cuando la microrred está aislada y cuando está conectada a la red, y que las conmutaciones entre los dos tipos de funcionamiento estén bien optimizados. Especialmente, mientras que para operaciones aisladas el motor principal es la calidad de la energía, cuando la microrred tiene que operar estando conectada, hay algunas reglas técnicas adicionales definidas por el operador de la red principal. De hecho, la microrred debe estar conectada a una red BT/MT o AT operada por un Operador de Sistema (OS), que es el responsable de una operación fiable y segura de la red. En la mayoría de los casos, los OS definen reglas técnicas adicionales para la conexión de microrredes con el fin de no afectar negativamente a la fiabilidad de la red principal. Este tipo de regulación suele ser una regulación nacional y, por lo tanto, puede ser muy diferente de un país a otro (podría ser totalmente inexistente). Este conjunto de reglas técnicas se incluye generalmente en un Código de Red, emitido por el OS. Este código define el rango de operación normal para tensiones y corrientes, los procedimientos para la conexión y desconexión, los requisitos principales que deben cumplir los disyuntores, y los sistemas de protección y control para que la microrred se integre lo mejor posible en la red principal. 65 4.4.9 Asuntos de seguridad y protección en microrredes Los sistemas de protección tienen dos funciones principales: evitar que la gente se vea afectada por peligros eléctricos e impedir daños en bienes. El primer tema es el más importante, sobre todo teniendo en cuenta que las condiciones medioambientales en los campamentos de refugiados no son ideales para equipamientos e instalaciones eléctricos y que normalmente los refugiados no son conscientes de los riesgos asociados a la electricidad. Por lo tanto, es responsabilidad del diseñador minimizar estos riesgos: la electricidad es peligrosa, y solo un diseño preventivo y un funcionamiento preciso puede minimizar los peligros eléctricos. En lo que respecta al primer punto, cualquier aparato eléctrico tiene que estar diseñado y construido de acuerdo a estándares técnicos reconocidos. Esto garantiza que el aparato no sea peligroso para las personas. En segundo lugar, la instalación del aparato en el sistema debe ser segura: La conexión entre el aparato y la fuente de electricidad debe estar configurada correctamente: el enchufe tiene que estar intacto para evitar que las personas (sobre todo los niños) puedan tocar los conductores (incluso usando herramientas como destornilladores o similares). Los cables tienen que ser del tamaño correcto, es decir, su sección transversal debe ser adecuada para la potencia del aparato o grupo de aparatos conectados, y deben estar intactos. El aislamiento no debe estar dañado en ningún punto y los cables deben estar protegidos contra daños accidentales (por ejemplo, excavaciones); los caminos de los cables deben estar identificados para minimizar estos riesgos. Las conexiones entre cables y conductores deben hacerse por medio de conectores apropiados y protegidos para evitar su contacto con las personas. Las plantas de generación solo deben ser accesibles a personas cualificadas. Deben colocarse carteles adecuados e incluso barreras, si es necesario, en los lugares donde haya piezas energizadas que se puedan tocar. En pequeñas subestaciones, donde se instalan conmutadores y transformadores, solo se debe permitir el acceso a profesionales expertos. Se debe instalar una serie de dispositivos protectores adecuados. En el caso de aparatos individuales, hay disponibles disyuntores o fusibles que se instalan en el aparato para este fin. Cuando los aparatos se conectan a una microrred, la propia microrred debe estar diseñada para proporcionar un grado adicional de protección. Además de la protección de la gente, el diseño de la microrred debe permitir recuperarse fácilmente de cualquier falla (cortocircuitos, interrupciones del conductor, fallos en máquinas giratorias y transformadores, fallos en fuentes fotovoltaicas, etc.) de modo que no tenga consecuencias peligrosas (fuegos, explosiones, daños en edificios y daños mecánicos en bienes). Por lo tanto, la propia microrred debe estar equipada de un sistema de protección adecuado que variará según sus características. Es necesario que el sistema de protección de la microrred sea capaz de distinguir y responder a fallas tanto en la red principal como en la microrred. En el caso de fallas de la red principal, la microrred debe desconectarse rápidamente de la misma para proteger sus cargas. En el caso de una falla en la microrred, el sistema de protección debería aislar la sección más pequeña posible del alimentador radial para eliminar la falla en la microrred y mantener la continuidad de suministro a la sección no afectada por la avería. 66 Generación de energía eléctrica Con respecto a la protección, en el marco de los campamentos de refugiados, uno de los temas más importantes es la toma de tierra. Esto garantiza la seguridad personal y una operación fiable del equipamiento. En particular, las descargas eléctricas tienen dos causas, concretamente: Contacto directo: una persona o animal toca un conductor vivo expuesto. Contacto indirecto: una persona toca un marco de metal de una carga eléctrica en la que se ha producido una falla de aislamiento. Para proporcionar protección contra el contacto directo, se toman medidas de aislamiento y /o distanciamiento. Estas medidas pueden reforzarse en la distribución final añadiendo protección en forma de un dispositivo diferencial residual (DDR). Con respecto a la protección contra contacto indirecto entre un marco energizado accidentalmente y la tierra, la solución es conectar a tierra todos los marcos de cargas mediante los conductores protectores. Sin embargo, esta medida no descarta la existencia de una tensión de contacto, que es peligrosa para las personas si excede el límite convencional de tensión de seguridad (UL) definido por el estándar IEC 60479. Esta tensión de contacto depende de los sistemas de toma de tierra (definidos en el estándar internacional IEC 60364). Generalmente, se deben tener en cuenta dos puntos: primero, la toma de tierra neutra, que significa el tipo de conexión neutra a tierra del transformador o generador; segundo, la toma de tierra de protección, que significa el tipo de conexión del marco del equipamiento a tierra. La toma de tierra neutral de BT se clasifica ampliamente en tres tipos: TT, IT y TN. A continuación se describen brevemente cada uno de los sistemas de toma de tierra (se describen únicamente a modo de ejemplo; este tema requiere de personal técnico especializado en diseño, producción y gestión de microrredes). El sistema TN o El transformador neutro está conectado a tierra. o Los marcos de las cargas eléctricas están conectados a neutro. o Este tipo de sistema tiene tres posibilidades: El mismo conductor funciona como neutro y como conductor protector: este es el sistema TN-C. Los conductores neutro y protector están separados: este es el sistema TN-S. La combinación de estos dos sistemas, conocida como TN-C-S cuando el conductor neutro y el conductor protector están separados corriente abajo de parte de la instalación en el sistema TNC-C. Reparemos en que el TN-S no se puede situar antes del TNC-C. o Su funcionamiento: Una falla de aislamiento en una fase se convierte en cortocircuito y la pieza defectuosa es desconectada por un dispositivo de protección de cortocircuitos (SCPD). El sistema TT o El transformador neutro está conectado a tierra. o Los marcos de las cargas eléctricas también están conectados a tierra. o Su funcionamiento: 67 La corriente de una falla de aislamiento es limitada por la impedancia de la conexión a tierra. La protección es proporcionada por el DDR: la pieza defectuosa es desconectada tan pronto como el umbral del DDR situado corriente arriba es sobrepasado por la corriente defectuosa. El sistema IT o El transformador neutro no está conectado a tierra sino que está, en teoría, desenterrado. En realidad está conectado a tierra de forma natural por las capacidades de dispersión de los cables de la red y/o voluntariamente por una alta impedancia de alrededor de 1.500 Ω (neutro conectado a tierra por impedancia). o Los marcos de las cargas eléctricas están conectados a tierra. o Su funcionamiento: Si ocurriera una falla de aislamiento, se desarrolla una baja corriente como resultado de las capacidades de desviación de la red. El voltaje de contacto desarrollado en la conexión del marco a tierra (no más de unos cuantos voltios) no es peligroso. Si ocurre una segunda falla en otra fase antes de que la primera falla haya sido eliminada, los marcos de las cargas en cuestión son llevadas al potencial desarrollado por la corriente defectuosa en el conductor protector (PE) que los conecta. Los SCPD (para los marcos interconectados por un PE) o los RCD (para los marcos con conexiones a tierra separadas) proporcionan la protección necesaria. Los TN-C-S y TT son la opción recomendada para la toma de tierra de la microrred. En cualquier caso el sistema neutro de toma de tierra para una microrred debe asegurar la protección efectiva de las fallas, la integridad en el aislamiento y la seguridad tanto bajo operación aislada como en la conectada a la red. 4.4.10 Funcionamiento de microrredes en campamentos de refugiados En los campamentos de refugiados, se pueden prever dos problemas principales para el funcionamiento de microrredes más o menos extensas: el mantenimiento y la compartición de los costes. De hecho, ambos son muy importantes para garantizar que las importantes inversiones iniciales no se desperdicien y que la planta funcione durante mucho tiempo. Mientras que, para los aparatos aislados, el mantenimiento no es un problema, ya que un aparato roto se puede sustituir fácilmente, la presencia de una microrred es a menudo el problema principal. Existen muchos ejemplos, en zonas rurales de países en vías de desarrollo, de microrredes diseñadas de acuerdo con buenas prácticas que funcionan perfectamente durante un tiempo, pero que son abandonadas en cuanto algo se rompen. Si hay microrredes (sistemas con muchos aparatos interconectados) es importante designar un ciudadano responsable (de un modo más o menos institucional). Este tiene que ser capaz de llevar a cabo las actividades habituales de mantenimiento en la maquinaria y tomar decisiones si se rompe un componente y tiene que reemplazarse; tiene que poder encargarse de tareas diarias simples, como comprar combustible, gestionar alarmas simples, lubricar las máquinas, etc. También debe pedir asistencia técnica experta cuando sea necesario para restaurar el suministro lo antes posible. En cuanto al segundo problema, compartir los costes, se ha demostrado que es muy importante para conseguir que la gente use los aparatos y plantas eléctricos correctamente. La cuestión es muy compleja y no es adecuado tratarla aquí, puesto que implica consideraciones sociales y sicológicas. Sin embargo, es necesario destacar que la adopción de un criterio adecuado para compartir los costes (no necesariamente todos los costes reales: incluso una parte de los costes puede ser suficiente) hace que la gente sea más 68 Generación de energía eléctrica responsable con respecto a la infraestructura y los bienes compartidos, y que los utilicen y los cuiden de la mejor manera posible, porque de algún modo los consideran propiedad suya. 69 5 Suministro de agua El suministro de agua es una de las necesidades más básicas para la vida de las personas y su desarrollo. En la situación concreta de los campamentos de refugiados y asentamientos informales, la prioridad es normalmente el suministro de agua doméstico. Se usa principalmente para beber, cocinar y para higiene personal. Con la finalidad de garantizar un suministro de agua seguro para la gente en situación de emergencia, se deben que considerar estos elementos clave: 1. Valorar las fuentes existentes e identificar nuevas fuentes: requiere una valoración profunda de la localización, y una comprensión de los requisitos de la población desplazada y la condición de cualquier suministro de agua existente. Las principales fuentes de agua pueden resumirse en el siguiente esquema: Camiones cisterna Agua de lluvia Agua subterránea Aguas de superficie Manantiales Ríos Pozos Arroyos Perforaciones Embalses y lagos Figura 47: fuentes de agua. El agua de superficie casi siempre está contaminada y requiere tratamiento, mientras que el agua subterránea normalmente no requiere ningún tratamiento si la fuente de agua está bien protegida. En las emergencias, el agua no puede tratarse y no hay agua segura disponible en el vecindario. Por lo tanto, la forma más común de suministrar agua es por medio de cisternas. Es un método caro, pero puede ofrecer flexibilidad de distribución. 2. Proteger las fuentes: las fuentes de agua tienen que estar protegidas de cualquier tipo de contaminación. Se ha de prestar mucha atención, especialmente a la ubicación de las letrinas y a la zona de pastoreo, que tienen que emplazarse lejos de las fuentes de agua y, en el caso de los ríos, situarse corriente abajo del punto de abastecimiento. 3. Proporcionar distribución, transporte y almacenamiento: normalmente, las fuentes de agua están lejos del campamento. Por lo tanto, excepto las cisternas, el agua es bombeada desde la fuente y recolectada en un espacio de almacenamiento en el campamento. 70 Suministro de agua 4. Proporcionar tratamiento: es poco probable que el agua extraída en situaciones críticas sea completamente segura para el consumo. Por lo tanto, el agua tiene que ser sometida a un tratamiento adecuado antes de beberse. 5. Fomentar la higiene: debido a las condiciones críticas de los campamentos de refugiados, es importantísimo concienciar a la gente de la importancia de mantener unas prácticas de higiene básicas. Por lo tanto, es importante saber qué prácticas culturales existen y qué necesidades tienen que comunicarse a la gente. Por ejemplo, las prácticas más importantes e inmediatas en las que centrarse durante las emergencias son: o o Lavarse las manos (sobre todo después de la defecación) Eliminar las heces de forma segura. Para campamentos y asentamientos permanentes más organizados, es sumamente importante garantizar también las siguientes prácticas: o o Uso y mantenimiento apropiados de las instalaciones de saneamiento. Almacenamiento seguro del agua. Se puede encontrar información detallada de la gestión de estos elementos en SUMINISTRO DE AGUA EN EMERGENCIAS, de Practical Action. El Centro de Ingeniería y Desarrollo del Agua (WEDC) de la universidad de Loughborough ha elaborado un manual exhaustivo de valoración de fuentes de agua en emergencias. ACNUR ha escrito una Guía de campo para agua y saneamiento en emergencias y un Manual de emergencias. Asimismo, es digno de mención Salud medioambiental en emergencias y desastres – UNA GUÍA PRÁCTICA, editado por B. Wisner, J. Adams. Este manual destaca el vínculo existente entre la energía, el agua y los alimentos, y analiza los puntos tres y cuatro enumerados arriba mediante la descripción de las tecnologías para sistemas de bombeo de agua y purificación de agua. 5.1 Sistemas de bombeo de agua Tras una breve descripción de los principales sistemas de bombeo, la atención principal de esta sección se centra en examinar todas las alternativas para acoplar las bombas con la tecnología de generación de energía apropiada en función de las necesidades y recursos locales. Tradicionalmente los principales sistemas usados para bombear agua son las bombas a diésel, gasolina y queroseno, pero la necesidad de resolver el problema relativo al suministro inestable de combustible en algunas áreas remotas está aumentando el desarrollo de bombas solares fotovoltaicas y turbinas eólicas fiables. La suposición principal de esta sección es que el acceso a electricidad de la red asequible y fiable no es posible. De hecho, usar la energía de la red como fuente de energía para aplicaciones de bombeo de agua es la solución más fiable, porque no hay necesidad de baterías (en el caso de bombeo solar fotovoltaico y eólico) o almacenamiento de agua, y el suministro de energía es fiable sin problemas de transmisión o generación de energía. Antes de analizar los aspectos tecnológicos de todos estos sistemas, hay que aclarar algunos puntos breves relativos al suministro de agua: 1) Necesidades de agua Es necesaria una estimación correcta de las necesidades de agua de una comunidad para evitar sobredimensionar (desperdicio de dinero) o subdimensionar (inútil y desalentador) el sistema. Un sistema usado para el suministro doméstico de agua se dimensiona en base a la población1 y el uso diario de agua per cápita (de 10 a 40 en campamentos de refugiados). Se recomienda un suministro de un mínimo de 15 L por persona y día (Proyecto SPHERE). Si la inmediatez de la emergencia impide 1 Si los asentamientos o los campamentos son permanentes, el diseño del sistema debe tener en cuenta el aumento de la población en el futuro o el máximo número de personas que pueden acoger. 71 suministrar a la gente esa cantidad diaria de agua, es necesario seguir el proceso escalonado descrito en la tabla 4. Tabla 4: cantidad diaria de agua aceptable necesaria (WHO, WEDC). Tiempo desde la solución inicial Cantidad de agua (litros/persona/día) Máxima distancia de los refugios a los puntos de agua (km) 2 semana a 1 mes 1 a 3 meses 3 a 6 meses 5 10 15 (+) 1 1 0,5 Además, también es importante considerar la hora punta de la demanda para confirmar la compatibilidad del sistema (p. ej.: las tuberías, bombas, almacenamiento) con la demanda más alta de agua durante el día. Las horas punta ocurren típicamente por la la tarde, cuando la gente se lava y come. La demanda de la hora punta se calcula sumando las cantidades de agua consumidas por cada actividad a la misma hora. El uso de agua para el ganado y las necesidades agrícolas es raro en los campamentos de refugiados. De lo contrario, la demanda de agua para abrevar al ganado es estimada según el consumo de agua diario, multiplicando el número de animales por las necesidades de agua per cápita (ver tabla siguiente): Tabla 5: necesidades de agua de los animales. Animal Consumo diario de agua [litro/animal] Vacas lecheras Vacas para carne Caballos y mulas Terneros Cerdos Ovejas y cabras Pollos 80 50 50 30 20 10 0,1 Por otra parte, el riego de los cultivos necesita una gran cantidad de agua, que varía de un cultivo a otro y según del tipo de suelo, los métodos de riego, las condiciones meteorológicas y otros factores. Es necesario dimensionar todos los sistemas de riego para necesidades de agua en hora punta según la estación. A continuación se ofrecen indicaciones basadas en la práctica: Tabla 6: agua para riego. Cultivo Arroz Granjas rurales Cereales Caña de azúcar Algodón Necesidad diaria de agua [m3/ha] 100 60 45 65 55 72 Suministro de agua 2) Cabeza hidráulica La cabeza de bombeo hidráulico es la altura de una columna de agua que produciría la presión que experimenta la bomba. Es una medida especifica de presión liquida que una bomba debe transferir al agua para elevarla a una altura especifica o para superar las perdidas por fricción. Por ejemplo, el agua bombeada desde pozos profundos experimenta una cabeza hidráulica de bombeo igual a la suma de las siguientes cabezas: 1. Nivel estático del agua, que es la altura sobre la que tiene que bombearse el agua. Si la bomba se sumerge, es la altura desde el nivel del agua en el pozo hasta la altura donde se usa (normalmente el nivel del suelo). 2. Nivel de descargado (si existe) es la altura del depósito donde se almacena el agua y luego se distribuye usando la gravedad. 3. Bajada es la distancia bajo la capa freática, cuando se apaga un sistema, a la cual cae el agua cuando se está efectuando un bombeo de estado constante. 4. Cabeza de fricción es la medida específica de las pérdidas de presión que experimenta el agua debido a las pérdidas por distribución y concentración de fricción. En el sistema expuesto en el ejemplo siguiente, son una pequeña fracción. Por otra parte representan casi la cantidad total de la cabeza de bombeo en el caso del riego con una bomba flotante situada a nivel del suelo. Figura 48: carga hidráulica en un sistema de bombeo eólico. 3) Almacenamiento de agua El almacenamiento de agua es necesario para gestionar mejor el suministro de agua. Permite hacer frente a horas punta y condiciones meteorológicas desfavorables, que son críticas especialmente para el bombeo solar y eólico. Generalmente se recomienda un almacenamiento de 3 a 5 días, y no superior debido al riesgo de proliferación de microorganismos como bacterias o formación de agua pútrida. Los depósitos de agua se hacen normalmente con acero, cloruro de polivinilo (PVC), fibra de vidrio, hormigón o mampostería. En el caso de los almacenamientos de acero, es importante impedir la 73 formación de herrumbre usando pintura antioxidante. Con un depósito de agua, la bomba se dimensiona en función de las necesidades diarias de agua. 4) Distribución El almacenamiento subterráneo es mejor para abrevar ganado, porque los animales pueden beber directamente de él. Por otra parte, la mejor manera de almacenar agua para el suministro doméstico a través de una red de distribución es poniendo el depósito a un nivel más alto para la distribución. De hecho, permite la distribución de agua a los usuarios finales. La figura siguiente muestra un suministro de agua tradicional para un pueblo mediante una turbina eólica eléctrica. Figura 49: sistema de bombeo y distribución. Primero se bombea el agua a la cisterna y luego se suministra a través de la red de distribución usando la gravedad. El depósito tiene que estar lo suficientemente alto como para suministrar el agua con la presión correcta para poder superar las pérdidas en la red de distribución. Cuando no hay red de distribución y la gente coge el agua directamente de la fuente, poner el almacenamiento a un nivel más alto supondría un desperdicio de energía, porque no hay necesidad de superar las pérdidas por fricción de la red de distribución debidas a la gravedad natural. Con esta premisa, antes de analizar los sistemas de bombeo hay que considerar los siguientes tipos de bombas: Bombas volumétricas que funcionan desplazando una cantidad de agua usando varios mecanismos como pistones, cilindros y diafragmas elásticos. Durante el funcionamiento de la bomba, el agua empieza a fluir a la cavidad del lado de la succión mientras se expande y fluye afuera por el lado de la descarga y la cavidad se contrae. Bombas centrifugas, a diferencia de las bombas volumétricas, estas están diseñadas para una cabeza fija, y cada desviación del punto del diseño causa una reducción en el valor de su eficiencia. Las bombas centrífugas aceleran el agua en un dispositivo giratorio llamado “propulsor” mediante una potencia de entrada eléctrica o mecánica. La bomba de voluta es la más común: el fluido que entra en la bomba es acelerado por el propulsor, que gira a alta velocidad, y bombeado hacia fuera de la carcasa; el vacío que se crea en el ojo del propulsor permite atraer más agua hacia del dispositivo. Los sistemas de bombeo de agua pueden subdividirse en dos macroáreas, sistemas de bombeo eléctricos y sistemas de bombeo mecánicos, analizadas en las siguientes secciones. 74 Suministro de agua 5.1.1 Sistemas de bombeo eléctricos Estos sistemas se caracterizan por tener una motobomba compuesta por un motor eléctrico acoplado a una bomba que puede ser centrífuga o volumétrica, mediante diversos tipos de acoplamiento (p. ej.: correa y polea, tornillo de alimentación, acoplamiento directo con engranaje de piñón y cremallera o brida de pernos, transmisión de engranaje). Existe una gran selección de motobombas y su elección depende de las necesidades diarias de agua, la cabeza de bombeo y la fuente de agua: La unidad de motobomba sumergida es el tipo de unidad de bombeo más conveniente y común para suministrar agua a los pueblos, porque es simple de instalar, es segura e impide la cavitación. La motobomba flotante es un tipo de sistema de bombeo sugerido para bombear agua de superficie para riego y drenaje. La motobomba montada en superficie es un tipo de unidad que se debe montar en una superficie plana sin posibilidad de que el agua salpique a la bomba. Se recomienda para trabajos de cabeza baja tanto con bombas volumétricas como con centrífugas. Todos estos tipos de unidades son alimentados con diferentes fuentes de energía eléctrica, y en la figura siguiente se presenta un plano del sistema: Figura 50: fuentes de energía eléctrica para bombeo de agua. Un sistema eléctrico de bombeo de agua se compone de un generador (que convierte renovables o energía de combustible en energía eléctrica), un motor eléctrico (que convierte la energía eléctrica en energía mecánica) y una bomba (que convierte la energía mecánica en energía hidráulica). El esquema anterior presenta los componentes principales por separado, pero normalmente las soluciones ya están integradas. El inversor solo es necesario en caso de incompatibilidad entre el generador de electricidad y el motor eléctrico (p. ej.: acoplar un generador fotovoltaico a un motor de CA). Los generadores de electricidad más comunes son: - Generadores solares fotovoltaicos 75 - Generadores eólicos Generadores diésel Generadores a gasolina Los detalles sobre estas tecnologías y su dimensionamiento se describen en las fichas técnicas. Las siguientes tablas resumen las principales ventajas, desventajas y aplicaciones de estos sistemas: Tabla 7: comparación entre distintos sistemas de bombeo eléctricos. Fortalezas sin coste de combustible funcionamiento sin vigilancia Solar poco fotovoltaico mantenimiento fácil instalación larga vida (20 años) sin coste de combustible funcionamiento sin vigilancia mantenimiento Eólico fácil adecuado para fabricación local larga vida Diésel y gasolina baja inversión portátil instalación fácil y muy rápida uso extendido Debilidades alta inversión almacenaje agua reparaciones requieren técnicos especializados no muy adecuado para riego 5.1.2 necesidad de diseño del sistema y planificación del proyecto almacenamiento de agua no es fácil de instalar no muy adecuado para el riego alto coste de mantenimiento suministro de combustible caro previsión de vida corta contaminación acústica y de humo Aplicación y detalles ‘Solar Water Pumping Guide by Green Empowerment’ (http://greenempowerment.o rg/wpcontent/uploads/2013/07/Sol arWaterPumpingManual_jan2 007.pdf) ‘WINDPUMPING by Practical Action (http://practicalaction.org/doc s/technical_information_servi ce/windpumps.pdf) SPERONI WaterPumps (http://www.speroni.it/public /en/prodotti_categorie.php?id _az=25) HATZ Diesel (http://www.hatzdiesel.com/en/products/syste ms/pumping-systems/) Sistemas de bombeo mecánicos Los sistemas de bombeo mecánicos funcionan sin consumir electricidad. Estas son algunas de sus principales ventajas: - No hay costes de electricidad. Menor coste de inversión debido a menos componentes (motor eléctrico, inversor, baterías). Planta menos compleja. No hay pérdidas eléctricas. 76 Suministro de agua La entrada mecánica proviene de energías renovables y trabajo humano sobre todo. Los principales sistemas capaces de bombear agua sin consumir electricidad son: 1. Bombas manuales: se usan para bombear las “aguas subterráneas” mediante activación del mecanismo con esfuerzo manual. 2. Bombas eólicas mecánicas: se usan para bombear las “aguas subterráneas” usando la energía del viento que es convertida en energía mecánica mediante turbinas de viento multilaminares. 3. Bombas de ariete hidráulico: son sistemas automáticos especiales que elevan una cantidad de agua usando una pequeña caída de agua desde poca altura. Bombas diésel mecanizadas: son como las bombas eléctricas, con la única diferencia de que no tienen generador eléctrico; se las prefiere a las bombas diésel eléctricas si no hay un uso posterior del grupo electrógeno para aplicaciones eléctricas. Puesto que la electricidad es a menudo un punto crítico en los campamentos de refugiados, estas tecnologías pueden ser una solución conveniente para bombear agua. Se analizan por separado en las fichas técnicas. 77 5.2 Tratamiento del agua Los campamentos de refugiados y asentamientos informales están, a menudo, superpoblados y carecen de instalaciones de saneamiento mejoradas y de un suministro de agua seguro. Los contaminantes del agua se pueden agrupar en tres categorías generales: Contaminantes biológicos: consisten en diversas bacterias, virus y helmintos, que se reproducen en la materia fecal y en las algas, pero también organismos parásitos como los nematodos y los platelmintos. Es fundamental impedir la contaminación fecal separando las letrinas de los puntos de suministro de agua. Contaminantes físicos: consisten en partículas y sólidos en suspensión, que pueden ser nocivos y facilitar la proliferación de bacterias. Contaminantes químicos: son contaminantes causados por la polución y por procesos naturales, como nitratos, arsénico y flúor, que incrementan el riesgo de cianosis, cáncer y manchas en los dientes. Considerando la situación crítica en los campamentos, la necesidad de agua limpia suele ser inmediata. Por lo tanto, es fundamental establecer sistemas que depuren el agua y contribuyan a garantizar los estándares mínimos para la calidad del agua en una situación de emergencia. En primer lugar, es básico asegurarse de minimizar los contaminantes físicos y bacteriológicos mediante los siguientes sistemas de tratamiento: Filtro de arcilla: uno de los filtros de agua más eficientes consiste en colocar una vasija de arcilla porosa en un receptáculo de plástico. El agua pasa a través de los microporos mientras que las partículas se quedan atrapadas. Para lograr un mayor efecto del tratamiento, los filtros se sumergen en una solución coloidal de plata de baja concentración que permite matar el 98 % de las bacterias causantes de la diarrea. Es importante limpiar la vasija de arcilla frecuentemente. Figura 51: esquema de filtro de arcilla. Cloración: es el método más simple para desinfectar el agua, porque mata la gran mayoría de organismos biológicos, como las bacterias, al añadir Figura 52: muestra del uso de cloro. 78 Suministro de agua cloro al agua a una temperatura entre 18 °C y 30 °C. El método de tratamiento es normalmente un dispositivo portátil de purificación de agua (punto de uso) usado por los consumidores con una solución diluida de hipoclorito de sodio (blanqueador de cloro) colocado en un recipiente de tamaño estándar. Este método requiere filtrar el agua de antemano para reducir la turbiedad; como alternativa, existen soluciones coagulantes y cloradas que reducen la turbiedad del agua. La cloración no destruye todos los microorganismos pero es considerado el desinfectante de emergencia disponible más efectivo. El cloro tiene que añadirse en la proporción correcta, porque el cloro residual es dañino para la salud. Es fundamental disponer de un pequeño comparador portátil (se puede comprar). A título indicativo, el cloro residual después de la desinfección tiene que ser menor de 0,3-0,5 mg/l. El tiempo de contacto es fundamental para alcanzar el nivel apropiado de purificación; depende del valor del pH del agua y del cloro residual: minutos requeridos [min] = K mg cloro residual ( ) l donde k es un número que depende del valor del pH: Tabla 8: valores de K para determinar el tiempo de contacto del cloro en el agua. pH K 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 6 12 18 24 30 36 Filtro de tela: este sencillo sistema puede reducir la turbiedad del agua; el agua pasa a través de un trozo de tela y, de este modo, no mata bacterias ni virus, pero elimina partículas del agua. Las telas tienen que limpiarse con frecuencia para evitar la contaminación biológica. 79 Figura 53: filtros de tela. Desinfección solar del agua (también conocida como SODIS): este sistema elimina los patógenos del agua con una combinación de rayos UV y alta temperatura del agua que mata la mayoría de bacterias, protozoos, virus, levaduras, algas y hongos. Puede reproducirse fácilmente colocando botellas transparentes de agua bajo los rayos del sol (preferiblemente en un tejado de metal corrugado). Puede eliminar hasta el 99,9 % de bacterias patógenas, pero depende en gran medida de la intensidad de la radiación solar (de 6 horas a 2 días en caso de sol intermitente) y también de la turbiedad. Por lo tanto se recomienda la filtración antes del SODIS. Figura 54: pasos de la desinfección solar del agua. Hervir el agua: se logra la esterilización completa del agua si se ha filtrado anteriormente. Llevar el agua a ebullición requiere una gran cantidad de energía. 80 Suministro de agua Tabla 9: comparación entre diferentes sistemas de tratamiento de agua. Fortalezas Filtro de arcilla Cloración Desinfección solar del agua (SODIS) reducción de bacterias y protozoos en el agua simplicidad de uso y mejora estética del agua tratada reducción de enfermedad diarreica entre los usuarios potencialmente larga vida coste único reducción de la mayoría de bacterias y virus en el agua protección residual contra la contaminación aceptabilidad por la facilidad de uso bajo coste reducción de los virus, bacterias y protozoos reducción de enfermedad diarreica entre los usuarios simplicidad de uso sin coste para el usuario, aparte de las botellas de plástico cambio mínimo en el sabor del agua probabilidad mínima de recontaminación gracias a un almacenamiento seguro Debilidades baja efectividad contra virus la falta de protección residual puede conducir a recontaminación si el agua tratada se almacena de forma insegura rotura del filtro limpieza frecuente velocidad de flujo lenta de 1-3 litros por hora (más lenta en aguas turbias). baja protección contra los quistes parasitarios menor efectividad en aguas turbias contaminadas con compuestos orgánicos o algunos compuestos inorgánicos posible alteración de sabor y olor necesidad de controlar la solución (comparador); Hervido del agua inactivación de bacterias, virus y protozoos incluso en agua turbia o contaminada pretratamiento de aguas con mayor turbiedad volumen limitado de agua que puede tratarse de una vez duración del tiempo requerido para tratar el agua (más de 6 horas si hace sol) necesidad de una gran cantidad de botellas de plástico intactas, limpias, apropiadas falta de protección residual contra la recontaminación posibles heridas por quemaduras y aumento del riesgo de infecciones respiratorias por cocinas o fuegos en el interior posible alto coste de fuente de combustible (con riesgo simultáneo de deforestación) y coste de oportunidad de recolectar combustible posibles objeciones del usuario al sabor Pertinencia Apropiado en áreas con capacidad para la producción de filtros de cerámica de calidad, una red de distribución para sustituir las piezas rotas y formación del usuario sobre cómo usar y mantener el filtro correctamente. Apropiada en áreas con una cadena de suministro regular (p. ej.: depósitos), con turbiedad del agua relativamente baja y donde se puede animar a la gente a usarla correctamente. Apropiada en áreas donde hay disponibilidad de botellas de plástico apropiadas, intactas y limpias. Apropiado en áreas con un suministro asequible y accesible de combustible para cocinar, una tradición cultural de hervido y donde el agua es almacenada de manera segura después de hervida. 81 No todos los campamentos de refugiados y asentamientos informales se caracterizan por situaciones críticas que requieren una acción inmediata de tratamiento de agua. En este caso, se pueden implementar métodos más avanzados. Son más eficientes y fiables, pero tienden a ser más caros y complejos: Filtro de bioarena: es un método innovador y de bajo coste que permite tratar el agua llenando un pequeño depósito con capas de grava y arena. El agua se purifica al pasar a través de estas y crear una biopelícula activa. Permite eliminar la mayoría de bacterias y metales pesados. Se puede consultar más información en las fichas técnicas. Destilación solar: este sistema permite purificar el agua por destilación. El vapor condensado queda libre de cualquier sal, nitratos y metales pesados como el arsénico, así como de patógenos y otros contaminantes biológicos. La ventaja principal es que se puede construir localmente, es duradero y requiere un mantenimiento mínimo, pero su eficiencia está relacionada estrictamente con su aislamiento y diseño. Se puede consultar más información en las fichas técnicas. Lámparas UV: estos aparatos generan rayos UV que desinfectan el agua cuando su luz entra en contacto con los microorganismos y ataca el núcleo genético del microorganismo y su capacidad de reproducción. Representan un método rápido, fiable y rentable que puede destruir el 99,99 % de los microorganismos nocivos. Necesitan electricidad para funcionar y pueden acoplarse a sistemas solares fotovoltaicos. Se puede consultar más información en la hoja técnica. Filtros de membrana: los filtros de membrana o “membranas”, como se les llama comúnmente, son películas de polímeros con índices de porosidad específicos. Dejan fluir el agua a través de ellos, mientras que capturan las partículas y los microorganismos que exceden su índice de porosidad actuando de barrera física para ellos. Permiten tratar el agua contra los contaminantes físicos y biológicos, como protozoos y bacterias. Se puede consultar más información en la hoja técnica. En el caso de los contaminantes químicos, se debe tener en cuenta un tratamiento específico. Los más efectivos son adsorción y ablandamiento del Agua. La destilación solar elimina el arsénico, los nitratos y metales pesados, pero a menudo es demasiado lenta para la demanda de agua potable (ver la ficha técnica). Adsorción: las tecnologías de adsorción permiten eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos (como arsénico), el sabor y el olor del agua. El fenómeno de la adsorción ocurre cuando los iones y las moléculas de una sustancia (los contaminantes) se adhieren a la superficie de la molécula de otra sustancia (el adsorbente) o enlazan con ella. Algunos adsorbentes usados en plantas de potabilización de agua son carbón activado y alúmina activada para eliminar el flúor. Un filtro de carbón activado está hecho de pequeñas partículas con un área superficial muy alta gracias a sus numerosos pequeños poros a los que se adhieren los contaminantes. La duración del tiempo de contacto entre el agua y el carbón y la cantidad de carbón por litro de agua dependen del tipo de contaminante que tiene que eliminarse. Los filtros tienen una vida útil (punto final) que indica el tiempo de saturación (cuando están llenos de contaminantes). Los filtros se venden normalmente con indicaciones sobre su capacidad y su duración. En ausencia de estos, se puede hacer un cálculo aproximado del tiempo para su sustitución dividiendo la capacidad del filtro por el consumo diario de agua (p. ej.: la duración de un filtro con una capacidad de 150 litros se calcula de forma aproximada dividiendo 150 litros entre la cantidad de agua bebida o usada para cocinar en el hogar, es decir, entre 20 y 30 litros). Un sistema de carbón activado cuesta entre 10 y 15 dólares y los filtros de sustitución no son caros (p. ej.: un filtro con capacidad de 150 litros cuesta de 2 a 5 dólares). 82 Suministro de agua Figura 55: diagrama de un filtro de carbón activado. La alúmina activada es un material altamente poroso y granular consistente en trihidrato de aluminio. Los filtros hechos de este material se usan esencialmente para la absorción de fluoruro. Al igual que los filtros de carbón activado, los de alúmina requieren un considerable tiempo de contacto con el agua para alcanzar el mayor índice de eliminación de fluoruro. En un cartucho filtrante estándar de 2.5x10” (6,25x25 cm), la velocidad de flujo tiene que ser menor de 250 ml por minuto (1 litro por cada 4 minutos). Los filtros de carbón podrían integrarse en el filtro de bioarena como una capa intermedia de carbón activo granulado. Ablandamiento del agua: el ablandamiento del agua es un proceso que permite reducir la concentración de calcio, magnesio y otros cationes (iones cargados positivamente) metálicos en el agua. Funciona mediante la tecnología de intercambio de iones, que elimina selectivamente del agua especies inorgánicas cargadas mediante una resina de ion específico. Su superficie está cubierta de grupos funcionales cargados que mantienen los iones contaminantes mediante atracción electrostática. A diferencia de los métodos de sorción, tiene un tiempo de contacto corto y la resina se puede regenerar; además es sensible al pH y puede lograr una recuperación del agua de más del 98 %. Es muy caro: cuesta cientos de dólares. Los tratamientos químicos no eliminan de forma efectiva las partículas, pirógenos o bacterias, y tienen que usarse en serie junto con los otros tratamientos descritos anteriormente. 83 6 Fichas técnicas 6.1 Tecnologías de cocinado Cocinas de barro Descripción de la tecnología En la mayoría de las cocinas de barro se usa leña, pero pueden adaptarse para usar carbón vegetal insertando una rejilla o soporte similar dentro de la cámara de combustión. Los refugiados y otras personas locales pueden construir cocinas de barro con facilidad, usando materiales disponibles y siguiendo unos principios de diseño simples. Esto hace que el coste sea muy bajo o nulo. Por lo tanto, este tipo de cocina puede ser especialmente útil en situaciones de escasez de recursos económicos. Debido a sus características, las cocinas de barro deben usarse solo en situaciones donde el uso y fomento de cocinas prefabricadas más duraderas no sea viable. Se pueden llegar a ahorrar un 20-50 % de energía con respecto al fuego de tres piedras, dependiendo del diseño y la habilidad del fabricante. Requisitos de utilización Para impedir accidentes y llamaradas, es fundamental evitar colocar objetos inflamables cerca de las cocinas. Las cocinas sin chimenea tienen que usarse en espacios abiertos y bien ventilados para minimizar la inhalación de gases de combustión. En lo que respecta a las condiciones meteorológicas, la humedad podría ser un problema, ya que puede acelerar la degradación de las cocinas. Estas tienen que estar protegidas de la lluvia, que disuelve el barro. Finalmente, es conveniente cerrar la puerta cuando no se está usando para mantenerla caliente y aumentar su eficiencia. Materiales de construcción locales e indicaciones Las cocinas construidas por el usuario podrían tener una baja eficiencia y durabilidad si no se aplican los principios de diseño de manera rigurosa. Por esta razón, los fabricantes de cocinas pueden ser gente local, pero deben estar formados. Las cocinas no están hechas solamente de barro, sino con una combinación de arcilla, arena y paja/hierba u otros materiales similares: a menor calidad, mayor probabilidad y frecuencia de agrietamientos y pérdida de eficiencia. Sin embargo si no hay arcilla pura disponible, también puede usarse cualquier tipo de tierra arcillosa. Mezclar la arcilla con otros materiales, como paja, hierba, excrementos de animales u otros materiales fibrosos como caña de azúcar o cascaras de arroz, mejora la resistencia y reduce la formación de grietas. Con la finalidad de obtener la mayor eficiencia posible, el parámetro fundamental es la distancia desde el suelo a la base de la cazuela. Esta debería ser de unos 20 cm, para que la leña arda correctamente. 84 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Las paredes de la cocina deben tener la anchura de una mano colocada abierta sobre el suelo (5-7 cm) para conseguir el mayor equilibrio posible entre las propiedades de aislamiento y la capacidad de calentarse en un tiempo razonable. Si la cocina tiene dos entradas para el fuego, las puertas tienen que estar una junto a otra. Esto permite que el aire fluya hacia dentro por ambas puertas y recoger las llamas debajo de la cazuela, en lugar de fluir hacia dentro por una puerta y hacia fuera por la otra. El diámetro interno de la cocina debe encajar con el tamaño de la cazuela para así reducir cualquier pérdida de calor. Si se construye la chimenea, esta se ha de colocar formando un ángulo con respecto a los orificios; su diámetro debe ser igual a la longitud del dedo corazón y, en general, más corto que la anchura de la puerta de la cocina. La chimenea tiene que construirse contra la pared de la casa y su altura por encima del tejado debe ser al menos igual a la longitud de un brazo desde los dedos hasta el codo. Si la casa tiene una techumbre de hierba, la chimenea tiene que dirigirse hacia fuera desde el punto más elevado de la pared. La regla común es que una chimenea que pase a través de la pared debe tener al menos 90 cm de altura y un diámetro de 10 cm; y la sección que está dentro de la casa debe ser igual a la longitud del brazo. En lo que respecta a la puerta, su altura y anchura deben tener de las mismas dimensiones que la palma de una mano. No debería haber más de dos respiraderos en una sola cocina, y estos deber estar juntos, y los canales conectores deben ser al menos tan anchos como un puño. Una vez moldeadas, las cocinas de barro secarse por completo de su primer encendido. El tiempo que se requiere varía considerablemente dependiendo de los materiales de construcción, la humedad y el tamaño. Usar las cocinas antes de que estén totalmente secas reduce su durabilidad. Para concluir, es importante recordar que las cocinas de barro requieren reparaciones y mantenimiento constantes para evitar el deterioro continuo que desanima a los usuarios. 85 Los pasos siguientes explican cómo construir una cocina de barro: 1. El barro tiene que prepararse mezclando tierra y agua. 2. Una vez que se haya mojado bien una cazuela de un tamaño apropiado y se haya puesto en posición, esparza barro por los lados de la cazuela hasta que el barro llegue al borde superior. 3. Empiece a girar la cazuela; muévala hacia arriba y siga acumulando barro a su alrededor hasta el borde superior. Cuando gire la cazuela, recuerde girarla siempre en la misma dirección, pues esto ayuda a conservar la forma. 4. Dé forma a los laterales de la cocina con un cuchillo y recorte las puertas del tamaño de la palma de su mano, una junto a otra. Haga un rodillo de barro con las manos para preparar reposacazuelas y fíjelos contra la pared interior de la cocina usando la posición de la cocina de tres piedras. Usando un dedo, marque tres salidas de humo entre los reposacazuelas. 5. Se debe dejar que la cocina se seque por completo (dos semanas más o menos). Si salen grietas, repárelas y acabe las paredes exteriores embadurnándolas con estiércol de vaca y ceniza (la proporción del 86 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado estiércol de vaca y ceniza en la mezcla es de dos partes de estiércol de vaca por una parte de ceniza). Deje que la cocina se seque durante otras dos semanas antes de usarla. Funcionamiento y mantenimiento La cocina se puede alimentar con madera, carbón vegetal o residuos (dependiendo del modelo). Para lograr el mayor rendimiento posible, es importante secar la madera antes de quemar combustible. Debido a su constante exposición al calor, las cocinas requieren una constante reparación por parte del usuario. Características morfológicas y tamaño Las cocinas de barro son intrínsecamente modulares: se pueden crear versiones de dos ollas y de varias ollas, con o sin chimenea. Advertencias Para evitar quemaduras, es necesario prestar atención a las llamas abiertas que salen de la cámara de combustión y por el acceso de la cocina. El compartimento de combustible no debe estar lleno de madera, porque esto causa una reducción en la eficiencia de combustión. Finalmente, si no se construye una chimenea, se debe tener cuidado de no respirar los gases tóxicos que salen de la cocina y de usar la cocina en un espacio al aire libre. Características técnicas y económicas Aparte del fuego abierto, las cocinas de barro son las más baratas, con costes que van de 0 a 5 dólares: este es el tipo de cocina más barato. Su eficiencia es baja (15-25 %), pero más alta que los fuegos abiertos, y permite a los usuarios ahorrar un 20-25 % de energía con respecto a los fuegos de tres piedras. Con respecto a las emisiones, como el fuego está cerca de la olla, las emisiones son bastante altas, a menudo más que las del fuego abierto, pero las emisiones totales son más bajas, porque se quema menos madera: • Emisión de CO: 53-80 mg/gFUEL • Emisión de PM: 3-5 mg/gFUEL Modelo de aplicación Ha habido numerosas aplicaciones de cocinas de barro en países en vías de desarrollo. El informe "La cocina de barro apropiada en África Oriental”, descargada del sitio web de Practical Action (http://practicalaction.org/mudstoves-in-east-africa) nos hace partícipes de la inapreciable experiencia de las comunidades en diversas partes de Uganda, Tanzania y Kenia con respecto a la construcción, uso y seguimiento de distintos modelos de cocina de barro. El autor es Stephen Gitonga, y la publicación se preparó bajo los auspicios del Intermediate Technology, Kenya’s Household Energy Regional (HER) Project. Es un esfuerzo de colaboración y producto de las contribuciones de los socios del proyecto, del personal, proveedores de fondos y las comunidades en África Oriental que usan cocinas de barro. 87 Cocinas de metal Descripción de la tecnología La versión más simple de las cocinas de metal está diseñada principalmente para el uso de leña, pero puede adaptarse para usar carbón vegetal insertando una rejilla o soporte similar dentro de la cámara de combustión. Los refugiados y otras personas locales pueden construir cocinas de cocinas de metal con facilidad usando materiales de desecho disponibles en la localidad y metal, además de plantillas sencillas para guiar el corte de los componentes de la cocina. Esto hace que el coste sea muy bajo o nulo, y son fáciles de hacer. Ofrecen un ahorro de energía bastante bajo y no duran mucho. En cuanto a ahorro de energía, las cocinas de metal ofrecen un ahorro discretamente mayor que las cocinas de barro, con un rango entre el 40 % y el 55 % con respecto al fuego de tres piedras. Los índices de emisión (emisiones por tiempo) son similares a los del fuego de tres piedras, pero las emisiones totales son más bajas porque necesita menos tiempo para hervir y cocinar. Requisitos de utilización Para impedir accidentes y llamaradas, es importante evitar colocar objetos inflamables cerca de las cocinas. Puesto que están hechas de metal, material con alta conductividad térmica, después de encenderse, las paredes se calientan mucho; por lo tanto, hay que tener cuidado de no tocar la cocina mientras se guisa. Estas cocinas no tienen chimenea y tienen que usarse en un espacio abierto y bien ventilado para minimizar la inhalación de humos de combustión. Con relación a las condiciones meteorológicas, la humedad y la lluvia pueden ser un problema, porque pueden acelerar la oxidación de las cocinas. De hecho, las cocinas de metal de una sola capa pueden corroerse rápidamente si no se cuidan correctamente. Materiales de construcción locales e indicaciones Las cocinas de metal se pueden construir fácilmente usando metal de desecho como recipientes de aceite de cocina o viejos bidones de aceite. Se emplea una plantilla para guiar el corte de los componentes, que después acoplarán artesanos semiexpertos. Por esta razón, los fabricantes de cocinas pueden ser gente local, pero deben estar formados. El cilindro tiene que ser ligeramente más ancho que la cazuela para crear un pequeño canal alrededor de esta (de 6 a 14 mm, dependiendo del tamaño de la cazuela; para una cocina de metal de tamaño familiar, un hueco de 12 mm es lo habitual) que permita que los gases calientes calienten toda la cazuela y no solo el fondo. Cuanto más endeble sea el metal, más corta será la vida del producto. Los pasos siguientes explican, de forma sencilla, cómo construir una cocina de metal: 1. Como se muestra en la figura, se traza el patrón sobre la lámina de metal y se recorta su contorno. A continuación, se cortan la puerta, los agujeros para el soporte de la cazuela y las tiras para los agujeros de ventilación. La altura H es la suma de la altura del agujero de ventilación A, la altura de la rejilla hasta la cazuela P, y la longitud L que será la falda de la cazuela y viene determinada por la longitud deseada del canal: H=A+P+L. 88 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado 2. La lámina se enrolla formando un cilindro. La forma final debería ser lo más suave, redonda y recta posible. Si se usa un bidón, todas las aberturas (puerta, soporte de la cazuela y tiras para los agujeros de ventilación) tienen que cortarse del cilindro. Los valores típicos para A son de 3 a 5 cm mientras que P es normalmente la mitad del diámetro de la cazuela. Para cazuelas cilíndricas pequeñas, la altura L es típicamente de 5 a 10 cm o más. La entrada total de aire de las cocinas debería tener al menos la mitad del área del hueco entre la cazuela y la pared del canal. Por ejemplo, para una cocina de 94 cm de circunferencia con un hueco de 6 mm, el área es de 56 cm2; por lo tanto un tamaño conveniente para la entrada de aire podría tener cuatro agujeros de ventilación, de unos 3 cm x 4 cm cada uno (A = 3 cm) o 48 cm2 de área, espaciados simétricamente alrededor de la cocina, pero lo suficientemente lejos de la puerta y las junturas para evitar debilitar la pared. 89 3. Se puede soldar la cocina o asegurar las paredes entre sí mediante dobleces. Los soportes de la cazuela también tienen que soldarse. 4. La parrilla es una pieza circular de metal cortada para que encaje justo en el cilindro terminado. Los agujeros no deben ser mayores de 1 cm de diámetro, porque cuanto más grandes sean los agujeros, más fácilmente puede caerse por ellos el carbón vegetal y quemarse debajo de la cocina, reduciendo la eficiencia. Si los agujeros son demasiado pequeños, pueden bloquearse con facilidad y el flujo de aire que llega a la base del carbón vegetal se reduce. La parrilla se coloca dentro de la cocina, y las pestañas para las toberas se doblan hacia dentro y hacia arriba para servir de soporte de la parrilla. Finalmente, los soportes de la olla (varillas de metal) se deslizan hacia dentro y también se fijan doblándolos o soldándolos. 5. 90 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Funcionamiento y mantenimiento La cocina puede alimentarse con madera, carbón vegetal o residuos (dependiendo del modelo). Para lograr el mejor rendimiento posible, es importante secar la madera antes de quemarla. Puesto que se puede corroer rápidamente si no se cuida, se requiere limpiarla con frecuencia. Se estima que la vida del metal es de 6 a 12 meses aproximadamente. Características morfológicas y tamaño Las cocinas de metal no son tan modulares intrínsecamente, porque solo pueden usarse con una cazuela. Las dimensiones dependen del tamaño del metal de desecho. Se pueden dimensionar según las necesidades, para un hogar o comunidad. Advertencias El exterior del metal alcanza altas temperaturas al calentarse inmediatamente después de encenderse, por lo que puede resultar peligroso. Para evitar quemaduras, es necesario prestar atención a las llamas abiertas que salen de la cámara de combustión y por la puerta. El compartimento de combustible no debe estar lleno de madera, porque esto causa una reducción en la eficiencia de combustión. Finalmente, si no se construye una chimenea, se debe tener cuidado de no respirar los gases tóxicos que salen de la cocina y de usar la cocina en un espacio al aire libre. Características técnicas y económicas Las cocinas de metal son cocinas baratas si se construyen con materiales de desecho. El coste varía de 0 a 20 dólares (dependiendo de la calidad del metal de desecho). Su eficacia es algo mayor que la de las cocinas de barro (20-25 %) y siempre mayor que las cocinas de fuego abierto. Permiten a los usuarios ahorrar un 40-55 % de energía con respecto a los fuegos de tres piedras. En lo que respecta a las emisiones, puesto que el fuego está cerca de la cazuela, las emisiones son bastante altas, a menudo mayores que las del fuego abierto, pero las emisiones totales son menores porque se quema menos madera: 91 • Emisión de CO: 53-82 mg/gFUEL • Emisión de PM: 3-6 mg/gFUEL Muestra de aplicación Ha habido numerosas aplicaciones de cocinas de metal en países en vías de desarrollo. Cabe destacar “EVALUACIÓN DE COCINAS DE QUEMA DE LEÑA FABRICADAS EN LOS CAMPAMENTOS DE REFUGIADOS DE DADAAB, KENIA, por USAID”. Se pueden encontrar instrucciones detalladas sobre cómo construir estas cocinas en “instrucciones para construir una cocina VITA, de Samuel F. Baldwin, Cocinas de biomasa: Diseño de ingeniería, desarrollo y diseminación”. 92 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Cocinas de arcilla cocida Descripción de la tecnología La construcción y el cuidado de las cocinas de arcilla son similares a las cocinas de barro. Pueden usarse con madera y carbón vegetal, pero también con residuos de cosechas, como mazorcas de maíz y estiércol de animales. La principal diferencia es la posibilidad de cocer la arcilla en un horno apropiado, lo que aumenta su durabilidad y fiabilidad. En este caso, se requieren las destrezas específicas de los alfareros, además de plantillas o moldes y herramientas para trabajar el material. Este tipo de cocina es mucho más difícil de construir que los modelos descritos anteriormente, incluso por alfareros que pueden trabajar con arcilla. Los refugiados o artesanos locales necesitarán hasta un año de formación en la fabricación de cocinas de arcilla. Por lo tanto, puede ser necesario obtener ayuda externa para comprar las cocinas en mercados. Las cocinas de arcilla son más eficientes que las de barro y las de metal. El ahorro de energía es del orden del 60 % o más en comparación con los fuegos de tres piedras. Los índices de emisión (emisión por tiempo) son similares a los del fuego de tres piedras, pero las emisiones totales son menores debido al menor tiempo necesario para hervir y cocinar. Requisitos de utilización Para impedir accidentes y llamaradas, es fundamental evitar colocar objetos inflamables cerca de las cocinas. Estas cocinas no tienen chimenea y tienen que usarse en un espacio abierto y bien ventilado para minimizar la inhalación de los humos de combustión. En lo que respecta a las condiciones meteorológicas, las cocinas de arcilla tienen que estar protegidas de la lluvia. Materiales de construcción locales e indicaciones Al contrario que para una persona sin experiencia en alfarería, aprender a construir una cocina de arcilla no es difícil para un alfarero con cierta destreza. Si no hay personas en el campamento con habilidades en alfarería, es necesario formar a una o dos personas en técnicas de alfarería básicas. Lo primero y principal antes de construir una cocina de arcilla es encontrar un depósito de arcilla de calidad. Las fuentes de arcilla natural suelen encontrarse en las riberas de los ríos o zonas donde la tierra tiene hendiduras grandes y profundas durante la estación seca. Por ejemplo, se puede buscar arcilla en lugares donde se haya sido: si la marca que queda en la superficie de la pala o azada es brillante, esto puede indicar un alto contenido en arcilla. Se puede hacer una sencilla prueba para averiguar si el suelo tiene arcilla: amasaremos un puñado de tierra (añadiendo algo de agua si está demasiado seca) y, si se puede alargar en forma de serpiente y enrollar en un círculo sin que la tierra se agriete, tiene bastante arcilla y puede ser apropiada para la alfarería. A continuación, se explican los pasos para construir una cocina de arcilla: 1. En primer lugar, para impedir que la superficie quede pegajosa, limpie el interior del molde con un trapo húmedo y esparza ceniza colada fina. 2. Antes de modelar la arcilla, hay que purgarla para eliminar el aire atrapado en ella: corte un bloque de arcilla por la mitad, golpee la mitad de abajo con la de arriba y luego dele la vuelta a la arcilla. Repita el proceso una y otra vez. 3. Moldee dos porciones de arcilla (cada una de unos 50 cm de largo, 30 cm de ancho y 5 cm de grosor) lo suficientemente grandes para cubrir más de la mitad de un molde (que se puede hacer con acero). 93 4. Coloque ambas porciones dentro del molde sin alterar la capa de ceniza y compacte las junturas donde se unen las porciones. Se debe eliminar el exceso de arcilla de la parte superior del molde y lo que sobra se puede usar para rellenar los agujeros o huecos que queden en la arcilla. 5. Para aplanar, apretar y moldear la arcilla contra las paredes del molde, acople la pala al mango central y gírela con un poco de agua en la superficie. Si no hay pala, este paso puede hacerse cuidadosamente con la mano o con otra herramienta para aplanar y nivelar la arcilla en el molde. Continúe hasta que la hoja de la pala alcance la profundidad correcta y finalmente quite con cuidado la pala. Rellene los agujeros que queden en la arcilla. 6. Levante completamente el cuerpo del molde de la base de este con el relleno de la cocina de arcilla y golpee suavemente el molde sobre el suelo para aflojar el relleno de arcilla. 7. Alise el fondo del relleno y asegúrese de que la arcilla está completamente compactada en la juntura. 8. Para evitar que el relleno se seque demasiado rápido y se agriete, cúbralo con yute o polietileno para ralentizar el proceso, sobre todo si el tiempo es caluroso y seco. 9. Deje el relleno secándose durante uno o dos días para que la arcilla se haga más firme. Haga la abertura de la puerta usando un cuchillo mojado y alise los bordes. Deje secar el relleno un día más hasta que esté lo suficientemente seco como para moverlo sin dañarlo. 10. Marque las posiciones de los reposacazuelas en la superficie de la arcilla. Es esencial que los reposacazuelas se coloquen en una posición equidistante para que la cazuela permanezca estable en la cocina. 94 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado 11. Haga los tres reposacazuelas prensando tres piezas de arcilla en un molde de reposacazuelas (si se dispone de uno) y péguelos al relleno. La altura de los reposacazuelas deberá superar en 1 cm la altura de la cocina. Los tres reposacazuelas deben tener la misma forma y tamaño y todas las junturas deben ser lisas y estar bien acabadas. Finalmente alise la cocina usando un poco de agua. 12. Deje secar las cocinas durante dos o tres semanas. Si el clima es caluroso y seco, durante la primera semana cubra el relleno con polietileno o yute para impedir que se seque demasiado rápido y se agriete. Por otra parte, si el clima es húmedo, el relleno puede dejarse secar sin cubrir. Cuando el relleno esté completamente seco, debe ponerse al sol o en una superficie seca durante dos o tres días. Es importante secar el relleno lo más lenta y uniformemente posible. 95 QUÉ HACER Seque el relleno mojado poniéndolo en un sitio fresco y húmedo los primeros días. Ponga telas, yute, cartón de hierba seca u hojas debajo de la cocina. Los primeros días, cubra el relleno mojado con una tela, yute, carbón o incluso hojas de plátano. En caso de que use polietileno, haga pequeños agujeros en él para que se vaya algo de humedad. QUÉ NO HACER No seque el relleno mojado poniéndolo directamente bajo los rayos del sol. No seque el relleno mojado poniéndolo en una corriente de aire o en un sitio con viento. No ponga el relleno en un cobertizo caliente con techo de hojalata sin cubrirlo o en un suelo de cemento. La cocción requiere tener un horno apropiado. Puesto que cada arcilla es diferente, se tienen que hacer pruebas y comprobaciones con antelación para dar con la forma óptima de cocer. Los puntos más importantes a recordar para mejorar la cocción son: o El paso de calentado de la cocción debe ser lento. o El paso de enfriado de la cocción debe ser lento. o Asegúrese de que el calor está distribuido uniformemente durante la cocción. o Mantenga la temperatura entre 600-700 °C al menos durante dos o tres horas. Con algo de formación, los usuarios finales pueden acabar la cocina añadiendo barro alrededor del marco de cerámica de la cámara de combustión. Funcionamiento y mantenimiento La cocina puede ser alimentada con madera, carbón vegetal o residuos (dependiendo del modelo). Para lograr el mejor rendimiento posible, es importante secar la madera antes de usarla como combustible. A diferencia de otras cocinas de barro y metal, las cocinas de arcilla bien hechas duran años. Sin embargo, son frágiles y se han de volver a untar con regularidad. Si el barro rodea las grietas o se desintegra, se puede reparar mojando la zona con agua, cortando la escisión y llenándola con una mezcla de piedras pequeñas y barro. Características morfológicas y tamaño Las cocinas de arcilla no son intrínsecamente modulares, porque sólo se pueden usar con una cazuela. Las dimensiones son más o menos las mismas que las del modelo descrito anteriormente. Hay una flexibilidad limitada en relación con los diferentes tamaños de cazuelas: si la cazuela se asienta dentro de la cocina esto limita la circunferencia de las cazuelas que pueden utilizarse (pero la eficiencia es mayor porque la cazuela también se calienta parcialmente por los lados); si la cazuela se asienta sobre el hueco de la cocina hay una mayor flexibilidad de tamaño de la cazuela (pero aún puede haber limitaciones y la eficiencia es menor). Advertencias Es muy frágil y tiene que utilizarse con cuidado. El compartimento de combustión no se debe llenar de madera, porque esto reduce la eficiencia de la combustión. Finalmente, puesto que la cocina no tiene chimenea, hay que tener cuidado de no respirar los gases tóxicos que salen de la cocina y se ha de utilizar en un espacio abierto. Características técnicas y económicas Las cocinas de arcilla son baratas si se construyen localmente (de 0 a 5 dólares). Si se compran, pueden costar de 20 a 30 dólares. 96 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Su eficacia es mayor que la de las cocinas de barro y metal (hasta un 30 %) y permiten a los usuarios ahorrar un 60 % más que con los fuegos de tres piedras. Con respecto a las emisiones, las cocinas de arcilla tienen las mismas propiedades que las cocinas de barro: Emisiones de CO: 53-82 mg/gCOMBUSTIBLE Emisiones de PM: 3-5 mg/gCOMBUSTIBLE Muestra de aplicación Ha habido numerosas aplicaciones de cocinas de arcilla en países en vías de desarrollo. Cabe destacar “EVALUACIÓN DE COCINAS DE QUEMA DE LEÑA FABRICADAS EN LOS CAMPAMENTOS DE REFUGIADOS DE DADAAB, KENIA, por USAID”. Se pueden encontrar instrucciones detalladas en “CÓMO CONSTRUIR UNA COCINA UPESI – Directrices para pequeños negocios por Practical Action”, “El jiko de cerámica keniata”: un manual para fabricantes de cocinas por Hugh Allen, “Cómo construir, usar y mantener un mejor horno de hoguera, por IT Kenia”, aplicaciones en el Sur de Sudán “TECNOLOGÍAS BASADAS EN LA ARCILLA, por Practical Action”, “CONSTRUYE UNA COCINA DE ARCILLA DE COMBUSTIÓN EFICIENTE” por WESSA Share-Net. Se puede encontrar un estudio que examina el progreso de la difusión de cocinas de leña mejoradas (Chitetezo Mbaula) en la Malawi rural en “Valoracion del Impacto de Chitetezo Mbaula: cocina de leña doméstica mejorada en la Malawi rural”, por GTZ y ProBEC”. 97 Cocinas de cohete Descripción de la tecnología El término cocina de cohete consiste en un modelo de cocina diseñado con una cámara de combustión hecha de dos partes ortogonales: una chimenea vertical con aislamiento (de una altura de dos o tres veces el diámetro) y una zona horizontal donde se colocan los palos de madera. Existen diferentes modelos, desde las domésticas hasta las de uso colectivo, aisladas o no, con o sin falda, alimentadas con madera o carbón vegetal. Algunos modelos llamados cohetes de aire forzado tienen un ventilador que inyecta aire sobre el fuego; otros pueden estar provistos de módulos generadores termoeléctricos (GTE), que pueden producir pequeñas cantidades de electricidad, explotando el efecto Seebeck, gracias a las altas temperaturas alcanzadas en la cámara: este es un fenómeno que hace posible transformar una diferencia de temperatura en energía eléctrica. Los módulos GTE utilizan una serie de semiconductores conectados en serie que capturan la energía de los electrones excitados térmicamente. El módulo termoeléctrico convierte una fracción de la energía térmica en electricidad, que fluye a la carga a través de dos pistas, mientras que el calor remanente es liberado al entorno mediante un disipador frío. Estas cocinas son normalmente prefabricadas pero pueden construirse con materiales de desecho locales, como por ejemplo latas. Si se compran son más caras que las cocinas de barro o arcilla, pero son normalmente más duraderas y eficientes, y permiten a los usuarios ahorrar más en combustible. Las cocinas de cohete son más eficientes que las de barro, metal y arcilla. Se puede llegar a ahorrar en energía hasta el 70 % con respecto a los fuegos de tres piedras. Los índices de emisión (emisión por tiempo) son algo más bajos que en el fuego de tres piedras, y las emisiones totales son considerablemente menores por el poco tiempo que se tarda en hervir y cocinar. 98 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Requisitos de utilización Para impedir accidentes y llamaradas, es fundamental evitar colocar objetos inflamables cerca de las cocinas. Las cocinas que no tienen chimenea tienen que usarse en un espacio abierto y bien ventilado para minimizar la inhalación de los humos de combustión. Con relación a las condiciones meteorológicas, las cocinas de cohete construidas por uno mismo tienen que estar protegidas de la lluvia, ya que la pared de metal externa puede corroerse rápidamente si no se cuida bien. Materiales de construcción locales e indicaciones Las cocinas de cohete se pueden construir a partir de chatarra, por ejemplo, usando recipientes de aceite de cocina o viejos bidones de aceite. Es posible construir la estructura externa siguiendo las instrucciones para la lámina de la cocina de metal o usando simplemente un bidón y haciendo un agujero. El modelo final de cohete puede construirse fácilmente añadiendo dos características principales: cámara de combustión en L y aislamiento: 1. La cámara en L puede hacerse con dos o tres latas. La chimenea interna vertical tiene que ser tan alta como la capa externa: 2. El espacio entre la capa externa y la cámara vertical tiene que llenarse con material de aislamiento: arena, espuma aislante, arcilla, ceniza, vermiculita, perlita. También se necesita una tapa para cerrar y reparar la cámara aislada; una buena forma de hacerlo es cortar hendiduras verticales de 1 o 2 cm en la capa externa desde el borde superior hacia abajo. Estas serán las pestañas y se pueden doblar hacia abajo para sujetar la tapa (p.ej., con 8 cortes, 4 pestañas se doblan hacia abajo y las 4 que quedan rectas sujetarán la cazuela por encima de la llama). 99 Un soporte dentro de la cámara en L inferior permite que la madera repose y que el aire sople hacia dentro de la cocina desde la parte baja. Funcionamiento y mantenimiento La cocina puede alimentarse con madera, carbón vegetal o residuos (dependiendo del modelo). Para lograr el mejor rendimiento posible, es importante secar la madera antes de usarla como combustible. Es necesario limpiar constantemente el interior de la cámara en L, ya que si la cámara está hecha de metal se puede corroer fácilmente si no se cuida. Para evitar cualquier obstrucción de la cámara en L, puede que tenga que cortarse la madera, y esto aumenta el tiempo de preparación del combustible. Características morfológicas y tamaño Las cocinas de cohete no son tan modulares Hay disponibles modelos con GTE acoplado con intrínsecamente, porque solo se pueden usar con una ventilador que pueden reducir las emisiones de CO y cazuela. Las dimensiones dependen del modelo PM en un 90 % en comparación con el fuego de tres construido o seleccionado. Varían de 200 a 2-3 litros y piedras. Además es posible generar corriente eléctrica se pueden construir para satisfacer las necesidades de del orden de varios vatios para iluminación por LED, una comunidad. cargador de móvil y radio. 100 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Advertencias El compartimento de combustible no debe estar lleno de madera porque esto reduce la eficiencia de combustión. Finalmente, puesto que la cocina no tiene chimenea, hay que tener cuidado de no respirar los gases tóxicos de la cocina y se ha de utilizar en un espacio abierto. Características técnicas y económicas Estas cocinas tienen costes relativamente altos (30–100 dólares), aunque son más baratas si se construyen (0-10 dólares). El coste adicional de los GTE comerciales es del orden de 100-300 dólares. La tecnología GTE es relativamente más barata (0-50 dólares), pero hay muy pocos productores que vendan aparatos comerciales ya ensamblados con componentes electrónicos y su precio es muy elevado. La eficiencia es mayor (20-45 %) y permite a los usuarios ahorrar un 40-80 % de energía en comparación con los fuegos de tres piedras. Las emisiones son bajas, generalmente más bajas que las del fuego abierto, y las emisiones totales son mucho menores: Emisiones de CO: 15-25 mg/g combustible Emisiones de PM: 1-2 mg/g combustible Muestra de aplicación Ha habido numerosas aplicaciones de cocinas de cohete en países en vías de desarrollo. Cabe destacar “EVALUACIÓN DE COCINAS DE QUEMA DE LEÑA FABRICADAS EN LOS CAMPAMENTOS DE REFUGIADOS DE DADAAB, KENIA, por USAID”. Las cocinas de cohete combinadas con módulos GTE y módulos de ventilación han sido probadas por el Centro de Investigación Aprovecho. 101 Gasificadores Descripción de la tecnología El término gasificador o cocina de madera-gas consiste en un modelo de cocina que funciona mediante combustión multifase. Este aparato en particular permite separar las fases de secado, pirólisis, carbonización-gasificación y gascombustión final, que en una cocina de biomasa sólida común están superpuestas, y conseguir una gran reducción de la eficiencia de combustión. Un gasificador común más fácil de construir, en el que se suprime la fase de carbonización gasificación, se llama microgasificador. En este caso, el proceso se puede esquematizar a través de dos fases de combustión en las que el combustible de biomasa es el primero en quemarse en la parte baja de la cámara de combustión, causando una descomposición de la biomasa en gases y vapores volátiles, mientras que la carbonización sólida queda atrás (pirólisis). A través de un segundo flujo de aire hacia lo alto de la cocina, los gases que se liberan en la primera fase se mezclan y queman (gas-combustión). El subproducto de este proceso es el biocarbón, una sustancia similar al carbón vegetal que puede usarse como fertilizante del suelo. Estas cocinas son normalmente prefabricadas y vendidas una vez ensambladas por completo, pero también pueden construirse con materiales locales como latas tipo Billy. Si se compran, son bastante caras pero más duraderas y eficientes, con lo que los usuarios pueden ahorrar más combustible. Los microgasificadores son eficientes y alcanzan los índices de emisiones más bajos entre las cocinas de tiro natural, con un ahorro de energía y emisiones de hasta el 70 % y 90 % respectivamente en comparación con los fuegos de tres piedras. 102 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Requisitos de utilización Para impedir accidentes y llamaradas, es fundamental evitar colocar objetos inflamables cerca de las cocinas. Estas cocinas no tienen chimenea y tienen que usarse en un espacio abierto y bien ventilado para minimizar la inhalación de los humos de combustión. Con relación a las condiciones meteorológicas, los gasificadores tienen que estar protegidos del enfriamiento, sobre todo del viento, de las bajas temperaturas y de la humedad alta del aire. El lugar donde se vayan a utilizar tiene que estar bien ventilado para aumentar la cantidad de oxígeno disponible. Materiales de construcción locales e indicaciones Los microgasificadores pueden ser construidos por gente local con ciertas destrezas usando unas cuantas herramientas y latas tipo Billy (ver muestra de aplicación para más información). Se necesitan muy pocas herramientas, y no requieren de soldaduras, tornillos ni remachados. Solamente se necesita lo siguiente: 3 latas tipo Billy que se puedan acoplar una dentro de otra Unas tijeras para cortar lata Multitenazas, alicates o similar Martillo (para agujerear el panel) Punzones de 3 mm y 5 mm Acoples de sierra para agujeros de 50 mm (en su defecto, tijeras para cortar lata) Lima para quitar bordes y salientes Estropajos de acero inoxidable Esta cocina también se puede usar con el fin de reservar biocarbón. Es eficiente y permite hervir 1 litro de agua en menos de 10 minutos. Como la mayoría de gasificadores, requiere pequeñas virutas de combustible de biomasa, de 5 mm a 25 mm. Funcionamiento y mantenimiento Las tareas de funcionamiento y mantenimiento de un microgasificador requieren ciertas destrezas que se pueden adquirir con formación. La cocina puede alimentarse con pequeños trozos de madera y principalmente residuos (dependiendo del modelo). Para lograr el mejor rendimiento posible, es importante secar la madera antes de usarla como combustible. Antes de cargar la cámara con combustible, se debe prestar atención a las dimensiones de las virutas, porque podrían bloquear la entrada principal de energía. Hay que controlar el aire primario, que tiene que ser regulado abriendo o cerrando los agujeros de entrada de aire principal para aumentar o reducir la producción de energía durante el funcionamiento. Este es un dispositivo casi inodoro, con algo de humo al principio cuando las virutas empiezan a quemarse y, sobre todo, su combustión más limpia genera menos hollín en las cazuelas. La cocina suele durar más de dos años, y las piezas fungibles se reemplazan fácilmente. Los microgasificadores se cargan con combustible una vez antes de encenderse. Después, la generación de gas continúa hasta que todo el combustible se consume. Características morfológicas y tamaño Hay un gran número de diseños y modelos diferentes: algunos gasificadores tienen ventiladores para facilitar y acelerar el proceso de combustión, pero requieren electricidad para funcionar, que se puede generar fácilmente por el GTE, como en las cocinas de cohete. Los aparatos más baratos no tienen chimenea y en ellos solamente se puede cocinar con una cazuela, pero también existen modelos más grandes y caros. Advertencias Los usuarios finales de las cocinas deben tener cuidado con las altas llamas que se pueden generar tras el encendido y durante el cocinado. NO UTILICE en ningún caso petróleo (gasolina) para encender la cocina, ya que los vapores se acumulan debajo de las virutas de madera en la cámara de combustión y en la segunda cámara, y esto puede provocar una explosión. En el caso de la producción de biocarbón, hay que tener cuidado con las paredes ardientes de la cocina al recogerlo. Características técnicas y económicas Hay disponibles pocos datos referentes al rendimiento de los gasificadores y es difícil cuantificar el consumo de combustible y las emisiones de los diferentes modelos de microgasificadores. Si se subvencionan, estas cocinas cuestan unos 20-50 dólares, pero su coste aumenta en el caso de aparatos con chimenea (hasta los 100 dólares). Su eficiencia es alta (20-40 %) y permite a los usuarios ahorrar un 30-70 % de energía en comparación con los fuegos de tres piedras. Con respecto a las emisiones, las cocinas de microgasificador tienen emisiones más bajas que las cocinas de combustible sólido: Emisiones de CO: 10-15 mg/g combustible Emisiones de PM: 0,08-0,1 mg/g combustible 103 Muestra de aplicación En este sitio web (http://www.build-a-gasifier.com), se puede descargar gratuitamente un completo manual que explica cómo construir un gasificador: “Construcción de una cocina de gasificador de tres Billys: El TLUD australiano, por Steve Ewings”. Ha habido numerosas aplicaciones de cocinas de metal en países en vías de desarrollo. “Micro-gasificación: Cocinar con gas de biomasa por GIZ” ofrece una introducción completa y exhaustiva a la microgasificación, también en términos de aplicaciones reales, descripciones tecnológicas y utilización de biomasa. Se puede encontrar más información en: - La Fundación para la Energía de Biomasa (EE.UU.) ha trabajado en gasificación desde su creación en 1984. Por el momento, producen un microgasificador que usa ramitas, virutas o trozos de madera (http://www.woodgas.com). - La Cocina de Gasificador de Briquetas Holey se desarrolló en 2003 por Richard Stanley y Kobus Venter. Usa para quemar briquetas no leñosas hechas, por ejemplo, de hojas de mango o yuca y papel de desecho, y tiene una eficiencia de hasta el 35 %. http://www.bioenergylists.org/stovesdoc/Stanley/BriqGassstove.htm#Fuel%20Type - WorldStove (Italia) diseñó la LuciaStove, que quema biomasa mediante pirólisis y produce biocarbón. Se han llevado a cabo proyectos piloto en Burkina Faso, Congo, Haití, Kenia, Indonesia, Malawi, Filipinas, Níger, Uganda y Zaire. http://worldstove.com/products/luciastove-for-developing-nations/ - Iniciativa internacional del Biocarbón es una organización de socios que promueve las iniciativas de biocarbón en 34 países. Se centra en la tecnología y el impacto del biocarbón, y estudia también el potencial de las cocinas que producen biocarbón para beneficio del suelo, el medio ambiente y la salud. Se proponen dos tipos de cocina: la cocina TLUD y la cocina Anila. http://www.biochar-international.org/technology/stoves 104 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Cocinas de líquido y gas Descripción de la tecnología Las cocinas liquidas se pueden dividir en dos categorías: quemador a presión y quemador de mecha. Los quemadores de mecha pueden subdividirse en quemadores de mecha abiertos y quemadores de mecha de rango. El diseño básico de la mayoría de cocinas de quemador de mecha de rango, especialmente la cocina de keroseno, se compone de dos cilindros de acero de carbono perforados colocados dentro de un fuerte cilindro externo de acero esmaltado. Los dos cilindros internos se llaman conversores catalíticos. Las mechas están fijas en un soporte que se puede mover hacia arriba y hacia abajo para que las mechas emerjan en el espacio anular entre los conversores catalíticos. Quemadores de mecha de rango Los quemadores líquidos a presión consisten en un quemador y una pequeña bomba manual integrada en el tanque de combustible. En su funcionamiento, el combustible es vaporizado antes de la combustión en una espiral de tubería que sube desde el tanque de combustible, normalmente situado en la base de la cocina. La presión es proporcionada por la pequeña bomba manual. La llama en algunos diseños es ajustada y regula la presión en el tanque (esta característica no está permitida en la mayoría de quemadores atmosféricos fijos). Al aumentar la presión aumenta la llama, mientras que reducir la presión reduce la llama. Algunos diseños tienen válvulas para ajustar la llama. Hay muchos tamaños y estilos de quemadores a presión, y el diseño de la mayoría de ellos permite desmontarlos para un fácil almacenamiento y transporte. Cocina líquida presurizada Los quemadores / cocinas de gas para aplicaciones a pequeña escala, especialmente en escenarios humanitarios como campamentos de refugiados, son aparatos simples para la combustión directa del combustible gaseoso. El quemador es un tipo de puerto de quemar premezcla con múltiples agujeros que funciona a presiones específicas. Consiste en los siguientes componentes: tubo de suministro de gas, grifo o válvula de gas, inyector de gas, agujero(s) de aire principal o regulador, boquilla o cuello, tubo de mezcla de gas, cabeza del quemador, puerto del quemador, soportes de la cazuela y marco del cuerpo. 105 Requisitos de utilización Si no se está usando, mantenga la cocina de líquido seca, es decir vacía de combustible, para evitar la condensación en el tanque de combustible. Si se almacena en un espacio abierto, engrase los cilindros para evitar la oxidación. Para evitar accidentes y fuegos, es fundamental evitar colocar objetos inflamables cerca de las cocinas. Materiales de construcción locales e indicaciones Se sugiere comprar estas cocinas en el mercado. Su correcta construcción es necesaria para evitar fugas o explosiones. Los quemadores líquidos y de gas pueden hacerse localmente con tubo de acero, aluminio y latón y otros metales solo si los hacen trabajadores altamente competentes. Para el quemador de gas, es suficiente una tubería de ¾ de pulgada. Para construir quemadores de forma local, se requieren estas características: válvulas de entrada de aire primario y secundario, y la boquilla, que distingue el tipo de gas de combustión usado con la cocina. Funcionamiento y mantenimiento Las cocinas de combustible líquido pueden funcionar a baja presión (normal) o presurizada. Las cocinas de líquido a presión normal usan mechas como interfaz para quemar el combustible. Si están sucios o tienen hollín, se han de limpiar los cilindros catalíticos con agua caliente jabonosa. Los quemadores de gas no requieren mantenimiento. Sin embargo, puede que haya depósitos de carbón debido a la combustión, por lo que el quemador tiene que limpiarse regularmente para eliminar cualquier depósito de combustión. Características morfológicas y tamaño Las cocinas de líquido y gas se pueden encontrar o hacer con diferentes módulos y formas dependiendo de su aplicación (para uso personal y familiar). La cocina de líquido normalmente viene con el quemador y el tanque de combustible integrados en una unidad, mientras que las cocinas gaseosas solo a veces tienen el quemador y el tanque de combustible integrados en una unidad. Existen versiones de una cazuela, dos cazuelas y varias cazuelas. Advertencias El gas es tóxico y mortal si se inhala durante demasiado tiempo. Por lo tanto, cuando no se esté usando la cocina, se debe comprobar que la válvula está cerrada y que el gas no está saliendo. Se recomienda también utilizar la cocina en un espacio que esté siempre bien ventilado (con una ventana abierta o un agujero tapado con una rejilla en la pared). El único indicio de fuga de gas es el olor; si se nota olor a gas, no se debe encender ninguna llama en el área cercana para evitar explosiones y fuegos. Características técnicas y económicas Estas cocinas se pueden comprar normalmente en mercados locales a un precio de 10-50 dólares. Su eficiencia es alta (45-55 %) y permiten a los usuarios ahorrar un 50-85 % de energía en comparación con los fuegos de tres piedras. Con relación a las emisiones, las cocinas de líquido y gas son las cocinas con menos emisiones. Solamente la cocina de keroseno produce emisiones más altas que las cocinas de gas y alcohol (los límites máximos de los rangos se presentan a continuación): Emisiones CO: 7 – 36 mg/g combustible Emisiones PM: 0.01 – 0,04 mg/g combustible Muestra de aplicación En Oriente Medio, el uso de cocinas de gas y líquido es habitual, porque el coste de los combustibles fósiles es sustancialmente menor en estos países. En campamentos de refugiados de Etiopía, se han usado con éxito cocinas alimentadas con etanol en vez de keroseno, que se descartó por considerarse humeante, peligroso y demasiado caro (http://www.ashden.org/blog/local-ethanolnow-available-cookstoves-ethiopian-refugee-camps). 106 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado COCINA DE ARCILLA COCINA DE METAL COCINA DE BARRO Tablas comparativas Ventajas Coste bajo o nulo Construcción local y simple Diseño modular Mayor eficiencia y emisiones menos nocivas en comparación con el fuego de tres piedras Riesgo reducido de incendios y quemaduras Desventajas Pérdida de eficiencia debido a modificaciones del usuario Portabilidad muy limitada Proceso manual puede resultar en diseño inexacto Requiere mantenimiento frecuente Oportunidades Tiempo seco Amenazas Estación lluviosa Falta de intercambio de información en campamentos Vida útil corta de menos de un año El exterior caliente puede ser peligroso Máximo 25 % de eficiencia por las pérdidas de radiación Disponibilidad de metal de desecho y chatarra Fuentes de arcilla Disponibilidad de mucha madera para encender hornos Fácil de hacer Alcanza altas temperaturas más rápidamente que la mayoría de cocinas de barro o cerámica Ligera y portátil Mayor eficiencia y menores emisiones que el fuego de tres piedras Una introducción útil a la actividad de fabricación de cocinas Ligera y portátil Duradera Alta eficiencia (hasta 30 %) y emisiones menos nocivas en comparación con el fuego de tres piedras Su venta genera ingresos Diseño familiar Se requieren alfareros con ciertas destreza Disponibilidad de moldes o plantillas y hornos Coste mayor que el de las cocinas de barro o metal El fuego requiere leña Frágil No disponibilidad de chatarra y alto coste del metal 107 COCINA DE COHETE MICROGASIFICADORES COCINA DE GAS Y LÍQUIDO Ventajas Inconvenientes Portátil Coste mayor que Duradera las cocinas de Se calienta barro, metal y rápidamente arcilla Alta eficiencia Alimentador de (hasta 40 %) y combustible emisiones menos pequeño nocivas en Suele ser comparación con estéticamente el fuego de tres diferente de la piedras cocina tradicional y Gran ahorro en puede no ser combustibles aceptada por ese utilizados motivo Uso de una gran Regulación difícil variedad de de la potencia del biomasa sólida fuego Las emisiones más Una vez bajas entre las encendido, la cocinas de generación de gas corriente de gas sigue hasta que se natural agota el gas Muy alta eficiencia Los dispositivos de de combustible recarga por lotes gracias a la no se pueden combustión rellenar durante el completa funcionamiento Se calienta Costes mayores inmediatamente Trozos pequeños después de de biomasa encenderse Tecnología aún no Produce carbón muy madura y se vegetal como requiere más subproducto del investigación cocinado Ligero y portátil Diseño modular Coste de funcionamiento Mayor eficiencia relativamente y emisiones alto en menos nocivas comparación con en comparación las cocinas de con las cocinas combustible de residuos sólido sólidos Alta portabilidad Requiere altas destrezas de Fiable y fácil de construcción usar Riesgo reducido de incendios y quemaduras Oportunidades Amenazas Disponibilidad de metal de desecho y chatarra No disponibilidad de grandes trozos de madera Los combustibles de gas o líquido son baratos Lugar con viento 108 COCINA ELÉCTRICA Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Ventajas Cero emisiones durante la fase de cocinado Alta eficiencia Muy rápida (microondas) Inconvenientes Requiere electricidad No siempre portátil Coste (más de 20 dólares) Idónea para cazuelas de menor capacidad Largo tiempo de cocción (placas eléctricas) Oportunidades Electricidad disponible y asequible Amenazas Sin electricidad Familias numerosas 109 6.2 Tecnologías de cocinado adicionales Cocinas de panel Descripción de la tecnología Son las cocinas solares más comunes gracias a la facilidad y bajo coste de construcción. Usan superficies reflectantes para recolectar, concentrar y dirigir los rayos del sol a la cazuela, que puede estar encerrada en una bolsa de plástico o recipiente transparente para crear el efecto invernadero y retener el calor en su interior. Se utilizan materiales locales de desecho y tiene un bajísimo coste de construcción. La cocina es altamente perecedera y tiene una vida de unos pocos meses. En un día soleado, se estima que este tipo de cocina puede cocinar 300 g de judías en 400 ml de agua en menos de hora y media. Requisitos de utilización La primera condición necesaria para poder utilizar esta cocina es tener luz solar al menos durante dos o tres horas; el viento puede ser un problema, porque aumenta las perdidas térmicas. Recuerde que la cazuela tiene que ser negra; también se puede pintar con una pintura no tóxica. Materiales de construcción locales e indicaciones Las cocinas solares se pueden construir fácilmente en campamentos de refugiados. Los materiales utilizados son: Para el recipiente: cazuela negra. Para el invernadero: se pueden utilizar dos ventanas de lavadora o bien una bolsa transparente. Dos placas de polipropileno corrugado o simplemente piezas de papel corrugado de 90x65 (cm), grosor de 3 a 5 mm. Lámina reflectante. Cinta adhesiva. Soporte para la parte inferior de la cazuela (p.ej., cartones de leche reciclados). Dos cordeles para sujetar el soporte al suelo. Hilo de hierro. 1. El primer paso es construir la estructura: doble y corte las dos placas o papeles, tal y como se indica en el diagrama siguiente: 110 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado 2. Pegue la cinta adhesiva en todas las líneas de doblez y en el perímetro de las placas o papeles. A continuación, extienda las láminas reflectantes sobre las placas o papeles y asegúrese de que estén bien pegados. 3. Una las dos placas o papeles cubiertos sobre los lados coloreados, como se muestra en la figura anterior, con el hilo de hierro (u otro material, como cuerdas). 4. Finalmente, construya un soporte en la parte inferior la cazuela (p.ej., cartones de leche) y acople dos cuerdas a las extremidades para sujetar el soporte al suelo. Funcionamiento y mantenimiento Los usuarios pueden saber si el sol está lo suficientemente alto observando su sombra: si la longitud de su sombra en el suelo es más corta que su altura, la altura del sol es apropiada para cocinar. La cocina necesita un seguimiento de azimut cada 20 – 30 minutos para recibir la radiación normal directa y minimizar pérdidas ópticas. Puesto que requiere aproximadamente una hora y media alcanzar el hervor (si la temperatura del aire es mayor a 25 °C), los alimentos deben cocinarse poniéndolos directamente en agua fría. No es conveniente cocinar en este tipo de cocina los alimentos que requieren llevar agua a ebullición. Además, es conveniente cocinar alimentos que requieren poca cantidad de agua. Es por esto que se debe usar solo el agua necesaria y no más. Si está construida sobre placas de polipropileno, la cocina es más resistente (vida de hasta un año) que una cocina construida sobre papeles corrugados (muy pocos meses). Además, la superficie reflectante tiene que limpiarse después de cada uso para mantener alta la reflectancia de las láminas. 111 Una alta humedad del aire puede debilitar la estructura de la cocina y la lluvia puede llegar a destruirla. Características morfológicas y tamaño Estos tipos de cocinas solo se pueden utilizar para cocinar con una cazuela de un volumen de al menos 2,5. Hay disponibles otras formas, por ejemplo el modelo CoolKit, que se pueden construir siguiendo las instrucciones de “COCINAS SOLARES, cómo hacer, usar y disfrutar por Solar Cookers International”. (http://solarcooking.org/plans/plans.pdf; http://solarcooking.wikia.com/wiki/File:CooKit_plans_detailed.pdf). Advertencias Si el agua está contaminada, es importante asegurarse de que el interior de la cazuela se mantiene a una temperatura de 70 °C durante al menos 30 minutos y por encima de 85 °C al menos durante unos cuantos minutos más. Antes de calentar, la temperatura mínima que debe alcanzar la cocina es de 65 °C para matar gusanos, quistes de protozoos (55 °C), bacterias y rotavirus (60 °C), virus de la hepatitis A (65 °C), etc. Si no hay cazuelas negras disponibles, se puede utilizar pintura negra no tóxica. Características técnicas y económicas Esta cocina, si se construye con materiales locales, tiene un coste muy bajo, de 0 a 55 dólares. Muestra de aplicación The Solar Cookers International es una empresa de California que fomenta las cocinas solares en algunos países africanos, como Etiopía, Kenia y Zimbabue. Esta empresa suministra tanto el tipo de panel como el de caja, y los precios varían de un mínimo de 25 dólares a un máximo de casi 300 dólares (http://www.solarcookers.org/index.html). En enero de 1995, Solar Cookers International empezó una campaña de difusión de paneles solares en el campamento de refugiados de Kakuma, que se formó en 1972 cuando refugiados sudaneses llegaron por primera vez a Kakuma, Kenia. El proyecto se dirigió a más de 15.000 familias y fue uno de los primeros en usar cocinas de paneles solares CoolKit para introducir la cocina solar. Gracias a un proyecto iniciado en 2006 y organizado por Chad Solar y la ONG británica CORD, más de 50.000 personas en cuatro campamentos de refugiados de Darfur, en el este de Chad, utilizan CoolKits construidos localmente. Este proyecto ha mejorado la seguridad y la supervivencia de las mujeres en los campamentos de refugiados, ya que antes debían hacer viajes arduos y peligrosos fuera de los campamentos para recolectar leña (que escaseaba en la zona). En Etiopía, se ha realizado un proyecto piloto relativo a la difusión de cocinas CoolKit a 7,50 dólares, hechas de cartón reflectante y una bolsa de plástico que contiene la comida y la cazuela. 112 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Cocinas de caja Descripción de la tecnología Una cocina de caja consiste en una caja aislada, cubierta de cristal transparente, y dotada de superficies reflectantes, que dirigen los rayos del sol al interior. La parte inferior del interior de la caja está hecha de un conductor térmico pintado de negro que permite capturar y maximizar la absorción de la radiación solar. Normalmente caben varias cazuelas. Cada componente de la cocina de caja tiene una influencia significativa en el rendimiento de la energía, por lo que la elección de los materiales y la optimización de los ángulos de inclinación son vitales para obtener la máxima eficiencia. Algunas investigaciones prueban que las cocinas de caja solar pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100 °C en la placa interior negra y hervir agua, pero esto depende en gran medida del material aislante y de la reflectancia de los espejos. Si se construye con papeles corrugados y láminas reflectantes (p.ej., hoja de aluminio) apenas llevan el agua a ebullición, y tarda muchas horas. Estos modelos simples tardan mucho en calentar, porque no concentran los rayos en la cazuela, pero por otra parte funcionan satisfactoriamente donde hay radiación difusa, pérdida de convección de calor causada por el viento, cielos cubiertos por nubes intermitentes y bajas temperaturas ambiente, gracias a su buen aislamiento. Finalmente, a diferencia de la cocina de panel, que solo funciona si se se ponen alimentos dentro, la temperatura alcanzada dentro de la cocina de caja es uniforme y puede usarse como almacenamiento de calor gracias a la placa negra y al aislamiento. Requisitos de utilización La primera condición necesaria para usar esta cocina es tener luz solar durante al menos dos o tres horas; del mismo modo que para la cocina de panel, el viento puede ser un problema, porque aumenta las perdidas térmicas, pero su efecto tiene menos impacto en el rendimiento energético de la cocina si está correctamente aislada. Para maximizar su eficiencia, es mejor usar una cazuela negra o, en su defecto, una cazuela pintada con pintura no tóxica. Por otra parte, la placa interna tiene que ser negra, ya que funciona como placa de absorción. Materiales de construcción locales e indicaciones Las cocinas solares se pueden construir fácilmente en campamentos de refugiados, pero es importante recordar que su rendimiento podría ser más bajo que el de las cocinas de panel. Los materiales utilizados son: Dos cajas de cartón corrugado (planchas de cartón) grandes y poco profundas: Una CAJA INTERNA un poco más alta que las cazuelas. Una CAJA EXTERNA un poco más grande en todas sus dimensiones; debe haber un espacio de 3 a 5 centímetros entre las dos cajas en todos los lados cuando se inserte. Cartón corrugado (plancha de cartón) más largo y ancho que la caja exterior para hacer la tapa. Cristal de ventana (o plexiglás) más largo y ancho que la caja interior. Hoja de metal negra, fina, de tamaño igual o ligeramente más pequeña que la caja interior. Lámina reflectante. Fibras vegetales secas u hojas de periódico. Cola (no tóxica, de base acuosa). Masilla de silicona 113 Alambre rígido (p.ej. hilo de hierro). A continuación, de describen los pasos para su construcción: 1. En la caja externa, corte la abertura de la ventana sobre el fondo usando la caja interior como plantilla para dibujar las dimensiones. 2. Usando también la caja interior como plantilla, en la pieza de la tapa, dibuje un cuadrado, haga líneas de doblez y corte la apertura de la ventana/solapa reflectora. 114 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado 3. Si es necesario, ajuste las alturas de las cajas exterior e interior. 4. Cuando las paredes de la caja interior tengan la altura correcta, corte por encima del doblez a unos 5-7 centímetros para hacer unas solapas tan estrechas como el pequeño borde alrededor de la ventana, abierto en la caja exterior en el paso 1. A continuación, junte las cajas, tal y como se muestra a continuación: 5. Aísle las dos cajas recubriendo la caja interior con lámina de aluminio (o reflectante) para reducir las pérdidas de radiación, y llene el espacio interior entre las cajas con los trozos de periódico (u otros materiales aislantes). Finalmente, cierre y pegue las solapas de la caja exterior para sellar el fondo de la cocina. 115 6. Pegue las láminas reflectantes dentro de la caja, y la tapa. 7. Corte, doble y pegue las esquinas de la nueva tapa e inserte la ventana. 8. Haga un soporte ajustable para apoyar la tapa sobre la caja y, finalmente, inserte la placa de metal negro. Funcionamiento y mantenimiento Los usuarios pueden saber si el sol está lo suficientemente alto observando su sombra: si la longitud de su sombra en el suelo es más corta que su altura, la altura del sol es apropiada para cocinar. El tiempo empleado para cocinar con la cocina de caja es más corto (al mediodía) que con la cocina de panel, porque la caja puede dar sombra a la cazuela cuando el sol está bajo. Esta cocina requiere un seguimiento de azimut (posicionando la cocina de cara al sol) menos frecuente que la cocina de panel (30-45 min), porque no concentra los rayos. Por otra parte, el reflector tiene que estar correctamente inclinado y puede que se tengan que hacer algunas pruebas para encontrar el ángulo correcto. Puesto que requiere mucho más tiempo hervir el agua (si llega a hervir), los alimentos deben cocinarse poniéndolos directamente en agua fría. Es imposible cocinar alimentos que requieren llevar agua a ebullición. Hay que tener cuidado con la cantidad de agua, porque la cocina de caja tiene generalmente menos rendimiento que la cocina de panel y es conveniente para cocinar alimentos que requieren poca cantidad de agua. Es recomendable guardar la cocina en un lugar seguro, protegida de la humedad y animales, y limpiarla 116 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado periódicamente con un trapo seco, porque los papeles corrugados son perecederos y tienen una vida muy corta. La superficie reflectante tiene que limpiarse con un trapo seco después de cada uso para mantener alta la reflectancia de las láminas. La cocina puede usarse como calientaplatos. Si se deja la cocina al sol por la mañana, la caja interior se calienta y la gente puede utilizarla para calentar los alimentos, colocando dentro las cazuelas. Características morfológicas y tamaño Con este tipo de cocina, los usuarios pueden cocinar con varias cazuelas con un volumen de 2,5 litros aproximadamente. Hay disponibles diferentes modelos y se pueden encontrar en la Red Internacional de Cocinas Solares http://solarcooking.org/plans/). Pueden hacerse con cajas de madera y metal, e incluso usando espejos en lugar de láminas reflectantes. Advertencias Si el agua está contaminada, es importante asegurarse de que el interior de la cazuela se mantiene a una temperatura de 70 °C durante al menos 30 minutos y por encima de 85 °C al menos durante unos cuantos minutos más. Si no hay placas o láminas negras disponibles, se pueden pintar con pintura negra no tóxica. Características técnicas y económicas Si se construye con materiales locales, esta tiene un coste muy bajo, de 0 a 20 dólares. Si se compra, puede costar hasta 100 dólares. Muestra de aplicación El procedimiento para construir una cocina de caja se describe con detalle en las instrucciones de “COCINAS SOLARES, cómo hacer, usar y disfrutar, por Solar Cookers International” (http://solarcooking.org/plans/plans.pdf; http://solarcooking.wikia.com/wiki/File:CooKit_plans_detailed.pdf). - La Fundación CEDESOL proporcionó cocinas solares de caja a familias rurales en Bolivia. Después de cinco años, el 92,7 % de los participantes continuaron usando estas cocinas solares y los beneficiarios informaron de que habían cambiado su estilo de vida para adaptarse a este aparato de cocinado auxiliar. Se descubrió que el gasto en combustible de las familias se había reducido en un 40 %. - El equipo de la Fundación ADES Suiza puso en marcha un programa de cocinas solares en Madagascar en 2001. En 2012 habían enseñado a la gente a construir y utilizar más de 50.000 cocinas solares, y de este modo se redujo el consumo de madera local en un 65 %. 117 Cocina parabólica Descripción de la tecnología Una cocina parabólica consiste en un reflector parabólico en el cual se coloca el recipiente en el punto focal mediante un sistema de soporte vertical. Es la cocina solar más eficiente de los tres modelos descritos hasta ahora gracias a su capacidad de concentrar los rayos solares en un punto. Esta cocina solar puede generar más de 2000 vatios de energía, y hervir 5 litros de agua en una media de 70 min. Requisitos de utilización La primera condición necesaria para usar esta cocina es tener luz solar durante al menos dos horas; igual que con la cocina de panel, el viento puede suponer un problema al aumentar las pérdidas térmicas. La cazuela tiene que ser negra; también se puede pintar con una pintura no tóxica. Materiales de construcción locales e indicaciones Las cocinas solares son difíciles de construir, porque requieren materiales caros, como espejos y estructuras de apoyo pesadas hechas de hierro o madera. La cocina parabólica puede construirse utilizando un plato de antena parabólica reciclado cubierto de pequeños espejos cuadrados pegados a la superficie. Un soporte de metal sujeta la cazuela en el punto focal. La cazuela se puede poner dentro de una caja transparente (hecha con vidrio o ventanas reusadas de lavadoras) para generar un efecto invernadero y reducir las pérdidas térmicas. Durante las horas de sol, la parábola tiene que estar dirigida al sol; los rayos solares inciden en la parábola y se reflejan en el fondo de la cazuela. Un marco de madera sobre ruedas sostiene la parábola para que el reflector pueda seguir la posición del sol. Se debe reposicionar la cocina solar y colocarla cara al sol cada 5 o 10 min. Funcionamiento y mantenimiento La cocina requiere un seguimiento de azimut y zenital (posicionar la cocina de cara al sol) más o menos frecuente (5 – 10 min) para mantener el punto focal debajo de la cazuela. De hecho, si el punto focal no está ahí, la cazuela no recibe energía y los alimentos no se cocinan, pero la principal razón es que los rayos solares pueden ser peligrosos si se reflejan sobre las personas, ya que podrían dañar sus ojos. Se pueden cocinar alimentos que requieren llevar agua a ebullición, porque el tiempo necesario para hervir 1 litro de agua es menor a 20 min. Es recomendable limpiar la cocina con un trapo seco después de cada uso para mantener alta la reflectancia de los espejos. Características morfológicas y tamaño Con este tipo de cocina, los usuarios pueden cocinar con varias cazuelas con un volumen de 2,5 litros aproximadamente. Hay disponibles diferentes modelos y se pueden encontrar en la Red Internacional de Cocinas Solares http://solarcooking.org/plans/). Una alternativa es hacerlos con paraguas viejos, recubriéndolos con láminas reflectantes. 118 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Advertencias Debido a un alto riesgo de ceguera, se recomienda no usar esta cocina en un sitio muy concurrido ni dejar que los niños la utilicen o se acerquen a ella. El riesgo de quemar alimentos también es alto si no se controla la cocción. Para impedir accidentes y fuegos causados por una supervisión incorrecta, evite poner cualquier objeto inflamable cerca de estas cocinas. Si no hay placas o láminas negras disponibles, se pueden pintar con pintura negra no tóxica. Características técnicas y económicas Si se construye localmente, la cocina puede costar de 30 a 60 dólares. Si se compra, puede costar hasta 100–300 dólares. Muestra de aplicación La Fundación Vajra Holanda ha trabajado desde 1995 en el campamento de refugiados butaneses, en Nepal, para difundir el cocinado solar y cocinado por retención de calor entre sus refugiados. En 2003, 85.000 refugiados cocinaban los alimentos con estos métodos. 119 COCINA DE PANEL SOLAR Tablas comparativas Puntos fuertes Menor CO, PM, SO2, cenizas volantes y humo Reducción de CO2 Reducción de leña Ahorro en el coste de la madera Puede fabricarlo uno mismo, económica Portátil COCINA SOLAR DE CAJA Menor CO, PM, SO2, ceniza volante y humo Reducción de CO2 Reducción de la leña Ahorro en el coste de madera Puede construirla uno mismo Portátil Útil para calendar comida ya cocinada Varias cazuelas Puntos débiles Tarda tiempo No se pueden cocinar alimentos que requieren llevar agua a ebullición Sólo almuerzo Su uso depende de la meteorología Conflicto con el fuego de tres piedras tradicional Comida fuera de casa Desconocimiento de los fabricantes y miedo al cambio Requiere cazuelas negras Se requieren cambios importantes en las prácticas de cocinado Tarda más No se pueden cocinar alimentos que requieren llevar agua a ebullición Sólo almuerzo Uso dependiente de la meteorología Conflicto con el fuego tradicional de tres piedras Comida fuera de casa Fabricantes desconocidos y miedo al cambio Se requieren cambios importantes en las prácticas de cocinado Oportunidades Ubicaciones soleadas durante la mayor parte del año Amenazas Ubicación lluviosa y con viento Ubicaciones soleadas durante la mayor parte del año Idóneo para lugares donde se cocina una vez a la semana para todos (u otro período de tiempo) y solo tiene que recalentarse la comida Ubicación lluviosa y con viento 120 COCINA SOLAR PARABÓLICA Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Puntos fuertes Menor CO, PM, SO2, ceniza volante y humo Reducción de CO2 Reducción de leña Ahorro en el coste de madera Varias cazuelas (máximo dos) La cocina también se puede usar como parrilla Muy rápida para cocinar Hierve agua con facilidad Duradera CESTA DE HENO Reduce la necesidad de combustible de madera hasta un 40 % Reduce las emisiones Ligera y portátil Muy fácil de usar y fabricar Su fabricación podría convertirse en una actividad de sustento para las mujeres Puntos débiles No portátil Bastante difícil de construir Puede dañar los ojos Puede quemar la comida Sólo almuerzo El uso depende de la meteorología Conflicto con el fuego tradicional de tres piedras Comida fuera de casa Fabricantes desconocidos y miedo al cambio Se requieren cambios importantes en las prácticas de cocinado Sólo alimentos de cocción lenta (legumbres, cereales, arroz) Requiere más tiempo de cocinado Oportunidades Ubicaciones soleadas durante la mayor parte del año Amenazas Ubicación lluviosa y con viento No acceso a combustibles limpios y asequibles Escepticismo 121 6.3 Producción de combustible Producción de biogás Descripción de la tecnología La tecnología de biogás, también conocida como la Digestión Anaerobia (DA) es la conversión de residuos orgánicos en la ausencia de aire (oxígeno) en una mezcla de gases llamada biogás. El proceso normalmente tiene lugar en un tanque estanco llamado digestor. El biogás se compone de los siguientes gases: metano (CH4): 60-75 %vol; dióxido de carbono (CO2): 25-40 %vol y otros gases (1-5 %vol) que incluyen hidrógeno (H2): 0-1 %vol; sulfuro de hidrógeno (H2S): 1-3 %vol, y partículas de nitrógeno y oxígeno. El proceso de DA tiene lugar en cuatro fases diferentes llamadas hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Una unión de microorganismos es la responsable de este proceso en cada fase. Estos microorganismos son bacterias acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas. Hay varios factores que afectan al proceso del biogás, entre ellos, (i) tipo de material orgánico, (ii) contenido solido del material orgánico, (iii) relación carbón/nitrógeno en el material orgánico, (iv) temperaturas, (v) el tiempo de retención del substrato, (vi) acidez (pH), (vi) alcalinidad, (vii) ácidos grasos volátiles, (vii) factores inhibidores como los metales pesados, antibióticos (bacitracina, flavomycina, lasalósido, monensina, espiramicina), etc. El principio del proceso de DA es el mismo, pero, dependiendo del contexto del entorno local, se podrían usar varios métodos. Estos métodos se pueden categorizar basándose en importantes parámetros de funcionamiento, entre los cuales se incluyen: Modo de alimentación: Hay dos modos principales de alimentar un digestor de biogás, concretamente alimentación por lotes o continua. En un sistema de alimentación por lotes, se alimenta el digestor con material orgánico y se espera hasta su completa digestión durante un período de tiempo. El material digerido se retira y se introduce de nuevo material fresco en el sistema. En el sistema de alimentación continuo, el digestor se alimenta continuamente con material fresco y se retira pero, al mismo tiempo, una cantidad igual de material es retirado del digestor. Temperaturas de funcionamiento: Diferentes grupos de bacterias son responsables del proceso de DA y funcionan bajo diferentes regímenes de temperaturas. Se han identificado tres regímenes: psicrófilo (0-20 °C), mesófilo (20-45 °C), o termófilo (40-60 °C). Contenido sólido: Se pueden usar diferentes enfoques en el proceso de DA dependiendo de la cantidad de sólidos que contiene la materia prima con la que se alimenta el digestor. Se adoptan dos enfoques, concretamente la digestión anaerobia húmeda (DAH) y la digestión anaerobia seca (DAS). En una DAH el contenido sólido que contiene la materia prima con la que se alimenta el digestor es menor del 10 % (normalmente menor del 5 %). En una DAS, el contenido sólido que contiene la materia prima con la que se alimenta el digestor varía del 15 al 45 %. DAS tiene varias ventajas sobre DAH, entre otras: una alta producción de biogás, un mayor índice de carga orgánica, un menor coste de inversión y un amplio rango de materias primas que se pueden usar. Sin embargo DAS tiene a menudo problemas de inhibición, largos períodos de retención y acumulación de ácidos grasos volátiles. Su aplicación es limitada, sobre todo a pequeña escala en países en vías de desarrollo debido a una inapropiada configuración del digestor. Diseño del digestor: Dependiendo de la interacción entre la materia prima fresca con la que se alimenta el digestor y el material digerido ya en el digestor, se usan tres tipos de diseño de digestor, concretamente diseño de flujo cruzado/llenado, mezcla completa y lecho de lixiviación. En el diseño de flujo cruzado/llenado, la materia prima fluye desde la entrada a la salida del digestor sin ningún contacto entre la materia prima fresca y la digerida. Este diseño puede funcionar con un contenido sólido mayor que los diseños de mezcla completa y así su producción de biogás es mayor. En el diseño de mezcla completa, la materia prima fresca y la digerida se mezclan antes de salir del digestor. Una desventaja de este tipo de diseño es que una parte de la materia prima fresca sale del digestor antes de ser digerida, lo que conduce a una menor productividad del sistema; también los requisitos de alto contenido en agua para la materia prima exigen tamaños/volúmenes de digestores mayores y así mayores costes de instalación y operación. En el diseño de lecho de lixiviación, el material digerido se saca del digestor antes de introducir material fresco en el mismo y, por lo tanto, no hay interacción entre la materia prima fresca y el material digerido. La ventaja del diseño de lecho de lixiviación es que funciona en un contenido sólido muy alto (15-45 %) de materia prima, así que el volumen del digestor es normalmente más pequeño comparado con el diseño mojado, la producción de biogás es alta y requiere menos agua. Sin embargo, normalmente funciona en el rango de temperatura termófila y se requiere mucho calor. Además, puesto que funciona en modo 122 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado de alimentación por lotes, la producción de biogás se ve interrumpida frecuentemente cuando hay que alimentar y hay que esperar períodos de de tiempo largos hasta que el proceso recomienza. Requisitos de utilización Un sistema completo de biogás comprende los siguientes componentes: tanque de entrada, cámara de digestión, tanque de salida, sistema de canalización y aparatos. La materia prima es la entrada más importante del sistema. El biogás producido puede usarse directamente sin purificación, es decir, sin eliminar CO2 y otros gases, especialmente sulfuro de hidrógeno, o puede ser purificado antes de su uso. En la mayoría de aplicaciones de calor y alumbrado, el biogás se puede usar directamente sin purificar. En aplicaciones de generación de electricidad, se requiere purificarlo, porque el sulfuro de hidrógeno es muy corrosivo. Para que los aparatos funcionen correctamente, el gas puede tener que ser presurizado porque está normalmente a baja presión. El material digerido es un buen acondicionador del suelo. Se puede fertilizar o secar para su uso en aplicaciones agrícolas. Funcionamiento y mantenimiento Poner en funcionamiento un sistema de biogás requiere cierta preparación sobre la materia prima con la que se alimenta el digestor. En la mayoría de sistemas, la materia prima se mezcla con agua y se introduce en el digestor. La proporción de la mezcla agua:materia prima depende del tipo de materia prima, por ejemplo, la proporción es 1:1 cuando la materia prima es estiércol de vaca. El material digerido se recoge y fertiliza para aplicaciones agrícolas. Se requiere un mantenimiento del sistema de biogás, principalmente en la canalización y los aparatos. Las juntas y válvulas deben comprobarse a menudo para evitar fugas. La canalización debe liberarse del agua de vapor condensado con frecuencia, abriendo la tubería de respiración cuando sea necesario. Características morfológicas y tamaño Los sistemas de biogás domésticos y, a veces, los comunitarios están formados normalmente por los siguientes componentes: Tanque de entrada: para la preparación de la materia prima antes de alimentarla al digestor. Tanque del digestor: donde se mantiene la materia orgánica para que tenga lugar el proceso. Tanque de salida: para mantener el material digerido para posterior abono. Canalización: para transmitir el biogás al punto de consumo. Aparatos: para convertir el biogás en formas más usables de energía, por ejemplo, calor, luz o electricidad. La configuración de estos componentes variará dependiendo del tipo de proceso de DA y el tipo de diseño del digestor. La capacidad y tamaño del sistema de biogás varía dependiendo del nivel de aplicación. Los sistemas de biogás domésticos o de hogar tienen un rango de tamaño de 2 m 3-15 m3 con una producción de biogás de 1 m3/día – 6 m3/día. Los sistemas de biogás de comunidad (normalmente para escuelas, hospitales y campamentos) tienen un rango de tamaño entre 20 m3-100 m3 con una producción de biogás de más de 10 m3/día. Los sistemas de biogás industriales tienen tamaños del orden de los 1000 m3. Los sistemas de biogás más difundidos en países en vías de desarrollo son los sistemas de digestión húmeda de mezcla completa o los sistemas de digestión húmeda de flujo de llenado. Los diseños de digestor incluyen una variedad de cúpulas-fijas (chinos, indios, nepalíes, vietnamitas, CARMATEC-Tanzania y SINIDU-Etiopía), tambor flotante y digestor de plástico. 123 Digestor tubular de plástico. Tambor flotante. 124 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado CAMARTEC de cúpula fija. Cúpula china fija. Advertencias Los sistemas de biogás domésticos e incluso sus aplicaciones comunitarias son a menudo dimensionados con una autonomía de un día. Si durante un día el gas no es usado se recomienda liberar algo del gas del almacenamiento para evitar daños en el aparato de almacenamiento. Cuando el biogás se mezcla con aire a una razón de 1:20 se forma un gas altamente explosivo. Las fugas de tuberías de gas en espacios cerrados constituyen un grave peligro. Características técnicas y económicas El coste de inversión de un sistema de biogás varía considerablemente según el tamaño, tipo y ubicación geográfica. Los digestores plásticos son los más sencillos de instalar y requieren menos destreza y materiales de construcción, y son los más baratos entre los diseños de digestores domésticos. Para la instalación de cúpulas fijas y del tambor flotante, se requieren conocimientos más avanzados y técnicas de construcción elaboradas. Su coste también varía, y el diseño indio (Deenbandhu) es el más barato de estos. La ubicación geográfica de los digestores también tiene un impacto en su coste, ya que el mismo tipo de diseño cuesta más en África que en Asia. Muestra de aplicación Se han distribuido más de 44 millones de digestores de pequeña escala en los países en vías de desarrollo mediante programas con muy buenos resultados. Algunos de estos son programas nacionales de gestión de biogás y abonos de 125 India, programas nacionales de biogás de Nepal, Vietnam, Camboya y muchos países africanos, p.ej. Etiopía, Camerún, Ruanda, Tanzania, apoyados por la Agencia Holandesa de Desarrollo (www.snvworld.org) y el Programa africano de biogás (www.abp.org). En un nuevo e interesante proyecto, el Programa de países del consejo noruego de refugiados introdujo biogás como combustible alternativo en el campamento de refugiados de Bambasi, Etiopía. (http://www.nrc.no/?did=9186732). Instrucciones para construirlo: http://www.build-a-biogas-plant.com/biogas-plant-construction/. El Instituto para la Tecnología Rural Apropiada (ARTI) ha propuesto un particular tipo de digestor hecho con un tambor y una bolsa (Cómo construir un digestor de biogás de tambor de 55 galones/200 litros). http://www.completebiogas.com/B_55Gal.html). Además, SimGas ha propuesto un particular sistema modular de biogás rural para hogares llamado GesiShamba (disponible en http://www.simgas.com/products/gesi-shamba/item33). 126 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Sistemas mejorados de producción de carbón vegetal Descripción de la tecnología Con la finalidad de aprovechar la producción de carbón vegetal, a continuación se explica uno de los métodos de producción de carbón vegetal de manera eficiente. Los hornos tradicionales se construyen simplemente apilando madera en el suelo con una capa de materia verde, por ejemplo hierba, sobre el montón de leña y finalmente se cubre con una capa de tierra lo suficientemente gruesa como para impedir que entre aire en la madera. Se deja una abertura para prender. Normalmente el proceso de carbonización no está bien controlado y el resultado es un carbón vegetal de baja calidad, contaminado con trozos de tierra y a veces la recuperación de combustibles es solo del 15 % (esto significa que 1 kg de madera seca produce 0,15 kg de carbón vegetal seco). Se pueden construir sistemas mejorados mediante un aumento del aislamiento, añadiendo láminas de metal para reducir la contaminación del carbón con tierra y una chimenea para controlar mejor el proceso de carbonización. Por lo tanto, se propone utilizar un horno de tambor, que permite recuperar el 25-30 % del combustible. 127 Requisitos de utilización Para impedir accidentes y fuegos, es fundamental evitar colocar objetos inflamables cerca del horno. El carbón vegetal tiene que producirse en el exterior. Secar la madera usada para producir carbón vegetal aumenta la eficiencia del proceso. Materiales de construcción locales e indicaciones Este horno puede construirse modificando un barril de aceite con una tapadera ajustable equipada con una puerta de prendido hecha con metal o ladrillos y piedras; funciona como abertura para prender madera. La madera se apila ordenadamente sobre una rejilla metálica situada dentro del tambor para facilitar el movimiento de aire. El flujo de aire es controlado mediante una chimenea que tiene que acoplarse al lateral del tambor. Para aumentar el aislamiento térmico, el horno de tambor final debe cubrirse con tierra durante el proceso de fabricación de carbón vegetal. 128 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Funcionamiento y mantenimiento El proceso dura de 6 a 12 horas. El sistema debe estar protegido de la lluvia, porque la pared metálica externa puede corroerse fácilmente si no se cuida correctamente. Características morfológicas y tamaño Un horno de tambor es una de las posibles maneras mejoradas de producir carbón vegetal. Se sugiere para producir carbón vegetal en el ámbito doméstico. Para producir carbón vegetal para una comunidad, es necesario un horno grande y bien ventilado aislado con ladrillos. En la muestra de aplicación, se puede consultar un informe sobre las diferentes maneras de producir carbón vegetal. Advertencias Si las paredes del tambor de metal no están bien cubiertas de tierra durante el proceso de carbonización, se calientan y puede ser peligroso. Características técnicas y económicas Si se utilizna materiales de desecho, los costes principales corresponderán a la mano de obra y chimenea (si se 129 compra). Permite recuperar un 25-30 % de combustible. Muestra de aplicación Se pueden consultar diferentes maneras de producir carbón vegetal en “TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE CARBÓN VEGETAL DISPONIBLES EN KENIA, por UNDP y Servicio Forestal de Kenia”. 130 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Briquetas de combustible Descripción de la tecnología Las briquetas son un combustible colectivo y doméstico que se hace compactando desechos de biomasa en un molde. Pueden hacerse de diferentes formas y tamaños. Su característica común es una alta área de superficie (comparada con su peso) para permitir una combustión uniforme (p.ej., con agujeros en medio). Las más comunes son las siguientes: a) Briquetas de carbón vegetal Estas briquetas se producen a partir de una materia prima que ha sido previamente expuesta al proceso de carbonización descrito anteriormente. El resultado es un combustible sin humo con alto contenido energético (el doble que el combustible de madera). La práctica más común es hacer estas briquetas con polvo de carbón vegetal que ya ha sido expuesto a carbonización. b) Briquetas no carbonizadas Están hechas de otros materiales combustibles, como el serrín, bagazo, cáscaras de café, mazorcas de maíz, paja de trigo/judías/cebada comprimidas mediante simple compactación (briquetas densificadas) o con máquinas que ejercen presiones mayores (briquetas carbonizadas) y que rompen la estructura del material. Su contenido energético es similar al del combustible de madera (16 MJ/kg). El problema de las briquetas densificadas es que son difíciles de encender, son demasiado humeantes y su coste es mucho mayor que el del combustible de madera si se compran. Por consiguiente, se usa solo en caso de escasez de madera. Requisitos de utilización Se sugiere una prensa manual. Materiales de construcción locales e indicaciones Las briquetas se pueden hacer a mano mezclando materia prima con agua y aglutinante, normalmente arcilla, que puede reducir la velocidad de quemado, de modo que se produzca menos calor pero durante más tiempo. Finalmente, la mezcla se moldea en bolas y se deja secar. El problema es que estas briquetas son muy humeantes y se deben restringir a aplicaciones donde el humo no sea un problema. La mejor manera de producir briquetas es usando una máquina, que puede consistir simplemente en una prensa manual, no muy cara (unos 70 dólares). 131 Las briquetas se pueden hacer siguiendo estos pasos: i. Seleccione y tamice la materia prima; elimine todas las materias indeseadas o desechos grandes de biomasa. ii. Corte los materiales de biomasa en trozos pequeños para mejorar su funcionalidad y compacidad, y mézclelos. Este paso depende del tipo de materia prima. iii. Añada un aglutinante apropiado además de la mezcla de biomasa; el más común es arcilla o almidón. iv. Añada agua a la mezcla. v. Compacte la materia prima y déjela secar durante una semana. Funcionamiento y mantenimiento Las briquetas pueden usarse en todas las cocinas tradicionales excepto en gasificadores, para los cuales se requiere madera. Las briquetas tienen que almacenarse en un lugar seco, porque la humedad puede suponer un problema. Características morfológicas y tamaño Las briquetas pueden estar hechas de diferentes tipos de desechos de biomasa, desde serrín hasta mazorcas de maíz y polvo de carbón vegetal. Mezclar varias materias primas puede ser útil para optimizar las características de quema del combustible final (p.ej., una biomasa con contenido en ceniza podría mezclarse con un material de biomasa con bajo contenido en cenizas; la biomasa con bajo contenido energético puede mezclarse con biomasa de alto contenido energético). Materia prima Cantidad de ceniza Carozos Baja Serrín Baja Bagazo Baja Cáscara de nuez molida Media Cascarilla de arroz Muy alta Ejemplos de desecho de biomasa: 132 Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Residuos del campo, como: hojas de banano semillas de caña y junco paja de sorgo residuos de algodón maíz, trigo, arroz, mijo residuos forestales, como árboles secos, hojas y ramas Residuos de procesos, como: cáscaras de café y de arroz cáscaras coco y frutos secos molidos corteza de árbol, serrín y polvo de carbón vegetal virutas bagazo de caña de azúcar polvo de coco Desechos orgánicos domésticos e industriales, como: desechos de muebles residuos de papel y cartón Advertencias Las briquetas comprimidas a mano son humeantes y no son convenientes para cocinar. Características técnicas y económicas Las briquetas no carbonizadas tienen un contenido energético similar a la madera (16MJ/kg) mientras que las de carbón vegetal tienen un contenido energético que supera los 30 MJ/kg. Respecto a los aspectos económicos, el mayor coste es la prensa (70 dólares si es manual), porque el contenido de materia prima se hace con desecho de biomasa. Hay que añadir costes importantes en caso de transporte de materiales y embalado. Muestra de aplicación Los refugiados de Birmania ubicados en campamentos de Bangladesh durante los años 90 probaron el uso de briquetas de cáscaras de arroz gracias a un programa de ACNUR, que compró grandes cantidades de briquetas de cáscaras de arroz carbonizadas de los molinos locales y las distribuyó entre los refugiados. No fue la solución más apropiada, porque los refugiados revendieron una cantidad significativa de briquetas a los comerciantes locales a un precio muy bajo y por su relación continua con la tala comercial. En Tailandia, se empezaron a suministrar briquetas en 1995. Un 17 % de las briquetas fueron fabricadas con serrín y carbonizadas en hornos por una serie de empresas privadas en el oeste de Tailandia en el marco de un contrato con el Consorcio de la Frontera Birmana (BBC), una red de agencias de apoyo a los refugiados. Las briquetas carbonizadas tenían un alto contenido energético (29MJ/kg) y poca ceniza (6 %). El 83 % restante de las briquetas estaban hechas de materia prima que ya estaba carbonizada antes de ser briqueteada (p. ej., tipos de desecho carbonizado de operaciones industriales en Tailandia central, predominantemente derivadas de las industrias del bambú rurales). Hubo un uso extendido de ambos tipos de briquetas entre los refugiados, que adaptaron sus cocinas tradicionales para usarlas. La cuota media era de 6-7 kg por persona al mes, lo cual pudo satisfacer a la mitad de la demanda total. Más detalles e información técnica relativos a la producción de briquetas disponibles en “Briqueteado a pequeña escala y carbonización de residuos orgánicos para combustible, del Dr.- Ing. Heino Vest (2003)” (disponible en http://www.gate-international.org/documents/techbriefs/webdocs/pdfs/e019e_2003.pdf). 133 CARBÓN VEGETAL BIOGÁS Tablas comparativas Fortalezas Tecnología versátil para una fuente renovable de producción de combustible y fertilizante orgánico Relativamente sencillo de instalar, manejar y mantener Diseño modular Combustible de mayor rendimiento que el carbón vegetal, leña e incluso queroseno Riesgo reducido de propagación de patógenos Mejoras en el saneamiento El carbón vegetal arde de una manera más eficaz Mayor contenido de energía que la madera Se produce fácilmente con material de desecho local Debilidades Coste de inversión relativamente alto Dependiente de la temperatura ambiental Oportunidades Coste creciente de combustibles convencionales (combustibles procedentes del petróleo) Estrategias de mitigación en el cambio climático Elevado coste de fertilizantes orgánicos Necesidad de gestión sostenible de residuos animales y humanos Si no se produce adecuadamente, el equilibrio de energía sobre toda la cadena de suministro de carbón vegetal suele causar un mayor consumo de madera Amenazas Barreras culturales vinculadas a los residuos animales y humanos Escasez de madera 134 BRIQUETAS Fichas técnicas: tecnologías de cocinado Fortalezas Debilidades Oportunidades Es necesario Uniformidad Están hechas a medida para un uso individual, es decir, tiempo que arden, tipos de cocina (colectiva o doméstica Costes generales más bajos para los usuarios Arden durante más tiempo Requieren pocas destrezas técnicas La producción y la venta podrían ser una fuente de ingresos Reciclaje de desechos agrícolas y forestales Amenazas Escasez de madera aportar fondos Coste de inversión (prensa manual) 135 6.4 Tecnologías para la preservación de alimentos Refrigeración / congelación mecánica/ por comprensión de vapor Descripción de la tecnología La compresión mecánica o ciclo de compresión de vapor se usa generalmente en los sistemas de refrigeración, como refrigeradores y congeladores. En este ciclo, un refrigerante circulante entra en un compresor como vapor a baja presión a la temperatura del refrigerador interior, o ligeramente por encima; el vapor es comprimido mecánicamente por el compresor y se convierte en vapor sobrecalentado a alta presión. El vapor sobrecalentado se desplaza bajo presión a través del condensador, que está hecho de espirales o tubos que, por exposición a aire o agua ambiente, enfrían el vapor licuándolo y transfiriendo el calor al ambiente externo. Cuando el líquido refrigerante abandona el condensador es forzado a través de una válvula de expansión que baja su presión y hace que se vaporice, atrayendo calor del volumen aislado térmicamente a través del evaporador interno. El trabajo mecánico requerido para realizar este ciclo está provisto típicamente por un compresor eléctrico, pero en algunos casos podría haber un acoplamiento directo del compresor con un motor u otra fuente de trabajo mecánico (sistemas de acoplamiento directo). Los principales componentes de un sistema de compresión de vapor son: - Una caja hermética aislada térmicamente con un nivel de aislamiento variable dependiendo de las condiciones ambientales y limítrofes; el grosor del aislamiento, que puede hacerse con poliestireno u otros materiales aislantes, varía normalmente de 3-4 cm en refrigeradores domésticos conectados a la red a 10-15 cm en refrigeradores y congeladores solares autónomos. La cubierta tiene que ser impermeable, especialmente la del interior, porque el agua o hielo de condensación estarán presentes en las superficies internas frías; tiene que haber un sistema de drenaje para canalizar el agua de condensación hacia fuera de la caja. En algunas condiciones, el agua puede evaporar usando el calor producido por el condensador externo o el compresor. Un fluido refrigerante, que es necesario para hacer funcionar el ciclo de compresión de vapor; los gases refrigerantes más usados comúnmente son R134a y R22, pero también están empezando a usarse nuevos refrigerantes con PCA bajo o cero, como HFO-1234f o isobutano (R600a) en productos comerciales. Un compresor, que empuja el fluido refrigerante en el ciclo; los tipos de compresores más competentes en la actualidad son los de espiral por su eficiencia y fiabilidad, pero estos se usan típicamente en sistemas grandes; en algunos casos, también pueden usarse compresores de tornillo, mientras que en muchos productos comerciales se emplean compresores de pistón/alternativos. Los compresores de tamaño pequeño llevan integrados normalmente un motor eléctrico, que puede alimentarse directamente en CA (conectado a la red) o también en CC (con voltaje y corriente variables). En general, los compresores necesitan una fuente de energía externa (electricidad o trabajo mecánico). 136 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Un evaporador (interior en la caja aislada), que intercambia calor con el volumen interior, y un condensador, que intercambia calor con el entorno externo (se usa aire típicamente, pero también se puede emplear agua); para aumentar el intercambio térmico de convección y para producir más sistemas compactos, en muchos casos los condensadores enfriados por aire pueden ir equipados con un ventilador para una ventilación forzada. Un sistema de control cuya función principal es mantener el nivel de temperatura deseado dentro de la caja aislada; la solución más simple es un termostato que regula el modo de funcionamiento del compresor (encendido-apagado o variación de velocidad). De este modo, el trabajo del compresor no es continuo, sino que se necesitan solo 8-12 horas al día, dependiendo de las condiciones de funcionamiento específicas. Además, el diseño de los sistemas aislados de la red debe poder afrontar suministros de energía discontinuos y, por lo tanto, en muchos casos integrar un almacenamiento térmico (hielo o materiales de cambio de fase) para mantener un punto de temperatura interna establecido incluso cuando el compresor no esté funcionando, o una batería para asegurar el correcto funcionamiento del compresor sin suministro de energía. Entre los sistemas aislados de la red, los refrigeradores y congeladores solares por comprensión de vapor se alimentan directamente con un panel fotovoltaico; en este caso, el suministro de energía puede ser en CC de los paneles FV al compresor, aumentando la eficiencia del sistema. El dimensionado del generador FV se ha de llevar a cabo cuidadosamente para tener en cuenta las condiciones medioambientales y operacionales. El coeficiente de rendimiento de los refrigeradores y congeladores de comprensión de vapor varía típicamente entre 1,5 y 3,5, dependiendo del tamaño, las condiciones de carga y las temperaturas de funcionamiento. Requisitos de utilización El sistema de compresión de vapor tiene que colocarse en un espacio donde el calor producido por el condensador y el compresor pueda disiparse al ambiente exterior; además, hay que garantizar una buena ventilación del intercambiador de calor (condensador) durante su funcionamiento. Si hay altos niveles de humedad relativa, se tiene que considerar un sistema de drenaje y eliminación. Además, para seleccionar el lugar de la instalación, hay que tener en cuenta que los compresores son ruidosos (el nivel de ruido depende de los componentes tecnológicos y del nivel de aislamiento acústico). En general, las soluciones CA sin almacenamiento conectadas a la red requieren un suministro de electricidad continuo y estable mientras que los sistemas aislados de la red con almacenamiento térmico pueden soportar un suministro de energía discontinuo (p.ej., FV). No obstante, hay que llevar a cabo una valoración detallada de las condiciones de contorno para garantizar su aplicabilidad en un contexto específico. Materiales de construcción locales e indicaciones Generalmente los refrigeradores y congeladores comerciales de comprensión de vapor se fabrican y se venden como productos listos para su uso. Sin embargo, si se desea utilizar mano de obra y materiales locales, es posible ensamblar la parte mecánica y eléctrica de los sistemas y la caja aislada in situ. Normalmente no se pueden construir, o se 137 pueden construir muy pocas, piezas mecánicas y eléctricas usando recursos locales disponibles, mientras que, en algunos casos, la caja aislada del sistema se puede construir con materias primas locales, como materiales aislantes térmicos. Funcionamiento y mantenimiento Los refrigeradores y congeladores de comprensión de vapor con compresores eléctricos son extremadamente fiables. Las piezas móviles y los fluidos están sellados, y las posibilidades de fuga o contaminación son muy limitadas. Si los comparamos con los compresores de refrigeración impulsados mecánicamente, estos pueden presentar fugas de fluido y lubricante a través de las junturas de los ejes. A continuación, se enumeran algunas recomendaciones de uso y mantenimiento correctos: Mantenga el intercambiador de calor externo limpio y libre de obstrucciones. Verifique periódicamente el correcto funcionamiento del sistema de drenaje de humedad. Verifique el correcto funcionamiento del mecanismo de cierre de la cubierta. Si el compresor funciona continuamente sin interrupciones, verifique el estado de carga del refrigerante. Evite las acumulaciones de hielo en el refrigerador y mantenga limpio el volumen de almacenamiento de alimentos. Características morfológicas y tamaño Los refrigeradores y congeladores son típicamente un producto compacto que integra, en un volumen cúbico o paralelepípedo, tanto la caja de aislamiento para la conservación de alimentos como los sistemas de generación y control. Los sistemas más grandes generalmente necesitan compresores y condensadores remotos. Los sistemas compactos tienen un condensador de ventilación natural o forzado, situado típicamente detrás de la cubierta, que tiene que intercambiar calor correctamente con el entorno. La abertura de la caja puede ser vertical (en la parte frontal) u horizontal (en la parte superior). La capacidad y tamaño de los refrigeradores y congeladores de comprensión de vapor varían considerablemente. Típicamente, los sistemas portátiles tienen un volumen refrigerado a partir de 30-40 litros y los refrigeradores más grandes para uso centralizado pueden almacenar varios metros cúbicos de alimentos. Advertencias Hay que tener en cuenta estas advertencias de aplicación: Evite colocar el refrigerador o congelador en un lugar excesivamente caliente (tamb>45 °C) o cerca de superficies calientes. Evite colocar el refrigerador o congelador en sitios con exposición directa a radiación solar o lluvia. Evite abrir la puerta frecuentemente y no introduzca sustancias calientes. Evite desconexiones de corriente frecuentes y fluctuaciones de voltaje de la red si el sistema no está diseñado para operación discontinua. Características técnicas y económicas La corriente eléctrica necesaria varía típicamente de 30-40 W para sistemas portátiles pequeños hasta varios kW para sistemas centralizados más grandes. El coste de instalación de productos comerciales varía de un mínimo de aproximadamente 0.5 €/litro para habitaciones frías de gran tamaño a 10 €/litro para sistemas solares CC de bajo consumo. La vida media de los sistemas de compresión de vapor es de unos 15 años, pero en condiciones de funcionamiento óptimas pueden durar más de 30 años. Muestra de aplicación Existen varios ejemplos de refrigeradores y congeladores de comprensión de vapor para aplicaciones aisladas de la red; en concreto, podemos mencionar el proyecto SolarChill, promovido por el Instituto Tecnológico Danés, que fabricó un refrigerador de comprensión de vapor económico alimentado por FV para aplicaciones aisladas de la red, sin baterías (www.solarchill.org). 138 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Sorción accionada por calor Descripción de la tecnología Las tecnologías de refrigeración por sorción son sistemas accionados térmicamente en los que el compresor mecánico convencional del ciclo de compresor de vapor es remplazado por un “compresor térmico” y un sorbente. En la actualidad hay dos procesos principales de producción de frío basados en la sorción: las técnicas de absorción y la adsorción. Estos sistemas se están desarrollando para poderse acoplar con fuentes de calor térmicas, como el calor de desecho en sistemas de cogeneración, además de fuentes de energía renovables como la solar, geotérmica y biomasa. Un área de estudio reciente son las aplicaciones de pequeño tamaño, como la fabricación de hielo y el almacenamiento de alimentos en áreas del mundo menos desarrolladas. Los componentes principales de un sistema de sorción son: Un sorbente, que actúa como “compresor químico” accionado por calor; los sorbentes son materiales insolubles o mezclas de materiales usados para recuperar líquidos mediante el mecanismo de sorción. Los absorbentes recogen y retienen líquido, lo cual hace que el material se hinche (50 % o más), y los adsorbentes son materiales insolubles que están recubiertos de un líquido en su superficie. Los pares operativos usados comúnmente en ciclos de absorción son soluciones acuosas de agua con bromuro de litio (LiBr/H2O) o agua con amoníaco. Los adsorbentes más industriales son gel de sílice, zeolitas, carbón activado y grafito. Un condensador, que rechaza el calor de desorción del ciclo; en general, cuando el sorbente vaporizado fluye al condensador a través de un tubo de cobre se enfría por el aire aplicado en las aletas de condensador, y así el sorbente vaporizado se convierte en materiales líquidos, que van al evaporador. Un evaporador (dentro de la caja aislada), que intercambia calor con el condensador; el evaporador tiene que tener suficiente volumen para recolectar todo el sorbente condensado. Para aumentar el intercambio térmico de convección y para producir sistemas más compactos, en muchos casos los condensadores enfriados por aire pueden equiparse con un ventilador para ventilación forzosa. Una caja térmica aislada; con un nivel de aislamiento variable dependiendo de las condiciones ambientales y de delimitación; el grosor del aislamiento, que puede hacerse con poliestireno u otros materiales aislantes, varía normalmente de 10-15 cm. La cubierta tiene que ser impermeable, especialmente en el interior, porque el agua o hielo de condensación estarán presentes en las superficies internas frías; tiene que haber un sistema de drenaje para canalizar el agua de condensación hacia fuera de la caja. En algunas condiciones, el agua puede ser evaporada usando el calor producido por el condensador externo o el compresor. Una máquina de absorción usa un par de trabajo líquido-gaseoso, es decir un fluido de trabajo que está compuesto por una mezcla de refrigerante y absorbente. Un ciclo de absorción está compuesto por cuatro o más componentes: Un desorbente en el que calor (solar) se suministra al fluido de trabajo. Este fluido aumenta su temperatura y libera el refrigerante (vapor), que fluye al condensador mientras que el absorbente obtenido circula al absorbente. Un condensador que recibe el vapor y lo condensa, mandando gotas al evaporador. Un evaporador, en el que el líquido resultante de las gotas condensadas es calentado por la carga y retorna en forma de vapor. Un absorbente que absorbe el vapor producido en el evaporador y circula la mezcla resultante hacia el desorbente. Los sistemas de absorción de simple efecto tienen un coeficiente de rendimiento de aproximadamente 0,6–0,8 sobre un ideal 1,0. Puesto que los coeficientes de rendimiento son menores que uno, normalmente se usan en aplicaciones que recuperan calor de desecho como vapor de desecho de plantas de energía o calderas. Los sistemas de absorción de doble y triple efecto (con condensadores de alta y baja temperatura y generadores) tienen mayores coeficientes de rendimiento (1,0-1,6). La refrigeración por absorción se adopta muy frecuentemente para la refrigeración solar. Para la misma capacidad, las dimensiones físicas de una máquina de absorción son más pequeñas que las de las máquinas de adsorción debido al alto coeficiente de transferencia de calor del absorbente. 139 Un ciclo de adsorción es similar al de la absorción, pero el sorbente es un sólido. Un proceso continuo requiere simultáneamente cuatro componentes que funcionan de forma alternativa. Como no hay circulación del adsorbente sólido, varios ciclos de adsorción son intermitentes y funcionan con dos componentes: Un adsorbente que funciona también como desorbente en modo de carga. Un condensador que funciona también como evaporador en modo de descarga. En comparación con los sistemas mecánicos de compresión a vapor, los sistemas de adsorción tienen la ventaja de ahorrar energía si son alimentados con calor de desecho o energía solar, un control más simple, ausencia de vibración y costes de operación más bajos. En comparación con los sistemas de absorción líquidos, los de adsorción tienen la ventaja de ser alimentados por un amplio rango de temperaturas de fuentes de calor (50-100 °C frente a 75120 °C). Los refrigeradores alimentados por energía solar se han diseñado usando diferentes pares de adsorción, como cloruro de calcio y amoníaco, zeolitas y agua o carbón activado y metanol. En este caso, el circuito de refrigeración consiste en un lecho de adsorbente sólido, un condensador y una nevera evaporadora. La actual tecnología de las máquinas de hacer hielo alimentadas por adsorción solar permite producir de 4 a 7 kg de hielo al día por m2 de colector solar con un coeficiente de rendimiento solar de entre 0,10 y 0,15. Requisitos de utilización Los requisitos de utilización para una máquina de sorción son bastante diferentes dependiendo del proceso usado. La fuente de calor común para unidades de sorción en los países en vías de desarrollo es el sol, pero también se puede utilizar la llama de gas natural, GLP y keroseno. En el primer caso, la máquina se ha de colocar en contacto directo con la radiación solar y esto puede suponer un problema para la caja aislada en la que se produce el frío. El segundo caso corresponde a los enfriadores de absorción de alimentación directa, alimentados por gas natural o GLP, que se usan tradicionalmente en aplicaciones que requieren una alta fiabilidad y continuidad de servicio en caso de fallo de alimentación. Las máquinas en las que la fuente de calor es un fluido de transferencia de calor (agua, aceite térmico, humo caliente, vapor), por otra parte, se llaman máquinas de suministro indirecto; estas son objeto de un interés renovado, porque pueden alimentarse con cualquier tipo de fuente de calor, incluyendo energía renovable o calor de desecho de un CHP. También hay sistemas híbridos que combinan sistemas de absorción de gas con un sistema de compresión de vapor. Otras nuevas tecnologías para máquinas de hacer hielo usan agua como agente enfriador en lugar de CFC (o un gas tóxico) y hielo en lugar de una batería de plomo para proporcionar autonomía; es más eficiente y transforma el calor solar directamente en frío, sin ningún paso intermedio como la conversión del sol en electricidad. Sin embargo, todas las máquinas de sorción tienen que colocarse en un espacio donde el calor producido por el condensador pueda ser disipado al entorno externo; por esta razón, las máquinas se colocan siempre al exterior. Materiales de construcción locales e indicaciones Generalmente los enfriadores de sorción accionados por calor están fabricados por empresas como componentes listos para su uso. Sin embargo, si se desea utilizar mano de obra y materiales locales, es posible ensamblar in situ la parte mecánica y eléctrica de los sistemas y la caja aislada. Normalmente no se pueden construir, o se pueden construir muy pocas, piezas mecánicas y eléctricas usando recursos locales disponibles, mientras que, en algunos casos particulares, la caja aislada del sistema se puede construir con materias primas locales. Que sea posible o no construir una máquina de sorción in situ depende por lo tanto del tipo de nevera y de sus componentes principales; por ejemplo, las máquinas de absorción son normalmente más complejas que las de adsorción. Una simple máquina para hacer hielos puede ser construida in situ más fácilmente. Las nuevas máquinas para hacer hielos solares pueden proporcionar nuevas oportunidades de trabajo, porque la población laboral local puede ensamblarlas, instalarlas y realizar su mantenimiento, también en países en vías de desarrollo. Funcionamiento y mantenimiento Los refrigeradores de sorción son fáciles de fabricar, porque no tienen, o tienen muy pocas, piezas móviles (sobre todo las máquinas de adsorción), de modo que no necesitan mantenimiento o necesitan muy poco. Puesto que no hay piezas móviles, no se requiere suministro adicional de electricidad y no hay coste de operación. 140 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos A continuación, se enumeran algunas recomendaciones de uso y mantenimiento correctos: Mantenga el condensador limpio y libre de obstrucciones. Mantenga limpia la superficie exterior del panel solar. Mantenga el congelador libre de acumulaciones de hielo. Características morfológicas y tamaño Los refrigeradores de sorción proporcionan poca potencia de refrigeración, pero son muy voluminosos, lo que hace difícil su transporte. Las características morfológicas pueden ser muy diferentes dependiendo del tipo de proceso, pero el sistema más usado está hecho con paneles solares (uno o más) y un espacio frío, que es simplemente una caja para el hielo o un espacio más grande para almacenar alimentos. Normalmente se colocan en un área exterior. También existen otras máquinas compactas, como el enfriador de sorción. Advertencias El uso de keroseno o fluidos inflamables puede resultar en graves consecuencias si no se usan correctamente; en este caso, la máquina tiene que colocarse en el exterior. Por otra parte, el uso de gas natural requiere un buen sistema de ventilación como prevención en caso de fuga. Las soluciones acuosas de agua con bromuro de litio o agua con amoníaco se caracterizan por corrosión, cristalización, alta presión de trabajo y toxicidad, que son sus principales desventajas en aplicaciones industriales. Características técnicas y económicas La principal ventaja energética de los sistemas de enfriamiento por gas es una reducción en los costes de operación al evitar las cargas punta de demanda eléctrica y las tarifas horarias. El uso de enfriadores de absorción a gas elimina el alto costo incremental del enfriamiento eléctrico. Una maquina industrial (con una capacidad de 1-5000 kW) puede costar 200-600 €/kW. Esta es la principal limitación para la adopción generalizada de los sistemas de enfriamiento de absorción. El bajo coeficiente de rendimiento de los sistemas de absorción de simple efecto los hace no competitivos excepto en situaciones de calor de desecho gratuito de fácil acceso. Las unidades de energía pequeñas (1-10 kW) pueden ser una buena solución, incluso en términos económicos, en condiciones especiales (p.ej., en países en vías de desarrollo): estos sistemas se usan normalmente para aplicaciones relativas a la salud (almacenamiento de vacunas y medicinas), ya que todavía son demasiado caras para introducirlas de forma efectiva en el mercado y para utilizarlas a gran escala. El coste de una pequeña unidad comercial puede ir de los 200 € para una capacidad de 35 l (unos 5-10 €/l). SOLAREF, una nevera de hielo solar y autónoma, cuesta unos 20-40 €/l. La vida media de las unidades de sorción es de unos 30 años (15 años en el caso de una máquina de absorción y 25 años para una de adsorción). Muestra de aplicación El proceso de sorción más generalizado en los países en vías de desarrollo es la tecnología de refrigeración de sorción de alimentación solar; se han llevado a cabo con éxito experimentos para máquinas solares de hacer hielo y refrigeradores solares en África. La Federación Nacional de Inventores Franceses (FNAFI) entregó un premio especial a SOLAREF y la Red Europea de Negocios (EBN, BIC Thesame France) le concedió un premio especial a la innovación en el mismo evento (http://www.ideassonline.org/pdf/br_46_01.pdf). La empresa SOLAREF fabrica esta tecnología y es extremadamente útil cuando no hay electricidad o el suministro de electricidad (energía) es intermitente. El desarrollo de neveras de hielo solares autónomas empezó con el CNRS en Francia durante los años 80, siguió con HEIG-VD LESBAT en Suiza a principios de 2000 y ha sido sustituida por CEAS (ONG de Suiza) en Ouagadougou, Burkina Faso, durante los tres últimos años. 141 Refrigeración termoeléctrica Descripción de la tecnología El enfriamiento termoeléctrico o Peltier es una forma de eliminar la energía térmica de un medio, aparato o componente aplicando un voltaje de polaridad constante a una confluencia entre conductores o semiconductores eléctricos desiguales. Estos son los componentes principales de un sistema de refrigeración termoeléctrico: Una caja térmica aislada con niveles de aislamiento variable dependiendo de las condiciones ambientales y de delimitación; el grosor del aislamiento, que puede hacerse con poliestireno u otros materiales aislantes, varía normalmente de 3-4 cm en unidades pequeña (1-5 litros) a 10-15 cm en minibares o refrigeradores portátiles (5-40 litros de capacidad). Uno o más elementos termoeléctricos consistentes en: - Un número variable de termopares, que consisten en dos conductores eléctricos con coeficientes Seebeck muy diferentes. El coeficiente Seebeck de un material es una medida de la magnitud de un voltaje termoeléctrico inducido en respuesta a una diferencia de temperatura a lo largo de ese material. El material usado es muy a menudo un bloque semiconductor y hasta ahora el material más conveniente para aplicaciones a temperatura ambiente es el telururo de bismuto en dopado de tipo n- y p-. - Una conexión eléctrica, que enlaza los termopares por medio de un puente de cobre. - Una aislamiento eléctrico, que inhibe el flujo de corriente en un sentido; los puentes de cobre de cada lateral están unidos térmicamente por placas de cerámica (normalmente óxido de aluminio), pero aislados eléctricamente el uno del otro. Uno o más disipador(es) de calor, que acoplan uno o más elementos termoeléctricos; la energía eléctrica usada para bombear se convierte irreversiblemente en calor y tiene que ser disipada de manera efectiva. Los elementos Peltier bombean calor reversiblemente de un lado al otro dependiendo del sentido de la corriente. Uno o más intercambiadores de calor o ventiladores, que desvían el aire calentado o enfriado. 142 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Esta tecnología proporciona una solución muy simple y fiable para enfriar, puesto que no se requieren fluidos, pero su rendimiento térmico es deficiente comparado con un sistema tradicional de refrigeración: el coeficiente de rendimiento es de tan solo 1/5 del de un sistema de refrigeración que utilice un ciclo de compresión de vapor. Además, puesto que la energía de enfriado se reduce fuertemente cuando aumenta la diferencia de temperatura entre las placas fría y caliente, no se permiten bajas temperaturas de enfriado (p.ej., congelación) y hay que garantizar un intercambio de calor óptimo para evitar problemas de funcionamiento. Esto se logra usando grandes intercambiadores de calor con ventiladores en la mayoría de los casos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la misma célula termoeléctrica puede usarse inversamente para calentar la caja aislada. Requisitos de utilización Los sistemas Peltier no contienen refrigerantes inflamables o tóxicos, así que pueden instalarse en interiores. Es especialmente importante conducir el calor (hacia y desde la célula Peltier) de forma eficiente y, por lo tanto, los intercambiadores y ventiladores tienen que mantenerse limpios y los flujos de aire tienen que ser óptimos en todo momento. Si hay altos niveles de humedad relativa, debe considerarse la instalación de un sistema de drenaje y evacuación para la condensación. En general, las soluciones CA sin almacenamiento conectadas a la red requieren un suministro de electricidad estable mientras que los sistemas aislados de la red con almacenamiento eléctrico o térmico permiten un suministro de energía discontinuo directamente en CC (p.ej., FV). No obstante, se debe llevar a cabo una valoración detallada de las condiciones de contorno para asegurar su aplicabilidad en un contexto específico. Materiales de construcción locales e indicaciones La posibilidad de construir un sistema de refrigeración termoeléctrico es bastante realista: se pueden encontrar muchos ejemplos de “neveras Peltier” de fabricación casera. Los módulos Peltier se ensamblan fácilmente in situ. Sin embargo, construir manualmente una caja aislada de calidad puede ser más complejo: el aislamiento e impermeabilidad son fundamentales para un correcto funcionamiento del sistema. Funcionamiento y mantenimiento En general, debido a la ausencia de piezas móviles que se puedan deteriorar, los elementos Peltier son muy fiables, requieren poco mantenimiento y son duraderos. Además, funcionan silenciosamente, no emiten vibraciones y son fáciles de reemplazar en caso de fallo. Sin embargo, los ventiladores (si los hay) tienen que supervisarse periódicamente para garantizar su funcionamiento y el mantenimiento correcto de los cojinetes. A continuación, se enumeran algunas recomendaciones de uso y mantenimiento correctos: Mantenga el intercambiador externo de calor limpio y libre de obstrucciones. Mantenga limpio el volumen de almacenamiento de alimentos. Características morfológicas y tamaño Los elementos Peltier son pequeños y ligeros, incluso cuando se combinan varios módulos en un elemento. Sin embargo, el tamaño de la caja aislada puede variar. Teniendo en cuenta su poca potencia de enfriamiento, la capacidad típica de los refrigeradores eléctricos varía entre 1 y 50 litros; se usan módulos más pequeños para mantener medicinas a baja temperatura, módulos medianos como refrigeradores portátiles y los más grandes como minibares. Advertencias Se deben tener en cuenta algunas advertencias de aplicación: Evite colocar el refrigerador en un lugar excesivamente caliente o cerca de fuentes de calor. Evite colocar el refrigerador en sitios expuestos de forma directa a la radiación solar o a la lluvia. Evite abrir la puerta frecuentemente y no introduzca sustancias calientes. Incluso si es posible regular los módulos revirtiendo la polaridad, al revertir el sentido de la corriente antes de que se haya ecualizado la temperatura en el elemento, el componente se expone a un estrés térmico enorme. 143 Características técnicas y económicas La potencia térmica máxima de una célula termoeléctrica es igual a 4-5 W/cm2, pero el factor limitador está relacionado con la capacidad de transferencia de calor de los intercambiadores de calor. La energía eléctrica total necesaria para los refrigeradores pequeños (con capacidades que varían entre 1 y 50 litros) es de unos 40-100 W. De media, la mayoría de enfriadores termoeléctricos no enfrían por debajo de los 10, y 5 °C puede considerarse la temperatura de refrigeración mínima alcanzable con una temperatura ambiente del aire igual o mayor que 25 °C. Las unidades pequeñas pueden conectarse directamente a las fuentes de energía de 12/24 V; de hecho, estos sistemas se usan normalmente en coches y caravanas. Las unidades más grandes, por otra parte, se alimentan normalmente a 110/230 V. Una ventaja del sistema de refrigeración termoeléctrico es que se elimina todo el sistema de enfriado, con su compresor, inductor y grandes componentes de evaporación y condensación. Sin embargo, el coste final sigue siendo un poco alto debido a la fabricación de pequeños objetos y es de alrededor 2,5 - 5 €/litro. Aún así, construir un sistema in situ puede reducir costes en más de un 50 %. En conclusión, este sistema puede llegar a tener una alta calidad si se usa en condiciones concretas: Cuando no son necesarios volúmenes muy grandes para almacenar alimentos. Para alimentos que no necesitan temperatura muy baja. Donde el enfriador puede desplazarse con facilidad. Muestra de aplicación En países en vías de desarrollo, los sistemas de refrigeración termoeléctricos se usan principalmente para almacenar medicinas. Sin embargo, es posible encontrar muchos proyectos de enfriadores termoeléctricos hechos en casa. Usando materiales simples (p.ej. madera o poliestireno) para crear la caja enfriadora, es posible construir un sistema barato que, pese a su baja eficiencia, es capaz de mantener una temperatura relativamente baja para almacenar comida. 144 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Refrigeración de olla Zeer Descripción de la tecnología La tecnología de enfriamiento con olla Zeer, también llamada olla dentro de olla, enfriador de olla de arcilla, enfriador de olla dentro de olla, nevera del desierto, enfriador de cerámica y enfriador evaporador de arcilla, es un sistema de refrigeración pasivo que consiste en dos ollas de barro de diferentes diámetros, colocadas una dentro de otra. El espacio entre las ollas se rellena de arena mojada, que se mantiene en un estado de humedad constante, manteniendo así ambas ollas húmedas. Los alimentos a conservar se meten en la olla pequeña interior, que se cubre con un trapo húmedo y se deja en un sitio muy seco y ventilado. El agua que contiene la arena entre las dos ollas se evapora hacia la superficie exterior de la olla grande, donde circula el aire seco exterior. El proceso de evaporación hace que la temperatura baje varios grados, de modo que se enfría el contenedor interior y se prolonga la vida útil de los alimentos perecederos que hay en su interior. La siguiente tabla muestra la temperatura mínima que puede alcanzarse por evaporación directa para una temperatura y una humedad relativa dadas. TEMPERATURA MÍNIMA ALCANZABLE DEBIDO A LA EVAPORACIÓN Requisitos de utilización El éxito del refrigerador olla en olla depende, en gran medida, de las condiciones circundantes. Como el aparato depende de un enfriamiento de evaporador natural, es una tecnología apropiada solamente para regiones donde que han demostrado tener una humedad relativa baja conveniente, temperaturas cálidas y un nivel suficiente de flujo de aire. Para estudiar correctamente esta tecnología, es importante cuantificar los efectos de: La humedad relativa Las características del flujo de aire La temperatura ambiente Además, el sistema de olla en olla debe colocarse en una zona sombreada y bien ventilada para evitar el calor del sol y obtener las condiciones ideales para el proceso de evaporación. Materiales de construcción locales e indicaciones Con materiales y conocimientos locales, el sistema de olla en olla se puede construir localmente. El material principal de las ollas es generalmente arcilla y pueden mezclarse con trozos rotos de viejas ollas de arcilla y agua. Dependiendo 145 de las regiones, algunos alfareros añaden paja o estiércol de burro para reforzar la estabilidad de las ollas de arcilla. El espacio entre las dos ollas de arcilla se llena de arena tamizada. Para lograr una funcionalidad óptima, la arena tiene que estar tamizada con dos tamices de diferentes tamaños de malla. Se empieza tamizando con una malla más grande para filtrar granos y piedrecillas que son demasiado grandes. Las ollas de arcilla deben estar completamente secas para poder ser utilizadas. La duración del proceso de secado depende de las condiciones meteorológicas locales (3-7 días aprox.). Se debe cubrir la olla de arcilla pequeña con una fina capa de cemento en la parte interior o exterior para impedir que el agua se disperse a través de sus poros. La abertura superior de la olla de arcilla debe cubrirse con una tapadera, una placa o un trapo húmedo doblado varias veces. Es importante destacar que, debido al considerable peso del sistema completo, se debe ensamblar la olla en olla directamente en el lugar donde se vaya a utilizar. Funcionamiento y mantenimiento Para un correcto funcionamiento, el refrigerador de olla en olla requiere un suministro de agua constante. Por esta razón, la arena entre las dos ollas debe irrigarse dos o tres veces al día en función de las condiciones climáticas. Podemos saber si la cantidad de agua es suficiente si el agua no se filtra en la arena a los pocos segundos, y si los pequeños espacios intermedios entre los granos de arena están llenos de agua. Al igual que la arena, el trapo que cubre las ollas también debe estar mojado. Como cualquier otro dispositivo para almacenar alimentos, el enfriador de olla de arcilla debe mantenerse limpio. Por lo tanto, la superficie de la olla interna debe limpiarse frecuentemente con una esponja. Características morfológicas y tamaño Este tipo de sistema es apropiado para el almacenamiento doméstico. El tamaño típico de las ollas de arcilla, hechas por trabajadores locales, es normalmente de 50 cm de ancho y 50 cm de alto. Cada artefacto puede almacenar hasta 12 kg de verduras. Es importante señalar que una forma totalmente esférica no es buena para el enfriador de olla de arcilla, porque la abertura sería demasiado pequeña para una olla interior de tamaño adecuado. Por ello, cuando la olla llega a su diámetro más ancho, es mejor dejar de amasar la arcilla y continuar construyéndola verticalmente añadiendo más arcilla. Advertencias Debido al peso de un enfriador de olla de arcilla completo, se debe ensamblar directamente en el lugar donde se vaya a utilizar. Más allá de las limitaciones respecto a las condiciones climáticas necesarias para que el refrigerador de olla en olla funcione bien, también hay una necesidad de suministro de agua continuo. En muchas regiones, puede haber prioridades de agua establecidas para otros usos, y esto dificulta que las comunidades adopten esta tecnología. Características técnicas y económicas Cada alfarero local puede hacer entre 15 y 20 ollas en un día. Un zeer cuesta de hacer unas 150 naira (un dólar aprox. en 2011), y se venden por 180-200 naira (1,20 a 1,30 dólares aprox. en 2011) según el tamaño. Muestra de aplicación El sistema de olla en olla se aplicó por primera vez en Nigeria, puesto que la falta de electricidad en la mayoría de las comunidades rurales estropeaba los alimentos en pocos días. Esta descomposición causaba enfermedades y pérdida de ingresos a los granjeros que, necesitados, se veían obligados a vender sus productos a diario. En este sentido, los sistemas de olla en olla han mejorado el bienestar de habitantes rurales con grandes resultados y alta aceptabilidad de la tecnología por parte de la gente local. Es importante señalar que una de las razones claves de su éxito en Nigeria es que el arte de la alfarería está profundamente arraigado en la cultura africana. 146 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Secado al sol y secado solar Descripción de la tecnología En el secado al sol y secado solar, la energía solar se usa como fuente del calor requerido o como fuente suplementaria. Mientras que en el secado al sol los alimentos son expuestos directamente al sol colocándolos sobre el suelo o dejándolos colgados, el secado solar hace posible acelerar el proceso de secado mediante el uso de tecnologías que aumentan la transferencia de calor entre el aire y los productos a conservar. El flujo de aire puede ser generado bien por sistemas pasivos (naturales) o por convección forzada (sistemas activos). El procedimiento de calentado podría consistir en el paso de aire precalentado (de tipo distribuido) a través del producto fresco o en la exposición directa (tipo integral) del producto a la radiación solar o una combinación de ambos (modo mixto). El calor puede ser transferido de los productos húmedos al aire circundante por convección y radiación, principalmente del sol y, en menor medida, de las superficies circundantes calientes, o por conducción de superficies calentadas en contacto con los productos. Sistemas solares pasivos Los sistemas de tecnología solar pasiva pueden dividirse principalmente en tres categorías según su función y principales componentes, del siguiente modo: Tipo distribuido pasivo o secador indirecto, que se compone de cuatro unidades básicas: un colector de aire de energía solar conectado a una cámara de secado opaca con una correcta canalización aislada y una chimenea para mejorar el ritmo del flujo de aire. El aire precalentado en un colector solar fluye a la cámara de secado para secar los alimentos. De este modo, los productos no están sometidos a radiación solar directa. 147 Secadores de energía solar de tipo integral con circulación natural, que consisten en una cámara de secado transparente, cuya función es transmitir la mayor cantidad de radiación solar incidente sobre la cosecha situada en su interior y restringir al mismo tiempo las pérdidas de radiación, y una chimenea opcional con la misma función, como un secador indirecto. Estos tipos de secadores de energía solar son más simples y económicos de construir que los de tipo distribuido para la misma capacidad de carga. No requieren estructuras elaboradas, como colectores de calentado de aire separados ni canalizaciones. Sin embargo, puesto que el ritmo de flujo en los secadores de tipo integral es relativamente menor, los índices de secado generales son limitados. Se pueden identificar dos tipos principales de sistema integral: secadores de vitrina solares pasivos y secadores de invernadero de circulación natural. El primero es una unidad pequeña, sin chimenea, que se usa principalmente para secar alimentos para uso doméstico. El secador está construido con una caja inclinada, aislada, de cristal sencillo o doble con agujeros en la base y en las partes superiores. Un secador solar pasivo optimizado de vitrina puede alcanzar temperaturas de más de 80 °C. El segundo, también llamado un secador de carpa, es más apropiado para secado a gran escala. Está construido como un invernadero con un respiradero ajustable que controla el ritmo de flujo. Aunque estos sistemas tienen una mayor capacidad para secar alimentos, una de las principales desventajas es el secado desigual dentro del secador. Un secador típico de energía solar, de modo mixto y circulación natural tiene las mismas unidades estructurales que el de tipo distribuido (un calentador de aire solar, una cámara de secado separada y una chimenea), aunque a diferencia del de tipo distribuido, las paredes de la cámara de secado son transparentes, con el fin de combinar la acción de la radiación directa del sol con el aire precalentado. Los secadores de modo mixto son más efectivos y rápidos que los otros métodos descritos arriba. 148 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Sistemas solares activos Los secadores solares activos explotan la energía solar como fuente de calor y simultáneamente controlan el ritmo del flujo de aire con ventiladores motorizados para la circulación forzada. Un secador activo es generalmente aplicable a operaciones de secado a gran escala. Es posible combinar estos sistemas con un secador convencional para calentado suplementario, para producir así un secador solar híbrido, en el que si el calor proporcionado por el sistema solar es suficiente, el aire calentado puede usarse directamente para el proceso de secado; de otro modo el secador convencional se usa para alcanzar la temperatura del aire necesaria. De modo similar a los secadores solares pasivos, estos sistemas se pueden clasificar en secadores de tipo integral, de tipo distribuido o de modo mixto. Los secadores solares activos de tipo distribuido están construidos con cuatro componentes básicos: la cámara de secado, los calentadores de aire solares, ventilador y canalización. Aunque existen diversas tipologías, todos los sistemas tienen el mismo diseño estructural y los mismos componentes básicos. Sin embargo, algunos sistemas difieren de otros por la presencia de una canalización de recirculación, que asegura una mayor temperatura del aire y mayor eficiencia. La canalización de recirculación cosiste en un tubo absorbente solar negro dentro de un tubo transparente de diámetro más grande para reducir las pérdidas de calor. Finalmente, algunos secadores distribuidos difieren en la ubicación del ventilador, que no se sitúa en el exterior, como es habitual, sino que está colocado entre el calentador de aire y la cámara de secado. Esto mantiene el colector bajo presión negativa, lo cual garantiza que las fugas y el calor adicional generado por la bomba entren dentro del sistema. Si el ventilador se coloca en la entrada de aire del colector, los detalles de construcción son menos elaborados y los componentes se pueden desacoplar del sistema para tareas de mantenimiento y reparación. En los secadores de energía solar activos de tipo integral, la unidad de recolección de energía solar es una parte integral de todo el sistema, así que no se requiere canalización especial para conducir el aire de secado a una cámara de secado separada. Se pueden identificar tres tipos de secadores solares activos de tipo integral: secadores de absorción directa, secadores de techo solar colector/pared colectora y secadores de invernadero de cámara de absorción interna. En la primera configuración, adecuada para la fabricación de secadores pequeños y grandes, los productos frescos absorben la radiación solar directamente y solo se necesitan ventiladores para controlar el ritmo de flujo de aire. 149 En la segunda, la pared (o techo) negro y vidriado de la cámara de secado actúa como colector solar. La estructura de la construcción puede considerarse un almacenamiento térmico. Finalmente, los secadores de invernadero de cámara absorbente interna consisten en una cubierta transparente dentro de la cual se dispone una cámara de secado estacionaria o rotativa, pintada de negro, que actúa como absorbente. Típicamente, los sistemas de modo mixto se fabrican con un calentador de aire solar, una cámara vidriada de secado separada y un ventilador en un secador de tipo distribuido. En tipos activos el modo mixto es bastante inusual. Requisitos de utilización Todos los secadores requieren condiciones climatológicas adecuadas, es decir, un bajo contenido en humedad, una alta radiación solar y temperaturas medias altas pueden ser parámetros favorables para mejorar el secado térmico. De hecho, si el proceso de secado es demasiado lento y las condiciones ambientales no son favorables, el contenido en humedad de los alimentos impide su almacenamiento seguro. Además, mientras que un sistema pasivo solo necesita una fuente de energía solar, los sistemas activos requieren también un suministro eléctrico para el funcionamiento de un ventilador o bomba. Materiales de construcción locales e indicaciones Todos los materiales usados en la construcción de un secador solar deben ser resistentes al calor, la humedad y la luz. En particular, los productos sintéticos deben ser resistentes a la luz ultravioleta y las altas temperaturas. El colector debe ser estanco e impermeable. Además, las superficies absorbentes tienen que ser resistentes tanto al calor como a la humedad. Los materiales clave utilizados para el desarrollo del secador solar de bajo coste son madera, cristal transparente o cualquier cubierta transparente y pintura negra. 150 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Funcionamiento y mantenimiento En el secado al sol, los alimentos tienen que colocarse sobre un trozo de tierra seco, o mejor aún, en una superficie limpia situada sobre el suelo. Si se requiere un sistema de secado (secado solar), este tiene que estar orientado para maximizar la ganancia de calor solar en función del lugar de emplazamiento de la instalación. Asimismo, las superficies transparentes deben limpiarse periódicamente para evitar pérdidas ópticas debido a superficies cubiertas. En secadores solares activos, el mantenimiento periódico de las piezas eléctricas auxiliares, como ventiladores o bombas, garantiza el correcto funcionamiento de todo el sistema. Características morfológicas y tamaño La capacidad y tamaño de cada tipo de secador varía considerablemente. Por lo general, mientras que el tamaño de los secadores pasivos permite utilizarlos tanto para la demanda doméstica (algunos metros de longitud), como el secador solar de vitrina, como para la demanda industrial (decenas de metros), como en invernadero de circulación natural, el tamaño mínimo de los sistemas activos requiere grandes espacios y grandes cantidades de alimentos. Es más, los secadores solares pasivos son normalmente más altos que los sistemas activos debido a la presencia de la chimenea. Advertencias La temperatura dentro de la cámara de secado debe ser controlada. Es importante que no se alcancen temperaturas excesivas para evitar dos problemas principales: El secado incorrecto de algunos tipos de alimentos, que se ven afectados adversamente por las altas temperaturas. El daño mecánico, debido a que se alcanza la temperatura de estancamiento en el colector solar. Características técnicas y económicas Dependiendo del tipo y tamaño, el coste de inversión inicial de las tecnologías de secado varía considerablemente. Generalmente los secadores pasivos son más simples de construir, porque no se requieren estructuras elaboradas y son más baratos que los activos (con especial referencia a los sistemas industriales, que requieren una mayor inversión). Un secador comercial de energía solar de circulación natural de modo mixto, construido con dos colectores solares y una cámara de 2 m3 cuesta alrededor de 1500 dólares. El precio depende también de la calidad de los materiales de construcción y del origen de los componentes del secador solar. Si el lugar de emplazamiento de la instalación está situado en un área remota sin acceso por carretera, el coste de transporte también puede ser significativo, hasta el 50 % del coste del equipamiento. Muestra de aplicación Ha habido numerosas aplicaciones de secadores en países en vías de desarrollo. En concreto, MS-Uganda (Asociación danesa para la cooperación internacional) junto con la Asociación para el desarrollo de escuelas infantiles Hoima, Asociación de granjeros Gukvatamanzi y sus otros socios en Uganda introdujeron secadores solares hechos localmente en los hogares y granjas de la comunidad. Los artesanos locales diseñaron y construyeron un secador de fruta con materiales básicos disponibles localmente. (http://www.inforse.org/s_e_news_art.php3?id=148) En 1995 y 1998, el Centro para la investigación de las mujeres y el Centro de nutrición y alimentación de Tanzania (TFNC) desarrollaron una de las principales aplicaciones de secador solar en un país rural. Puesto que el secador solar diseñado era muy simple de construir, no se necesitaron artesanos ni carpinteros para su ensamblaje. Además, los secadores, hechos de madera, que es un material ligero y portátil, se construían en un día. El coste de los materiales y de la mano de obra de un artesano o carpintero para un secador de madera era de aproximadamente 8000 chelines tanzanos (12 dólares), mientras que TFNC facilitó la compra al por mayor de tela o laminado de plástico negros. De media, los secadores tenían una capacidad de 1,5 kg, y se usaron para secar verduras tres veces por semana, dependiendo del tipo de verduras y de la intensidad del sol. Por ejemplo, se tarda unas cuatro horas en secar hojas de amaranto en un día soleado, pero seis horas en secar hojas de batata. Secar un kilo de verduras frescas produce aproximadamente 250 gramos del producto alimentario seco. 151 Salazón Descripción de la tecnología La salazón es un tipo natural de deshidratación osmótica. Se puede utilizar esta metodología como pretratamiento para el proceso de conservación y mejorar la vida útil del producto. La salazón es uno de los pre tratamientos más comunes y se usa principalmente para conservar pescado o carne frescos y queso o verduras; convierte los alimentos frescos en productos de larga duración al reducir el contenido en humedad y actuar como conservador. La salazón puede hacerse poniendo el alimento en una solución líquida (llamada salmuera o escabeche) o cubriéndolo con sal seca. Durante la salazón, el agua es extraída de la carne, la sal entra en los tejidos y los fluidos corporales se convierten en una solución concentrada de sal. La concentración de sal tiene una gran influencia en el índice de evaporación superficial: la salazón o adición de soluto afecta el proceso de secado por aire reduciendo el índice de difusión del agua. Además, la mayoría de bacterias, hongos y otros organismos patogénicos no pueden sobrevivir en un entorno altamente salado debido a la naturaleza hipertónica de la sal. El proceso de salazón se lleva a cabo de diferentes maneras y a diferentes temperaturas en función del tipo de alimento a conservar: El PESCADO se sala en el rango de temperatura de 0 a 38 °C. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápida es la infusión de sal y más rápido el proceso alcanza el equilibrio. La salazón seca de pescado consiste en cubrir el pescado con una fina capa de sal (0,6-1,2 cm) entre capas. Tiene la ventaja de eliminar la humedad, pero la desventaja es la absorción irregular de la sal. En el caso de la salmuera o escabechado, es mejor tratar el pescado a temperatura ambiente. Usar hielo en la salmuera es una buena manera de lograrlo, pero hay que asegurarse de que no queden restos de hielo en la salmuera final. Escabechar en una habitación fría también es un buen método para mantener las salmueras frías y es siempre recomendable para períodos de escabechado largos. La salazón de CARNE no solo contribuye a mejorar la durabilidad de los productos, sino que también es deseable desde un punto de vista higiénico. Para este fin, se usa sal pura común, bien seca o disuelta en agua. Sumergir la carne en la solución salina sirve, en primer lugar, para inhibir cualquier crecimiento microbiológico en la superficie de las carnes. En segundo lugar, la presalazón protege la carne de los insectos durante el secado: una vez sumergida en la solución salina, la carne ya no es un entorno tan atractivo para los insectos, debido a la fina capa de sal cristalina que queda en la superficie de la carne. La solución salina se prepara añadiendo la cantidad necesaria de sal común comestible (alrededor de un 14 %) al agua, removiendo bien para disolverla. Una vez disuelta la sal en el agua, se sumergen las tiras de carne en la solución, se dejan en remojo unos cinco minutos y, a continuación, se secan. El contenido de sal de la mayoría de carnes procesadas es de entre 2,5 y 5 % del producto final. Un contenido salino más alto dejaría un gusto demasiado salado. El salado del QUESO se hace con una cantidad de sal de entre 1 % y 3,5 %, dependiendo del tipo de queso. La salazón puede conseguirse añadiendo sal al cuajo antes de ponerlo en el molde o por la difusión de sal en el queso después de moldearlo, por inmersión en salmuera o por salazón seca. Las bacterias acido lácticas son sensibles a la sal y se verán gravemente inhibidas si el queso es salado antes de que la acidificación haya terminado. Para la salazón seca, la superficie del queso se frota con sal seca o una pasta de sal; para salar con salmuera, el queso se sumerge en salmuera (alrededor del 20 % de sal) a 10 o 15 °C. La sal permite que el queso madure y al mismo tiempo lo protege de las bacterias. En las VERDURAS la cantidad de jugo natural contenido en los productos determina si tienen que ser saladas en seco o en salmuera. Las verduras van en salmuera cuando no liberan suficiente jugo natural para salarse. Las verduras con muchos jugos naturales, como el maíz, las judías verdes, verduras verdes o repollo pueden salarse en seco. Las verduras como el repollo o los nabos blancos son a menudo fermentadas para darles un sabor ligeramente ácido. Es importante señalar que una menor cantidad de sal estimula el crecimiento de las bacterias que producen ácido láctico, que no solo causan fermentación, sino que impiden el crecimiento y actividad de bacterias nocivas. Requisitos de utilización Los componentes de la salazón son simplemente sal y, en caso de salmuera, agua; si se necesitan bajas temperaturas (por ejemplo, para acelerar el proceso de salar pescado), se requiere un refrigerador o simplemente hielo. El proceso de salazón no requiere maquinara o conexión a la red, pero es útil tener utensilios para medir la temperatura y humedad del entorno en el que tiene lugar el proceso y también una báscula para pesar los componentes (p.ej., para saber el porcentaje requerido entre sal y agua). Materiales de construcción locales e indicaciones El proceso de salazón puede ser usado fácilmente para la preservación de algunos comestibles en lugares que no tienen conexión a la red; se puede hacer en el exterior y solo necesita sal, agua y un lugar limpio. Funcionamiento y mantenimiento 152 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos En el proceso de salazón, se tienen que colocar los alimentos en un lugar seco y protegidos de insectos; aunque el proceso actúa para proteger los alimentos de las bacterias e insectos, estos no deben estar en contacto con la comida antes de iniciar el proceso. Puesto que no se utilizan máquinas, el mantenimiento se limita a mantener el lugar limpio. Características morfológicas y tamaño El proceso de salazón no requiere ninguna máquina, por lo que las características morfológicas y el tamaño del espacio usado dependen de la cantidad y tipo de alimento procesado. Advertencias La salazón tiene que llevarse a cabo en pocas horas: En el caso de la CARNE, cinco horas después de la matanza se produce un crecimiento microbiológico masivo, que no se puede reducir por tratamiento de sal. Al salar el PESCADO, es mejor estandarizar la salmuera a temperatura fría (1-2 °C) para alcanzar un resultado consistente y predecible, y para combatir el crecimiento bacteriano. Características técnicas y económicas El proceso de salmuera es por lo general barato. La salazón seca es muy fácil de hacer y barata, porque no se requieren estructuras elaboradas. Sin embargo, si se necesitan temperaturas bajas esto podría incrementar el coste. En este caso, es necesario hacer hielo o incluso usar un refrigerador. Muestra de aplicación Los sistemas de salazón simples se utilizan frecuentemente en países pobres. En Bangladesh, el principal método de preservar algunos tipos de pescado es el uso de sal comestible (cloruro de sodio). Los procesos de salazón son, de este modo, un pretratamiento para conservar la carne en casi todos los estados africanos y en América Latina. Concretamente, en Brasil, se ha usado durante mucho tiempo un producto llamado charqui para abastecer áreas remotas: se salan algunas piezas grandes y lisas de ternera, se apilan una encima de otra y finalmente se exponen al sol para secarlas. Después de cinco días, la carne salada está lista para el secado real. Antes de empezar el secado, se lavan los trozos de carne para eliminar el exceso de sal adherido a la superficie. Debido a su poca humedad y a su alto contenido en sal (5 % y más), el charque se mantiene meses en condiciones de temperatura ambiente y es resistente a infestaciones de insectos y crecimiento de mohos. Para poder consumir el charqui, se debe reducir la sal sumergiendo los trozos de carne en agua. 153 Ahumado Descripción de la tecnología El uso de humo para preservar alimentos es una de las técnicas más antiguas aplicadas a la carne y el pescado. Aunque el ahumado puede considerarse un pretratamiento más que un proceso de secado, el calor de la generación de humo reduce la humedad de los alimentos. La conservación de alimentos por medio de humo está relacionada con algunos de los compuestos formados durante el ahumado con efectos conservantes (bactericida y antioxidante). Por esta razón, algunos alimentos muy salados o muy ahumados pueden mantenerse sin refrigeración durante semanas o meses. Sin embargo, el ahumado tiene algunas desventajas, como la lentitud del proceso y las dificultades para controlarlo. Hay tres métodos principales de ahumar alimentos: ahumado en caliente, ahumado en frío y ahumado líquido. El ahumado en caliente expone los alimentos a humo y calor en un entorno controlado. El humo se crea haciendo un fuego o con los elementos eléctricos de un horno. Aunque los alimentos ahumados en caliente son a menudo recalentados o cocinados, son seguros para el consumo sin cocinado. Los jamones y perniles de jamón se cocinan una vez ahumados. El ahumado en caliente ocurre entre un rango de 52 y 80 °C. Dentro de este rango de temperatura, los alimentos están completamente cocidos, húmedos y sabrosos. Si se permite que el ahumador sobrepase los 85 °C, los alimentos se encogerán demasiado, se retorcerán o incluso se romperán. Por otra parte, un ahumado intensivo o prolongado puede aumentar considerablemente la durabilidad del producto, pero también tiene un efecto negativo en el sabor. El ahumado en frío es un método que requiere más tiempo (12-24 horas) y se aplica normalmente a alimentos fermentados, curados o salados, como pechugas de pollo, ternera, costillas de cerdo, salmón, vieiras y filete. Las temperaturas del ahumador para el ahumado en frío se encuentran entre 20 y 30 °C. En este rango de temperatura los alimentos adoptan un sabor ahumado, pero permanecen relativamente húmedos. El ahumado en frío no cocina los alimentos. Finalmente, los métodos más modernos de ahumado de alimentos usan preparados de humo líquido para proporcionar sabor y un abanico de métodos de secado (como el curado y la salazón) para reducir la actividad del agua en la superficie. El ahumado líquido tiene ventajas sobre el ahumado tradicional, porque se puede controlar con más precisión y el sabor de ahumado es instantáneo. 154 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Pese a que existen muchas configuraciones de ahumador dependiendo del combustible utilizado (gas, carbón vegetal o madera), generalmente todos se componen de: Una o más fuentes de calor. Un ventilador o tubo de ventilación en la parte superior. Un tiro controlable en la parte inferior. Un control termostático de la temperatura del horno. Requisitos de utilización Se tiene que utilizar un combustible apropiado según el tipo de ahumador. Si se usa madera para generar el humo, debe ser madera dura. No se debe usar pino ni otra madera resinosa, porque el humo de este tipo de madera es negro y desprende un olor fuerte. Es recomendable usar madera o serrín de nogal, manzano, ciruelo, roble, arce, fresno u otra madera no resinosa para obtener resultados satisfactorios. Además, es importante medir la temperatura de los alimentos para controlar el proceso de ahumado. Insertar un termómetro en los alimentos por un agujero en la pared del ahumador permite controlar la temperatura sin abrir la puerta. Materiales de construcción locales e indicaciones Los ahumadores que usan madera como combustible pueden construirse fácilmente usando materiales locales económicos, como ladrillos o barro. Lo habitual cuando se usan materiales locales es construir un sistema con dos cajas interconectadas: la primera se usa para quemar la madera y la segunda para almacenar y ahumar los alimentos. Los sistemas más simples, hechos con una sola caja, pueden construirse con cualquier material resistente al fuego. En cualquier tipo de ahumadores, es necesario hacer un agujero de salida para el humo. También hay ahumadores con sistemas fijos (inamovibles). Funcionamiento y mantenimiento La caja en la que se coloca el alimento y la salida de humo deben limpiarse periódicamente. Además, si se usan ahumadores de madera, la cámara de combustión tiene que limpiarse de ceniza y residuos. Características morfológicas y tamaño Los ahumadores pueden ser de diferentes formas y tamaños en función de su capacidad y tecnologías. En el mercado existen pequeños sistemas móviles y compactos, pero otras tecnologías pueden tener el tamaño de una habitación, sobre todo en los sistemas de ahumadores fijos. En estos tipos de sistemas, se construyen a menudo chimenea en forma de torre para mejorar el flujo de aire ahumado. 155 Advertencias Ante todo, sólo los alimentos de buena calidad pueden someterse al proceso de ahumado, ya que este proceso no mejora la calidad del alimento. Todo pescado ahumado tiene que almacenarse frío o envasado al vacío para prolongar su durabilidad. Además, el pescado ahumado, si no se sala y cocina correctamente, puede causar enfermedades alimentarias. Una alta concentración de humo en la comida puede alcanzar niveles nocivos para la salud humana, sobre todo si el procedimiento de ahumado se lleva a cabo bajo supervisión o control. El procedimiento de ahumado no debe llevarse a cabo en un área cerrada o mal ventilada. Características técnicas y económicas Aunque un sistema de ahumado, como un ahumador fijo, es muy barato y fácil de construir, es necesario combinar el proceso de ahumado con otras tecnologías de conservación, como curado, refrigerado o congelación. La conveniencia de este proceso depende de la disponibilidad y coste del combustible (p.ej., madera, gas o carbón vegetal). Un ahumador comercial, móvil, pequeño, con una superficie de 0,45 m2, cuesta unos 150 €. Muestra de aplicación El ahumador Chorkor se desarrolló para su uso en Ghana y ya lo han aceptado la mayoría de países de África central y del este, y se ha introducido más allá de África. El ahumador Chorkor es una muestra de innovación útil tanto para la pesca marina como para la pesca de agua dulce, porque los propios procesadores pueden adaptarlo fácilmente a las necesidades y condiciones locales. Se pueden encontrar ejemplos en las siguientes páginas: http://stoves.bioenergylists.org/parkerfishsmokers and http://tcdc2.undp.org/gssdacademy/sie/docs/vol5/improved.pdf. 156 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Curado Descripción de la tecnología El curado es una metodología usada como pretratamiento en el proceso de conservación para mejorar la durabilidad de un producto. Normalmente se usa en la carne, pero también puede utilizarse en el pescado, las verduras y las frutas. El curado se desarrolló originalmente para preservar ciertos tipos de alimentos añadiendo una combinación de sal, nitratos, nitritos y a veces aditivos. Este proceso se basa en los cambios químicos de los alimentos debidos a la presencia de los componentes del curado. La concentración de cada agente de curado depende de la naturaleza del alimento y del tipo de mezcla de curado. Mientras que la adición de sal reduce el contenido de humedad de los productos y actúa como conservante, el nitrato retrasa el desarrollo de rancidez oxidativa de manera eficaz: la oxidación lipídica es considerada la principal razón del deterioro de la calidad de la carne y productos avícolas. Además, otra función importante de los nitritos es su función como agentes bacteriostáticos y bactericidas: el nitrito de sodio es un inhibidor efectivo del crecimiento de la bacteria clostridium botulinum. El nitrato (NO3-) es normalmente suministrado por un nitrito de sodio (NaNO2) o nitrito de potasio (KNO3). Una de las propiedades más destacadas de los nitritos es su capacidad para retrasar el desarrollo de rancidez oxidativa de manera efectiva. Esto ocurre incluso en presencia de sal, que es un fuerte oxidante. Los aditivos, conocidos colectivamente como adjuntos, se usan en muchos productos cárnicos curados: ascorbatos, fosfatos, glucono-D-lactona y azúcar. Los adjuntos se usan principalmente para obtener o mantener cambios deseables, los ascorbatos en relación con el color y los otros en relación con el pH, la textura y, a veces, el sabor. También pueden afectar a la seguridad. En el caso de frutas y verduras, uno de los adjuntos más usados es el vinagre. Los componentes del curado pueden tener forma seca o líquida, y se aplican bien en la superficie de los alimentos o dentro de ellos por métodos de inyección. El método más antiguo de curado es el curado en seco, en el que los ingredientes de curado se restriegan sobre la superficie del alimento (normalmente carne). El tiempo de curado es de unos siete días para grosor de 2,5 cm y el producto debe estar sometido a temperaturas de entre 0-5 °C. Para una fórmula de curado en seco sencilla, se necesitan alrededor de 3,5 kg de sal, 1,3 kg de azúcar y 85 g de nitrato de sodio por 80 kg de alimento (alrededor del 6 %). El curado en seco con azúcar se puede usar bajo una variación de temperatura más amplia y tiene menos problemas de descomposición en condiciones de curado desfavorables. Si la mezcla de curado seco se disuelve en agua se llama salmuera o escabeche: el alimento se puede cubrir con este escabeche y este sistema es conocido como curado en agua (1 litro de agua por 25 g de mezcla de curado seco). Este método es más lento que el seco (11 días para un grosor de 2,5 cm), pero la temperatura puede ser mayor (13-18 °C). Para acelerar el curado (solo un día), se puede bombear o inyectar la salmuera en el alimento. El escabeche tiene que ser alrededor del 10 % del peso del alimento y el producto debe mantenerse entre 2-4 °C. El curado puede tener diferentes connotaciones dependiendo del alimento a conservar. En la CARNE, siempre se añaden sal y nitrato: el presalado del JAMÓN, por ejemplo, es una fase corta durante la cual se añade nitrato en forma de sal de curado (cloruro de sodio con una pequeña cantidad de nitrato de potasio para obtener una concentración final de nitrato de 150 mg/kg dentro del jamón) durante unos minutos. Sin embargo, este paso se hace normalmente solo como pretratamiento, antes del tiempo de ahumado o secado. En el PESCADO, siempre se añade sal, pero raramente nitrito; se puede añadir azúcar, concretamente al salmón. Añadir azúcar apaga el sabor de la sal y contribuye al crecimiento de bacterias benéficas como el lactobacilos, ya que las alimenta. En FRUTAS y VERDURAS, el curado no es tan frecuente; algunos de los alimentos tratables son, por ejemplo, el repollo, los pepinos y las aceitunas. Aunque algunas frutas se pueden conservar mediante curado, este método es más habitual en verduras, puesto que el sabor de muchas verduras es bastante compatible con la sal y el vinagre. Los azúcares y el vinagre desempeñan la principal función de la conservación, pero la sal se usa en el primer paso. En el escabechado, se usa generalmente vinagre en lugar de la sal o bien vinagre y sal para curar verduras, aunque algunas recetas de encurtidos requieren solo salmuera o aceite vegetal. El procedimiento de encurtido es bastante similar al del curado por salmuera, pero requiere especias especiales e instrucciones un poco diferentes; los encurtidos se producen salando las verduras en tinas, en sal para almacenamiento a largo plazo, y seguidamente se desalan (en algunos casos, este paso puede saltarse) y embotellan en azúcar y vinagre, con o sin especias. Puesto que las verduras son normalmente productos con alta acidez y alto contenido en sal, normalmente se tratan suavemente por calor para esterilizarlas o pasteurizarlas. 157 Requisitos de utilización Los componentes del curado son sal, nitratos, nitritos y a veces aditivos (ascorbatos, fosfatos, glucono-D-lactona, azúcar y vinagre). Normalmente se prefieren las bajas temperaturas (0-5 °C) (p.ej., en el curado seco), de modo que puede ser necesario un simple refrigerador o cámara fría. Además, es útil controlar la temperatura y humedad del entorno en el que se lleva a cabo el proceso. Finalmente, se necesita una báscula para pesar los componentes (p.ej., para saber el porcentaje requerido entre los componentes de curado y el agua). Materiales de construcción locales e indicaciones El proceso de curado puede usarse fácilmente para la conservación de algunos alimentos en lugares desprovistos de conexión a la red. Solo se necesitan componentes de curado y puede hacerse en exteriores, en un espacio limpio y cubierto (es importante protegerlo de la lluvia). Funcionamiento y mantenimiento En el proceso de curado, los alimentos tienen que colocarse en un área limpia, protegida de la lluvia y los insectos; aunque este proceso actúa para proteger los alimentos de las bacterias e insectos, estos no deben estar en contacto con los alimentos antes de iniciar el proceso. Puesto que no se requieren sistemas mecánicos, el mantenimiento se limita a mantener el lugar limpio. Como con todos los métodos de conservación, solo deben utilizarse productos frescos e intactos para el curado. Una vez seleccionado el alimento, debe limpiarse cuidadosamente y dejarse entero o cortarse en porciones para su conservación. Características morfológicas y tamaño El proceso de curado no requiere de ningún equipamiento mecánico, así que las características morfológicas y tamaño del espacio usado dependen de la cantidad y del tipo de alimento procesado. Advertencias El uso de nitritos en la conservación de alimentos es complejo; la cantidad de nitratos y nitritos permitida varía según los requerimientos prescritos en cada país, porque pueden ser peligrosos para la seguridad de la salud. No se recomienda el uso de nitritos a menos que esté supervisado por expertos. En caso de curado en agua, la solución de encurtido tiene que cambiarse cada siete días para impedir su degradación. En el curado de alimentos ácidos con sal puede darse descomposición, y se deben tomar las precauciones adecuadas para evitarla. Características técnicas y económicas El procedimiento de curado suele ser muy barato: el curado en seco es muy fácil de llevar a cabo y económico, porque no se requieren estructuras elaboradas, aunque si se necesitan bajas temperaturas, el coste puede aumentar. Muestra de aplicación El sencillo proceso de curado se ha empleado en países pobres desde tiempos inmemoriales. Por ejemplo, es un método extendido en el sudeste de Asia, aplicado en la conservación de carne y pescado. Antes del proceso de secado, se pretrata la carne, por ejemplo, sumergiéndola en una solución de sal o azúcar. Un ejemplo conocido es la salchicha china, que contiene una mezcla de cerdo triturado, grasa, sal, especias y azúcar. Estas salchichas se almacenan a temperaturas ambiente (10-30 °C) sin más tratamiento y necesitan varios días para transformarse en un alimento de alta duración. El azúcar reemplaza parte del agua del producto y lo hace más duradero desde el punto de vista microbiológico. 158 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Conservas caseras Descripción de la tecnología La conserva es un tratamiento térmico de productos alimenticios mediante el cual se liberan de microorganismos patogénicos. Más precisamente, la conserva casera consiste en calentar los alimentos (frutas, verduras y carnes) para matar los organismos que los degradan y almacenarlos en tarros estériles sellados. La temperatura que tiene que alcanzarse para conservar los productos correctamente depende del contenido ácido de cada alimento. Mientras que los alimentos ácidos pueden calentarse con el método del baño maría y pueden conservarse durante un largo período de tiempo en tarros sellados o botellas, para matar los microorganismos en alimentos con un pH mayor que 4,6, el alimento tiene que calentarse a temperaturas más altas de las que se pueden alcanzar mediante hervido. Esto se logra usando envasadores a presión, que calientan los alimentos dentro de botellas hasta alcanzar un punto superior al de ebullición para matar las bacterias. Cuanto mayor sea la temperatura del envasador, más fácilmente se destruyen las esporas botulínicas. El tiempo necesario generalmente para destruir bacterias en un alimento en conserva poco ácido varía de 20 a 100 minutos. El tiempo exacto depende del tipo de alimento a conservar, la forma de envasado en tarros y el tamaño de los mismos. El tiempo necesario para procesar alimentos poco ácidos con seguridad en un envasador de agua hirviendo varía de 7 a 11 horas; el tiempo necesario para procesar alimentos ácidos en agua hirviendo varía de 5 a 85 minutos. Una vez elaborada la conserva, se mete el alimento hervido en una jarra (un envase), y el jugo, jarabe o agua que se añade al alimento también se debe llevar a ebullición antes de introducirlo en los tarros. Esta práctica ayuda a eliminar aire de los tejidos del alimento, lo encoge, ayuda a impedir que flote en los tarros, además de aumentar el vacío en los tarros sellados y de mejora la durabilidad. Es necesario dejar un espacio vacío entre el alimento y la tapa para facilitar la expansión del alimento en tarros procesados y para formar vacío en tarros enfriados. El grado de expansión viene determinado por el contenido de aire del 159 alimento y por la temperatura de procesado. El aire se expande considerablemente cuando se calienta a altas temperaturas; cuanto más alta la temperatura, mayor es la expansión. Los alimentos se expanden menos que el aire cuando se calientan. El espacio sugerido es de unos 0,5 cm para mermeladas y confituras, 1,25 cm para frutas y tomates a procesados en agua hirviendo, y de 2,5 a 3 cm en alimentos poco ácidos procesados en un envasador a presión. Puesto que el tarro debe estar diseñado para garantizar la seguridad contra los microorganismos y para mantener la esterilidad de su contenido una vez procesado, también se debe calentar a temperatura de ebullición. El recipiente es un elemento esencial en la conservación de alimentos en conserva, porque una vez esterilizados los alimentos, es el que los protege de la descomposición por recontaminación con microorganismos. Para envasar los alimentos, se utilizan tarros de cristal o metal. Sin embargo, los recipientes de metal son mucho más costosos que los tarros, porque solo pueden usarse una vez y requieren un equipamiento de sellado especial. Los tarros se dividen en dos tipos según su cierre: Tarro de tapa de rosca con un sello de caucho incorporado en la tapa (p.ej., tipo Kilner). Tarro de clip, con una junta de anillo de caucho separado (p.ej., tipo Le parfait). Estos anillos sólo deben usarse una vez porque tienden a estirarse y deteriorarse durante su uso. Requisitos de utilización Los utensilios requeridos para llevar a cabo una conserva casera bien hecha son tarros y envasadores (cazuelas). Por supuesto también se necesita una fuente de calor apropiada para alcanzar la temperatura de ebullición del agua. Es importante señalar que usar el tiempo de proceso indicado para envasar alimentos al nivel del mar puede dar como resultado una descomposición si se realiza en altitudes de 300 m o más. El agua hierve a menores temperaturas con el aumento de la altitud. Las temperaturas de ebullición bajas son menos efectivas para matar las bacterias. Aumentar el tiempo de procesado o la presión del envasador compensa las temperaturas de ebullición más bajas. En altitudes menores a 300 m, se deben hervir los alimentos durante 10 minutos y añadir un minuto adicional de hervor por cada 300 m de elevación. Materiales de construcción locales e indicaciones Los tarros, sellos y envasadores a presión son fabricados generalmente por empresas especializadas. Sin embargo, la cazuela de envasado necesaria para el método de baño maría puede hacerse con mano de obra local y utilizando materiales locales, o se puede usar cazuelas de cocina. Funcionamiento y mantenimiento Antes de usarlos, se deben lavar los tarros vacíos en agua caliente con detergente y enjuagar bien a mano o lavar en el lavavajillas. A continuación, se deben sumergir los tarros limpios vacíos en suficiente agua para cubrirlos dentro de una olla o envasador grandes de agua hirviendo. Una vez hervida el agua, se sumergen los tarros en el agua hirviendo hasta el momento de rellenarlos con alimentos. Si se hace un buen uso y se cuidan, se pueden reutilizar los tarros muchas veces; se deben reemplazar las tapas usadas con tapas nuevas. Si los tarros y las tapas se usan correctamente, los sellos de los tarros y los vacíos se mantienen en buenas condiciones y los tarros raramente se rompen. Se deben examinar los tarros de cristal con cuidado antes de iniciar el procesado, porque los rasguños aparentemente insignificantes en el cristal pueden agrietar y romper los tarros durante su procesado en el envasador. Características morfológicas y tamaño Los tarros de cristal comerciales están disponibles en diferentes tamaños, por ejemplo, 200 ml, 500 ml, 700 ml y litro y medio. La abertura estándar de la boca de los tarros es de unos 3,5 cm. Un envasador comercial tiene una capacidad de siete tarros de litro. La capacidad de los envasadores a presión pequeños es de cuatro tarros de litro. Algunos envasadores grandes tienen una capacidad de 18 tarros de 500 ml en dos capas, pero siete tarros de litro. No se recomienda usar cazuelas a presión con menor capacidad de volumen para el envasado de conservas. 160 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Advertencias Las ventajas del envasado casero se pierden: cuando se parte de alimentos frescos de mala calidad; cuando los tarros no cierran correctamente; cuando los alimentos se deterioran; cuando los sabores, texturas, colores y nutrientes se deterioran por un almacenamiento prolongado. El envasado de hervidor abierto y el procesado de tarros recién rellenados en hornos, microondas y lavavajillas no es una práctica recomendada, porque no evita todos los riesgos de deterioro. Características técnicas y económicas El envasado puede ser un método de conserva de alimentos de calidad seguro y económico para uso doméstico, dependiendo de la energía utilizada para aumentar la temperatura del agua. Muestra de aplicación El envasado casero como medio de conservación de alimentos ha sido una práctica frecuente durante generaciones en todo el mundo. Es una manera excelente de conservar la frescura de los alimentos y de aumentar su tiempo de conservación. 161 Envasado al vacío Descripción de la tecnología El envasado al vacío es un proceso que aumenta la durabilidad de los alimentos. El producto es colocado en un paquete hermético, se aspira el aire y se sella el paquete. Al eliminar el aire alrededor del producto, se reducen los niveles de oxígeno en el embalaje, y se impide que crezcan los microorganismos aerobios y que degraden el producto. La falta de oxígeno también reduce la cantidad de deterioro debido a la oxidación. Este sistema es sumamente conveniente para pueblos rurales y pequeñas ciudades en muchos países en vías de desarrollo. Este método tradicional probado funciona satisfactoriamente, porque durante el corto período entre la matanza y el consumo los microorganismos no pueden crecer hasta el punto de degradar el alimento y hacerlo incomestible. Para el envasado al vacío, se necesitan los siguientes elementos: 1) Una máquina de vacío, que está compuesta generalmente de: Una cámara de vacío con una tapa desmontable, que permite colocar la bolsa de vacío dentro de la cámara. Una bomba de vacío impulsada eléctricamente, que evacua la cámara: al cerrar la tapa, el aire se extrae de la cámara y también de la bolsa abierta. También se pueden construir máquinas de vacío simples con una bomba de vacío manual o mecánica. En este caso, la capacidad de vacío y la calidad de sellado son difíciles de controlar. Se pueden usar para ciertos alimentos, como café, frutas o verduras. El rango de presión absoluta usado en sistemas de conservación de alimentos por vacío es de unos 10-1-102 Pa (101 kPa es la presión atmosférica ambiente). Una bomba de vacío industrial accionada eléctricamente trabaja a 40 kPa mientras que una máquina de vacío pequeña accionada eléctricamente (de función doméstica) trabaja a 75 kPa. Un aparato de termosellado eléctrico, que cierra la bolsa herméticamente mediante sellado térmico mientras está en la cámara de vacío. Los selladores de vacío se dividen en tres tipologías: Sellador de cámara de vacío (comercial, figura superior). Sellador de vacío externo (comercial + Snorkel, figura del medio). Sellador de vacío externo (uso doméstico – figura inferior). 2) Una bolsa de vacío con gran resistencia al oxígeno, vapor de agua y pinchazos, y alta resistencia en las junturas. Normalmente también es resistente a roturas por tirones y tiene diversas capas. Las películas de PVC, polietileno (PE) o polipropileno (PP) tienen una permeabilidad al oxígeno relativamente mayor, mientras que las películas de cloruro de polivinilo (PVDC), poliéster (PETP), poliamida (PA) y celulosa (ZG) son menos permeables o casi impermeables al oxígeno. Sin embargo, los materiales del primer grupo son usados frecuentemente como laminados con materiales del segundo grupo para lograr efectos especiales relacionados con la resistencia mecánica, las propiedades de termosellado o para que el paquete sea prácticamente impermeable tanto al oxigeno como al vapor de agua. Estas características pueden variar en función de la cantidad de humedad en los alimentos. Para la mayoría de los alimentos sólidos, reducir la presión a 0,5-5 kPa y sellar la bolsa dará como resultado un paquete perfectamente sellado. A 5 kPa, se elimina cerca del 95 % de la atmosfera; a 0,5 kPa se va cerca del 99,5 % del aire dentro de la cámara y del envase. Los alimentos frágiles que pueden romperse por la contracción de la bolsa pueden sellarse para almacenaje a 20-50 kPa. Las bolsas de vacío para bombas de vacío manuales son bastante diferentes: no se sellan por calor, sino sólo por presión y normalmente hay un agujero en la bolsa dentro de una junta de plástico que impide que el aire entre durante y después de la acción de la bomba. El proceso de envasado al vacío puede usarse para conservar alimentos con o sin otros procesos (p.ej., refrigeración). La durabilidad de un producto envasado al vacío cambia considerablemente: por ejemplo, alimentos curados (como las salchichas chinas) pueden tener una durabilidad de 2 a 3 meses a temperatura ambiente o de 4 a 5 meses si se envasan al vacío. El tiempo de almacenamiento varía así según las tipologías de los alimentos y las combinaciones de 162 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos procesos. El envasado al vacío con refrigeración, comparado con la simple refrigeración, multiplica por dos el tiempo de conservación (valores medios). Después del proceso de embalado al vacío, los alimentos secos, como pan, arroz, pasta y café, se almacenan generalmente a temperatura ambiente (de 23 a 27 °C), mientras que la carne, pescado, queso, frutas y verduras, que contienen humedad, se almacenan a baja temperatura (de 3 a 7 °C). Requisitos de utilización Las máquinas de vacío se colocan normalmente en interiores o, como mínimo, en un espacio protegido. Estas máquinas requieren del suministro de energía, normalmente electricidad, para funcionar. No es necesaria una conexión a la red estable, porque la maquina no funciona continuamente: se pueden emplear sistemas de energía renovables como FV para proporcionar la electricidad. Las máquinas pequeñas y medianas funcionan a 110-220 V. La una bomba de vacío manual no necesita energía. Materiales de construcción locales e indicaciones Las máquinas de vacío suelen fabricarse como componentes listos para su uso. Debido a sus características físicas y químicas, las bolsas de vacío no se hacen fácilmente in situ. Sin embargo, si se quiere usar mano de obra y materiales locales, es posible ensamblar la parte mecánica y eléctrica de los sistemas in situ, además de la cubierta. No es posible construir piezas mecánicas y eléctricas usando recursos locales disponibles, concretamente, los componentes de la máquina de vacío (bomba y sellador). Sin embargo, estos componentes se pueden reducir a una bomba de vacío manual, más fácil de ensamblar, y una bolsa de plástico. Es necesario señalar que los sistemas simplificados no preservan los alimentos tanto tiempo como las bombas de vacío accionadas eléctricamente. Funcionamiento y mantenimiento Cada vez que se usa la máquina, se necesita una nueva bolsa. Las máquinas y bombas manuales y de pequeño tamaño requieren muy poco mantenimiento y, cuando se rompen, no vale la pena repararlas. A continuación, se enumeran algunas recomendaciones de uso y mantenimiento correctos para las bombas de vacío medianas y grandes: Compruebe el nivel de aceite a diario. Compruebe el filtro de entrada semanalmente. Limpie el filtro de aceite mensualmente y cámbielo con cada cambio de aceite. Cambie el aceite después de 500 horas de operación (primera vez) y 1000 horas de operación o seis meses después. Mantenga las aletas del motor limpias y libres de obstrucción. Características morfológicas y tamaño Las máquinas de vacío son productos compactos. Su capacidad y tamaño varían debido principalmente a la bomba de vacío utilizada. El peso de estas máquinas con una bomba de vacío accionada eléctricamente varía de 0,5 kg a 200 kg (pero las máquinas industriales pueden exceder los 300 kg) y las dimensiones comunes no sobrepasan 1 m3. Los selladores de vacío externos también vienen en diferentes tamaños; las máquinas pequeñas, como la de la fotografía (de 2 a 5 kg), son preferibles para uso no industrial. 163 Advertencias Hay que tener en cuenta algunas advertencias de aplicación: Evite colocar la máquina de vacío en una habitación potencialmente explosiva. Tenga cuidado con el aceite humeante o con las bombas muy calientes. Tenga cuidado de hacerse daño en las manos con el sellador. Características técnicas y económicas Las bombas de vacío manuales cuestan de 5 a 10 €y las bolsas de vacío, unos 20 € (15 bolsas). Para un uso constante, las bombas de vacío manuales no son baratas. Las máquinas pequeñas con selladores de vacío externo para consumo doméstico cuestan de 50 a 100 € y las bolsas se venden en rollos (5 a 10 € = 18 bolsas de 5x28 cm). Este sistema es más económico a largo plazo y técnicamente mejor que el proceso de bomba de vacío manual. Sin embargo, una máquina de vacío “industrial” con una bomba de vacío accionada eléctricamente y un dispositivo de sellado calentado eléctricamente cuesta de 500 a 800 € con una potencia de motor de unos 400 W (1.7 €/W) y una potencia de sellado de 700 W. El coste de la energía depende del número de veces que se usa, ya que no requiere un funcionamiento continuo. Para una familia, el consumo de energía será bajo, porque el proceso se usará pocas veces al día. Muestra de aplicación A partir de un proyecto en Uganda, Matoke fresco envasado al vacío (FREVASEMA: www.afribananaproducts.com), se ha empezado a envasar matoke pelado (una clase de plátano pequeño), y se ha conseguido aumentar su durabilidad en más de un mes: durante la producción, se envasa y sella el producto al vacío en una bolsa de plástico (de acuerdo con grados alimentarios domésticos e internacionales). Durante el transporte, el producto se enfría o congela dependiendo de la durabilidad del producto. A diferencia del matoke, que se exporta y se consume actualmente en Uganda, este producto tiene una durabilidad de más de seis meses si se congela (-4 a -18 °C) y un mes si se enfría (0 a -4 °C). 164 Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos SALAZÓN Tablas comparativas Fortalezas Se puede llevar a cabo totalmente con materiales locales y conocimientos Proceso simple Coste bajo o nulo Ningún consumo de energía Propiedades de la comida y durabilidad mejorados CURADO Proceso simple Coste bajo o nulo Ningún consumo de energía Propiedades de la comida y durabilidad mejorados Debilidades Oportunidades Después de salarlo, Fácil difusión en se debe almacenar costumbres locales Necesidad de controlar las condiciones físicas (temperatura y humedad) para garantizar la transformación química adecuada de la comida Imposibilidad de regular el proceso A veces es un proceso largo Modificación de las propiedades físicas, químicas y nutricionales de la comida La cantidad incorrecta de sal no prolonga la durabilidad de la comida Después de curarlo, se debe almacenar Necesidad de controlar las condiciones físicas (temperatura y humedad) para asegurar la transformación química adecuada de la comida La cantidad incorrecta de nitrato podría ser peligrosa para la seguridad sanitaria A veces es un proceso largo Amenazas Alta temperatura ambiental Ubicación lluviosa Contenido de humedad del aire Alta temperatura ambiental Ubicación lluviosa 165 COMPRESOR DE VAPOR SORCIÓN Debilidades Se monta localmente Posibilidad de alimentación directa por un sistema fotovoltaico Poco o ningún efecto en el sabor o la textura de la comida Eficiencia elevada Posibilidad de alcanzar temperaturas muy bajas Posibilidad de congelación Pocas partes móviles o ninguna y de fabricación sencilla Se pueden usar diferentes fuentes de energía (calor residual, energía solar y térmica o combustibles tradicionales) Varios prototipos de fabricación propia en países en vías de desarrollo Poco o ningún efecto en el sabor o la textura de la comida Costes más bajos que el compresor de vapor Puede funcionar con fuentes de calor de temperaturas relativamente bajas Fortalezas Oportunidades Oportunidades Absorción de Gestión de comida Pocas energía y posible ahorro en oportunidades relativamente alta costes económicas Coste medio-alto Requiere uso adecuado por el Se necesita energía usuario eléctrica Producción de calor hacia el medio ambiente externo Consumo de energía (sol o combustible; no electricidad) Los fluidos inflamables podrían resultar en fuegos y quemaduras Si se usan fluidos con queroseno o fluidos inflamables, el aparato debe estar situado en el exterior Coste medio-alto Rendimiento relativamente más bajo que el compresor de vapor La temperatura máxima de enfriamiento está limitada a 30 °C por debajo de la temperatura del aire en el exterior Se pueden usar distintas fuentes Gestión de comida y posibles ahorros en costes Alta posibilidad de usar fuente de energía solar Ubicación nubosa (si se usa energía solar) Exposición al sol y estación calurosa Requiere uso adecuado por el usuario Alta temperatura ambiental 166 OLLA EN OLLA TERMOELÉCTRICO Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Fortalezas Sistema portátil ligero Montaje local Poco mantenimiento Compacidad y durabilidad No usa refrigerante inflamable o tóxico Efecto bajo o nulo en el sabor o la textura de la comida Posibilidad de alimentación directa por un sistema fotovoltaico Costes más bajos que el compresor de vapor Explotable para calefacción y refrigeración Se puede construir totalmente con materiales locales y conocimientos Muy fácil de usar Ningún consumo de energía No requiere componentes mecánicos Coste de construcción muy bajo Debilidades Oportunidades Menor rendimiento Gestión de comida que otros sistemas y posibles ahorros de refrigeración en costes Consumo de energía Se necesita energía eléctrica La temperatura máxima de enfriamiento está limitada a 30 °C por debajo de la temperatura del aire en el exterior Aplicable solo a sistemas pequeños Amenazas Exposición al sol y estación calurosa Requiere uso adecuado por el usuario Alta temperatura ambiental Imposibilidad de controlar la temperatura interior Baja diferencia de temperatura entre el entorno externo y la olla interna Suministro continuo de agua necesario Conservación fuera de casa Gran disponibilidad de materiales de construcción Sin acceso a sistemas de energía limpia y asequible La producción podría convertirse en una actividad de subsistencia para la gente local Difusión en las costumbres locales Aceptabilidad Disponibilidad de desperdicios Contenido de humedad en el aire Ubicación nubosa y lluviosa Escepticismo con respecto a la funcionalidad 167 CONSERVAS ENVASADO AL VACÍO Fortalezas Sistema portátil ligero Sencillo de hacer No dependiente de las condiciones atmosféricas Equipo de bajo coste No requiere componentes mecánicos Amenazas Aceptación del usuario Debilidades Oportunidades Se necesita fuente No afectado por de energía para condiciones llevar el agua a atmosféricas ebullición Se necesitan tarros sellados Modificación en las propiedades físicas, químicas y nutricionales de la comida Consumo de combustible Consumo de Después del No afectado por energía bajo o nulo envasado, debe condiciones almacenarse en atmosféricas (o Muy fácil de usar lugar apropiado muy poco) Poco para comida mantenimiento Imposible de Coste bajo-medio construir in situ No dependiente de Los envases de las condiciones vacío se pueden atmosféricas y desechar locales Mayor durabilidad sin cambios nutricionales en la comida Efecto bajo o nulo en el sabor o la textura de la comida Aceptación del usuario 168 SECADO AL SOL Y SOLAR Fichas técnicas: tecnologías de conservación de alimentos Fortalezas Consumo de energía bajo o nulo Construcción sencilla y posibilidad de realizar el proceso localmente Poco mantenimiento Los sistemas pequeños pueden ser portátiles Varios prototipos de fabricación propia en países en vías de desarrollo Amenazas Contenido de humedad en el aire en la ubicación Ubicación nubosa y lluviosa AHUMADO Debilidades Oportunidades Modificación de Secar la comida propiedades físicas, podría convertirse químicas y en una actividad de nutricionales de la sustento para las comida mujeres Dificultad para regular la velocidad de secado Lleva mucho tiempo secar la comida Se debe rehidratar la comida antes del consumo Después del secado, se debe almacenar en un lugar apropiado El uso depende del clima El proceso hecho manualmente puede dar un resultado inexacto Es un proceso largo Se pueden hacer En los ahumadores ahumadores comunes, se fácilmente usando necesita materiales locales combustible baratos Dificultad para El ahumado controlar el imparte un aroma y proceso un color atrayentes Es un proceso largo a algunos Después del alimentos ahumado, se debe Se pueden usar almacenar en un distintas fuentes de lugar apropiado energía para la comida Riesgos elevados de fuegos y quemaduras Portabilidad muy limitada El proceso hecho manualmente puede dar un resultado inexacto Contenido de humedad en el aire en la ubicación Una alta concentración de humo en la comida puede alcanzar niveles peligrosos para la salud humana 169 6.10 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Generadores a motor de combustión interna Descripción de la tecnología Los generadores a motor de combustión interna convierten la energía mecánica en energía eléctrica mediante la combustión de carburante. Hay disponible una gran variedad de generadores accionados por motor, desde unidades portátiles con capacidad para abastecer unos cientos de vatios de potencia hasta unidades de multimegavatios enormes con capacidad para abastecer energía eléctrica a una ciudad pequeña. La creciente demanda de suministros de energía autónomos ha fomentado avances en tecnología y, por lo general, precios más bajos, concretamente en el mercado de generadores portátiles. A efectos de campamentos de refugiados y PDI, la atención se centra principalmente en aplicaciones de generadores de tamaño pequeño o mediano. La mejor forma de clasificar los motores de combustión interna es hacerlo según el tipo de carburante que usan: Motores de gasolina: son los motores más conocido. Mientras que los motores de cuatro tiempos llevan el aceite lubricante en el cárter del motor, separado de la cámara de combustión, los motores de dos tiempos mezclan el aceite lubricante en el carburante, lo que explica en parte sus más altos niveles de emisiones nocivas. Independientemente del ciclo del motor: - Para la combustión de gasolina, se necesita un sistema de ignición de tipo bujía. La gasolina se introduce en el motor mezclada finamente con aire a una razón de 15:1 mediante un carburador (común a los motores pequeños) o por inyección de carburante. - La gasolina es clasificada por octanos, una medida de la calidad de ignición del carburante. Cuanto más alto el número del octano, más controlado es el índice de combustión (combustión menos explosiva). - La gasolina es un carburante bastante volátil y almacenarla en grandes cantidades puede presentar problemas. La durabilidad de la gasolina es normalmente de seis meses antes de que empiece a degradarse. Motores diésel: no requieren una ignición de tipo bujía, porque el carburante diésel es inyectado en el aire comprimido en la cámara de combustión, donde prende espontáneamente. Para suministrar el calor para la combustión, un motor diésel ejecuta un índice de compresión mucho más alto que el del motor a gasolina. Como resultado: - Su construcción tiende a ser mucho más pesada y suelen tener una vida más larga que los motores gasolina de la misma potencia. - Tienden a ser considerablemente más eficientes en términos de consumo de carburante que los motores de gasolina, y requieren menos mantenimiento. Otras características: - La gran mayoría de motores diésel son de cuatro tiempos. - El carburante diésel es más pesado y menos volátil que la gasolina, y se almacena bien durante períodos de hasta dos años en climas templados. - El carburante diésel es clasificado por el número de cetano, una medida de la calidad de ignición del carburante que influye en el arranque, así como en la brusquedad de la combustión. 170 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Motores de gas: la mayoría de los motores de cuatro tiempos encendidos por bujía pueden transformarse para funcionar con carburantes gaseosos comunes, incluyendo propano líquido (PL) y gas natural (metano), con relativamente poca modificación. El gas natural solo está disponible a través de una infraestructura de gaseoductos, por lo que no es conveniente para la mayoría de aplicaciones aisladas de la red. El PL es el carburante más adecuado para usos en aplicaciones aisladas de la red. Quema limpiamente, por lo que se producen menos emisiones nocivas que la gasolina o el diésel, y se almacena bien en tanques o cilindros a presión especializados. Sin embargo, todos los carburantes gaseosos tienen una densidad energética menor que la gasolina. Es decir, si se transforma un motor de gasolina para funcionar con propano, tiene que desclasificarse en un 15 %. En otras palabras, un generador clasificado para una potencia de 5 kW en gasolina solo es capaz de proporcionar una potencia de 4,25 kW cuando se alimenta con LP. La mayoría de generadores accionados por motor producen CA. La frecuencia que produce un generador está determinada por la velocidad de rotación (RPM del motor) y el número de polos eléctricos (p) en el rotor. Un rotor de dos polos requiere una velocidad de rotación de 3000 RPM para producir una frecuencia estándar de 50 Hz (CA). Similarmente, un generador de cuatro polos necesita rotar a la mitad de esa velocidad, o 1500 RPM, para producir una frecuencia de 50 Hz. A continuación, se expresa mediante una ecuación: 𝑓(𝐻𝑧) = 𝑝 ∙ 𝑅𝑃𝑀 120 La velocidad del motory, por lo tanto, la frecuencia de salida, es controlada por el regulador, que puede ser: Regulador de tipo mecánico: que típicamente depende de un sistema de pesos y muelles que trabajan unos contra otros para lograr un equilibrio dinámico. Aunque esto ocurre con bastante rapidez, todavía se aprecia un lapso de tiempo y, en cierto modo, es más difícil de mantener una regulación de frecuencia precisa. Regulador de tipo electrónico: que controla constantemente las RPM del motor y puede responder mucho más rápidamente a los cambios de carga. También mantiene un control de frecuencia mucho más ajustado, lo cual puede ser importante para aparatos electrónicos muy sensibles. En general, los reguladores electrónicos se encuentran solo en generadores estacionarios más grandes. La gran mayoría de generadores pequeños son unidades de fase única, ya que los domicilios residenciales son normalmente de fase única, de voltaje (CAV) 120 y 240 CAV disponibles. Por otra parte, un sistema de tres fases CA tiene tres circuitos individuales o fases y se encuentra habitualmente en marcos industriales, donde se inician grandes cargas. La potencia trifásica se encuentra típicamente en los grandes generadores y muy raramente en unidades de índices de salida de menos de 10 kW. Requisitos de utilización El segundo criterio a la hora de seleccionar un generador a motor son las condiciones de utilización: Si se va a transportar el generador de forma manual por un terreno difícil, es recomendable utilizar un modelo portátil a gasolina, puesto que la prioridad es un modelo ligero alimentado por carburante fácil de manejar (figura de la derecha). Si se piensa en una aplicación semipermanente, puede ser mejor utilizar un motor diésel eficiente. Este tipo de motor, aunque es considerablemente más pesado, tiene un intervalo de servicio mucho más largo y produce más energía por litro de carburante usado. Si lo que preocupa son las emisiones de escape, la mejor opción puede ser una unidad alimentada con propano, porque produce el tipo de emisiones menos tóxicas de todos los combustibles de hidrocarburo y, equipada con un sistema de escape catalítico, emite una polución bastante benigna. 171 Independientemente del tipo de generador a motor elegido, se recomienda acudir a un fabricante reconocido. Los generadores económicos tienden a tener mucha menos fiabilidad y una eficiencia menor. Además, suelen ser más ruidosos, emiten más vibraciones y producen un voltaje y frecuencia menos estables que las unidades de calidad superior. Normalmente los requerimientos de energía eléctrica para una aplicación aislada de la red tienden a ser bastante modestos, de modo que se necesita solo una pequeña fracción del voltaje nominal del generador. Así, es poco práctico operar un generador con una potencia de varios miles de vatios de forma continua para sustentar solamente cargas pequeñas y/o intermitentes. No solo es enormemente ineficiente, sino que el almacenamiento y el mantenimiento se convierten en una preocupación. Una solución más eficiente es operar el generador solo cuando es necesario para recargar un sistema de baterías y/o abastecer energía para cargas intermitentes grandes. Con unas dimensiones apropiadas, el sistema de baterías puede absorber la capacidad total de salida del generador mediante un cargador de batería (ver figura). Además, cuando se combina con una o varias tecnologías renovables (FV o eólica), el tiempo de funcionamiento del motor puede reducirse aún más, y se puede ahorrar así combustible y extender la vida de la batería. Funcionamiento y mantenimiento Hay que tener en cuenta varias notas prácticas a la hora de instalar un generador a motor de combustión interna: Emplazamiento de la instalación: la fuente de energía debe estar situada a una distancia significativa de las cargas. La corriente CA viaja bastante bien a largas distancias con caída de voltaje mínima. Aumentar el voltaje mediante un sistema transformador o aumentar el tamaño del conductor reduce la cantidad de caída de voltaje. Periodos de mantenimiento: los generadores a motor requieren mantenimiento cuando se alcanzan determinadas horas reglamentarias de funcionamiento, concretamente: o Cambio de aceite: la mayoría de los generadores portátiles necesitan un cambio de aceite en el motor. Esto es más frecuente en lugares donde hace calor: - Por debajo de 35 °C: cada 250 horas. - Por encima de 35 °C: cada 125 horas. o Limpieza o cambio de filtro de aire: más frecuente en lugares donde hay polvo: - Aire limpio: cada 500 horas. - Polvo moderado: cada 125 horas. - Mucho polvo: se ha de comprobar a diario. o Drenado y cambio de filtros de combustible: todos los carburantes deben estar limpios y libres de agua. El agua entra en el carburante de varias formas: condensación, tapas y racores sueltos. Esto es más frecuente en lugares si la calidad del carburante es mala: - Carburante limpio: cada 500 horas. - Carburante sucio: cada 250 horas. o Revisión: cada 10000 horas de funcionamiento, es recomendable hacer una revisión general de todo el motor. Toma de tierra: la toma de tierra tiene que estar enlazada a toda caja eléctrica metálica o recinto de componentes, receptáculo y marco de metal expuesto. La mayoría de generadores a motor proporcionan un punto de toma de tierra claramente identificado. Protección contra las sobrecargas: es necesario incorporar una adecuada protección del circuito. Los disyuntores y fusibles sirven para proteger el equipamiento, proporcionar seguridad y permitir un mantenimiento del sistema más sencillo. Se suelen preferir los disyuntores, porque se pueden restablecer; por el contrario, los fusibles fundidos se tienen que reemplazar. Características morfológicas y tamaño Con un peso específico medio de 20 kg/kW para motores de tamaño pequeño (de 2 a 10 kW), el peso de un generador a motor de combustión interna es bastante alto, por lo que se debe considerar este aspecto en las fases de transporte e instalación. Con relación al tamaño específico, puede ser aproximadamente de 0,05 m 3/kW, lo cual proporciona un alto volumen de densidad de potencia de 20 kW/m 3 a esta tecnología energética. Advertencias Instalar sistemas de generadores a motor de combustión interna conlleva peligros potenciales. La posibilidad de una descarga eléctrica es bastante alta. Los generadores pueden causar electrocuciones. Las piezas móviles, como ventiladores y correas, pueden causar lesiones mecánicas. Las emisiones de escape son tóxicas y pueden conducir a asfixia en espacios cerrados. Características técnicas y económicas En esta ficha técnica, el motor de combustión interna se refiere a cualquier motor que utilice la combustión de un carburante para empujar un pistón dentro de un cilindro. Este movimiento recíproco se transforma en un movimiento más útil de rotación mediante el cigüeñal. Finalmente, la energía mecánica es convertida en energía eléctrica por el generador acoplado al cigüeñal. 172 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Los motores se clasifican generalmente por caballos de vapor a una altitud especifica (1 caballo de vapor equivale a 746 vatios) y la potencia tiene que desclasificarse para aumentos de elevación en un 2 % por cada 300 m sobre el nivel del mar. En relación a la eficiencia de conversión de energía de combustión a energía eléctrica, dado que un litro de carburante diésel transporta un contenido energético de unos 10 kWh, un generador de energía producirá entre 2,5 y 4 kWh por litro. Así, las eficiencias de conversión de los motores de combustión interna van del 25 % al 40 %. Estos son los costes clasificados de un generador a motor de combustión interna pequeño: - Costes de instalación: de 400 a 600 €/kW. - Costes de funcionamiento: de 0,30 a 0,45 €/kWh (suponiendo que el precio del carburante sea de 1 a 1,2 €/l). - Costes de funcionamiento y mantenimiento: 0,05 €por cada hora de funcionamiento. - Costes de renovación: alrededor de 15 % del coste de inversión. - Costes de reposiciones: la vida de los generadores de motor es bastante corta, a unas 20000 horas de funcionamiento (para unidades diésel). Por consiguiente, si el generador es un componente de un sistema de energía más complejo con una vida esperada más larga, hay que tener en cuenta una o más reposiciones del generador a motor. En resumen, se considera que los generadores a motor de combustión tienen una alta fiabilidad, siempre que se cumplan unos requisitos de mantenimiento mínimos. 173 Microplantas de energía hidroeléctrica Descripción de la tecnología Las microplantas hidroeléctricas son pequeñas plantas de generación de energía, entre 10 kW y 100 kW, que transforman la energía potencial de agua que va de elevaciones más altas a otras inferiores en energía mecánica o eléctrica. Una microplanta hidroeléctrica puede proporcionar energía mecánica directamente desde su turbina o producir electricidad desde un generador acoplado a la turbina. La energía generada puede usarse para electrificación, proceso de poscosecha de productos agrícolas o pequeñas aplicaciones industriales en áreas remotas. Esta tecnología simple y madura puede aplicarse fácilmente para generar energía para pueblos rurales, campamentos de refugiados y militares situados en áreas con recursos de agua disponibles. Casi todas las microplantas de energía hidroeléctrica son de agua fluyente, tal y como se muestra en la figura. En el plano agua fluyente, una parte de la corriente del río es desviada a un canal y tubería, y seguidamente a través de una turbina. Este plano no detiene la corriente del río. Las ventajas de este trazado son que es simple, puede construirse localmente a bajo coste y ofrece fiabilidad a largo plazo. El uso de la tubería (p.ej., PVC), para desviar agua del río principal y transportarla a la turbina microhidroeléctrica es conocido como sistema de desvío cerrado. Por el contrario, en un sistema de desvío abierto (p.ej., canal), el agua es expuesta directamente a la gravedad a lo largo de todo el sistema de desvío. Estos son los principales componentes de una planta microhidroeléctrica: Una presa de entrada, que puede extraer agua del río de forma fiable y regulada. Un canal, que consiste en una estructura diseñada para crear una cabeza a través de la cual cae el agua y también conducir el agua desde la entrada hasta el tanque de presión. Una cuenca de asentamiento usada para asentar las partículas en suspensión y descargarlas en el agua sacada del río. Aliviaderos, que son estructuras diseñadas para permitir un rebose en ciertos puntos a lo largo del canal. Un tanque de presión, que forma la conexión entre el canal y el conducto. Un conducto, que es la tubería que transmite el agua bajo presión desde el tanque de presión hasta la turbina. Un canal de descarga usado para descargar agua de vuelta al río. Una turbina, usada para convertir la energía del agua descendiente a energía para hacer girar el eje. Un sistema de tracción, que transmite energía desde el eje de la turbina hasta el eje del generador o hasta un eje que alimente otros aparatos. También tiene la función de cambiar la velocidad de rotación de un eje a otro 174 Tecnologías para la generación de energía eléctrica cuando la velocidad de la turbina es diferente a la velocidad requerida del alternador o aparato. Un sistema eléctrico, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Esto consiste en un generador y un panel de control. Estos son los cuatro tipos de turbina estándar más adaptables a sistemas microhidráulicos: Turbina de acción pequeña (p.ej., turbina Pelton). Turbina tipo Francis pequeña (p.ej., turbina Samson vertical). Turbina de hélice pequeña. Turbina de flujo cruzado (o Banki). La clasificación de los tipos de turbina se resume en la siguiente tabla: Tipo de turbina Cabeza disponible Alta (H>150 m) Impulso Reacción Media (20≤H ≤50) Baja (2 ≤H ≤20) Pelton Flujo cruzado Flujo cruzado (Mitchel/Banki) (Mitchel/Banki) Turgo Turgo Multi-jet Pelton Multi-jet Pelton - Francis Bomba como turbina (PAT) Hélice (flujo axial) Kaplan (hélice modificada) Comparadas con las turbinas de reacción, las turbinas de acción son más convenientes para microaplicaciones hidráulicas debido a su mayor tolerancia a la arena u otras partículas en el agua, un mejor acceso a los componentes de funcionamiento, falta de sellos de presión alrededor del eje, facilidad de fabricación y mantenimiento, y mejor eficiencia de flujo de componentes. La figura siguiente muestra algunos tipos comunes de turbinas de acción para microplantas hidráulicas. Existe un diseño alternativo para microturbinas hidráulicas que usa bombas estándar como turbinas (BCT). Esta opción puede ayudar a minimizar los costes de inversión iniciales para una microplanta hidráulica. Las principales ventajas de usar bombas estándar como turbinas para microplantas hidroeléctricas en comparación con las turbinas hidroeléctricas estándar son: La bomba integral se puede comprar para usarla como set de turbina y generador. Disponible para un amplio abanico de cabezas y caudales. Un gran número de tamaños estándar disponibles. 175 Las BCT tienen una eficiencia competitiva máxima si se las compara con las turbinas convencionales. Económicamente son más viables que las turbinas convencionales, debido a la fabricación masiva de bombas. Corto tiempo de entrega. También hay disponibles algunas piezas de repuesto, como sellos y cojinetes Las BCT son relativamente simples y fáciles de instalar y mantener. Sin embargo, elegir una bomba correcta para una microplanta hidráulica es complicado por las dificultades para obtener las características de bomba en modo turbina. Requisitos de utilización Las microplantas hidráulicas generan energía eléctrica o mecánica para uso productivo o de consumo. El flujo de aplicación se muestra en el siguiente esquema: Turbinas convencionales; bomba como turbina (BCT); grupo péltrico; molino de agua mejorado (MAM) Uso productivo Agro-procesamiento mecánico; aserradero manejo de aparatos: batidora, trituradora de pulpa; enfriado; bombeo Agro-procesamiento eléctrico; aserradero manejo de aparatos: batidora, trituradora de pulpa; enfriado; bombeo Uso para consumo Eléctrico: iluminación doméstica; cocinado; enfriado; calefacción; radio; televisión A continuación, se pueden ver dos casos de generación de electricidad en una microplanta hidroeléctrica existente: Ubicación: Costa Rica Voltaje nominal: 14 kW Tipo de turbina: Pelton doble boquilla Generador: 14 kW síncrono Tracción: Directa Una boquilla de aguja variable permite ajustarla para cambios en el caudal sin apagar la turbina. La entrada de la turbina se ha diseñado a medida para ajustarse a una central eléctrica existente. Ubicación: Etiopía Voltaje nominal: 15 kW Tipo de turbina: Flujo cruzado Generador: 15 kW generador síncrono Tracción: correa de transmisión Actualmente suministra energía para moler grano y proporcionar alumbrado a las casas de las inmediaciones. Se han utilizado los molinos de agua durante muchos años. La mayoría de ellos utilizaban turbinas fabricadas localmente y producían energía a partir del agua descendiente. El molino de agua mejorado (MAM) es una tecnología intermedia, basada en el principio de los molinos de agua tradicionales, y utilizado principalmente para moler. Se ha 176 Tecnologías para la generación de energía eléctrica mejorado el molino de agua reemplazando el rotor de madera tradicional por un rotor metálico con una mejor forma hidráulica y con hojas cóncavas. Aparte del rotor, también se han mejorado otros componentes del molino tradicional. La versión modificada del MAM permite múltiples usos finales como agroprocesado y generación de electricidad. Una unidad de energía multiuso (UEMU) es un microesquema hidráulico con varios tipos de maquinaria conectada a él. Desarrollado en Nepal, el concepto de UEMU es básicamente el mismo que el del MAM, pero hecho de un rotor de eje vertical con una piedra de moler giratoria (para operaciones de molino), y con configuraciones de correa y cigüeñal para suministrar energía a otras aplicaciones. Las tres figuras siguientes muestran un diseño de MAM que hace funcionar diversas máquinas y UEMU, que genera energía mecánica adicional para moler granos en un pueblo de Etiopía, cerca de Jimma. La energía generada no solo suministra cargas eléctricas domésticas, como alumbrado, sino que también se usa para impulsar un molino a pequeña escala. Esta aplicación es eficiente sobre todo cuando la electricidad generada no siempre se usa al máximo de su capacidad. La energía microhidráulica puede ser una posible fuente de energía en áreas remotas no conectadas a la red principal. Su construcción, funcionamiento y mantenimiento son simples y los técnicos locales pueden adaptarlas sin problemas. Sin embargo, puesto que el alumbrado supone la mayor demanda de energía eléctrica en la mayoría de las áreas rurales, el factor de baja carga afecta la sostenibilidad de esta tecnología. Para conseguir que la microplanta hidráulica sea sostenible, es necesario encontrar usos finales económicos alternativos de la electricidad. Una opción recomendada es usar la electricidad para impulsar el equipamiento de molienda. Se puede justificar esta opción si la planta de generación de energía eléctrica está a cierta distancia de la ubicación donde se instalan los centros de molienda o de procesamiento de alimentos. Otra opción es diseñar un sistema híbrido con tracciones mecánicas directas acopladas al equipamiento de molido. La máquina de moler debe usarse durante las horas de poca demanda, mientras el generador eléctrico está apagado. Materiales de construcción locales e indicaciones La mayoría de los componentes de una microplanta hidráulica pueden construirse u obtenerse de forma local. Los generadores de inducción, que pueden comprarse fácilmente como los motores, son cada vez más utilizados en microplantas hidroeléctricas (por debajo de 25 kW son menos costosos que los generadores síncronos). Son el tipo de generador preferido en microplantas hidroeléctricas, porque acceder a ellos es fácil y económico (motores). Además, son robustos, fiables, requieren poco mantenimiento, y pueden operar a velocidades variables con una frecuencia constante. Sin embargo, los generadores de inducción son incapaces de proporcionar su propia corriente de excitación. Para los sistemas aislados de la red, los capacitadores conectados a las terminales del generador de inducción actúan como fuente de corriente de excitación. Si se pretende que la construya el usuario, la turbina de flujo cruzado es la mejor opción. La figura muestra una turbina de flujo cruzado, fabricada por Arusha Technical College (ATC) en Tanzania. En Nepal, los artesanos locales están formados en la fabricación de rotores de metal para MAM. 177 Rotor de turbina de flujo cruzado fabricada por ATC (Tanzania). Además, los técnicos pueden encontrar y ensamblar cargas ficticias, que son cargas resistivas como calentadores enfriados por aire o por agua, usados para disipar el exceso de energía del microgenerador hidroeléctrico. El regulador de carga ficticia es conveniente para la electrificación rural por una microplanta hidroeléctrica, por su construcción simple, bajo coste y gran facilidad de mantenimiento. Funcionamiento y mantenimiento En el funcionamiento de una microplanta de energía hidroeléctrica, participan todos los procedimientos de control de la planta para generar y suministrar una energía estable y de gran calidad a los consumidores. También es de igual importancia asegurarse de mantener la planta en una condición estándar. Estos procedimientos vienen determinados por el nivel de automatización de la planta. Una microplanta hidroeléctrica sin sistemas de control automáticos requiere la presencia de un operario durante la mayor parte del tiempo de operación. El operario debe seguir cuidadosamente los procedimientos explicados en el manual de funcionamiento de la planta. Básicamente, se debe seguir el siguiente guion: Valoración preoperacional. Preparación para iniciar la operación. Empezar la operación de la planta. Operar en condiciones normales. Apagar la planta en condiciones normales. Apagar la planta en condiciones de emergencia. Procedimientos de operación para agroprocesado. Seguridad y primeros auxilios: Es recomendable planificar y realizar una formación en materia de seguridad y primeros auxilios dirigida a los operadores de la planta antes de poner la planta en funcionamiento. El formador tiene que asegurarse de que los operarios son conscientes y de que recuerden las precauciones de seguridad. Aún es más importante que los operarios sepan cómo realizar primeros auxilios y tratamiento primario en caso de accidente. El sistema debe ser mantenido y reparado periódicamente, si es necesario, según las directrices de mantenimiento y reparación proporcionadas para cada componente. Para un funcionamiento sostenible de una microplanta hidroeléctrica, se requiere: 1. Asistencia técnica en instalaciones y equipamiento. 2. Funcionamiento y mantenimiento adecuados OyM. 3. Gestión correcta de la organización de OyM Para asegurar un mantenimiento fiable, se tienen que considerar los siguientes puntos durante la planificación y construcción de una microplanta hidroeléctrica: ¿Qué destrezas relacionadas con la planta tienen los operarios? ¿Qué instalaciones hay disponibles in situ? ¿Qué acceso hay disponible para las piezas del sistema? ¿Cuál es o debería ser el presupuesto de OyM? ¿De qué destrezas e instalaciones se disponen localmente? ¿Se pueden mantener las garantías a través del mantenimiento local o se requieren de asistencia del fabricante? ¿Cuál es la disponibilidad y el tiempo de espera de piezas de repuesto? ¿O tiene que encargarse la planta de 178 Tecnologías para la generación de energía eléctrica traerlas? Características morfológicas y tamaño La disposición de la estructura de una microplanta hidroeléctrica depende de la topografía y la geomorfología del lugar. Esto determinará la configuración del canal y si se pueden usar tuberías de alta o baja presión. Además, la elección de un lugar adecuado para cada estructura de la microplanta hidroeléctrica también se basa en las condiciones topográficas y geológicas del sitio. Estas condiciones determinan el grado de trabajos de ingeniería civil que, para una microplanta hidroeléctrca, dependen en gran medida del lugar. También es aconsejable asegurar la correcta accesibilidad para actividades de construcción, operación y mantenimiento. Por lo tanto, es obligatorio realizar una valoración completa (forma del terreno, ubicación del sitio, inclinación del río, área de captación del lugar propuesto, accesibilidad, datos hidrológicos, datos de caudal del río y datos de precipitaciones) antes de diseñar las microplantas hidroeléctricas. Características económicas La ventaja del microsistema hidroeléctrico es que, si las especificaciones del lugar de emplazamiento son adecuadas, proporciona una fuente de energía fiable de bajo coste en comunidades remotas y aisladas donde una extensión de la red puede tener un coste prohibitivo y los costes de transporte de combustible pueden ser altos. La inversión inicial asociada a los microsistemas hidroeléctricos es grande, puesto que cada lugar es único y se deben llevar a cabo estudios hidrológicos detallados antes de poder determinar la viabilidad de un proyecto de este tipo. Como resultado, los costes se mantienen altos, debido a que el proceso de instalación no se puede estandarizar, como es el caso de los paneles solares FV o la tecnología diésel. Los costes de inversión varían normalmente de 1000 a 2000 dólares por kW instalado, de 1,200£ a 4,000 £ por kW instalado, dependiendo del lugar, para un proyecto comunitario en un país en vías de desarrollo. Los costes son diferentes en cada caso y es imposible dar una cifra precisa sin saber los detalles específicos del lugar. 179 Generadores solares fotovoltaicos Descripción de la tecnología La energía solar es la más abundante de todas las fuentes de energía renovables y está disponible con valores más altos entre los dos trópicos, muy próximo precisamente a aquellas áreas donde se concentran las emergencias humanitarias en forma de campamentos de refugiados y PDI. Por lo tanto, las soluciones tecnológicas que aprovechan este recurso tienen extrema importancia para estos contextos desfavorecidos. Los generadores solares FV hacen exactamente eso, utilizan materiales semiconductores que transforman directamente la radiación solar en electricidad CC. En un módulo FV (una unidad FV comercial) se conectan numerosas células FV en circuitos en serie y en paralelo para obtener la potencia de salida deseada. Se puede combinar una serie de módulos solares para formar un conjunto fotovoltaico con la capacidad de salida deseada. Esto proporciona a esta tecnología un alto grado de modularidad, y la hace idónea para una gran variedad de aplicaciones diversas. La característica eléctrica de la célula FV es representada generalmente por la curva de corriente frente a voltaje (I-V) mostrada en la figura siguiente (izquierda), donde ISC y VOC son la corriente de cortocircuito y la corriente de circuito abierto respectivamente. Un punto importante de esta característica es el punto de potencia máxima (PPM), situado en el ángulo de la curva, donde el producto entre el voltaje y la corriente (potencia) es máximo. Como se puede ver en la figura, la curva I-V, y por lo tanto el rendimiento de potencia de una célula FV, se ve fuertemente afectada por los niveles de radiación (centro) y la temperatura de la célula (derecha). En particular, la cantidad de luz disponible afecta a la producción de corriente y la temperatura de la célula afecta a su voltaje. No es de extrañar que la mayoría de parámetros eléctricos de un módulo FV reflejen fielmente aquellos de sus células solares. Tomemos como ejemplo un módulo que contenga 72 células monocristalinas con una potencia nominal punta de 180 W (un tamaño y potencia nominal populares); en un módulo (como en toda unidad comercial) se mostrarán los siguientes parámetros. Potencia nominal Voltaje de circuito abierto Voltaje de circuito cerrado Voltaje en el punto de potencia máxima Corriente en el punto de potencia máxima Reducción de potencia por °C 180 W 43.8 V 5.50 A 35.8 V 5.03 A 0.45 % Reducción de voltaje por °C Longitud Amplitud Peso Eficiencia 0,33 % 1600 mm 804 mm 18 kg 14 % Tal y como se puede deducir, la potencia nominal de 180 W es igual al producto de voltaje y corriente en el PPM. La eficiencia viene dada por la potencia del módulo en kW dividida por el área del módulo en metros cuadrados (asumiendo una radiación solar de 1 kW/ m2). Requisitos de utilización Los generadores FV son generalmente los componentes fundamentales de los sistemas fotovoltaicos, compuestos por todos o una gran mayoría de los elementos siguientes: Baterías y controlador de carga: para almacenamiento y control de la energía. Convertidor(es): si se necesita salida CA. Cables y otro equipamiento: para conexiones eléctricas. 180 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Estos sistemas se dividen en dos categorías principales: 1. Conectados a la red: sistemas interconectados con la red eléctrica. La principal ventaja de esta disposición (configuración A) es que el rendimiento del conjunto FV es alimentado a la red (bajo compensación económica) cuando las cargas no la necesitan; por el contrario, cuando el hogar necesita energía que no puede ser suministrada por la FV (por ejemplo, por la noche), es importada de la red al coste habitual de la electricidad. La configuración B de la siguiente figura muestra una configuración híbrida. En este caso, el exceso de energía FV es almacenado principalmente en el banco de baterías para un uso nocturno y, solo si el banco de baterías está lleno, el sistema explota la conexión con la red principal para su venta. 2. Aislados de la red principal: sistemas autónomos que pueden clasificarse en dos categorías principales: i) Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA): sistemas cuya finalidad es satisfacer las necesidades de un cliente individual, ya sea una persona, un hogar o una actividad comercial. Según el tamaño, se distingue entre: - Sistemas solares pico (que incluyen lámparas solares FV): estos se definen como sistemas solares pequeños, normalmente portátiles, con una potencia de rendimiento de 1-10 W, usados principalmente para alumbrado y, por ello, capaces de reemplazar fuentes como lámparas de keroseno y velas. Los dispositivos son alimentados por un pequeño panel solar y usan una batería, que puede integrarse en el mismo dispositivo. 181 - Sistemas solares domésticos (SSD): estos consisten en un módulo FV, un regulador de carga, una batería de ciclo profundo (normalmente una de plomo-ácido), y opcionalmente un convertidor. Generalmente estos sistemas cubren una potencia de rendimiento de hasta varios cientos de vatios. La configuración A sin convertidor hace que los sistemas solares domésticos sean muy eficientes energéticamente. En este caso, el controlador de carga es el núcleo de los sistemas domésticos, puesto que asegura una carga y descarga óptimas, y evita daños. Sin embargo, cuando las cargas CC no están disponibles, es necesario disponer de un convertidor, como en la configuración B. - Sistemas comunitarios: estos son sistemas autónomos FV más grandes que proporcionan energía a servicios comunitarios como centros de salud, escuelas y fábricas. En este caso, generalmente es necesario un convertidor. Con un rango típico entre varios cientos y varios miles de vatios de potencia de rendimiento, los sistemas comunitarios funcionan normalmente con un voltaje CC más alto. ii) Microrredes FV: son sistemas centralizados que pueden satisfacer, mediante una red de distribución común, las necesidades de un gran número de hogares y servicios comunitarios. En este caso, los conjuntos de paneles solares se ensamblan en el rango de varios cientos de kW, y una red de distribución proporciona la electricidad a las cargas conectadas. La complejidad del sistema es mayor. Estos son los elementos del sistema más importantes: Matriz FV. Bancos de baterías para almacenamiento de electricidad. 182 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Unidad de acondicionamiento de energía (UAE) que consiste en cajas de empalmes, controladores de carga, convertidores, tableros de distribución y el alambrado/cableado necesarios. Una red de distribución de energía eléctrica está formada por conductores, aislantes y cableado. Las microrredes FV ofrecen la posibilidad de electrificar las áreas rurales o periurbanas con una solución centralizada con ventajas en fiabilidad y costes totales. Además, con las precauciones apropiadas, las microrredes FV pueden diseñarse en vistas a una posible futura integración en la red principal como bloques en caso de futura expansión del sistema. Materiales de construcción locales e indicaciones Los propios usuarios pueden construir y reparar las lámparas solares FV. Fabricar una lámpara solar FV cuesta unos 2 dólares y solamente se necesitan los siguientes componentes: un LED, un cable eléctrico, una batería de teléfono móvil, un interruptor, un módulo FV (de potencia nominal inferior a 5 W) y un recipiente transparente (por ejemplo, botellas transparentes usadas). Todos los materiales son fáciles de encontrar excepto la célula solar, cuyo coste se amortiza pronto gracias al ahorro en keroseno. 183 Funcionamiento y mantenimiento Es necesario seguir varios pasos prácticos en las fases de instalación y funcionamiento de un sistema FV: 1. Orientación: para maximizar la recolección de luz diaria y estacional, los módulos FV deben estar orientados geográficamente. Hora del día más favorable en cuanto a aislamiento Todo el día Mañana Tarde Orientación recomendada en el hemisferio norte Sur Suroeste Sureste Orientación recomendada entre los trópicos - (llano) - (llano) - (llano) Orientación recomendada en el hemisferio sur Norte Nordeste Noroeste 2. Ángulo de inclinación: el ángulo entre la superficie del panel y la horizontal es la clave para un rendimiento de energía óptimo; el rendimiento de las células aumenta cuando se sitúan en posición perpendicular al sol. Período del año de mayor uso del sistema Todo el año Principalmente invierno Principalmente verano Principalmente otoño o primavera Ángulo de inclinación recomendado en el hemisferio norte Latitud Latitud + 15° Latitud – 15° Ángulo de inclinación recomendado entre los trópicos Llano Llano Llano Ángulo de inclinación recomendado en el hemisferio sur Latitud Latitud + 15° Latitud – 15° Latitud Llano Latitud 3. Sistemas de rastreo: sistemas que mueven los paneles mecánicamente para que tengan la mejor inclinación y orientación durante el día. 184 Tecnologías para la generación de energía eléctrica 4. Sombra y polvo: es necesario tomar ciertas precauciones, como evitar la sombra de las obstrucciones circundantes y limpiar los paneles con frecuencia para eliminar polvo o suciedad acumulados; si no se hace, se reduce el área de superficie y, por lo tanto, la potencia se ve afectada negativamente. 5. Conexión de los módulos fotovoltaicos: en muchas aplicaciones, la potencia disponible de un módulo es inadecuada para la carga. Se pueden conectar módulos individuales en serie, en paralelo o de ambas formas para aumentar el rendimiento del voltaje o de la corriente y, por consiguiente, la potencia de salida, formando lo que se llama una matriz fotovoltaica. Cuando se conectan los módulos en paralelo, la corriente aumenta. Por ejemplo, tres módulos que producen 15 V y 3 A cada uno, conectados en paralelo producirán 15 V y 9 A. Si los mismos tres módulos se conectan en serie, el voltaje de salida será de 45 V y la corriente será de 3 A. 6. Conexión de las baterías: las baterías, al igual que los módulos fotovoltaicos, se pueden conectar en serie para aumentar el voltaje. Pueden conectarse en paralelo para aumentar la capacidad de amperios/hora del banco de baterías. Los grupos de baterías interconectados se llaman normalmente bancos de baterías. 7. Selección del controlador de carga: se debe evitar usar un módulo con un voltaje máximo que sea demasiado alto por encima del voltaje del sistema (establecido por las baterías), tanto como usar uno con un voltaje máximo que sea demasiado bajo. La finalidad de los controladores de carga es impedir los procesos de sobrecarga y sobredescarga. En concreto, los dos productos que compiten en el mercado se diferencian entre ellos por su distinta capacidad de explotar la energía del generador FV para cargar las baterías: Los controladores de carga PWM representan la tecnología más barata. La atención se centra en el voltaje necesario para cargar la batería. Si el voltaje del generador FV resultante de un aislamiento concreto es mayor que el voltaje requerido por la batería, la modulación de amplitud de pulso empieza a funcionar asegurándose de que el voltaje resultante por toda la batería es realmente el requerido. La desventaja es que el regulador rechaza la energía del FV en la misma proporción que las diferencias entre el voltaje del generador FV y el voltaje requerido por la batería. Los controladores de carga MPPT centran la atención en la energía total desde el generador fotovoltaico, con la finalidad de permitir al generador fotovoltaico trabajar en el punto de máxima potencia. Así, si se da un caso como el presentado anteriormente en un sistema con un controlador de cambio MPPT instalado, el controlador procede a reducir el voltaje a aquel requerido de la batería, pero al mismo tiempo aumenta la corriente para mantener la potencia total máxima del generador. El punto negativo en este caso es claramente el coste mayor, así que no tiene sentido usar esta tecnología en sistemas solares pequeños. La tabla siguiente proporciona información útil para la instalación de sistemas aislados de la red principal. En concreto, indica la tecnología de controlador de carga más indicada para la cantidad de células del módulo y el voltaje de la batería a cargar. 185 N° de células del módulo 30 células 36 células 48 células 54 células 60 células 72 células 120 células 144 células VOC (módulo) VMPP (módulo) V (batería) Controlador 18 V 21 V 30 V 33 V 36 V 42 V 72 V 84 V 12 V 12 V 18 V 18 V 24 V 24 V 48 V 48 V 12 V 12 V 12-24 V 12-24 V 24 V 12-24 V 48 V 48 V PWM MPPT MPPT MPPT PWM MPPT PWM MPPT 8. Conexiones de cables: los sistemas FV pueden sufrir una caída sustancial de voltaje entre la fuente de energía y la carga. Por poner un ejemplo extremo, el voltaje disponible en el matriz fotovoltaico puede ser de 16 voltios. Tras viajar a lo largo de cientos de pies de cable mal dimensionados, podría ser tan bajo como 11 voltios, incapaz de recargar una batería de almacenamiento de 12 voltios. Los cables deben tener la menor longitud posible y ser lo suficientemente anchos como para minimizar una caída de voltaje. 9. Toma de tierra: debido a la polaridad de la electricidad CC, se deben seguir procedimientos de toma de tierra correctos. Especialmente para sistemas de ciertos tamaños, todas las cajas de conexiones, recintos de componentes eléctricos, conductos y conectores metálicos y marcos de módulos fotovoltaicos deben estar conectados a un sistema de toma de tierra. La conexión a la tierra se hace a través de un electrodo de toma de tierra (una varilla) clavada en el suelo. Características morfológicas y tamaño Teniendo en cuenta que los módulos FV tienen un peso específico de 100 kg/kW y las baterías, un peso de 40 k/kWh, podemos decir que un sistema FV tiene un peso importante. Es recomendable tener en cuenta este aspecto en las fases de transporte e instalación. Con relación al tamaño de la matriz FV, los agentes locales pueden calcular fácilmente el área necesaria de paneles FV, en m2, para una demanda de electricidad diaria asignada según la tabla siguiente y en base a las siguientes suposiciones: Módulos FV de 180 W con especificaciones, tal como se exhiben en la primera sección. Eficiencia global del sistema de alrededor de 75 %. Radiación solar diaria; es necesario consultarla en el mapa siguiente. 0,5 3,1 1,9 1,3 1,0 0,9 1 6,2 3,7 2,7 2,1 1,7 3 18,7 11,2 8,0 6,2 5,1 5 31,2 18,7 13,4 10,4 8,5 10 62,5 37,5 26,8 20,8 17,0 20 124,9 74,9 53,5 41,6 34,1 50 312,3 187,4 133,8 104,1 85,2 6,0 – 6,9 0,7 1,4 4,3 7,2 14,4 28,8 72,1 Radiación [kWh/m2 al día] Área de matriz FV necesaria [m2] 1,0 – 1,9 2,0 – 2,9 3,0 – 3,9 4,0 – 4,9 5,0 – 5,9 Demanda de electricidad diaria a abastecer [kVh] 186 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Advertencias Los sistemas FV pueden tener dos fuentes de energía, no solo uno. Tanto los bancos de baterías como de módulos pueden suministrar corriente abundante. El tamaño del sistema es pequeño (la energía abastece voltajes por debajo de 50 voltios), pero lo pueden instalar agentes locales sin riesgos particulares. Sin embargo, cuando se conectan múltiples módulos o baterías para satisfacer la creciente demanda de energía, aumenta el peligro. En este caso, es aconsejable acudir a un experto, que puede gestionar el sistema tomando las precauciones necesarias. Características técnicas y económicas Tal y como se ha mencionado anteriormente, el elemento básico de un módulo FV son las células solares, que convierten la energía de la luz solar directamente en corriente continua (CC). Existen varios tipos de materiales de células solares y cada material ofrece diferentes eficiencias y tiene diferentes costes; se pueden definir dos grandes familias: 1. Células de silicona cristalina: las células solares de silicona han sido la pieza maestra de la industria FV durante muchos años y en la actualidad suponen más del 80 % de la producción solar. 2. Películas finas: la célula solar de película fina (CSPF) es una célula solar hecha con materiales de película fina de algunos micrómetros (milésimas de milímetros) o menos de grosor. Las células de película fina cuestan menos que las células cristalinas y se pueden colocar sobre una variedad de substratos. Área necesaria específica [m2/kW] Coste específico [$/W] Tipo de módulo Acrónimo Familia Eficiencia [%] Silicio monocristalino c-Si Cristalina 15–19 7 1-1,4 Silicio policristalino mc-Si Cristalina 13–15 8 0,85-1,2 Silicio amorfo a-Si 5–8 15 0,8 Telururo de cadmio CdTe 7-11 11 0,9 Seleniuro de cobreindio-galio CIS o CIGS 8–11 10 0,9 Película fina Película fina Película fina Aspecto de la célula Negro hexagonal Azul rectangular Negro-azul uniforme Azul uniforme - 187 Muestra de aplicación En Uganda, Village Energy Uganda Ltd. trabaja para proporcionar soluciones basadas en la energía solar a hogares, pequeñas empresas y comunidades aisladas de la red. La principal fortaleza de Village Energy Uganda es que empleados ugandeses ensamblan sus productos. En concreto, Musana 100 es un sistema que se puede usar directamente después de enchufarlo: consiste en un panel FV de 10 W y una caja verde que contiene una batería de 7 Ah de plomo-ácido y un controlador de carga integrado. El sistema permite utilizar tres luces LED durante seis horas y viene con un juego de pines múltiples para cargar un teléfono. Musana 100 es flexible, porque los cables que incluye permiten al usuario cambiar las luces de un sitio a otro en función de sus necesidades. Se puede encontrar más información sobre sobre Village Energy Uganda en la página http://www.villageenergyuganda.com/. 188 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Generadores eólicos Descripción de la tecnología La energía eólica se ha convertido en una de las fuentes de energía primarias más importantes de la última década. Hoy en día, no sólo se adoptan aplicaciones a gran escala, idóneas para la conexión a grandes sistemas energéticos, sino que también se puede explotar la energía eólica a un nivel disperso para suministrar electricidad a usuarios individuales o pequeñas microrredes o minirredes, que pueden conectarse eventualmente a sistemas de distribución locales. Las turbinas microeólicas van típicamente de 100 W a 300 W; en el caso de las turbinas minieólicas, están disponibles hasta 20 kW de potencia nominal. Por supuesto, existen máquinas más potentes, pero no son adecuadas para aplicaciones en campamentos de refugiados. En general, las turbinas de viento pueden dividirse en dos tipos en función de la forma de rotación: Eje vertical Turbinas Savonius: son turbinas lentas y eficientes con velocidades de viento bajas, caracterizadas por palas no controlables de baja potencia y baja eficiencia, y no necesitan ser orientadas. Turbinas Darrieus: este tipo de turbina eólica ofrece una eficiencia mayor que la turbina Savonius, pero menor que las turbinas de dos y tres palas de eje horizontal. Son eficientes en menores velocidades del viento y, si el viento tiene un componente vertical; sus palas no son controlables; no necesitan ser orientadas y necesitan un dispositivo de arranque. 189 Turbinas de eje horizontal Estas son las turbinas de viento más populares y con mayor eficiencia. Además, pueden producir una gran potencia debido a la gran superficie que puede interceptar el flujo de viento. Giran muy lentamente, para limitar el estrés mecánico debido a la velocidad de la punta, y tienen que estar orientadas según la velocidad de la dirección del viento para optimizar la producción de energía. La siguiente tabla ofrece una visión general de los valores de eficiencia de los diferentes tipos de turbinas: En función de su potencia nominal, una microturbina o miniturbina eólica es una turbina eólica usada para generación pequeña o muy pequeña (http://en.wikipedia.org/wiki/Microgeneration), al contrario que las grandes turbinas eólicas comerciales, como las que se encuentran en parques eólicos, con un mayor rendimiento energético individual. Las microturbinas pueden ir desde los 50 W, capaces de abasteces cargas muy pequeñas, como cargadores, pequeños sistemas de iluminación, minineveras, etc., hasta los 400 W, capaces de proporcionar electricidad a aparatos eléctricos más grandes e incluso a pequeños hogares. Normalmente estos tipos de dispositivos no están conectados a más de un aparato al mismo tiempo. Pueden producir energía con velocidades del viento desde 1,5 m/s a 25 m/s, y pueden sobrevivir velocidades del viento de hasta 70 m/s. La velocidad nominal del viento va de 10 m/s a 12,6 m/s. La energía se produce a bajo voltaje CC (12 a 48 V). 190 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Si la carga a abastecer es mayor, es necesario adoptar miniturbinas, que van de 500 W a 10-20 kW: estas máquinas pueden abastecer cargas más pesadas y se pueden usar para abastecer cargas más complejas, como un grupo de hogares, pequeños talleres, etc., según su tamaño. Estas máquinas están conectadas a cargas por medio de una microrred (cables de distribución) y necesitan controles adecuados para gestionar la producción y distribución de energía. El rango de velocidad aceptable del viento es aproximadamente el mismo que para las microturbinas, mientras que la velocidad nominal del viento es un poco mayor (unos 14 m/s hasta 20 m/s). Para máquinas pequeñas, la energía puede conectarse a baterías conectadas a bajo voltaje CC (48 V a 120 V); en el caso de máquinas más grandes, la conexión es típicamente a microrredes CA. Suministro eléctrico En función del tamaño, los generadores para turbinas eólicas pequeñas son normalmente generadores trifásicos CA (http://en.wikipedia.org/wiki/Alternating_current); pueden ser generadores síncronos, de inducción o de imán permanentes. En el sector de miniturbinas y microturbinas, hay opciones de caudal CC (http://en.wikipedia.org/wiki/Direct_current) para carga de baterías y convertidores de energía para transformar la energía de vuelta a CA a una frecuencia constante para conexión a redes CA. Algunas turbinas eólicas de tamaño pequeño hacen uso de generadores monofásicos. La generación suele ser a bajo voltaje. Para turbinas de poca energía, el frenado eléctrico regula la velocidad descargando el exceso de energía para que la turbina pueda seguir produciendo energía incluso con vientos muy fuertes. En este caso, la resistencia de frenado se puede instalar dentro de edificios para proporcionar calor (durante vientos fuertes, cuando el edificio pierde más calor, mientras la resistencia de frenado también produce más calor). Requisitos de utilización La energía eólica se ha explotado durante 100 años aproximadamente, pero solo en las últimas décadas ha sido económicamente sostenible a gran escala. En los emplazamientos alejados de los sistemas de energía masivos y en aplicaciones autónomas, la energía eólica es más favorable desde el punto de vista económico. En la actualidad, las aplicaciones para aplicaciones conectadas a la red están completamente separadas de las aplicaciones de aplicaciones autónomas, que requieren soluciones muy diferentes desde el punto de vista técnico. La energía eólica es hoy en día una de las fuentes de energía primaria más populares para abastecer áreas remotas que no están conectadas a la red principal. Para poder producir suficiente energía, el lugar de emplazamiento tiene que recibir una cantidad de viento suficiente. De hecho, las turbinas eólicas son capaces de convertir energía eólica en electricidad solamente cuando la velocidad del viento está por encima de un cierto umbral, y por debajo de algunos valores críticos. Dependiendo de la tecnología adoptada para la conversión, estos valores son típicamente de 3 m/s a 25 m/s. Fuera de este rango, no es posible ni conveniente instalar turbinas de viento. Por lo tanto, el primer requisito es llevar a cabo un sondeo del lugar de emplazamiento para saber si es apropiado para aplicaciones eólicas. En este documento, se hace énfasis en las aplicaciones autónomas para generadores microeólicos y minieólicos. Los fundamentos de la energía eólica se basan en la tecnología de los aviones y los principios de extraer energía del viento son los mismos que los que permiten volar a los aviones. La fórmula más importante para comprender la energía eólica es la expresión de potencia P, que se puede extraer del viento: P 1 cP Sv3 2 Donde: es la densidad del aire. S es el área de barrido del rotor. v es la velocidad del viento. cP es un coeficiente que tiene en cuenta la eficiencia de la conversión de energía. Se deben hacer dos comentarios importantes acerca de esta fórmula: 1. La potencia depende de la velocidad cúbica del viento: esto significa que si la velocidad del viento es reducida a la mitad, la potencia pertinente decrece en un factor de 8. En otras palabras, sólo merece la pena instalar turbinas en lugares con viento. 2. El coeficiente cp depende tanto de la velocidad del viento, que es variable en el tiempo, como de la velocidad de rotación de las palas. Tiene un valor teórico máximo de 60 %, pero en la práctica puede ser como mucho del 45 %. Es importante comprender que la eficiencia de conversión puede mantenerse en valores elevados solo variando la velocidad de rotación de la turbina eólica (control de la velocidad) y/o cambiando el aerodinamismo de las palas (control de la inclinación). Esto complica mucho el control de las turbinas eólicas, que son mucho más complejas que otras tecnologías de generación (hidráulica o térmica, por ejemplo), que típicamente requieren una velocidad constante de las turbinas. 191 Para seleccionar el lugar de emplazamiento, se tiene que llevar a cabo un análisis detallado de la energía que podría producirse, empezando por mediciones sobre el terreno de la distribución de la velocidad del viento en uno o más años (la mejor opción es emplear un buen anemómetro). La energía instantánea y la energía anual que se podría producir pueden calcularse a partir de mediciones, observando la curva de energía de las turbinas eólicas y, una vez obtenidos estos resultados, se elige la turbina eólica más idónea. La mejor ubicación para las turbinas eólicas es alejada de grandes obstáculos a barlovento. Las pruebas experimentales indican que efectos desfavorables asociados con obstáculos cercanos pueden extender la altura del obstáculo a sotavento hasta 80 veces. Esta es la razón por la cual las turbinas se montan a menudo sobre una torre. Por regla general, las turbinas deben estar al menos nueve metros por encima de cualquier cosa en un radio de 150 m. En cualquier caso, cuanto más alta sea la altura mejor, pero por supuesto también más caro. Materiales de construcción locales e indicaciones Además de proporcionar energía, los países en vías de desarrollo pueden fabricar y ejecutar la tecnología. Funcionamiento y mantenimiento Una vez puestas en servicio, las turbinas eólicas no tienen apenas costes de mantenimiento importantes. Las turbinas eólicas modernas están diseñadas para funcionar 120000 horas en 20 años (los motores de los coches están diseñados para funcionar de 4000 a 6000 horas). Datos proporcionados por los fabricantes muestran que las viejas turbinas eólicas tienen un coste anual de mantenimiento de 3 % de media respecto al coste de la turbina. En el caso de las máquinas modernas, los costes estimados de mantenimiento están en un rango de 1,5 % a 2 % de la inversión original por año. 192 Tecnologías para la generación de energía eléctrica Características morfológicas y tamaño Microturbinas: El diámetro del rotor es de 1 m a 2 m y el peso de la góndola es de entre de 10 a 16 kg. Se pueden acoplar con baterías (1 a 3 bancos) para acumular energía cuando hay viento pero no carga. El controlador de carga controla los parámetros de estatus. Este tipo de microturbina puede montarse en mástiles de 5 a 12 m de alto, capaces de adaptarse a cualquier condición local. Miniturbinas: El rotor de estas máquinas varía de 5 m a 10 m y el peso está entre 200 kg y 850 kg. La altura de la torre puede alcanzar hasta 20 m. Se pueden instalar pequeñas turbinas eólicas en los tejados. Algunos factores que hay que tener en cuenta para la instalación son la firmeza del tejado, la vibración y la turbulencia causada por el saliente del tejado. Advertencias Las turbinas eólicas se caracterizan por una velocidad del viento mínima (velocidad de conexión) para producir electricidad, y una velocidad máxima del viento (velocidad de desconexión), por encima de la cual la turbina no puede funcionar con seguridad. Por lo tanto, es necesario valorar a priori la viabilidad y la eficiencia económica del lugar de emplazamiento: los emplazamientos eólicos con vientos demasiado débiles (por debajo de 5 m/s) o vientos demasiado turbulentos no son adecuados para la producción de energía eólica. Se considera que un emplazamiento eólico tiene una buena velocidad del viento si la velocidad eólica media es igual a 6,9 m/s y a una altura de 50 m sobre el nivel del suelo. Los emplazamientos con velocidades eólicas medias y bajas tienen una velocidad del viento media de alrededor de 6,3 y 5,4 m/s respectivamente. También se ha demostrado que las turbinas eólicas pueden influir en las rutas migratorias de las aves, mientras que no suele pasar lo mismo con el ganado. Por otra parte, los usos de la tierra, como la agricultura, son por lo general compatibles con las turbinas eólicas. Características técnicas y económicas Actualmente el coste promedio de las microturbinas por kW de capacidad de potencia eólica instalada es de unos 1500/kW dólares. Un sistema de 25 kW es capaz de proporcionar electricidad a un gran número de usuarios y el tamaño es ideal para comunidades pequeñas. 193 Sistemas de almacenamiento de electricidad Descripción de la tecnología Los sistemas de almacenamiento que pueden recoger y liberar energía en forma de electricidad tienen el valor más universal, ya que se puede convertir de forma eficiente la electricidad en energía mecánica o química; otros procesos de conversión de energía son menos eficientes. La electricidad también es el resultado de tres de las tecnologías energéticas renovables más prometedoras: las turbinas eólicas, la termodinámica solar y la fotovoltaica. Almacenar esta electricidad en un medio que acepta electricidad de forma natural es la opción más inteligente para evitar penalizaciones de conversión. Las tecnologías de almacenamiento de electricidad se pueden agrupar en tres categorías: Categorías Eléctrica directa Tecnologías Supercondensadoras Almacenamiento de superconductora Electroquímica Mecánica energía magnética Baterías (plomo-ácido; NaS; Ion de litio; NiCad) Baterías de flujo Baterías aire-metal Hidrógeno electrolítico Agua por bombeo Aire comprimido Por volante de inercia Toda tecnología de almacenamiento de energía, independientemente de su categoría, puede caracterizarse por un pequeño número de parámetros: Capacidad: la cantidad de energía eléctrica almacenada se mide en vatios-hora (Wh) o kilovatios hora (kWh). (La capacidad de la batería puede medirse en amperios-hora (Ah), dividiendo la capacidad en Wh por el voltaje nominal de la batería). Tiempo de autodescarga es el tiempo necesario para que un dispositivo de almacenamiento completamente cargado, no interconectado, alcance un cierto estado de carga (SOC) o de profundidad de descarga (DOD). SOC y DOD son complementarios el uno con el otro y son descritos típicamente como un porcentaje de la capacidad de almacenamiento útil del dispositivo; así, por ejemplo, 90 % SOC significa que queda el 90 % de la capacidad de almacenamiento y 90 % DOD significa que queda el 10 % de la capacidad. Los tiempos de descarga aceptables varían considerablemente, desde unos cuantos minutos en algunas aplicaciones de calidad de potencia a unos años en dispositivos diseñados para perfilar la producción de energía anual. Tamaño de la unidad describe la escala intrínseca de la tecnología. Si el tamaño de la unidad es pequeño comparado con la capacidad total requerida de un proyecto, la complejidad y la escasez de suministro pueden aumentar el coste comparado con tecnologías con una unidad más grande. Eficiencia es la proporción de producción de energía del dispositivo respecto a la entrada de energía. Al medir la eficiencia, es necesario tener muy en cuenta los límites del sistema. Se debe prestar particular atención a la forma de energía requerida en las interconexiones de entrada y de salida, e incluir el sistema completo necesario para acoplarse a esas interconexiones. Vida útil es el número de ciclos consecutivos de carga-descarga que puede realizar una instalación de almacenamiento. Las especificaciones de la vida útil se hacen tomando como referencia un DOD elegido en función de la aplicación del dispositivo de almacenamiento. Para la mayoría de tecnologías de almacenamiento, la vida útil es sustancialmente mayor para descargas superficiales que para descargas profundas. Densidad energética son las unidades de energía por masa. Cuanto mayor es la densidad energética, más ligero es el dispositivo. Para aplicaciones como la generación distribuida, la densidad energética es relativamente poco importante, excepto si influye en los costes de construcción. Densidad de potencia son las unidades de potencia por masa. Expresa la capacidad del sistema de almacenamiento de hacerse cargo de cualquier cambio repentino en los requerimientos de carga. Tal y como se representa en la figura siguiente, las tecnologías de almacenamiento eléctrico pueden clasificarse según el tamaño nominal de la aplicación y su duración de almacenamiento (carga y descarga). Por ejemplo, las baterías de 194 Tecnologías para la generación de energía eléctrica plomo-ácido muestran una potencia nominal de 0,001-10 MW y una duración de almacenamiento de segundos (automóvil) a horas (servicios públicos). Tecnologías eléctricas directas Supercondensadores: un capacitador almacena energía en el campo eléctrico entre dos conductores con cargas opuestas. Generalmente se enrollan o apilan unas placas conductoras finas en una configuración compacta con un dieléctrico entre ellos. El dieléctrico impide el arco entre las palas y permite que las estas mantengan más carga, aumentando el almacenamiento de energía máximo. La habilidad de los supercondensadores para ecualizar de manera efectiva variaciones de voltaje con descargas rápidas los hace útiles para la gestión de calidad de potencia. Los supercondensadores también pueden funcionar en tándem con baterías para aliviar las necesidades de las horas de máxima utilización de la energía, para lo cual las baterías no son idóneas. Esto podría ayudar a prolongar su vida global y reducir el coste de vida de las baterías. Esta tecnología de almacenamiento también tiene la ventaja de tener un ciclo de vida muy alto de más de 500000 ciclos y una vida útil de 10 a 12 años. Las limitaciones están en la inhabilidad de los supercondenadores para mantener el voltaje de la carga durante un tiempo significativo, perdiendo hasta un 10 % de su carga cada día. Almacenamiento de energía magnética superconductora: un sistema SMES es idóneo para almacenar y descargar energía a mucha potencia. Almacena energía en el campo magnético creado por corriente directa en una bobina de material superconductor enfriado criogénicamente. El SMES recarga rápidamente y puede repetir la secuencia de carga-descarga miles de veces sin ninguna degradación del imán. Puesto que no se produce ninguna conversión de energía a otras formas (p.ej., mecánica o química), la energía se almacena directamente y la eficiencia de ida y retorno puede ser muy alta (de 97 % a 98 %). Tecnologías electroquímicas Baterías: permiten convertir la energía eléctrica en energía química, almacenarla y convertirla de nuevo en energía eléctrica. Las baterías se componen de tres partes básicas: un electrodo negativo, un electrodo positivo y un electrolito. El electrodo negativo cede electrones a una carga externa y el electrodo positivo acepta los electrones de la carga. El electrolito proporciona el camino para que la carga se transfiera entre los dos electrodos. Las diversas posibles reacciones químicas identifican dos tipos diferentes de baterías: o Plomo-ácido: plomo-ácido es una de las tecnologías de baterías más antiguas y consolidadas. En su forma básica, la batería de plomo-ácido consiste en un electrodo negativo de plomo (Pb), un electrodo positivo de dióxido de plomo (PbO2) y un separador para aislarlos eléctricamente. El electrolito es ácido sulfúrico diluido (H2SO4), que proporciona los iones de azufre para las reacciones de descarga. Existen tres tipos principales de baterías de plomo-ácido: - La batería líquida tiene un electrolito líquido que debe ser remplazado ocasionalmente para reponer el hidrógeno y el oxígeno que escapan durante el ciclo de carga. - La batería de gel sellada tiene un componente de sílice añadido al electrolito para congelarlo. - El diseño AGM usa un separador de tipo fibra de vidrio para mantener el electrolito en proximidad cercana a los electrodos, aumentando así su eficiencia. La batería de plomo- ácido es una opción de almacenamiento popular y resulta económica para aplicaciones de 195 calidad de potencia. Sin embargo, una instalación típica sobrevive un máximo de 1500 ciclos de profundidad con una densidad energética de solamente 30 Wh/kg. o NaS: Una batería de sodio-azufre consiste en un electrodo positivo de azufre líquido (fundido) y un electrodo negativo de sodio líquido (fundido), separados por un electrolito de cerámica beta-alúmina. La batería opera a unos 300 °C. Las baterías de NaS tienen una densidad energética alta, de unos 240 Wh/kg. La eficiencia de la química de esta batería puede alcanzar el 90 % y es idónea para aplicaciones de almacenamiento masivo, ya que permite simultáneamente operaciones efectivas de facilitación de potencia. o Ion de litio: Las baterías de ion de litio se usan principalmente en el mercado de la electrónica portátil, pero se prevé que se puedan usar en muchas otras aplicaciones en el futuro. El cátodo en estas baterías es un óxido metálico litiado y el ánodo esta hecho de carbono de grafito con una estructura en capas. El electrolito consiste en litio disuelto en carbonatos orgánicos. Las baterías de ion de litio tienen una densidad energética alta de unos 200 Wh/kg y logra eficiencias en el rango de 90 % o superior. Su alta eficiencia y densidad energética hacen de las baterías de ion de litio unas candidatas excelentes para el almacenamiento en aplicaciones como la generación distribuida. Su limitación es el coste específico, que está muy por encima del de su competidora directa, las baterías de plomo-ácido. o Ni-Cad: Las baterías de níquel-cadmio no son comunes para aplicaciones estacionarias. Tienen una densidad energética de unos 50 Wh/kg y una eficiencia del 75 % aproximadamente. Sin embargo, su resistencia al frío y su coste relativamente bajo pueden resultar decisivos para elegir la química de Ni-Cad. Cabe señalar que el cadmio es un metal pesado tóxico y esto puede ser una limitación, ya que suscita preocupaciones por sus posibles daños en el medio ambiente. Baterías de flujo: estas baterías almacenan y liberan energía eléctrica por medio de reacciones electroquímicas reversibles en dos electrolitos líquidos. Los electrolitos fluyen dentro y fuera de la célula a través de tubos separados y son sometidos a una reacción química dentro de la célula, con intercambio de ion o protón a través de la membrana e intercambio de electrones a través del circuito eléctrico externo. Hay algunas ventajas en el uso de una batería de flujo en comparación con una batería convencional. La capacidad del sistema es escalable al aumentar simplemente la cantidad de la solución, y esto conduce a costes de instalación más económicos a medida que el sistema se hace más grande. La batería puede desecharse completamente sin efectos adversos y tiene una pérdida muy pequeña de electrolitos a lo largo del tiempo. Finalmente, a pesar de su pobre densidad energética, se pueden adaptar para uso en generación distribuida. Baterías de aire-metal: los ánodos de estas baterías son metales comúnmente disponibles con alta densidad energética, como el aluminio o el zinc, que liberan electrones cuando se oxidan. Los cátodos o electrones de aire están hechos a menudo de una estructura porosa de carbono o una malla de metal cubierta con catalizador adecuado. Los electrolitos son a menudo un buen hidróxido conductor de iones (OH-) como hidróxido de potasio (KOH). El electrolito puede ser líquido. Son respetuosas con el medio ambiente y pueden ofrecer una opción de almacenamiento rentable en el futuro; sin embargo, el mayor desafío de las baterías de aire-metal es que tienen una eficiencia baja (menos del 50 %). Hidrógeno electrolítico: el hidrógeno gaseoso diatómico se puede fabricar con el proceso de la electrolisis; una corriente eléctrica aplicada al agua la separa en los componentes O2 y H2. El oxígeno no tiene valor energético inherente, pero el HHV del hidrógeno resultante puede contener hasta un 90 % de la energía eléctrica aplicada, dependiendo de la tecnología. Este hidrógeno puede entonces ser almacenado y luego combustionado para producir energía. El hidrógeno gaseoso es de baja densidad y debe ser comprimido para proporcionar almacenamiento útil usando parte de la energía almacenada (12 % del HHV del hidrógeno). Por otra parte, el hidrógeno puede almacenarse en forma líquida, un proceso que cuesta alrededor del 40 % de HHV. Tecnologías mecánicas Hidroeléctrica bombeada: esta tecnología es la más antigua y grande de todas las tecnologías de almacenamiento de energía disponibles comercialmente, con instalaciones existentes de hasta 1000 MW de tamaño. La hidroeléctrica bombeada convencional utiliza dos depósitos de agua separados verticalmente. Durante las horas de menos demanda, las bombas eléctricas mueven agua del depósito más bajo al más alto. Cuando es necesario, el flujo del agua se invierte para generar electricidad. Las plantas de almacenamiento por bombeo se caracterizan por períodos de construcción largos y una gran inversión. Su limitación es que necesitan tener una capacidad muy grande para ser rentables, pero también pueden usarse como almacenamiento para una cantidad de emplazamientos de generación diferentes con eficiencias que van del 60 % al 80 %. Aire comprimido: un concepto de almacenamiento de energía relativamente nuevo es el almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES). Las instalaciones de CAES tienen que estar asociadas a una turbina de combustión, así que realmente son una tecnología híbrida de almacenamiento/generación. Una instalación de CAES realiza el trabajo del compresor por separado (con una eficiencia global de almacenamiento de alrededor del 75 %), y más tarde lo inyecta en una turbina de combustión simplificada. Los compresores CAES explotan la electricidad durante horas de menos demanda para hacer funcionar el compresor y usan la turbina de expansión 196 Tecnologías para la generación de energía eléctrica para proporcionar electricidad en horas de máxima utilización cuando es necesaria. El aire comprimido es almacenado en minas subterráneas apropiadas, unas cuevas creadas en el interior de rocas de sal o posiblemente en acuíferos. Volante de inercia: La mayoría de los sistemas modernos de almacenamiento de energía por volante de inercia consisten en un enorme cilindro giratorio soportado por un estátor con cojinetes en levitación por magnetismo que eliminan el desgaste por fricción y alargan la vida del sistema. Para mantener la eficiencia, el sistema de volante de inercia se maneja en un entorno de bajo vacío para reducir la fricción. El volante de inercia está conectado a un motor/generador montado sobre el estator que, mediante algo de electrónica de potencia, interactúa con la fuente de electricidad en ambas direcciones. Algunas de las características clave de los volantes de inercia son la poca necesidad de mantenimiento, una vida de ciclos superior a los 10000 ciclos, una vida útil de 20 años, materiales inocuos para el medio ambiente y eficiencias energéticas de hasta el 90 %. En la siguiente tabla, la tecnología de volante de inercia se compara con dos tecnologías electroquímicas: baterías de plomo-ácido y de níquel-cadmio. A diferencia de una batería, la tecnología convencional de volante de inercia se puede usar para aplicaciones de almacenamiento de alta densidad de potencia, mientras que las baterías solo son adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de alta energía. Sin embargo, la tecnología de volantes de inercia de rotor compuesto augura densidades de mayor potencia comparables a los niveles que se alcanzan con baterías. En términos de costes de inversión, la tecnología de volantes de inercia implica costes más elevados debido a que la tecnología aún está en una etapa relativamente temprana en su ciclo de vida en comparación con las tecnologías de baterías tradicionales, como son las baterías de níquel-ácido o níquel-cadmio. Parámetro Batería de plomo-ácido Nickel-cadmio Categoría de almacenamiento Vida (años en servicio) Vida (ciclos profundos) Índice de autodescarga Tolerancia de sobrecarga y descarga profunda Densidad energética [Wh/kg] Densidad de potencia [W/kg] Precio [$/kWh] Electroquímica Electroquímica Tecnología de volante de inercia Mecánica 3-12 <1500 ciclos Muy bajo Muy baja 15-20 <3000 ciclos Muy bajo Baja >20 <107 ciclos Muy alto Alta 30 15-50 180 50-1000 5 (acero) 100 (mixta) 1000 (mixta) 50-100 400-2400 400-800 Requisitos en contexto de emergencia En áreas de emergencia humanitaria como campamentos de refugiados, seleccionar la mejor tecnología en términos de rendimiento y durabilidad no es la máxima prioridad; el coste y la disponibilidad in situ tienen un papel más decisivo en la decisión final. Las baterías de plomo-ácido pueden ser la mejor opción, ya que se han desarrollado durante años y, como consecuencia, tienen un coste más reducido y se han extendido en todo el mundo. Esto deja pocas oportunidades a las otras tecnologías. En las siguientes secciones se analizan el rendimiento y otras características de esta tecnología. Funcionamiento y mantenimiento: aplicaciones de la tecnología de PLOMO-ÁCIDO Si las baterías de plomo-ácido se integran en sistemas de energía, hay que seguir algunas directrices: 1. Conexión de las baterías: las baterías pueden conectarse en serie para aumentar el voltaje o en paralelo para aumentar la capacidad de amperio-hora. Los grupos de baterías interconectadas se llaman normalmente bancos de baterías. 2. Características de carga: el voltaje de las baterías cambia durante el ciclo de carga y descarga según las variaciones en SOC. Esto debe tenerse en cuenta cuando el sistema de almacenamiento es necesario para fines de reserva, con un voltaje predefinido a mantener. 197 Estado de carga [%] Voltaje por célula [V] 100 75 50 25 0 2,12 2,10 2,08 2,03 1,95 Voltaje de una batería de 12V 12,70 12,60 12,45 12,20 11,70 3. Pérdida de agua: en una batería abierta, cada Ah de sobrecarga causa una pérdida de aproximadamente 0,3 ml de agua de cada célula de batería debido a emisiones de gas. La electrónica (en un sistema pequeño el control de carga) garantiza generalmente la protección de la batería, pero es necesario hacer una inspección visual periódica del nivel de llenado de los electrolitos para garantizar la larga vida de la batería. Debido a problemas de salud y seguridad, personal de servicio técnico formado debe llevar a cabo esta operación. Las baterías de plomo sin mantenimiento no requieren este tipo de tarea de control. 4. Sulfatación: si se deja una batería de plomo-ácido en una condición de descarga profunda durante un período largo de tiempo, se “sulfatará”. Parte del azufre del ácido se combinará con plomo de las placas y formará cristales de sulfuro de plomo que no son fáciles de recargar. El uso de un tipo de batería inadecuado puede producir una avería total de la batería. Por estas razones, es normal restringir la profundidad de descarga máxima de una batería de plomo-ácido en aplicaciones de ciclo profundo a alrededor del 60 %. 5. Ventilación: la ventilación es necesaria por las dos razones que se indican a continuación. Seguridad: cuando se cargan, las baterías abiertas producirán gases de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se concentrará en lo alto del recinto de las baterías si no existe una ventilación adecuada. Si la concentración de hidrógeno en el aire supera el 4 % hay riesgo de explosión. Finalidad de enfriamiento: para perder calor, especialmente el calor interno producido por la sobrecarga. Las baterías selladas en entornos estrechamente cerrados se sobrecalentarán, y esto puede comportar consecuencias desastrosas. 6. Control de la temperatura: las baterías pueden necesitar protección frente altas temperaturas o bajas temperaturas, o ambas. A continuación, se enumeran las directrices clave para entornos de baterías en diferentes climas: Para un clima muy caliente: - Evitar la exposición del receptáculo de las baterías a la luz del sol directa y ponerlo a la sombra si es necesario. - Usar receptáculos de colores claros, si es posible. - Permitir que circule el aire, dejar suficiente espacio para aire y ventilación. - No usar un receptáculo altamente aislante (retiene calor interno). Para un clima muy frío: - Revertir las directrices anteriores, pero atención a las temperaturas en verano. - Usar un receptáculo altamente aislante. - Usar el menor espacio posible para aire alrededor de las baterías (pero no se debe restringir la ventilación necesaria). Características morfológicas y tamaño: aplicaciones de la tecnología de PLOMO-ÁCIDO El banco de baterías de plomo-ácido tiene un peso importante: un peso específico de 40 kg/kWh (0,48 kg/Ah a 12 voltios). Por lo tanto, es recomendable considerar este aspecto en las fases de transporte e instalación, puesto que transportar la batería de forma imprudente puede causar lumbalgia u otras lesiones al operador. Advertencias: aplicaciones de la tecnología de PLOMO-ÁCIDO Al trabajar en un banco de baterías de plomo-ácido, o cerca de él, recuerde tres puntos muy importantes: 1. Incluso a voltajes muy bajos, un banco de baterías puede ser capaz de suministrar una corriente considerable. Así, mientras el sistema sea de pequeño tamaño (voltaje del sistema por debajo de 50 voltios), puede ser instalado por agentes locales sin riesgos particulares. Si es de tamaño grande, es aconsejable acudir a un experto que pueda gestionar el sistema con las precauciones adecuadas. 2. Las baterías de plomo-ácido pueden dar pequeñas descargas que, aunque “inofensivas”, pueden causar lesiones. 3. Está estrictamente prohibido fumar, encender llamas abiertas o producir chispas cerca de las baterías, porque estas pueden encender el gas de hidrógeno que desprenden las baterías de almacenamiento, y causar una explosión. Características técnicas y económicas: aplicaciones de la tecnología de PLOMO-ÁCIDO A continuación se indican los tipos de placas (electrodos) que pueden contener las baterías de plomo-ácido, y se muestran en la figura inferior: Placas planas pegadas. La forma más común de batería de plomo-ácido es la de placa plana o rejilla. Puede 198 Tecnologías para la generación de energía eléctrica fabricarse en masa y es la que se usa en las baterías de coche. El material activo se aplica a las rejillas pegándolo y secándolo. Placas tubulares. Este diseño tiene un ciclo de vida más largo, porque el material activo es retenido más firmemente en tubos trenzados. Otro beneficio importante es una energía específica mayor y una mejor capacidad para afrontar ciclos de carga y descarga profundas, que la convierten en la configuración correcta para fines de servicios, como en la generación distribuida. Un elemento está compuesto por un grupo de placas positivas y negativas, con separadores. Una célula de batería está compuesta por un elemento en un recipiente sumergido en electrolitos. Independientemente del tamaño de las placas, una célula solo suministrará 2 voltios nominales. Por lo tanto, una batería se compone típicamente de varias células conectadas en serie, interna o externamente, para aumentar el voltaje que toda la batería puede suministrar. Por ello, las baterías de 12 voltios tienen seis células. El rendimiento de una batería de plomo-ácido se describe de dos maneras: 1. La capacidad de amperio-hora: es simplemente el número de amperios de corriente que puede proporcionar, multiplicado por el número de horas que puede proporcionar esa corriente. Los diseñadores de sistemas usan especificaciones de amperio-hora para determinar cuánto tiempo funcionará el sistema. Esta medida de “días de autonomía” es una parte importante del procedimiento de diseño. En teoría, una batería de 200 amperios-hora debería ser capaz de proporcionar 200 amperios durante una hora, 50 amperios durante cuatro horas, cuatro amperios durante 50 horas o un amperio durante 200 horas. Esto no es así en la realidad, puesto que algunos factores externos influyen en el comportamiento de la batería, tales como: Los índices de carga y descarga: si la batería se carga o descarga a un ritmo diferente del especificado, la capacidad de amperios-hora disponible aumentará o disminuirá. Generalmente, si la batería se descarga a un ritmo más lento, su capacidad será probablemente mayor. Índices más rápidos reducirán por lo general la capacidad disponible. El índice de carga o descarga se define como la capacidad total dividida por algún número. Por ejemplo, un índice de descarga de C/20 significa que la capacidad de la batería se refiere a una corriente de descarga igual a 1/20 de su capacidad total. En el caso de una batería de 200 amperios-hora comprobada a C/20, esto significaría que durará 20 horas a un índice de descarga de 10 amperios. Temperatura: otro factor que influye en la capacidad de amperio-hora es la temperatura de la batería y su entorno. Las baterías están clasificadas para un rendimiento a 27 °C. Las temperaturas más bajas reducen la capacidad de amperios-hora considerablemente. Las temperaturas más altas dan como resultado una capacidad ligeramente mayor, pero esto aumenta la perdida de agua y reduce el número de ciclos de la vida de la batería. 2. Profundidad de descarga: describe qué proporción de la capacidad total amperios-hora de la batería se usa durante el ciclo de carga-descarga. Por ejemplo, las baterías de “ciclo superficial” están diseñadas para descargar entre 10 % y 25 % de su capacidad total amperios-hora durante cada ciclo. En contraste, la mayoría de las baterías de “ciclo profundo” diseñadas para generaciones distribuidas se cree que descargan hasta un 80 % de su capacidad sin daños. Incluso las baterías de ciclo profundo se ven afectadas por la profundidad de la descarga. Cuanto más profunda sea la descarga, menor será el número de ciclos de duración de la batería (y consecuentemente su vida en años). 199 100000 1000 Cycles to failure 100 1000 100 10 Lifetime [Year] 10000 10 1 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Depth of Discharge 200 Tecnologías para la generación de energía eléctrica GRUPO ELECTRÓGENO Tablas comparativas Fortalezas Disponible en cualquier condición externa Alta fiabilidad sin interrupciones Coste inicial relativamente bajo Se puede instalar en cualquier sitio Debilidades Polución del aire Contaminación sonora Depende de combustible fósil caro Peligroso si no se toman las debidas precauciones con algunos carburantes Oportunidades Oportunidades de empleo para trabajadores de mantenimiento del generador. Disponible localmente Rentable Gestión, funcionamiento y mantenimiento por gente local Costes de organización y gestión menores que en otros sistemas energéticos Pequeño potencial energético Expansión energética puede no ser posible Alto grado de modularidad Diseño reconocido para electrificación rural No contamina No disponible por la noche No disponible en malas condiciones meteorológicas Peligros si voltaje del sistema es mayor que 50 voltios HIDROELÉCTRICA SOLAR FV Desarrollo de tecnologías menos dañinas para ríos y ecosistemas Empleo para técnicos y operadores locales Competitivo con los combustibles fósiles Economía de escala en caso de difusión global Oportunidades de empleo para empleados de mantenimiento de sistemas FV Amenazas La inestabilidad local puede causar una falta de suministro de carburante En caso de propagación, posibilidad de polución debida a los componentes del escape Robo de combustible in situ. Aumento de restricciones legales y ecológicas Cambios desfavorables en el marco legal Alto precio de instalación. En caso de generalización global, posibilidad de polución debida a componentes agotados Robo en emplazamiento 201 Diseño reconocido para la electrificación rural Disponibilidad local Costes específicos bajos SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO GENERADORES EÓLICOS Ventajas Flexible. Dependiendo del tipo de máquina eléctrica conectada a la turbina, se pueden abastecer cargas eléctricas CA o CC (o incluso una combinación de ambas). Si se añade un conjunto adecuado de aparatos de almacenamiento, la flexibilidad de la planta aumenta significativamente. No son necesarias infraestructuras importantes aparte de la misma turbina Tecnología limpia: sin polución derivada de la producción de energía Inconvenientes Características adecuadas del emplazamiento: suficiente viento para una cantidad significativa de horas al año. Dispositivos de almacenamiento pueden ser necesarios en caso de fluctuación de la producción. Normalmente el voltaje puede alcanzar valores peligrosos, en cuyo caso hay que prestar atención a la seguridad de las personas. Oportunidades Amenazas Fuente de energía Alto coste de barata: los costes instalación de inversión son Al final de la vida, más elevados. Una retirada difícil de vez construida e la turbina y los instalad la turbina, cables los costes mínimos de mantenimiento son los únicos costes. No se necesita combustible. Es una solución rentable para ubicaciones remotas La tecnología se puede ejecutar localmente Oportunidades de empleo para trabajadores de mantenimiento de sistemas FV Vida corta Materiales contaminantes Oportunidades de trabajo para remplazar las baterías de plomo-ácido Robos de las baterías de plomoácido para otros usos (automóviles) 202 Tecnologías para el bombeo de agua 6.12 Tecnologías para el bombeo de agua Bombas de mano Descripción de la tecnología Las bombas de mano son ampliamente utilizadas en lugares que no tienen acceso a otras fuentes de energía para bombear agua, ya sea porque no hay recursos financieros para la inversión o porque el mantenimiento es limitado y el requerimiento de agua doméstica es bajo. Son simples de instalar y operar, y funcionan solo con trabajo humano. Las bombas de mano se usan para bombear el agua subterránea, que es el agua que fluye o se filtra hacia abajo a través de la tierra, llena los espacios entre el suelo, la arena y la roca para formar una zona saturada. Las bombas de mano pueden dividirse en tres categorías principales: pozo abierto, pozo poco profundo y pozo profundo. 1) Los pozos abiertos no son realmente bombas, pero representan el método más simple y económico de bombear agua, usando una cuerda y un cubo que baja al pozo, que normalmente está forrado de piedra, ladrillos u hormigón. Estas bombas permiten recoger agua hasta una profundidad de 100 m. Para simplificar la tarea de sacar agua de un pozo, se puede añadir un cabrestante con un molinete. Estas bombas funcionan siempre que el agua subterránea sea accesible sin un orificio de perforación y que el suelo no sea de roca dura. En estos casos, es necesario utilizar las dos bombas de mano siguientes. Pozo con molinete Pozo con cigoñal 2) Los pozos poco profundos son bombas de succión reciprocantes que consisten esencialmente en una larga tubería vertical, que se extiende dentro de un área donde hay un pistón que sube y baja en un cilindro cerrado de doble válvula. Junto al fondo del cilindro, se sitúa una válvula de cierre sin retorno que permite que el agua fluya de la parte baja de la tubería al cilindro y no al revés. Una segunda válvula sin retorno se sitúa en el pistón (o émbolo). Cuando los usuarios bajan el pistón, la válvula de cierre permanece cerrada, impidiendo que el agua sea empujada de nuevo al pozo. La válvula de pistón sin retorno se abre, permitiendo que el agua fluya a través del pistón hasta que alcanza el final del cilindro. Cuando el pistón sube, la presión de la columna de agua por encima del pistón hace que la válvula del pistón se cierre. Como consecuencia, cuando el usuario levanta el pistón, el agua por encima del mismo empieza a subir, sin fluir de vuelta al área debajo del pistón, hasta que alcanza el caño; al mismo tiempo, el agua del pozo que aún está bajo presión atmosférica es succionada dentro del cilindro a través de la válvula sin retorno que se abre debido al vacío generado por el pistón que sube. 203 Debido a la diferencia de presión limitada entre dentro y fuera del cilindro, la bomba permite que el agua suba desde una profundidad máxima de siete metros. Requiere un mantenimiento relativamente simple y puede abastecer a 50 personas al día. 3) Las bombas de pozo profundo, como su propio nombre indica, permiten que el agua se extraiga desde profundidades de más de siete metros hasta más de 100 metros. Hay fundamentalmente tres tipos de bombas: - Bomba de acción directa, que tiene una bomba de pistón con una tubería de plástico hueca en lugar de la estrecha varilla de bombeo típica de las bombas de pozo superficial. Cuando el pistón es empujado hacia abajo, esta tubería 204 Tecnologías para el bombeo de agua levanta el agua. Durante el golpe de subida, la válvula del pistón cierra y el agua sube. La ventaja principal es que la tubería es hueca y flota de modo que la manivela no tiene que ser tan dura. Permite subir agua desde una profundidad de 12 metros. - Bomba de cuerda, que es una bomba giratoria que puede elevar agua desde profundidades de hasta 35 metros. Se usa ampliamente para el suministro de agua en domicilios y pequeñas comunidades. Se compone de una rueda principal, que se hace girar manualmente. Alimenta la cuerda y las arandelas (pistones) hacia debajo del tubo del pozo, sobre la polea de guía y a través del tubo ascendente hasta la salida al nivel del suelo. Las arandelas tienen un ajuste preciso con el tubo ascendente y traen una columna de agua tras otra hasta el punto de descarga. - Bomba de rotor helicoidal, que en lugar de un pistón tiene un “rotor” en forma de espiral metálica que gira dentro de un “estátor” de caucho. El sellado continuo entre estos dos componentes produce una acción giratoria que fuerza el agua hacia arriba. Una o dos manivelas giratorias mueven el mecanismo en lugar de una palanca de bomba. Es adecuada para aplicaciones de pozo profundo de hasta 100 metros de profundidad, pero es caro de fabricar y requiere competencias específicas para su mantenimiento. Como consecuencia, no es adecuado para el nivel de organización de un pueblo o campamento de refugiados. - Bomba de pistón de pozo profundo, que tiene un diseño muy similar a aquel de las bombas de pistón de pozo superficial. La principal diferencia es que el cilindro de la bomba está situado debajo de la capa freática en el fondo del pozo y conectado a la manivela de la bomba mediante una larga varilla. El uso de este tipo de bombas no está limitado por la profundidad y depende de la presión que pueda aplicar una persona. Son adecuados para un amplio abanico de pozos de más de 100 metros de profundidad, pero su mantenimiento requiere equipamiento especializado de elevación para acceder al pistón y la válvula en profundidad. Requisitos de utilización No hay limitaciones particulares para el uso de bombas de mano. Puesto que son las mujeres y los niños quienes suelen llevar a cabo esta actividad, es importante evaluar si la fuerza promedio y máxima requerida es realista para estos dos grupos. El agua subterránea está normalmente cubierta de suelo muy rocoso y normalmente se necesita perforar para alcanzar la fuente de agua. Para impedir cualquier caída de los niveles del agua subterránea, la elección de la bomba de mano debe anticipar un crecimiento de la demanda. Funcionamiento y mantenimiento Para una OyM comunitaria, las comunidades deben: - contribuir a los costes de inversión; - estar involucradas en todas las fases de planificación, ejecución y desarrollo de la tecnología; - estar formadas para hacer el mantenimiento; - tener fondos suficientes para tareas de mantenimiento y estar dispuestas a pagar completamente la OyM. Es necesario llevar un correcto mantenimiento de las bombas de mano y llevar a cabo las principales reparaciones antes de que las instalaciones existentes sean cedidas. El seguimiento tiene una función importante y se pueden evitar problemas serios mediante inspecciones y servicios periódicos de las piezas mecánicas. Asumir la responsabilidad total por el mantenimiento de las estructuras es del interés de todas las personas y se tiene que fomentar un sentimiento de propiedad. En el campamento, las personas tienen que comprender la necesidad de mantener los sistemas de agua en condiciones de funcionamiento con el fin de poder garantizar el suministro de agua y una mejor salud. El mantenimiento puede llevarse a cabo por gente formada en el campamento (en el caso de pozos abiertos y pozos poco profundos) o puede ser necesario acudir a un especialista, en el caso de las bombas de pozos profundos. Se recomienda el uso de un elevador para una OyM en el ámbito rural, porque disminuye la dependencia de las personas en las grandes instituciones. Características morfológicas y tamaño Dentro de estas tres categorías de modelos, existen muchos modelos diferentes de bombas de mano y dependen principalmente de las necesidades de agua de la comunidad y de la profundidad del pozo. Advertencias La arena y el sedimento en el agua son un problema, porque dañan las bombas que son sensibles a estas partículas. Por lo tanto, las bombas tienen que estar equipadas de un tamiz y colador para reducir las averías. Características técnicas y económicas Para instalar una bomba de agua subterránea, el primer coste de inversión corresponde al coste del pozo. Para una profundidad máxima de 20 m, se puede construir un pozo excavado a mano con herramientas simples en roca desgastada, formaciones sobrecargadas o sedimentarias con un coste de 900-1500 dólares y con un coste mantenimiento anual bajo (10-20 dólares). Si el suelo está compuesto de formaciones sedimentarias, para poder alcanzar la misma profundidad, las perforaciones taladradas a mano se hacen normalmente con un equipo de perforación manual con un coste de 800-1200 dólares y un mantenimiento más caro (40-50 dólares). 205 En el caso de pozos muy profundos, de entre 25 y 100 metros, se necesita una máquina perforadora, con costes de construcción estimados entre 4.000 y 15.000 dólares en África, dependiendo del diámetro, profundidad y diseño. En Asia se estiman costes más bajos: en India, una perforación de 80 m cuesta 1000 dólares. Puesto que la perforación puede requerir un mantenimiento aproximado de una vez cada diez años, el mantenimiento anual es barato, 10-20 dólares, pero los costes de remodelación del pozo cada diez años son altos: 500-1200 dólares. El coste de una bomba es muy bajo para el modelo de pozo abierto, pero varía de cientos de dólares para las bombas de pozo poco profundo a 2000-5000 dólares para las bombas de pozo profundo. El coste de mantenimiento es bajo, de 0,10 a 0,120 dólares per cápita. Muestra de aplicación Las publicaciones Human-Powered Handpumps for Water Lifting (‘Bombas de mano de accionamiento humano para elevar agua’) por Practical Action y Water lifting (‘Elevación de agua’) por Erch Bauman proporcionan información detallada sobre los aspectos técnicos, financieros, económicos, institucionales y sociales que deben tenerse en cuenta al seleccionar una bomba de mano para un suministro de agua doméstico o comunitario. En Handpumps (‘Bombas de mano’) por WaterAid (disponible online en www.wateraid.org/technologies), se proporciona una lista completa de los diferentes modelos de bombas de mano. Las bombas de mano son la solución más rentable sugerida por ACNUR para proporcionar agua en los campamentos de refugiados: Access to Water in Refugee Situations - Survival, Health and Dignity for Refugees (‘Acceso al agua en situaciones de refugiados – supervivencia, salud y dignidad para los refugiados’). 206 Tecnologías para el bombeo de agua Bombas eólicas mecánicas Descripción de la tecnología La tecnología eólica es uno de los métodos más antiguos utilizados para bombear agua. Los primeros indicios se remontan al siglo XVII a. C. y, en el siglo XIX, había más de 30.000 molinos de viento instalados en Europa, usados sobre todo para moler grano y bombear agua. El rotor eólico multipalas con una bomba reciprocante o de pistones, que generalmente se usa para bombear agua en pozos de sondeo, son los sistemas más comunes de bombeo eólico mecánico. El elevado número de palas (de 15 a 18) reduce la eficiencia de conversión (con respecto a las 3 palas), pero permite reducir la velocidad de arranque a la que empieza a funcionar el sistema (normalmente entre 2,55 m/s y 3,5 m/s, que es más baja que los valores generales de 4-5 m/s que la requerida por las bombas eólicas eléctricas). Se requiere un almacenamiento de agua para garantizar el suministro de agua cuando no hay viento para activar la bomba y para equilibrar la fluctuación por hora cuando se requiera. engranaje impulsor Las bombas eólicas funcionan gracias al rotor, que está vinculado a un eje que tiene un pequeño piñón en el otro extremo (engranaje impulsor) que impulsa dos engranajes de giro mayores (engranajes impulsados), que mueven los brazos Pitman. Los brazos Pitman hacen que la guía suba y baje y, como consecuencia, eleve y deje caer la barra de la bomba que lleva acoplada. El ciclo de bombeo subterráneo es el mismo que se describe en la ficha técnica relativa a las bombas manuales. Requisitos de utilización El primer requisito importante para poder usar un sistema de bombeo eólico es contar con una gran disponibilidad de viento incluso a baja altura (10-20 m) con velocidades medias mayores de 2,5-3 m/s. La altura del sistema depende de las velocidades del viento y de la presencia de objetos cercanos. Si hay objetos cercanos, el rotor tiene que situarse de 5 a 6 metros por encima de ellos y tiene que ser de 15 a 20 veces más alto que cualquier obstrucción lejana (p.ej., un árbol). Se necesita un depósito de agua para garantizar al menos el 100 % de la demanda diaria de agua. 207 Funcionamiento y mantenimiento Aunque un sistema de bombeo eólico requiere personal especializado competente para su construcción y mantenimiento, la participación de la comunidad es importante para: - contribuir a los costes de inversión; - participar en todas las fases de planificación, ejecución y desarrollo de la tecnología (p.ej., excavación de zanjas para la red de distribución); - tener suficientes fondos para el mantenimiento y estar dispuesta a pagar el coste total de la OyM. Las bombas eólicas pueden funcionar con poco mantenimiento, pero las reparaciones necesitan personal competente. Hacer un seguimiento es muy importante y se pueden evitar problemas graves llevando a cabo inspecciones y mantenimiento periódicos de las piezas mecánicas, sobre todo después de fuertes tormentas. El sistema de bombeo no necesita consumibles ni componentes eléctricos. Características morfológicas y tamaño Las turbinas eólicas tienen una altura de 10 a 20 y los rotores tienen un diámetro típico de 2 a 5 metros con 15-18 palas; los modelos más modernos utilizan de 6 a 8 palas solamente, lo cual reduce el coste pero encarece las velocidades de cone xión. La altura de las cabezas a las cuales pueden aplicarse varía típicamente de 10 a 100 m. Estos sistemas vienen en tres tamaños: bombas eólicas ligeras, que empiezan a bombear a velocidades del viento de 2 a 3 m/s y son las más comunes; bombas de tamaño medio, a 3–4 m/s, y bombas fuertes, a 4-5 m/s, que son las más eficientes. Advertencias Durante tormentas o velocidades de viento demasiado altas, se necesita un sistema de bloqueo de palas para evitar roturas. Características técnicas y económicas Las bombas eólicas mecánicas son económicamente atractivas cuando la velocidad media del viento es mayor que 2,5–3,0 m/s y pueden rendir mejor a una velocidad del viento baja (6–10 m/s) debido a su solidez y gran número de palas, lo cual aumenta la resistencia aerodinámica y limita la velocidad de la bomba de pistón a 40-50 ciclos por minuto. El agua que se puede bombear a diario está en el rango de 3–50 m3 al día, suficiente para abastecer a 500– 2000 personas. Las bombas eólicas tradicionales tienen una eficiencia de conversión global del 7 %-27 %. Las bombas eólicas de régimen variable con un contrapeso en la varilla de succión muestran una mayor eficiencia, porque las palas no están optimizadas para una velocidad del viento fija y se pueden adaptar a los continuos cambios producidos por las carreras ascendente y descendente. El coste de un sistema eólico de bombeo varía dependiendo de la elevación del bombeo, el tipo de almacenamiento de agua (depósito elevado o a nivel del suelo) y el tamaño de la red de distribución (si existe). El coste del sistema puede estimarse aproximadamente en 35000 a 60000 dólares mientras que los costes de OyM son aproximadamente de 0,80 a 1,50 dólares per cápita al año. Muestra de aplicación Practical Action llevó a cabo una aplicación de sistemas eólicos de bombeo y un sondeo posterior en Botsuana. No se informó de ningún impacto negativo de esta tecnología; al contrario, se observó que el 85 % de los hogares y comunidades entrevistados consideraban que las bombas eólicas mejoraban el contexto de abastecimiento de agua. Se menciona que uno de los problemas asociados al uso de bombas eólicas es la gran frecuencia de averías debido a malas condiciones meteorológicas. 208 Tecnologías para el bombeo de agua Bombas hidráulicas de ariete Descripción tecnológica La tecnología de las bombas hidráulicas de ariete, llamada comúnmente hidram, fue desarrollada a finales del siglo XVIII. Es un sistema automático de bombeo que funciona usando una pequeña caída de agua para elevar solo una fracción del flujo del suministro, pero a una altura mayor. El agua que cae es el motor del sistema de bombeo, que transfiere más del 50 % de su energía al flujo de impulsión. Es una tecnología simple compuesta fundamentalmente de dos válvulas llamadas válvulas de entrega e impulso, que son piezas móviles únicas, una cámara de aire, una tubería de entrega y otra de conducción. A continuación, se explica un ejemplo esquemático de su principio de funcionamiento: 1) El agua fluye a través de la tubería de conducción gracias a la gravedad y sale de la válvula de 209 impulso (nº 4), que inicialmente se abre con la gravedad. Esta fracción de agua se pierde. La presión es inicialmente demasiado baja para abrir la válvula de entrega (nº 5). 2) El flujo continúa acelerando y aumenta la presión estática en el cuerpo de la bomba y la presión hidráulica bajo la válvula de impulso. Cuando las fuerzas resultantes superan el peso de la válvula de impulso, empieza a cerrarse y la apertura de la válvula se reduce, causando un desarrollo de presión de agua que cierra bruscamente la válvula de impulso. Esto causa un pico de alta presión (flechas rojas) en la válvula cerrada que fuerza algo del agua (flechas azules) a través de la válvula de entrega y hacia dentro de la cámara de presión. La presión en esta cámara empieza a aumentar ligeramente. El pico de presión empieza a respaldar la tubería de conducción (flechas rojas) y a generar un flujo muy lento de agua hacia atrás de la tubería. 3) A medida que el pico de presión retrocede en la tubería de conducción, se crea una situación de baja presión (flechas verdes) bajo la válvula de impulso que hace que se cierre la válvula de entrega, reteniendo la presión en la cámara de presión, que se vacía, y el agua fluye dentro de la tubería de entrega. La presión debajo de la válvula de impulsión continúa disminuyendo hasta que 210 Tecnologías para el bombeo de agua el peso de la válvula la vuelve a hacer caer, abriendo la válvula de impulsión y dejando así que el ciclo comience de nuevo. Una hidram puede operar a 30-100 ciclos por minuto y es muy simple mecánicamente, con una alta fiabilidad, requisitos de mantenimiento mínimo y una larga vida de funcionamiento. Requisitos de utilización El requisito de utilización más importante para esta tecnología es la disponibilidad de una caída de agua, es decir, la bomba requiere algo de presión de retroceso para empezar a funcionar. Esto puede ser natural (en una catarata) o creado artificialmente (en una cámara de presión y compuerta). Normalmente se requiere un tanque de almacenamiento en la parte superior de la tubería para permitir el suministro de agua en cantidades variables, según se necesite. Si el depósito de almacenamiento es para agua potable, la regla general es que el volumen del depósito sea la mitad del volumen del agua impulsada por la bomba de ariete en un día. El cuerpo de la hidram tiene que fijarse firmemente a una cimentación de hormigón, porque las sacudidas del martilleo del agua son fuertes. Finalmente, se recomienda ajustar una válvula de no retorno en la línea de entrega, cerca de la salida de la hidram, 211 para no drenar la tubería de entrega si la hidram se para para por razones de ajuste u otras. Materiales de construcción locales e indicaciones La bomba hidráulica de ariete se puede construir localmente con piezas e instrumentos disponibles. Las destrezas técnicas necesarias son típicamente las de un fontanero. A continuación, se muestran un plano sencillo y los componentes principales. Las instrucciones de ensamblaje se pueden encontrar en la bibliografía incluida en la sección Muestra de aplicación. 1) Válvula 1 -1/4" 10) Llave de paso 1/4" 2) Empalme en T 1 -1/4" 11) Manómetro 100 psi 3) 1 -1/4" 12) Buje 1 -1/4" x 6" 1 -1/4" 13) Buje 4" x 1 -1/4" 1 -1/4" 14) Acoplamiento 4" 6) Junta Válvula oscilante de retención en bronce (válvula impulsora) Válvula (válvula de entrega) Empalme en T 3/4" 15) Tubería de PVC PR160 4" x 24" 7) Válvula 3/4" 16) Tapa encolada de PVC 4" 8) Junta 3/4" 17) Buje 3/4" x 1/4" 9) Buje 1 -1/4" x 3/4" 4) 5) Funcionamiento y mantenimiento Las hidrams tradicionales y resistentes suelen funcionar de forma fiable durante 50 años o más, pero son caras. Los diseños más ligeros fabricados en Japón y en el Sudeste de Asia, como Taiwán y Tailandia, emplean una construcción de chapa de acero y son más baratos, pero duran una década o menos. Sin embargo, es probable que funcionen con fiabilidad si se realiza un buen mantenimiento, principalmente para impedir su oxidación. Cuando se pone en funcionamiento por primera vez, es necesario arrancar la bomba manualmente varias veces con el fin de eliminar el aire de la tubería de la bomba de ariete; para ello, es necesario cerrar la tubería de conducción y esperar a que se cierre la válvula de impulsión. El mantenimiento requerido es mínimo, pero es importante verificar periódicamente la válvula de impulsión para comprobar si se ha obstruido por suciedad y asegurarse de que esté funcionando correctamente. 212 Tecnologías para el bombeo de agua Características morfológicas y tamaño Las características morfológicas de una hidram comercial se refieren normalmente a las dimensiones de las tuberías de conducción y entrega. Por ejemplo: 3/4” x 1/2”; 1” x 1/2”; 1-1/4” x 1/2”; 1-1/2 x 3/4”; 2” x 1”; 3” x 1-1/2”; 4” x 2”; 6” x 3”; 8” x 4”. La tubería de conducción es normalmente de acero para soportar los choques internos y debe ser al menos 100 veces más larga que su propio diámetro (o alrededor de tres a siete veces la cabeza de alimentación). La tubería de entrega puede hacerse de plástico, excepto para aplicaciones muy altas. Al igual que las tuberías, las dimensiones de la cámara de aire dependen del diámetro de la tubería de conducción. A continuación se muestran algunas indicaciones: Diámetro de la tubería de conducción (pulgadas) 3/4 1 1 – 1/4 1 – 1/2 2 2 – 1/2 3 4 6 8 Volumen de cámara de aire requerido (litros) 0,8 2,4 3,8 5,7 12,9 17,0 28,4 56,7 151,2 302,4 La longitud de la tubería de entrega depende de la eficiencia de la bomba y por consiguiente de la altura de descarga, que varía de 3 pies (90 cm) a 10 pies (3 m) de elevación por cada pie (30,5 cm) de caída de elevación desde la entrada del agua hasta la bomba. Algunos modelos simples se pueden improvisar a partir de accesorios de tuberías, usando materiales de desecho. Advertencias Si la válvula de impulsión no se verifica periódicamente, podría obstruirse por la suciedad y el aumento de presión podría destruir el cuerpo de la bomba. Características técnicas y económicas La eficiencia de la bomba se describe como el porcentaje del impulso de agua entregado, que varía dependiendo de la construcción del ariete, caída vertical a la bomba y elevación a la salida de agua. Este porcentaje puede ser de 22 % cuando el ascenso de la elevación desde el ariete hasta la salida del agua es el doble que la caída vertical desde la fuente del agua hasta la bomba. Por otra parte, puede ser tan bajo como 2 % o menos cuando la elevación desde el ariete hasta la salida de agua es 25 veces la caída vertical de la fuente de agua a la bomba. Para un primer acercamiento dimensional, se proporciona la siguiente ecuación: D 0.6 Q F E Donde Q es el flujo de salida disponible (en litros o galones por minuto), F es la caída (metros o pies) de la fuente de agua al ariete, E es la elevación desde el ariete hasta la salida de agua y D es el índice de flujo estimado de la entrega de agua (en litros o galones por minuto). La eficiencia media global puede estimarse dividiendo el valor D obtenido entre Q. Los sistemas de hidram comerciales cuestan alrededor de 2400 dólares para tamaños de tubería pequeñas de 2” y unos 8000 dólares para tamaños de 4” a 6”. Si es de fabricación casera, el coste típico de los accesorios es de de 120 a 240 dólares (excluyendo las tuberías). Muestra de aplicación En 2006, el grupo Border Green Energy Team llevó a cabo una pionera formación en bombeo de agua usando una bomba de ariete en el campamento de refugiados de Umphiem, Tailandia. Se pueden consultar los detalles en el sitio web de este grupo (http://www.bget.org/). El Programa de Extensión Cooperativa de la Universidad de Clemson proporciona información útil sobre bombas de ariete caseras en la publicación Home-made Hydraulic Ram Pump y en Hydraulic ram pump system design and application (‘Diseño y aplicación de un sistema de bomba hidráulica de ariete’), por Abiy Awoke Tessema (http://www.africantechnologyforum.org/ESME/hydram2/HydRam2.htm). 213 BOMBAS EÓLICAS MECÁNICAS BOMBAS DE MANO Tablas comparativas Fortalezas La menor inversión de capital de todas las tecnologías Se puede construir localmente Para las bombas de pozo abierto y pozo poco profundo, el mantenimiento no requiere de ningún técnico especialista, sino gente local con ciertas destrezas Se pueden alcanzar profundidades de 100 m No necesitan consumibles Velocidades de conexión bajas Pueden construirse localmente Se pueden alcanzar profundidades de hasta 100 m Su uso es económico Debilidades Las bombas de pozos profundos requieren un técnico especialista para su mantenimiento Las tecnologías más simples y baratas están limitadas a 7-12 m de profundidad Se requiere alto mantenimiento Apenas abastecen a 1000 personas Oportunidades Gente local con ciertas destrezas Campamentos y asentamientos no muy poblados Amenazas Maltrato a mujeres y niños Coste de inversión Gente local con Algunas bastante alto ciertas destrezas Se necesita un Campamentos y depósito de agua asentamientos no Se requiere muy poblados mantenimiento Ubicación con para los viento componentes mecánicos y necesita personal especializado con ciertas destrezas La bomba mecánica eólica tiene que estar situada directamente sobre la perforación Las turbinas eólicas son ruidosas y pueden tener un impacto negativo en animales y aves comunidades y culturas pueden ver las turbinas como “monstruos” Las tormentas frecuentes averían rápidamente las estructuras 214 BOMBAS DE ARIETE Tecnologías para el bombeo de agua Fortalezas Bajo coste de operación Bajos requisitos de mantenimiento Simple y fiable Buen potencial de fabricación en los poblados rurales Operación automática y continua, no requiere supervisión o intervención humana Debilidades Oportunidades Disponibilidad de Áreas montañosas caídas de agua Presencia de Solo bombean cataratas una pequeña fracción del flujo disponible Coste de inversión bastante elevado Se necesita almacenamiento Amenazas 215 6.13 Tecnologías de purificación de agua Filtración por bioarena Descripción de la tecnología Un filtro de bioarena es un sistema innovador que permite tratar el agua llenando un pequeño depósito con capas de grava y arena. Gracias a su gran efectividad, facilidad, bajo coste de construcción y bajo mantenimiento, se ha convertido en uno de los sistemas de tratamiento de agua más extendidos en los hogares de países en vías de desarrollo. El agua se difunde a través del filtro mientras el drenado del agua crea una biopelícula activa en la superficie de la arena por la que pasa el agua para purificarla. La biopelícula es el elemento clave del filtro. No puede eliminar elementos químicos o compuestos disueltos, pero permite la eliminación de más del 90 % de coliformes fecales, 100 % de protozoos y helmintos, 95 % a 99 % de zinc, cobre, cadmio y plomo y todos los sedimentos en suspensión con un caudal de fluido de hasta 60 litros de agua segura por hora. Requisitos de utilización La selección y preparación de la grava y arena es importante para un funcionamiento efectivo y eficiente del filtro, ya que son factores que afectan profundamente el rendimiento. Tiene que haber arena y grava disponibles. Puesto que el filtro no puede eliminar el 100 % de los contaminantes, la fuente debería ser la más limpia disponible. La turbiedad del agua tiene que ser menor que 50 NTU, lo cual puede comprobarse pegando un adhesivo en el fondo de la botella y llenándola de agua contaminada: si se puede ver el adhesivo a través del agua mirando desde lo alto de la botella, la turbiedad del agua es menor que 50 NTU. Se recomienda un método de sedimentación si la turbiedad de la fuente de agua es mayor que 50 NTU. 216 Tecnologías de purificación de agua Funcionamiento y mantenimiento El filtro es muy fácil: solo se ha de quitar la tapa, verter un cubo de agua por la parte superior del filtro y esperar a que el agua fluya lentamente hasta que pase a través de ambos niveles de grava y finalmente sea propulsada arriba y afuera. Es necesario recoger el agua tratada en un recipiente limpio. El filtro de bioarena se puede usar con agua subterránea profunda, agua subterránea poco profunda y también agua de lluvia o agua de superficie como lagos o ríos. Es recomendable usar siempre la misma fuente de agua, porque los cambios en el nivel y tipo de contaminación requieren adaptar la biopelícula a la nueva fuente, y esto puede llevar varios días. La biopelícula puede tardar 30 días a estar completamente formada; como consecuencia, en las primeras semanas, el agua se puede beber, pero se recomienda más desinfección. Puesto que el filtro es más efectivo si funciona intermitentemente, se requiere un período de pausa mínimo de una hora hasta un máximo 48 horas. Es recomendable usar el filtro al menos una vez cada 1-2 días, preferiblemente 2-4 veces cada día. Para mantener la biopelícula, se necesita una profundidad de agua de aproximadamente 5 cm (2”) por encima de la arena durante el período de pausa. Es necesario limpiar el filtro si el índice de flujo es más lento que 0,1 litros por minuto. El mantenimiento consiste en lavar el filtro quitando el difusor: se añaden unos 4 litros de agua y se mueve con una mano limpia en movimiento circular (con cuidado de no mezclar las capas de arena y grava). Se debe descartar el agua usada para limpiar el filtro. El cloro solo se puede usar para limpiar el contenedor de almacenamiento externo, la tapa y el difusor. Tras cada uso, la biopelícula es destruida y tarda varios días en volverse a formar. Características morfológicas y tamaño Los filtros de bioarena proporcionan generalmente de 30 a 60 litros de agua por hora, suficiente para cinco o diez personas. El cuerpo externo puede hacerse con hormigón o incluso metal (bidones de aceite) o plástico. 217 Se pueden integrar filtros de carbón en el filtro de bioarena; el resultado es un Filtro de Sandwich de carbono granular activado (GAC), un filtro de arena lento modificado que también elimina material orgánico (químico). Este filtro usa un GAC intermedio entre las dos capas normales de arena. Este filtro de arena modificado lento elimina pesticidas, carbón orgánico total y precursores de THM de forma efectiva. Advertencias Se recomienda estrictamente no almacenar alimentos dentro del filtro o poner cloro en su interior, porque mata la biopelícula. Lávese las manos antes de manipular el filtro. Características técnicas y económicas El filtro de bioarena no puede eliminar elementos químicos o compuestos disueltos, pero permite eliminar más del 90 % de coliformes fecales, 100 % de protozoos y helmintos, 95 a 99 % de zinc, cobre, cadmio y plomo, y todos los sedimentos en suspensión, con un caudal de hasta 60 litros de agua segura por hora. Su coste está entre los 20 y 30 dólares. Muestra de aplicación Se pueden descargar gratuitamente detalles de cómo construir el filtro de hormigón y el molde en las siguientes páginas: http://www.biosandfilter.org/ (http://www.biosandfilter.org/biosandfilter/files/webfiles/BioSandFilter_Construction_Guidelines_180912.pdf http://www.biosandfilter.org/biosandfilter/files/webfiles/BioSandFilter_Mould_Construction_Guidelines.pdf). Se puede consultar información detallada sobre la construcción, la preparación de la arena y grava y las características morfológicas en BIOSAND FILTER MANUAL DESIGN, CONSTRUCTION, INSTALLATION, OPERATION AND MAINTENANCE (‘DISEÑO MANUAL DE FILTROS DE BIOARENA, CONSTRUCCIÓN, INSTALACIÓN, FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO’) por CAWST (Centro para el agua y la tecnología de saneamiento asequibles) y HOUSEHOLD SCALE SLOW SAND FILTRATION IN THE DOMINICAN REPUBLIC (‘FILTRADO DE AGUA LENTO A ESCALA DOMESTICA EN LA REPUBLICA DOMINICANA’) por MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts). En 2003, se utilizarlos bidones de metal de 200 litros para transformarlos en filtros de bioarena en los asentamientos de miles de personas en Darfur, Sudán del Este. Se llevaron a cabo iniciativas interesantes, como demostraciones en el recinto por parte de cada jefe de poblado y cursos sobre funcionamiento y mantenimiento. 218 Tecnologías de purificación de agua Destilación solar Descripción de la tecnología El alambique de agua solar (alambique solar) es una tecnología simple que permite descontaminar el agua de sal, nitratos y metales pesados, como el arsénico, además de patógenos y otros contaminantes biológicos, mediante la evaporación y posterior condensación del agua. Es una tecnología muy antigua que data del siglo XIX. Es una solución apropiada en lugares donde la radiación solar es alta y las otras soluciones, como la filtración de arena, no están disponibles. Funciona gracias a la energía solar: la radiación solar pasa a través de una cubierta transparente (vidrio o plástico) y es absorbida a continuación por una superficie negra situada en el fondo del alambique. La placa negra se calienta y transfiere el calor a la capa de agua superficial, que lentamente se evapora dentro de la cámara del alambique. Cuando el vapor entra en contacto con el vidrio, que está a una temperatura menor (porque la temperatura ambiente es menor que la temperatura del vapor), se condensa y baja por un canal y finalmente es transportado a un recipiente. La eficiencia es bastante alta, pero se necesita una superficie importante para poder producir una cantidad suficiente de agua. En un día soleado, el rendimiento habitual es de 2,3 – 3 litros/m2/día. Requisitos de utilización Este sistema funciona solo si el tiempo es soleado durante la mayor parte del día. Materiales de construcción locales e indicaciones Se puede construir fácilmente un alambique de agua con materiales locales. Se construye una caja de madera, sobre una base de ladrillos, arena u hormigón, con una cubierta transparente de 4 mm de vidrio (para un período largo) o plástico, con una placa de hierro negro y un canal de escorrentía surcado para la condensación. Es importante seguir estas tres reglas prácticas: 1. La inclinación del vidrio tiene que ser de entre 10° y 20°. 2. La cubeta y la caja tienen que estar aisladas. 3. Los accesorios y junturas tienen que estar bien hechos. 4. La placa tiene que tener una buena superficie de absorción de radiación y estar pintada de negro. Funcionamiento y mantenimiento La forma de usar los alambiques afecta profundamente al rendimiento. Por lo tanto, es necesario adoptar ciertas medidas: La capa de agua sobre la placa negra tiene que ser de 2 cm de profundidad como máximo. No puede ser más profunda, porque absorbe la radiación solar que no puede calentar la placa negra. - Es necesario enfriar la superficie transparente, porque el agua condensada disipa el calor. Por ejemplo, puede ser enfriada con aire o agua. - Para maximizar la eficiencia, los alambiques solares deben usarse cuando la temperatura del aire no es demasiado alta. Cuando las temperaturas son superiores a 40 °C, la cubierta transparente tiene que ser constantemente enfriada. El mantenimiento es importante: - El alambique tiene que limpiarse a diario después de su uso, especialmente la parte interna del vidrio, que tiene que limpiarse a diario para mantener la transparencia. - La placa tiene que limpiarse periódicamente para eliminar la acumulación de sal y contaminantes. 219 Características morfológicas y tamaño Todos los alambiques solares tienen unas características principales comunes y lo único que puede cambiar es la forma. Para aumentar su eficiencia, se pueden añadir algunas funciones: Alambique con múltiple efecto: tienen dos o más cámaras. La superficie de condensación de la cámara inferior funciona como suelo de la cámara superior, que es calentada por el calor condensado inferior y proporciona energía para vaporizar el agua alimentada arriba. Se estima que la eficiencia aumenta considerablemente. Alambiques solares de absorción invertida: los rayos solares inciden sobre un espejo y son reflejados directamente sobre el fondo de la placa negra. La ventaja principal es que el sol no tiene que pasar a través de la cubierta transparente, con lo cual no se calienta y se enfría fácilmente. También se pueden usar reflectores para aumentar la concentración de energía de radiación solar sobre la placa de absorción y reducir el área de la abertura. El tamaño puede ser de 1 m2 a 15 m2 (1 m x 15 m, el lado corto es obviamente la altura, porque la caída de agua no puede deslizarse hacia abajo por 15 m de cristal). Advertencias El agua consumida por los humanos no debe ser completamente destilada (al menos 100 a 1000 mg/l de sal) para mantener los niveles de electrolitos y por cuestiones de sabor. Por lo tanto, debe añadirse un poco de agua salina al agua destilada. Características técnicas y económicas La eficiencia de los alambiques solares puede alcanzar un 50 %, pero un 30 % es más realista. Con esta eficiencia y conociendo la irradiación diaria promedio y la abertura del alambique, se puede calcular la producción de agua destilada: Radiación [kWh/m2 día] Producción diaria [litros] Área de abertura (p.ej. áreas del plano) [m2] 1,0 – 1,9 2,0 – 2,9 3,0 – 3,9 4,0 – 4,9 0,5 0,7 1,2 1,6 2,1 1 1,4 2,3 3,3 4,3 3 2,1 3,5 4,9 6,4 5 2,8 4,7 6,6 8,5 10 3,5 5,9 8,2 10,6 20 6,9 11,7 16,5 21,3 50 10,4 17,6 24,7 31,9 5,0 – 5,9 6,0 – 6,9 2,6 3,1 5,2 6,2 7,8 9,2 10,4 12,3 13,0 15,4 26,0 30,8 39,1 46,2 220 Tecnologías de purificación de agua En países en vías de desarrollo, la radiación solar es generalmente alta, y es habitual una producción media de 2,3 a 3,0 litros/m2/día. Puesto que en algunos contextos críticos la necesidad de agua destilada no excede los 5 litros/día/persona, se requieren de 2 a 3 m2 de alambique solar por persona. Una familia de cuatro miembros necesita al menos 10 m2 de alambique solar. Estos datos ponen de manifiesto que la destilación solar no es la mejor solución para el tratamiento del agua. Desde un punto de vista económico, el coste económico de un alambique solar es de 30 a 50 dólares por m 2, dependiendo de la disponibilidad de materiales. Los alambiques más grandes gozan de economía de escala. La vida de un alambique está muy relacionada con la vida del vidrio, de 20 a 30 años (pero es frágil y puede romperse fácilmente). Muestra de aplicación En la actualidad, podemos encontrar cientos de alambiques pequeños en funcionamiento, especialmente en África e India. 221 Lámparas UV Descripción de la tecnología Las lámparas ultravioleta (lámparas UV) son unos aparatos que emiten rayos UV, que desinfectan el agua cuando su luz entra en contacto con microorganismos; la luz ataca el núcleo genético y la capacidad reproductora del organismo. Son un método rápido, fiable y económico, que puede destruir el 99,99 % de microorganismos nocivos (bacterias, esporas de mohos, algas, virus, levaduras, etc.). Las ondas ultravioleta cortas se producen mediante la conversión de energía eléctrica lograda en una lámpara de vapor de mercurio; esta está hecha de un vidrio de cuarzo especial que permite el paso del 70 %–90 % de rayos UV cortos . Requisitos de utilización Es fundamental utilizar un buen prefiltro para eliminar la suciedad o residuos del agua, ya que funciona como “escudos”, protegiendo los microorganismos de los rayos UV. Funcionamiento y mantenimiento Es necesario instalar un filtro antes de meter el agua dentro de la lámpara. Sin embargo, los minerales, residuos y otros materiales en el agua podrían asentarse en la manga de cuarzo y limitar la penetración de los rayos UV a través de la manga y hacia el agua. Por lo tanto, es necesario limpiar frecuentemente el vidrio que hay alrededor de la lámpara con el fin de mantener una alta claridad. Para lámparas fijas, se debe reemplazar la bombilla UV después de un año o 9000 horas de uso. Su vida útil se ve afectada considerablemente por un encendido y apagado frecuente, y se recomienda no encender y apagar la lámpara más de una vez casa ocho horas. Funciona con electricidad. Las lámparas portátiles tienen una mayor vida útil, porque no se encienden constantemente y funcionan con una pequeña pila en su interior. Su limitación principal radica en el volumen, que es normalmente menor que un litro. Características morfológicas y tamaño Se combinan una serie de características para determinar la dosis entregada: 1. Longitud de onda del rayo emitido por la lámpara. 2. Longitud de la lámpara: cuando la lámpara se monta en la misma dirección que el flujo del agua, el tiempo de exposición del agua es proporcional a la longitud de la lámpara. 3. Diseño del índice de flujo del agua: el tiempo de exposición está inversamente relacionado con el índice del caudal lineal. 4. Diámetro de la cámara de purificación: las dosis entregadas disminuyen logarítmicamente con la distancia de la lámpara, porque el agua misma absorbe energía UV. El agua fluye normalmente a través del espacio anular en la manga de cuarzo, que contiene la lámpara germicida, y sale por la boquilla de salida una vez irradiada. Otra aplicación útil consiste en una botella de agua portátil con un pequeño LED en su interior. Es simple y útil: lo único que hay que hacer es llenar la botella de agua, encender el LED y agitar la botella unos 60 segundos. Este dispositivo tiene una pequeña batería en su interior que tiene que cargarse más o menos cada 80 ciclos. 222 Tecnologías de purificación de agua Una tercera aplicación consiste en una varilla UV, que es un simple dispositivo que funciona sumergiéndolo en agua (p.ej., en un vaso, botella o bote) y se enciende con un botón. Puede purificar un litro de agua en 90 segundos y funciona con una simple batería AA durante 200 usos aproximadamente. Advertencias La desinfección UV no elimina partículas orgánicas o inorgánicas disueltas en el agua. Características técnicas y económicas Las lámparas UV tienen una alta eficiencia, de hasta el 99,99 %: matan bacterias, esporas de moho, algas, virus y levaduras. El caudal de salida también es alto, unos 3,5 litros por minuto. En el caso de las lámparas portátiles, el índice de flujo es de menos de 1 litro por minuto. El coste es elevado: la lámpara tiene un coste de 50 a 110 dólares y los filtros cuestan casi 10-15 dólares (menos si se acopla a un filtro de arcilla). En el caso de los sistemas fijos, es necesario reemplazar la lámpara interna cada año y puede costar de 30 a 60 dólares. El consumo eléctrico es bajo (de 4 a 6 W) y puede acoplarse fácilmente a un módulo FV o a una batería. Muestra de aplicación La UV solar es una tecnología difundida ampliamente en Europa y los EE.UU., pero también se considera una solución apropiada para el tratamiento de agua en aplicaciones domésticas. 223 Filtro de membrana Descripción de la tecnología Los filtros de membrana se han convertido en una tecnología eficiente y fiable para el tratamiento de agua, también para aplicaciones domésticas. Su ventaja principal es que funcionan sin necesidad de añadir sustancias externas o químicas, y no requieren uso de energía (solo para bombear agua en el caso de grandes plantas de tratamiento). El termino tecnología de membrana se refiere a una serie de procesos de separación diferentes y muy característicos basados en la presencia de membranas semipermeables que funcionan según el siguiente principio: la membrana actúa como un filtro muy específico a través del cual fluye el agua, mientras se capturan sólidos en suspensión y otras sustancias. Los principales procesos de membrana usan microfiltrado, ultrafiltrado, nanofiltrado y osmosis inversa. Todos estos procesos son impulsados a presión y se usan para la purificación de agua a pequeña y gran escala, para fines domésticos e industriales. Esta ficha técnica se centra en las tecnologías que se pueden usar a nivel doméstico. Requisitos de utilización Las soluciones de filtro de membrana para uso doméstico se componen normalmente de pequeñas botellas o depósitos, y tienen que manipularse con las manos limpias (p. ej., abrir la boquilla de las botellas con las manos limpias). Funcionamiento y mantenimiento Todas las soluciones domesticas requieren un mantenimiento correcto y seguir un procedimiento específico. A continuación, se indican las fases comunes y generales: Limpieza del filtro: es necesario limpiar frecuentemente el filtro (llamado cartucho) para eliminar los contaminantes atrapados. El proceso de limpieza consiste normalmente en sumergirlo en una cubeta de agua tibia durante media hora mientras y remover suavemente para eliminar la suciedad o residuos. A continuación, debe enjuagarse con agua corriente limpia y dejar secar durante horas en un ambiente fresco. Limpieza de los componentes: es necesario limpiar periódicamente los componentes de plástico y externos con un trapo suave y una solución de detergente en agua tibia. Sustitución de los componentes: es necesario retirar los filtros y boquillas deteriorados o consumidos. El número de litros que pueden tratarse antes de cambiar los filtros depende del modelo; normalmente varía entre 1000 y 5000 litros para fines domésticos. 224 Tecnologías de purificación de agua Características morfológicas y tamaño Hay muchas tecnologías de filtro de membrana para uso doméstico y comunitario. A continuación se presentan los modelos más comunes: Botellas: estas son simples botellas con un filtro interno permeable al agua, pero no a los contaminantes. Estos modelos se diseñan normalmente para limpiar el agua de virus, bacterias, quistes, parásitos, hongos y cualquier otro patógeno o partícula acuáticos hasta 15-20 nanómetros de tamaño. Permiten procesar 5000 litros de agua limpia y estéril. Bidones: funcionan con el mismo principio y los mismos resultados que la botella, pero su tamaño permite a los usuarios filtrar y almacenar hasta 20 litros de agua, y procesar hasta 20000 litros de agua potable limpia y estéril. Depósitos grandes: grandes tanques de almacenamiento capaces de dar salida a un máximo de 2 millones de litros de agua potable, estéril y segura. Son idóneos para hospitales, escuelas y contextos humanitarios. Normalmente contienen tecnología de nanofiltrado, que elimina todos los patógenos acuáticos microbiológicos, incluyendo bacterias, virus, quistes, parásitos y hongos del agua. Advertencias Es importante evitar almacenar agua a temperaturas extremadamente altas y congelar el agua dentro del dispositivo. Características técnicas y económicas La característica más importante que permite distinguir cada dispositivo es el tamaño del poro del filtro, que afecta la capacidad de filtración y los tipos de contaminantes que puede filtrar. La tabla siguiente presenta las características del proceso principal: Tamaño del poro Masa molecular >10 Proceso Remoción de filtro clásico >0,1 µm > 5000 kDa microfiltración bacterias nocivas, levaduras, partículas 100-2 nm 5-5000 kDa ultrafiltración bacterias, macromoléculas, proteínas, virus más nocivos virus, 2 – iones de valencia 2-1 nm 0,1-5 kDa nanofiltración http://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_technology - cite_note-enf-5 <1 nm <100 Da osmosis inversa Sales, moléculas orgánicas pequeñas La ultrafiltración se realiza en los dispositivos domésticos y comunitarios mencionados anteriormente. El coste de cada sistema depende principalmente del tamaño del modelo: - Desde 20–40 dólares hasta 100 dólares para las botellas - Desde 100 a 300 dólares para los bidones: depende principalmente de la vida útil de los filtros. - Hasta miles de dólares para los sistemas de depósitos grandes. 225 Muestra de aplicación Estos dos ejemplos de modelos fiables y eficientes son comercializados por las marcas LifeStraw (http://www.buylifestraw.com/) y Lifesaver (http://www.lifesaversystems.com/): ofrecen un gran número de productos que pueden ser apropiados en contextos humanitarios y en países en vías de desarrollo. 226 Tecnologías de purificación de agua LÁMPARAS UV DESTILACIÓN SOLAR BIOFILTRO Tablas comparativas Fortalezas Alta eficacia Remoción de turbiedad, color y olor Se puede construir con materiales locales Duradero Mantenimiento mínimo Remoción de sal, nitratos, metales pesados, patógenos y otros contaminantes biológicos Se puede construir con materiales locales Duradero Mantenimiento mínimo Debilidades Oportunidades Agua contaminada Sin tratamiento biológica y químico físicamente Portabilidad limitada Turbiedad limitada (50 NTU) Baja eficacia la primera semana después del mantenimiento Alto contenido de Poco agua sal en el agua destilada a diario No para aguas por metro subterráneas cuadrado Debería añadirse un poco de agua salina Amenazas Contaminación química Contaminación Altamente eficaz Sin adición de sustancias químicas como el cloro No cambia el gusto, color ni olor Portátil Hay que quitar antes turbiedad, hierro y ácido húmico y fúlvico del agua Contaminación química química Contaminación física 227 FILTROS DE MEMBRANA Altamente eficaz Sin adición de sustancias químicas como el cloro No cambia el gusto, color ni olor Portátil No necesita energía Sin tratamiento químico Alto coste Agua contaminada biológica y físicamente Bajas temperaturas Contaminación química 228 Capítulo sobre innovación 7 Hacia la innovación en contextos humanitarios y asentamientos informales El propósito de este capítulo es describir la metodología adoptada para seleccionar y ejecutar las innovaciones tecnológicas en los proyectos piloto de SET4food. También se ofrece una descripción técnica de las soluciones adoptadas. Se muestra cómo de un proceso de selección pueden surgir soluciones innovadoras cuando hay un intercambio de ideas y un acercamiento multidisciplinario. El concepto de innovación va más allá del concepto de invención e incluye cualquier adaptación, mejora o cambio que pueda realizarse. Lo más importante de este concepto es identificar una nueva solución capaz de satisfacer, de un modo más eficiente, una necesidad local específica; de este modo, los nuevos estándares o modelos comerciales también pueden considerarse “innovación”. La metodología se centra en la gente, es decir, la innovación está motivada y promovida por las necesidades del usuario final. Para estos tres estudios de caso, se han elegido como ubicaciones campamentos o asentamientos informales temporales, casi permanentes o permanentes, pero el acercamiento metodológico que se describe aquí se puede aplicar a cualquier ubicación, siempre que se den algunas características. 7.1 Metodología Las tecnologías adecuadas1 seleccionadas para los tres estudios de caso representan los resultados de la metodología descrita a continuación, que se ha aplicado en estos contextos específicos. El objetivo de la metodología es proporcionar a los agentes humanitarios un procedimiento estructurado para seleccionar e introducir tecnologías de energía innovadoras y apropiadas para la utilización de los alimentos en campamentos o asentamientos informales temporales, casi permanentes y permanentes. Las diferentes soluciones dependen de las limitaciones, necesidades y recursos locales. Hay que subrayar algunas premisas relativas al uso de la metodología para entender la finalidad de este capítulo: - En contextos diferentes, pueden surgir soluciones innovadores diferentes, puesto que las necesidades locales impulsan la selección. Para el mismo contexto, las soluciones elegidas por diferentes equipos de profesionales pueden variar, puesto que la innovación es un proceso creativo que implica a gente con diferentes ideas y opiniones. Diferentes limitaciones de tiempo también pueden conducir a diferentes soluciones, puesto que el proceso puede requerir tiempo para proporcionar los mejores resultados. - A continuación, se resumen los pasos para adoptar una metodología (figura 56): a) Identificación de prioridades: esta fase es necesaria para identificar las necesidades y definir las prioridades en el área de intervención. Se tienen que identificar las prioridades según las necesidades de la comunidad local: a. Las necesidades básicas de los hogares b. Los servicios comunitarios c. Actividades productivas para las industrias agrícola y rural 1 A technology should be considered appropriate when it is sustainable from an environmental, ethical, cultural, social, political, and economical point of view, depending on the specific context. 229 Esta información preliminar es utilizada por los socios del proyecto (Politecnico di Milano y COOPI) para avanzar a un paso posterior y más profundo de recopilación de datos. Este paso se lleva a cabo a través de la distribución de cuestionarios apropiados a los beneficiarios con el fin de obtener una valoración específica de las prioridades y necesidades. El personal local tiene que participar en el proceso de recopilación de datos (cuestionarios) y en una sesión informativa preliminar. Este análisis detallado permite obtener una primera valoración de las condiciones de vida, prioridades, desafíos, barreras y necesidades relativas a la seguridad alimentaria en el contexto humanitario. Esta fase conduce a la definición de las principales metas de la intervención. b) Diagnóstico: durante la fase de diagnóstico, la demanda de energía se evalúa según las necesidades; el cálculo del consumo de agua y alimentos define la carga global que deberán satisfacer las soluciones energéticas. Es importante llevar a cabo una valoración de referencia para identificar el marco institucional local y todas las partes interesadas. Se deben tener en cuenta las restricciones o vínculos derivados de las características específicas del asentamiento, puesto que este tipo de elementos puede influir considerablemente en el diseño de la solución (soluciones a nivel doméstico y comunitario). Los cuestionarios mencionados anteriormente también están diseñados para proporcionar información para este tipo de diagnóstico. Esta fase permitirá definir las necesidades a satisfacer y las limitaciones que la solución tecnológica debe cubrir y respetar. c) Selección de estrategia: dentro de esta fase, se acomete la selección de la estrategia de intervención, teniendo en cuenta la información recopilada en el paso anterior y usando un sistema de apoyo a las decisiones (DSS) para facilitar esta selección. En los proyectos piloto de SET4food, la estrategia concierne a la identificación de áreas de intervención y los escenarios tecnológicos más apropiados. Esta fase es asistida por el DSS, desarrollado por el Politecnico di Milano, que simplifica la selección de la estrategia y de las tecnologías más apropiadas según el contexto especifico usando indicadores específicos. A continuación, se indican los pasos principales seguidos por el DSS (la herramienta está disponible para los usuarios registrados en el sitio web de SET4food, www. set4food.org/tools): - Selección de macroáreas. Se han identificado cinco macroáreas: cocinado, conservación de alimentos, generación de energía, suministro de agua y tratamiento de agua. Para cada macro área, la selección se lleva a cabo mediante preguntas específicas. - Selección de indicadores. Dentro de cada macroárea se evalúan los indicadores seleccionados a partir de la combinación de necesidades y recursos locales. Estos indicadores permiten definir la estrategia de intervención más apropiada para las áreas preseleccionadas. - Clasificación de alternativas viables. El DSS proporciona una clasificación de tecnologías apropiadas para todas las macroáreas previamente seleccionadas gracias al uso de indicadores, que permiten valorar los aspectos tecnológicos, económicos, sociales y medioambientales. Esta fase permitirá seleccionar la estrategia de intervención al emparejar las tecnologías más apropiadas con las necesidades locales. 230 Capítulo sobre innovación d) Selección de tecnologías e innovación. Este paso supone la elección final de las tecnologías más apropiadas: el DSS proporciona una clasificación de tecnologías potencialmente apropiadas y, a continuación, se comprueba su viabilidad respecto a las limitaciones, oportunidades locales y disponibilidad y asequibilidad de dispositivos en el mercado local. Se puede emprender un proceso de adaptación para investigar si la tecnología actual puede ser modificada fácilmente para ajustarse mejor a las necesidades y costumbres locales. La siguiente sección presenta algunos ejemplos de adaptación de tecnologías preexistentes a las necesidades locales. Esta fase permitirá realizar una selección final de las tecnologías más apropiadas. En el proyecto SET4food, los principales factores diferenciados que han conducido a la innovación, según esta metodología, han sido: El acercamiento multidisciplinario y la cooperación entre diferentes partes interesadas con diferentes destrezas y antecedentes científicos. Atención sensata al marco local (prioridades, necesidad y limitaciones). Particularmente, la sinergia entre el Departamento de Energía y el Departamento de arquitectura, medio ambiente construido e ingeniería de la construcción del Politecnico di Milano y el personal de COOPI – COOPERAZIONE INTERNAZIONALE ha hecho posible compartir diferentes ideas, conocimientos técnicos y competencias. Figura 1 : adaptación/innovación - planificación de la selección de una tecnología. 231 7.2 Tecnologías adecuadas identificadas para los estudios de caso La metodología permite diseñar sistemas de energía siguiendo un acercamiento basado en la unión de “necesidad-recurso” a partir del contexto local: detrás una demanda siempre hay una necesidad (específica) y, para proporcionar un suministro, se tiene que usar un recurso (específico). Este acercamiento lleva a elegir las llamadas tecnologías adecuadas que, en este proyecto, es cualquier tecnología que permita: - el uso más rentable de los recursos naturales locales y de los otros recursos necesarios, como recursos humanos, económicos, técnicos, etc. una mejora de los aspectos sociales; una alta adaptabilidad a un entorno social y cultural concreto. En los siguientes párrafos se describen desde una perspectiva tecnológica algunas de las tecnologías innovadoras definidas para los tres proyectos piloto. También se destacan las características más relevantes del contexto en el que se han aplicado, y se hace referencia a las cinco macroáreas de intervención. 232 Capítulo sobre innovación 7.2.1 Caso A a) Identificación de prioridades En el primer estudio de caso se han seleccionado cinco asentamientos cercanos. Las características principales y necesidades locales se resumen en la tabla 10: Tabla 10: principales necesidades y recursos del estudio de caso A. b) Asentamiento Personas - TIPO: asentamiento informal. - ESTRUCTURA: tiendas hechas de madera, contrachapado y láminas de plástico/metal y una estructura de cemento de cuatro suelos. - HHs: 199. - PERSONAS: 985. - CAPACIDAD: alta capacidad de construcción. Cocinado Energía eléctrica NECESIDAD: reducir el coste y el uso de combustible. NECESIDAD: la gente necesita electricidad para iluminación, alumbrado nocturno externo, luz hasta el patio comunitario y escaleras, cargar el móvil. Conservación de alimentos NECESIDAD: aumentar el número de personas con la posibilidad de conservar alimentos frescos. Suministro de agua NECESIDAD: una pequeña fracción de personas que viven en las tiendas usa agua contaminada que tiene que tratarse. Diagnóstico La diseminación de los cuestionarios ha proporcionado la siguiente información relativa a la valoración local, la demanda de energía, las limitaciones locales y las partes implicadas. Cocinado Energía eléctrica - TIPOLOGÍA DE ALIMENTOS: alimentos secos y frescos. - COMBUSTIBLE: madera comprada en el mercado local y/o gas comprado en el mercado local. - TECNOLOGÍA: fuego de tres piedras para la gente que usa madera y quemadores para el resto. - SITIO: la gente cocina en exteriores e interiores. - TECNOLOGÍA: conexión a la red. - DISPONIBILIDAD: conexión ilegal seis horas al día para las tiendas; conexión legal seis horas al día para la gente que vive en el edificio. - LIMITACIONES: las soluciones orientadas a la comunidad y al uso compartido son aceptadas por la gente que vive en el edificio y Preservación de los alimentos - INSTALACIONES USADAS: ninguna. - LIMITACIONES: las soluciones orientadas a la comunidad y al uso compartido son aceptadas por la gente que vive en el edificio y algunas tiendas Suministro de agua Recursos Partes interesadas locales - SUMINISTRADOR: pozo público y cisternas. - CONTAMINANTE: presente, biológico. - TRATAMIENTO ACTUAL: ninguno. - LIMITACIONES: las soluciones orientadas a la comunidad y al uso compartido son aceptadas - Alto potencial solar (de 2,5 a 8 kWh/m2/día). - Alto potencial eólico, particularmente en el tejado del edificio. - Condiciones climáticas moderadas (de 10 a - Gente que vive en los campamentos. - Alcalde de la ciudad, que espera ser informado constantemente acerca de las tecnologías instaladas. - Fabricantes y artesanos locales. 233 - TECNOLOGÍAS EN EL MERCADO: quemador de gas. - LIMITACIONES: las soluciones orientadas a la comunidad y al uso compartido son aceptadas por la gente que vive en el edificio y algunas tiendas. - POTENCIA ESTIMADA: 4 – 6 kW por cocina por familia; esta es la potencia térmica que la cocina debería transferir a la cazuela. c) algunas tiendas. - CARGA ELÉCTRICA ESTIMADA: o 0,18 kWh por día por familia, proporcionada con dos bombillas LED y dos luces de seguridad. Se estima una potencia máxima de 20 W por familia. o 0,48 kWh por día por familia, proporcionada con dos bombillas LED, dos luces de seguridad y un refrigerador termoeléctrico. Se estima una potencia máxima de 70 W por familia. o 0,580 kWh por día por familia, proporcionada con dos bombillas LED, dos luces de seguridad y un refrigerador termoeléctrico. Se estima una potencia máxima de 90 W por familia. o 1,8 kWh por día por refrigerador comunitario. Se estima una potencia máxima de 300 W por refrigerador. por la gente que vive en el edificio y algunas tiendas - CANTIDAD: se estima una cantidad de 15 litros de agua tratada por familia y día. 25 °C). Selección de la estrategia Basándose en información previa, se ha definido la siguiente estrategia: Cocinado Energía eléctrica Conservación de alimentos Suministro de agua - Cocinas mejoradas hechas localmente como alternativa al fuego de tres piedras. - Accesorios técnicos para mejorar la eficiencia de quemadores de gas. - Sistemas alternativos con almacenamiento para reducir los problemas debidos a apagones y para aumentar la disponibilidad de suministro eléctrico. - Explotación del recurso eólico. - Uso posible de sistemas de refrigeración pasivos gracias a condiciones climáticas moderadas. - Aumento del número de sistemas eléctricos. - No se necesitan sistemas de bombeo. - Sistemas UV adoptados. 234 Capítulo sobre innovación d) Selección de las tecnologías e innovación A continuación, se presentan las tecnologías seleccionadas para el CASO A y una descripción de las alternativas innovadoras asociadas. Cocinado Energía eléctrica Conservación de alimentos Suministro de agua - Microgasificador mejorado. - SHS: sistema PV autónomo para alumbrado (interior y exterior). - 1 x Envasado al vacío (bomba). - 2 x Envasado al vacío (recarga, 15 bolsas por familia). - Purificación de agua UV en punto de uso (SteriPEN). - Incorporación de falda de cazuela (potskirt) para quemadores de gas. - Olla a presión. - MICRO-RED híbrida impulsada por PV – viento – baterías para ocho refrigeradores (cargas primarias) y más cargas auxiliares (p.ej., iluminación, ICT, bomba, etc.). - Pequeño refrigerador termoeléctrico en CC (30 l). - Refrigerador comunitario (500 l) con compartimentos múltiples individuales. 235 Para algunas soluciones tecnológicas, ha sido posible introducir algunas adaptaciones e innovaciones que satisfacen la necesidad local de una manera más eficiente que la tecnología comercial estándar. Se presentan a continuación: Microgasificador mejorado Modelo clásico y características: los microgasificadores son unas cocinas particulares que tienen la ventaja de tener una combustión multifase para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones durante el cocinado. Existen muy pocos modelos comerciales de microgasificador. Uno de ellos es un modelo desarrollado por Blucomb, un grupo académico de la universidad italiana de Udine. Blucomb ha desarrollado un pequeño microgasificador llamado ELSA, que se compone de láminas de metal preensambladas (figura 57). Estas son las características principales de este modelo: La forma extendida de su cámara de combustión, que permite la combustión multifase y la producción de gas de madera. Muy pocas emisiones de PM y alta eficiencia. 1 kW de energía térmica transferido a la cazuela. Compatibilidad con una cazuela de 0,5 litros de capacidad. Puede alimentarse con unos 0,3 kg de pequeños pellets. Limitaciones y restricciones: esta tecnología ha sido seleccionada para el asentamiento del estudio de caso A, donde la gente solo cocina con quemadores de madera en fuegos de tres piedras muy poco eficientes. Esto conlleva tres consecuencias negativas principales: 1) Alto gasto en compra de madera. 2) Mucho tiempo empleado en su recolección. 3) Enfermedades causadas por cocinar en interiores. El microgasificador puede mitigar estos efectos, ya que permite disminuir el consumo de madera y reducir las emisiones. El conocimiento del contexto local y la información proporcionada por el personal de COOPI han resaltado la incompatibilidad entre las características de la ELSA clásica y las costumbres y necesidades de cocinado de la gente en el asentamiento. De hecho: Figura 57: ELSA clásica Figure 2 – Classical ELSA model. Debido al tamaño de los hogares (5 a 6 personas) y al tamaño de los alimentos cocinados, se requieren cazuelas de 4 a 5 litros. El modelo clásico de ELSA requiere pequeños pellets con una longitud y diámetro de menos de 3 cm y 1 cm respectivamente, que no siempre están disponibles o pueden no ser asequibles. La solución innovadora: dadas estas consideraciones previas, y debido a que la gente del asentamiento presenta capacidades de construcción técnicamente altas, la solución propuesta por el Politecnico di Milano ha sido un modelo de ELSA casero y mejorado. Gracias a las indicaciones y esquemas de Blucomb, se ha formado a los artesanos locales para construir moldes de metal de los microgasificadores a escala 1:2.24 y finalmente ensamblar la cocina. Las características técnicas de las soluciones finales se presentan en la tabla 11. 236 Capítulo sobre innovación Tabla 11 : características técnicas del microgasificador mejorado. Nombre Microgasificador mejorado ELSA Capacidad [l] 6 Potencia [kW] 5 Material Acero inoxidable Combustible Trozos de madera y pequeñas ramas Falda de cazuela para quemador de gas Modelo clásico y características. La falda de cazuela es un dispositivo simple que se coloca alrededor de la cazuela durante las actividades de cocinado para aumentar la eficiencia termal de la cocina. No existe una configuración estándar de falda de cazuela, porque depende estrictamente del tipo de cocina y cazuelas usadas. Las faldas de cazuela se aplican normalmente a cocinas de leña tradicionales para reducir la pérdida de calor. En la mayoría de casos son simples anillos circulares de metal que se sitúan sobre la parte superior de la cocina, alrededor de la cazuela. Limitaciones y restricciones. Se han seleccionado las faldas de cazuela para gente que cocina con quemadores de gas, con un gasto considerable en suministro de combustible. Si se aplican a quemadores de gas, pueden reducir las pérdidas de calor, aumentar así el rendimiento general de las cocinas y reducir el consumo de combustible. Los principales límites de los modelos clásicos son: Cazuela comercial: las faldas para cocinas de leña no pueden aplicarse a los quemadores de gas usados en los asentamientos, porque tienen formas diferentes. No se han encontrado ejemplos comerciales de faldas de cazuela Figura 3 – Falda de cazuela clásica aplicados a quemadores de gas. para cocinas de leña. Durante el funcionamiento de la cocina, este componente se calienta fácilmente y puede ser peligroso para las personas que no está familiarizadas con él. Dicho esto, la solución es una falda de cazuela adaptada, diseñada específicamente para los quemadores de gas usados en los asentamientos. La solución innovadora. Para el proceso de adaptación de la falda de cazuela se han seguido los siguientes pasos: Obtención de la información relativa a los quemadores de gas usados en los dos asentamientos (figura 59) a partir del análisis del contexto, mediante cuestionarios y fotografías. Análisis de las características técnicas y diseño de los quemadores de gas. 237en los Figura 4 - Quemador de gas usado asentamientos en el CASO A. Diseño de la falda de cazuela adaptada, que se sitúa sobre los soportes de los quemadores con la ayuda de cinco tallados, que permiten: − que el aire pueda entrar desde el fondo; − poder colocar la falda de cazuela firmemente sobre el quemador; − que los gases calientes producidos por la combustión a través del canal fluyan a través del canal entre la falda de cazuela y la cazuela. La definición de mejoras técnicas adicionales para incrementar la seguridad del dispositivo: − Se ha añadido un aislamiento térmico del entorno para evitar quemaduras (figura 61). − Se han creado pequeños agujeros en una parte del anillo para permitir que los gases calientes escapen antes de llegar a la parte superior de la cazuela (para evitar daños en las manos) (figura 60). Figura 5 - Diseño adaptado. Como la gente local tenía grandes destrezas de construcción, las faldas de cazuela se realizaron localmente. Tabla 12: falda de cazuela innovadora de SET4food. Nombre Falda de SET4food Material Acero inoxidable cazuela Coste [$] Compatibilidad de la cocina Quemador de gas Reducción de combustible si se aplica a un quemador de gas Figura 61: falda de cazuela SET4food ejecutada en los campamentos del CASO A. Refrigerador comunitario con compartimentos individuales múltiples Modelo clásico y características. El compresor mecánico de vapor es la solución más sencilla adoptada en refrigeradores y congeladores para aplicaciones domésticas. Generalmente los refrigeradores y 238 Capítulo sobre innovación congeladores consisten en un sistema compacto que incluye una cámara aislada. Pueden tener un volumen variable, de 30 litros a varios metros cúbicos. Sin embargo, puesto que los sistemas con menor volumen tienen por lo general una eficiencia menor y un coste específico más alto si se comparan con componentes más grandes, casi siempre se recomienda la aplicación de un refrigerador con un volumen mayor de 200 litros. Limitaciones y restricciones. La comprensión en profundidad del contexto pone de manifiesto varias restricciones a la aplicación estándar de un refrigerador clásico: En el asentamiento del estudio de caso A, la gente come alimentos secos principalmente, no están familiarizados con sistemas de refrigeración y, por lo tanto, los refrigeradores clásicos no son apropiados y son demasiado grandes. En este asentamiento, la electricidad solo se suministra durante unas cuantas horas al día y no llega a todos los hogares. Por estas razones se requiere una idea innovadora para la introducción de refrigeradores. La solución innovadora. La aplicación de un “refrigerador comunitario” con pequeños compartimentos independientes permite tener mayor eficiencia que otro sistema más pequeño disponible en el mercado. El refrigerador cuenta con una capacidad global de 700 litros y está dividido en ocho compartimentos independientes de 90 litros aproximadamente. Se asigna cada compartimento a una única familia y se puede cerrar con una llave personal. El refrigerador comunitario se coloca en un espacio común y está diseñado para funcionar en caso de suministro de energía discontinuo mediante la integración de una placa eutéctica, que prolonga la capacidad térmica del sistema. Este almacenamiento térmico permite mantener la temperatura interna (establecida en 8 °C) durante 10 horas aproximadamente sin suministro de corriente. Tabla 13: refrigerador SET4food con múltiples compartimentos. Nombre Refrigerador SET4food Coste [$] 3000 Tipo Compresor de vapor Dimensión 72 x 79 x 205 cm Capacidad 700 litros Controlador de temperatura Termostato digital Temperatura -2/+8 °C Absorción de energía 350 W Voltaje 230 V/50Hz Acumulación de almacenamiento térmico Superficie de almacenamiento térmico Peso de almacenamiento térmico 870 Wh 0.94 m2 26 kg 239 Microrred hibrida Modelos clásicos y características. Tradicionalmente, en áreas rurales o asentamientos informales, los generadores diésel (grupos electrógenos) son las principales opciones comunes adoptadas para suministrar energía. Son una tecnología familiar, altamente modular en energía, con una instalación y mantenimiento fáciles y un coste de inversión limitado. Sin embargo, tienen altos costes de funcionamiento y pueden sufrir apagones debido a interrupciones en la cadena de suministro. Además, pueden contribuir a la emisión local de contaminantes en el aire. Desde la última década, se ha promovido la aplicación de sistemas basados en energías renovables como una solución de energía gratuita innovadora, limpia y sin costes de funcionamiento. Para este modelo, los sistemas FV asociados a baterías de plomo-ácido son la opción más común. Estos sistemas se llaman microrredes si se alimentan diferentes cargas y los índices de energía suministrados por los paneles FV aumentan a unos kW (> 1-2 kWp). Se ha seleccionado una microrred basada en PV como la mejor opción para suministrar energía a las baterías del refrigerador comunitario (con ocho compartimentos) y más cargas auxiliares (p. ej., iluminación, TIC, etc.) en el asentamiento objeto del estudio de caso A. A pesar de que esto puede considerarse un sistema de energía innovador en comparación con los grupos electrógenos, se han reconocido algunas limitaciones acerca del contexto de aplicación específico, y se han identificado y ejecutado innovaciones específicas dentro del proyecto. Limitaciones y restricciones. Se han identificado tres problemas principales al analizar las microrredes FV dentro de este contexto concreto. 1. Preservar la vida útil de las baterías mediante la integración de múltiples fuentes: las baterías son uno de los dispositivos más caros y delicados de la microrred FV. Para reducir su capacidad total (para reducir los costes de inversión) y prolongar su vida útil, una opción es integrar diferentes fuentes de energía para compensar mutuamente sus propias limitaciones. Añadir otra fuente de energía permite reducir la capacidad de la batería (servicio reducido de energía de batería) si la nueva fuente está disponible cuando la otra no lo está (por la noche, en el caso de sistemas FV). Sin embargo puede que, al añadir una nueva fuente de energía, haya un requerimiento más alto de servicio de energía de las baterías, para compensar la fluctuación de energía entre fuentes y cargas. En particular, para el estudio de caso A, la generación eólica ha sido identificada como opción posible para integrarse con la FV. 2 Evaluando la disponibilidad potencial del viento: para evaluar el potencial eólico y así calcular el índice de energía de los sistemas eólicos que se integrarán con la microrred FV, se necesitan datos sobre el viento. Sin embargo, las tareas de medición de velocidad del viento son poco frecuentes en los países emergentes y especialmente en áreas remotas. 3 Evaluando el funcionamiento de la microrred: diseñar microrredes en un contexto que no permite reunir todos los datos necesarios es una tarea compleja. Por lo tanto, supervisar el funcionamiento del sistema (productividad energética de las diferentes fuentes de energía, carga y comportamiento de baterías, etc.) permite hacer un análisis ex-post del sistema y, cuando sea posible, realizar modificaciones en la micorrored. La solución innovadora. Teniendo en cuenta las consideraciones previas, el equipo de investigación del Politecnico di Milano ha identificado una serie de soluciones innovadoras para poder proporcionar suministro de energía a los refrigeradores comunitarios con ocho compartimentos y otras cargas auxiliares. La figura 62 muestra la arquitectura propuesta para la microrred. El sistema integra 3kW de FV solar con un eje horizontal de turbina eólica de 2,5 kW. Es más, se ha añadido un banco de baterías de 25 kWh para asegurar la continuidad del suministro. Las cargas primarias darán como resultado una carga pico de 300 W por refrigerador, con un consumo de alrededor de 3.600 Wh/día. 240 Capítulo sobre innovación Figure 62: arquitectura propuesta para la microrred. Además de la solución innovadora de integrar sistemas FV y eólico, una nueva característica de la arquitectura propuesta se basa en el convertidor considerado en el diseño. Efectivamente, permitirá emparejar la microrred con otra fuente de energía auxiliar, ya sea un generador diésel o una red. Esta opción se ha considerado para hacer frente a la posibilidad de un aumento en los requerimientos de energía. Además, el convertidor también debe permitir una gestión “inteligente” de las cargas en función de dos niveles de prioridad: las cargas primarias (refrigeradores) siempre tendrán corriente, mientras que las cargas auxiliares (iluminación, TIC, bombeo, etc.) serán alimentadas sólo cuando la SOC de la batería esté dentro de un umbral definido. Se ha considerado esta solución, porque no se conocía la productividad real de la turbina eólica en el momento de diseñar el sistema y, por lo tanto, se ha dimensionado el FV para garantizar la energía para los refrigeradores, mientras que la energía extra proveniente del viento respaldará el FV y, de este modo, se podrá proporcionar energía también a las cargas auxiliares. Además, para optimizar la explotación del recurso eólico y su integración con los sistemas solares, se ha llevado a cabo una campaña de medición para proporcionar muestras precisas de datos eólicos. La figura 63 muestra la elaboración de una recopilación de datos eólicos in situ. Se calcula la tendencia de la velocidad media del viento a lo largo de seis días por minuto. Estos datos permitirán determinar la disponibilidad de viento local y así evaluar la productividad de la turbina eólica para establecer mejor la gestión de cargas. Minute Averaged Wind Speed [m/s] 25 20 15 10 5 0 0:00 11:40 23:20 11:00 22:40 10:20 22:00 9:40 21:20 9:00 20:40 8:20 20:00 Figura 63: recopilación preliminar de datos eólicos. 241 Además de los datos del recurso eólico, para llevar a cabo el análisis ex-post de la microrred, es necesario supervisarla (es decir, evaluar y cuantificar la efectividad de la arquitectura). Con esta finalidad, la arquitectura (figura 62) abarca varios contadores de energía: en la parte CC de las fuentes de energía y en la parte CA de los dos niveles de carga. Estos datos permitirán revisar el diseño de la microrred, principalmente con respecto a la definición de los puntos establecidos para el control de la red y de la gestión de la fuente de energía y el almacenamiento (p. ej., valores del umbral de SOC, control de la MPPT/RPPT FV, gestión de las cargas auxiliares, etc.). Además de todo esto, las actividades de supervisión a largo plazo permitirán llevar a cabo también un análisis de coste/beneficio, lo cual supone un elemento innovador adicional. Esto significa que se calculará el coste de la electricidad suministrada (el coste nivelado de la energía) y, de este modo, se evaluará posteriormente la idoneidad de esta solución con respecto a otras opciones reconocidas para este contexto. 242 Capítulo sobre innovación 7.2.2 Caso B e) Identificación de prioridades En el segundo caso se ha seleccionado un campamento de refugiados. Sus características básicas y necesidades locales se resumen en la tabla 14: Tabla 14: principales necesidades y recursos del CASO B. Asentamiento Personas - TIPO: campamento de refugiados. - ESTRUCTURA: refugios de arcilla o tiendas que ocupan entre 0,8 y 1,8 m2. - HH: 1250. - PERSONAS: 3380. - CAPACIDAD: sin destrezas técnicas y pocos artesanos diestros. f) Cocinado Energía eléctrica NECESIDAD: reducir el consumo de madera y problemas de salud y económicos relacionados. NECESIDAD: la gente necesita electricidad para iluminación, comunicación y entretenimiento. Conservación de alimentos NECESIDAD: mejorar los sistemas rudimentarios actuales; Suministro de agua NECESIDAD: casi toda la gente que vive en el campamento usa agua no contaminada, que no necesita ser tratada. Diagnóstico La difusión de los cuestionarios proporciona la siguiente información en relación a la valoración local, demanda de energía y limitaciones locales y partes implicadas. Cocinado Energía eléctrica - TIPO DE ALIMENTO: alimentos secos y frescos. - COMBUSTIBLE: leña recolectada en el área circundante o en el mercado. - TECNOLOGÍA: fuego de tres piedras; - SITIO: la gente cocina en exteriores. - TECNOLOGÍAS EN EL MERCADO: cocinas de leña. - RESTRICCIONES: las soluciones comunitarias y el uso compartido no son aceptados por la gente que vive en el campamento. - POTENCIA ESTIMADA: 4 – 6 kW por cocina por familia; esta es la energía térmica que las cocinas transfieren a la cazuela. - TECNOLOGÍA: sistemas FV. - DISPONIBILIDAD: poco fiable, solo para oficinas y distribuidors. - RESTRICCIONES: el sol es la única solución renovable y disponible. - CARGA ELÉCTRICA ESTIMADA: se estiman 10 kWh por día para abastecer dos centros comunitarios provistos de dos luces interiores que funcionan durante seis horas, dos luces de seguridad que funcionan durante 12 horas, dos congeladores que consumen 2400 Wh/día. Una energía eléctrica máxima de of 1,4 – 1,5 kW por día por centro. Conservación de alimentos - INSTALACIONES USADAS: secado (sol y fuegos) y ahumadores tradicionales. - RESTRICCIONES: las soluciones comunitarias y el uso compartido no son aceptados por la gente que vive en el campamento. Suministro de agua Recursos - PROVEEDOR: bombeada en pozos externos fuera del campamento. - CONTAMINANTE: ninguno presente. - TRATAMIENTO REAL: ninguno. - Muy alto potencial solar (de 4,6 a 6,43 kWh/m2/día); - Baja velocidad del viento. - Altas temperaturas a lo largo del año (de 24,5 a 29 °C). - Alta humedad de marzo a noviembre (70 % de media). Partes implicadas locales - La gente que vive en los campamentos. - Fabricantes y artesanos locales. - Civiles que no aceptan gente en el campamento. 243 g) Selección de estrategia Basándose en las informaciones previas, se ha definido la siguiente estrategia: Cocinado Energía eléctrica Conservación de alimentos Suministro de agua - Modelos comerciales como alternativa al fuego de tres piedras. - Explotación del sol: sistemas solares para mejorar la conservación de alimentos actual y proporcionar electricidad para alumbrado. - Sistemas eléctricos. - Sistemas pasivos caseros. - No se necesitan sistemas de bombeo. - No se necesitan sistemas de tratamiento de agua. h) Selección de tecnologías e innovaciones A continuación, se presentan las tecnologías seleccionadas para el CASO B y una descripción de las alternativas innovadoras asociadas. Cocinado Energía eléctrica Conservación de alimentos - Modelos comerciales de ICS (EcoZoom). - Dos sistemas FV autónomos para proporcionar conservación de alimentos e iluminación a una parte del campamento; los paneles son de tipo policristalino y CIS/CIGS (película delgada). - Antorcha solar o linterna con panel solar y batería integrada en el aparato. - SHS: 1 FV autónomo para 1 luz/antorcha/linterna LED y 1 puerto USB. - Sistema de iluminación exterior: FV autónomo. - Suministro de agua Congelador comunitario en CC (240 litros); Ahumador mejorado casero. Secador solar mejorado casero. Silos con paquetes de hielo. 244 Capítulo sobre innovación Sistemas FV autónomos Modelos clásicos y características. En el asentamiento objeto del estudio de caso B, se requiere suministro de energía para la conservación de alimentos mediante congeladores y para iluminación. Se han seleccionado dos edificios para equiparlos con un sistema de suministro para alimentar dos luces de interior, dos luces de seguridad y dos congeladores. Un sistema FV autónomo para cada edificio genera la energía eléctrica requerida. En este caso la configuración del sistema FV es estándar (figura 64): el despliegue FV suministra energía a las baterías, que son emparejadas con un convertidor que conecta las sección CC del sistema (paneles FV, cargador de batería y baterías de plomo-ácido: generación y almacenaje) a la sección CA del sistema (cargas de usuarios). DC section PV Array Battery Charger Battery Bank Inverter DC/AC AC link 1 AC link 2 Primary Loads Auxiliary Loads En relación con la aplicación de esta configuración de sistema, en áreas remotas o asentamientos informales se han identificado algunas limitaciones con respecto al análisis de coste/beneficio de diferentes soluciones tecnológicas en relación a los paneles FV. Limitaciones y restricciones. En general, dentro de los proyectos de intervención impulsados por donaciones en áreas remotas o asentamientos informales, la selección de la tecnología se basa solo en limitaciones del presupuesto de costes de inversión. Los análisis comparativos de coste/beneficio de diferentes tecnologías FV con rendimientos tecnoeconómicos no son frecuentes. Sin embargo, estos análisis proporcionan una comprensión adicional para respaldar la selección de la opción tecnológica más adecuada para cada área. Por ejemplo, comparar diferentes tecnologías FV puede influir en la elección. Concretamente, si se comparan células FV policristalinas y células FV película delgada: se considera que la primera es una opción interesante, porque es muy económica, pero se piensa que la segunda es una solución de alto nivel. La elección no debería estar impulsada por el coste de inversión, porque los problemas de polvo o suciedad, deterioro del rendimiento, mantenimiento apropiado del sistema, funcionamiento adecuado del sistema son elementos que pueden poner en peligro los rendimientos tecnoeconómicos de la vida real de un sistema FV con respecto a análisis teóricos ex-ante. Incluso la naturaleza de las cargas eléctricas para estos contextos (incertidumbre, cambios rápidos en el tiempo, etc.) contribuyen a limitar las capacidades para desarrollar análisis sólidos coste/beneficio ex-ante. El estudio de caso B, que pretende verificar todos estos efectos en una aplicación real, propone un análisis comparativo para calcular el coste de la electricidad producido y la vida útil del sistema (el coste nivelado de la energía). La solución innovadora. Teniendo en cuenta estas consideraciones previas, la solución propuesta consiste en la ejecución comparativa de ambas tecnologías de células FV solares (los detalles de los sistemas son presentados en la tabla 15). Los principales elementos innovadores son: La supervisión comparativa de los dos tipos de tecnologías. Esto se logra mediante un contador colocado en la parte CC del sistema y en el cargador de batería (para supervisar la energía 245 producida, el estado de carga de las baterías, consumo de cargas, etc.). Esto permitirá realizar un análisis de coste/beneficio al comparar las dos tecnologías de células FV. El tipo de gestión de cargas ejecutado en los sistemas: los convertidores tienen dos salidas de energía diferentes en la parte de la carga (lado CA), permitiendo así una gestión “inteligente” de las cargas. Efectivamente, las cargas se pueden conectar según dos niveles de prioridad diferentes para asegurar la energía a las cargas más importantes (el congelador) y proporcionar el posible exceso de energía a las cargas auxiliares. Tabla 15: detalles de cargas y sistemas FV autónomos para el estudio de caso B. Edificio 2 Edificio 1 Cargas 2 luces interiores que funcionan 6 horas - 2 luces de seguridad funcionando 12 horas 2 congeladores que consumen 2400 Wh/día Sistema FV autónomo panel PV monocristalino de 1,5 kW 350 Ah @ batería de 24 voltios Convertidor de 1 kW Controlador de carga de 60 amperios Cargas 2 luces interiores que funcionan 6 horas - 2 luces de seguridad funcionando 12 horas 2 congeladores que consumen 2400 Wh/día Sistema FV autónomo Panel PV de película delgada de 1,2 kW 350 Ah @ batería de 24 Voltios Convertidor de 1kW Controlador de carga de 60 amperios Sistema de congeladores, silos y máquinas de hacer hielo Modelo clásico y características. El silo es una tecnología muy barata y efectiva para la conservación de alimentos en contextos donde el suministro de energía eléctrica no está disponible y la temperatura ambiente sube por encima de los 30 °C. Consiste en un volumen subterráneo o un recipiente parcialmente cubierto, que permite mantener la comida aproximadamente a la misma temperatura que el suelo. El silo se hace generalmente con materiales impermeables cubiertos con una capa de aislamiento. Una primera opción es usar cajas resistentes e impermeables. Si no se dispone de este tipo de objetos localmente, se pueden adoptar diversas soluciones comerciales con diferentes dimensiones y materiales de construcción. Los sistemas pequeños y móviles se identifican como la mejor solución tras estudiar las costumbres de las personas del asentamiento del estudio de caso B. Limitaciones y restricciones. Por lo general los silos pequeños se hacen poniendo una caja comercial bajo el nivel del suelo. Se comprobó que el uso de esta configuración no era apropiado para el asentamiento del estudio de caso B por las tres razones principales siguientes: La temperatura ambiente es muy alta y puede subir por encima de los 35 °C durante muchos días del año. La exposición parcial de la cubierta de la caja a la radiación UV puede dañar el sistema. 246 Capítulo sobre innovación Se observaban algunos problemas relacionados con episodios de robo de comida almacenada, ya que los silos se instalan en el exterior. Este problema puede limitar la aceptabilidad de la tecnología y, por lo tanto, su efectividad. Solución innovadora. Para resolver el problema de las limitaciones mencionadas anteriormente, se realiza una combinación sinérgica de diferentes componentes. Más en detalle, el sistema consiste en: Una nevera comercial (80 litros) altamente resistente, muy aislada térmicamente y parcialmente enterrada. Un compartimento interior lleno de paquetes de hielo congelado en tres neveras centralizadas (178 litros de capacidad de almacenamiento y una corriente punta de 155 W). Los congeladores son totalmente alimentados por una matriz FV. Un respiradero situado en el fondo de cada silo para drenar la humedad. Una cinta con cerradura para evitar episodios de robo y aumentar la aceptabilidad de la tecnología. La configuración propuesta permite incrementar el número de personas que pueden satisfacer su necesidad de conservación de alimentos, aunque la energía eléctrica solo está disponible para alimentar el sistema de congelador central y no no se suministra electricidad a los hogares. 247 7.2.3 Caso C i) Identificación de prioridades El tercer estudio de caso se realizó en un asentamiento. Las características básicas y necesidades locales están resumidas en la tabla 16. Error! Reference source not found. Tabla 16: principales necesidades y recursos del caso C. Asentamiento Personas - TIPO: campamento de personas desplazadas internamente (PDI). - ESTRUCTURA: refugios hechos de madera, contrachapado y láminas de plástico/metal. - HH: 390. Cocinado Energía eléctrica NECESIDAD: reducir el consumo de carbón. NECESIDADES: iluminación, recarga del teléfono, a veces bombeo de agua. Conservación de alimentos NECESIDAD: sistemas de energía modernos para refrigeración. Suministro de agua NECESIDAD: casi toda la gente que vive en el campamento tiene que tratar el agua contaminada. j) Diagnóstico La difusión de los cuestionarios proporciona la siguiente información en relación a la valoración local, demanda de energía y limitaciones locales y partes implicadas. Cocinado Energía eléctrica - TIPO DE ALIMENTO: la gente come principalmente alimentos secos, porque no tienen sistemas de conservación de alimentos frescos. - COMBUSTIBLE: 100 % de las personas usan carbón vegetal comprado en el mercado, considerando la leña y el gas segundas y terceras opciones. - TECNOLOGÍA: cocina tradicional de carbón vegetal. - LUGAR: la gente cocina en interiores. - TECNOLOGÍAS EN EL MERCADO: cocina tradicional de carbón vegetal. - TECNOLOGÍA: conexión a la red - DISPONIBILIDAD: a vedes usan una conexión ilegal; es poco fiable y peligrosa. - CARGA ELÉCTRICA ESTIMADA: 0,32 – 0,45 kWh por día por familia para un refrigerador termoeléctrico. Se estima una potencia eléctrica máxima de 40 – 70 W por día por familia. Conservación de alimentos - INSTALACIONES USADAS: ninguna; ponen los alimentos en sitios frescos, como bodegas. - RESTRICCIONES: las soluciones comunitarias y el uso compartido no son posibles. Suministro de agua Recursos - PROVEEDOR: bombeo manual en pozos fuera de los campamentos, a veces cisternas. - CONTAMINANTES: biológicos y físicos. - TRATAMIENTO REAL: cloración y hervido. - Potencial solar muy alto (de 4,71 a 6,27kWh/m2/día). - Velocidad del viento bastante alta. - Temperatura ambiente bastantes altas a lo largo del año (de 24,5 a 26,5 ° C). - Humedad alta a lo largo del año (71,5 % de media) Partes interesadas locales - Gente que vive en los campamentos. - Civiles que sospechan de la gente del campamento. 248 Capítulo sobre innovación - RESTRICCIONES: se rechazan las tecnologías que no causan una reducción evidente del uso de carbón. - POTENCIA ESTIMADA: 4 – 6 kW por cocina por familia; esta es la potencia de la cocina que debería transferirse a la cazuela. k) Selección de la estrategia A partir de la información previa se ha definido la siguiente estrategia: Cocinado Energía eléctrica Conservación de alimentos Suministro de agua - Sin ejecución - Paneles PV para alimentar los sistemas de conservación de alimentos. - Refrigerador CC. - Sistemas de filtro de membrana para tratar el agua. (Las cocinas que permiten alcanzar una eficiencia considerable no son asequibles ni sostenibles. Las prácticas de cocinado actual no cambiarán). l) Selección de las tecnologías e innovación A continuación, se presentan las tecnologías seleccionadas para el CASO C y una descripción de las alternativas innovadoras asociadas. Cocinado Energía eléctrica Conservación de alimentos Suministro de agua - Paneles PV (220 Wp). - Kit de ensamblaje para un refrigerador in DC (240 litros). - Unidades de filtración de agua de punto de uso . 249 Capítulo sobre innovación Refrigerador CC Modelo clásico y características. La compresión mecánica de vapor es el ciclo más usado en el mundo en refrigeradores y congeladores para aplicaciones domésticas. Puesto que los electrodomésticos domésticos están conectados generalmente a la red CA, casi todos los refrigeradores en el mercado funcionan con CA. Sin embargo, en el caso de aplicaciones solares, se requiere un convertidor CC/CA para convertir la CC generada por los módulos FV en CA y poder conectar un refrigerador estándar. Esto reduce la eficiencia del sistema y aumenta los costes de instalación. Existen algunas soluciones CC, pero estos productos comerciales suelen ser caros y no están fácilmente disponibles en los mercados de los países en vías de desarrollo. Finalmente, puesto que los pequeños sistemas tienen generalmente baja eficiencia y un alto coste específico comparado con los dispositivos más grandes, se sugiere la aplicación de un refrigerador con un volumen de al menos 200 litros. Limitaciones y restricciones. El análisis del contexto local ha permitido detectar varias restricciones para la aplicación de un sistema de refrigeración estándar en el asentamiento del estudio de caso C: Puesto que la gente no está familiarizada con los sistemas de refrigeración, los modelos domésticos estándar resultan demasiado grandes y no se ajustan a las necesidades reales de la gente. Por otra parte, es posible que los hogares no acepten compartir un único refrigerador comunitario. El asentamiento no dispone de un suministro eléctrico fiable y seguro. El precio de los refrigeradores comerciales no es asequible. Por estas razones, se requiere un sistema de refrigeración innovador con el fin de poder satisfacer las necesidades y superar las limitaciones del contexto local. La solución innovadora. De acuerdo con estas consideraciones previas, se han diseñado equipos de autoconstrucción de un sistema de refrigeración asequible y viable. El sistema se compone de: La cubierta del refrigerador. Los componentes mecánicos y eléctricos (p.ej., compresor y tuberías). Compartimentos para almacenamiento de alimentos y hielo. Es necesario comprar los componentes mecánicos y eléctricos, pero la gente local puede autoconstruir la cubierta y los compartimentos usando una serie de materiales diferentes. El sistema del estudio de caso C se caracteriza por: 2 refrigeradores (de unos 250 litros cada uno), cada uno equipado con un compresor mecánico. Una batería y un despliegue FV, conectado en paralelo con los refrigeradores mediante un controlador de carga. La configuración autónoma permite que los refrigeradores funcionen correctamente sin conexión a la red eléctrica. La batería asegura la continuidad de suministro incluso cuando los módulos FV no pueden cubrir toda la demanda eléctrica. Como alternativa, el refrigerador también puede equiparse con un almacenamiento térmico hecho con hielo. 251 Figura 65: funcionamiento del refrigerador de SET4food. El compresor adoptado funciona en CC: de esta manera la conexión entre el sistema FV y el sistema de refrigeración no requiere ningún convertidor CC/CA, lo cual reduce la eficiencia del sistema. El aspecto más innovador del sistema propuesto es que la cubierta del refrigerador se puede hacer directamente en el campamento con materiales y destrezas locales. Se ponen dos capas de madera y el espacio intermedio se rellena con paja, hojas secas u otros materiales aislantes. Es más, cada refrigerador puede dividirse en compartimentos con rejillas metálicas con cerradura, como se muestra en la imagen. Así cada familia puede usar su propio compartimento. Es necesario recargar el circuito de refrigeración del equipo con refrigerante apropiado y se deben utilizar conectores de tipo plug-in para no tener que usar dispositivos específicos para llenar las tuberías de circulación y reducir las pérdidas de refrigerante durante el ensamblaje. 252 Capítulo sobre innovación Tabla 17: características de la cubierta. Datos detallados Materiales que se pueden utilizar en cubierta y aislamiento Volumen Área de pérdida de calor global Valor U sugerido l m2 W/m2K Madera y paja. 250 2,4 0,3 Tabla 18: características mecánicas. ELEMENTO Características principales Evaporador de Roll bond con termostato y conectores de plug-in Compresor CC con condensador y conectores de plug-in Modelo Batería Batería 100Ah 12V AGM solar ENE100-12 - ENERPOWER Controlador de carga Controlador de carga 20A con MPPT CIS-MPPT (20 A) - Phocos Panel PV Panel FV de 240 Wp ND-R240A5 - Sharp Evaporador Compresor y condensador PT13 - Vitrifrigo ND35 OR2-V 12/24V - Vitrifrigo Tabla 19: características del grupo de refrigeración. DATOS PRINCIPALES Desplazamiento cm3 2 Tipo de motor . Velocidad variable Tipo de refrigerante - R134a Temperatura de evaporación °C -30 a 0 Rango de voltaje CC V 10-45 Potencia mínima necesaria (Tevap: -5 °C) - 2000 rpm W 41,3 Potencia máxima necesaria (Tevap: -5 °C) - 3500 rpm W 75,4 COP Min (Tevap: -5 °C) - 1,62 COP Max (Tevap: -5 °C) - 1,74 253 8 Recomendaciones sobre acciones relativas a las tecnologías de energía para la utilización de los alimentos En el marco del proyecto SET4food, se llevan a cabo varias actividades sobre el terreno y se han puesto en común algunas enseñanzas aprendidas. Se identifican y debaten en profundidad las ventajas y desventajas, oportunidades y amenazas relacionadas con la introducción y uso de tecnologías energéticas para la utilización de los alimentos en campamentos y asentamientos informales. Los datos recopilados de los informes y publicaciones científicas se combinan con la experiencia a largo plazo de los miembros del consorcio en su respectivo campo de acción (academia y sociedad civil), y con otras enseñanzas concretas aprendidas a partir de las actividades de SET4food. Más específicamente, la fase de ejecución de los proyectos piloto proporcionó aportaciones interesantes. Se probaron diferentes tecnologías y diferentes acercamientos en cuatro países (República Centroafricana, Haití, Líbano y Somalia) en contextos de refugiados y PDI que viven en campamentos y asentamientos informales. Las siguientes recomendaciones, lejos de ser afirmaciones finales y estructuradas, se presentan como un grupo de consideraciones generales que necesitan ser debatidas en profundidad por los contribuyentes y ejecutores para facilitar y mejorar la efectividad y eficiencia de los agentes humanitarios. El objetivo del consorcio SET4food es servir como un grupo consultivo de expertos que aprovecha la experiencia específica del proyecto y la traslada a acciones futuras. Estas consideraciones se dirigen principalmente a situaciones que requieren una respuesta humanitaria, como ayuda tras un desastre o crisis prolongada. Sin embargo, se pueden corresponder, tras realizar algunos ajustes, con otras situaciones más orientadas a la rehabilitación y el desarrollo, como áreas rurales y remotas, urbanización no planificada y escenarios urbanos saturados. A continuación, se hacen algunas recomendaciones de acuerdo con el ámbito de la utilización de los alimentos. Cuando una tecnología abarca más de un ámbito (p. ej., la refrigeración necesita energía), se deben tener en cuenta las recomendaciones relativas a todos los ámbitos relevantes. RECOMENDACIONES GENERALES Recursos locales Los recursos locales relativos a los materiales y a la capacidad son un elemento esencial para la sostenibilidad a largo plazo, principalmente en el ámbito de la cooperación para el desarrollo. En algunos contextos humanitarios podría, por el contrario, representar un factor limitador, y reducir la calidad y fiabilidad de la solución introducida. Al fin y al cabo, el coste global y los esfuerzos requeridos podrían ser mayores, con un rendimiento igual o incluso reducido, comparado con el objetivo esperado. Por ejemplo, este es el caso de los sistemas innovadores (no solo estándar), si se presentan una serie de desafíos (p. ej., disponibilidad local de componentes específicos y su compatibilidad en el sistema; capacidad limitada de resolución de problemas y dificultades en apoyo técnico y comunicación con apoyo externo). Efectivamente, los distribuidores e instaladores oficiales de marcas reconocidas son normalmente más fiables y usan dispositivos de buena calidad Los productos de mala calidad podrían requerir mantenimiento y reparación continuos, ya que pueden funcionar durante un tiempo limitado y poner en peligro la confianza y el compromiso de la gente. Por estas razones se sugiere un análisis detallado del contexto de aplicación en relación a las características del clima y las costumbres locales con el fin de confeccionar las tecnologías según las necesidades de los usuarios. 255 Recomendaciones sobre acciones relativas a las tecnologías para la utilización de los alimentos En caso de que no haya sistemas innovadores disponibles en el mercado local, se sugiere encarecidamente la participación de contratistas internacionales. Si no es posible (por causas como razones de seguridad, imposibilidad de tener un apoyo presencial en caso de averías o problemas), puede ser una buena solución contactar directamente con la sede central de una marca a través de un líder e instalador disponible localmente. La marca puede ayudar a introducir la tecnología y proporcionar capacidad de construcción, además de apoyo técnico y resolución de problemas. A continuación se sugieren algunas soluciones posibles. A menudo hay algo de confusión en la terminología entre las tecnologías hechas localmente y las disponibles localmente, y las tecnologías importadas específicamente para un proyecto. Las tecnologías hechas localmente se fabrican de forma local, usando por lo general material local, mientras que las tecnologías disponibles de forma local se pueden comprar localmente, pero son fabricadas en el extranjero e importadas por un distribuidor local. Con un distribuidor local, se dispone de piezas de repuesto y de conocimientos en caso de necesidad de mantenimiento, así que es una situación completamente diferente a las tecnologías importadas específicamente para un proyecto. En este último caso, la participación del fabricante es importante para garantizar la instalación y configuración correctas del aparato y, por último, pero no menos importante, garantizar un mantenimiento correcto. Es necesario señalar la importancia de proporcionar a los contratistas especificaciones detalladas sobre los requerimientos mínimos que debe cumplir el sistema en cuanto al rendimiento y garantía del producto. Se debe verificar el cumplimiento de los requerimientos haciendo pruebas en los sistemas de muestra proporcionados por el contratista. Seguimiento La supervisión de los sistemas instalados y, en general, de toda la acción piloto, es particularmente importante por varias razones, como: i) asegurar el funcionamiento efectivo de todos los componentes; ii) comparar los rendimientos reales con los previstos; iii) entender con claridad los componentes del sistema e identificar inmediatamente cualquier situación o avería inesperada; iv) recopilar una serie de datos fiables para el cálculo de indicadores (p. ej., eficiencia), además de cualquier otra información útil para la evaluación de todos los componentes y su instalación, que también podría ser útil para mejoras ulteriores. Cuando sea factible, se pueden instalar dispositivos de supervisión a distancia para facilitar la comunicación e interacción entre el personal local y los técnicos en diferentes lugares (p. ej., sede de la ONG, sede del instalador, sede del principal distribuidor de los componentes del sistema). Conflictos La introducción de una tecnología no debe aumentar las causas de conflicto entre las comunidades anfitrionas y las acogidas. Una tecnología nueva debe: i) reducir la carga de la comunidad acogida en recursos utilizados también por la comunidad anfitriona; ii) reducir la carga general de los recursos generales usados tanto por las comunidades anfitrionas como por las acogidas y mejorar su gestión. Adoptar los siguientes acercamientos puede ayudar a evitar conflictos. i) introducción de tecnologías ya disponibles en el mercado local (resultado: apoyo a los proveedores y distribuidores locales); ii) introducción de tecnologías de interés también para la comunidad anfitriona, pero no disponibles localmente (resultado: prueba e introducción de una nueva tecnología en el área); y iii) introducción de nuevas tecnologías que puedan interesar al sector privado local (resultado: pruebas piloto de nuevas soluciones comerciales/económicas que pueden mejorar las instalaciones del asentamiento y la capacidad para facilitar la vida de las personas desplazadas, además de contribuir en la comunidad anfitriona). En el caso de soluciones móviles, también se puede ayudar a las comunidades acogidas en caso de desalojo, nueva reubicación o nuevo desplazamiento. Además, la capacidad de construcción de las comunidades anfitrionas y acogidas puede ayudar a mejorar su integración, además de contribuir al éxito del proyecto. Uso compartido 256 Recomendaciones sobre acciones relativas a las tecnologías para la utilización de los alimentos El uso compartido de algunas tecnologías (usado por diferentes familias, de propiedad de la comunidad y usado temporalmente por una familia) debe estudiarse con atención y es necesario consultarlo con la comunidad antes de introducir la tecnología. En teoría, este acercamiento puede mejorar la eficiencia de una tecnología, pero puede no ser aprobado por la comunidad. Algunas precauciones (p. ej., presencia de una persona responsable; uso de compartimentos con cerradura; mantenimiento de un registro) pueden ayudar a aumentar el grado de confianza en el uso compartido de tecnologías. Efectos multiplicadores El impacto de cierta tecnología y de las prácticas posteriores podría ser mayor de lo esperado, y puede afectar otros aspectos de la vida de las personas. Efectivamente, la salud, la economía, la seguridad y las relaciones sociales pueden cambiar. Por lo tanto, es importante estar preparados para reconocer y evaluar algunos otros impactos, si se producen. COCINADO DE ALIMENTOS Recursos naturales Las tecnologías para cocinar alimentos conllevan a menudo el uso de biomasa, generalmente leña o carbón vegetal. El medio ambiente se ve afectado por el uso de combustible y una tecnología mejorada solo puede mitigar este impacto. Solo una mejor gestión de los recursos naturales puede preservar el medio ambiente de manera efectiva. Una alternativa es cambiar a un combustible diferente, como biogás, GLP o alcohol, pero deberían estar disponibles o poderse producir localmente. Cocinas mejoradas importadas Las cocinas internacionales bien reconocidas son generalmente más caras que las hechas localmente, pero a menudo son más resistentes y eficientes. A veces, también están disponibles localmente a través de distribuidores locales. Algunas comunidades muestran una interesante inclinación a pagar aparatos más duraderos con mejor rendimiento, incluso si son más caros. Sin embargo, se ha de certificar este rendimiento y sus beneficios deben estar claros para los beneficiarios. Es necesario tener en cuenta la asequibilidad y se debe activar mecanismos de microfinanciación apropiados. Tecnologías complementarias Algunas tecnologías de cocinado (cocinas solares y cestas de heno) son apropiadas solo para algunos tipos de alimentos y dependen de la disponibilidad de un recurso que no siempre está disponible, como la energía solar. Por lo tanto, es necesario adoptarlas como tecnologías complementarias. Pueden introducirse con éxito sólo si la tecnología es compatible con las condiciones locales. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS Condiciones locales En algunos contextos, la demanda de algunos productos alimentarios o bebidas puede ser particularmente alta, especialmente en algunas estaciones del año. Por ejemplo, en climas cálidos, la demanda de agua y bebidas frescas es muy alta. Al diseñar el proyecto, se debe tener en cuenta esta demanda, además de las actividades que generen ingresos y que dependan del uso de una nueva tecnología de conservación. Embalaje El embalaje de alimentos no es una práctica frecuente, pero es muy importante reducir la contaminación biológica y física. Algunas prácticas sencillas pueden mejorar también la conservación de alimentos secos. 257 Recomendaciones sobre acciones relativas a las tecnologías para la utilización de los alimentos En todas las intervenciones relacionadas con la conservación de alimentos, es necesario mejorar el embalaje. Uso conductual de la tecnología Algunas tecnologías pueden ser particularmente difíciles de introducir, particularmente si los beneficiarios no están acostumbrados a ellas. Un gestor local puede facilitar el uso correcto de la tecnología, en particular durante el periodo inicial. El consumo eléctrico y la temperatura de los refrigeradores podrían ser sustancialmente diferentes de lo esperado debido a un uso intensivo y a veces incorrecto. Abrirlos con frecuencia y el uso de dispositivos para enfriar agua fuerza el compresor a trabajar continuamente. La capacidad de construcción, manuales online e instrucciones precisas pueden ayudar a mejorar el uso de los refrigeradores, además de su vida útil. El “factor humano” también tiene que tenerse en cuenta, es decir, la instalación de una tecnología definida (p. ej., refrigeradores) no es suficiente sin no se da una orientación correcta a los usuarios finales para promover un uso efectivo del aparato. Esta tarea presenta algunos desafíos y requiere una interacción cercana entre los tutores y los usuarios finales: los primeros evalúan las costumbres locales y los requerimientos del contexto local para identificar la tecnología apropiada, y los segundos tienen que aprender y entender las capacidades de la tecnología. GENERACIÓN DE ENERGÍA Sistemas y microrredes autónomos Los sistemas autónomos se usan comúnmente en casi todo el mundo. Actualmente algunos sistemas son estándar y no requieren una capacidad de alto nivel para su instalación. Sin embargo, es muy importante que: i) los componentes sean apropiados y estén en buenas condiciones y ii) los componentes estén conectados y configurados correctamente. Los sistemas eléctricos, especialmente las microrredes, requieren un alto nivel de destreza, puesto que deben diseñarse cuidadosamente para proteger a los usuarios, las cargas aplicadas y los aparatos que componen el sistema. Independientemente de su configuración, tienen que estar bien equilibrados y requieren una instalación, funcionamiento y mantenimiento apropiados. Por lo tanto, el diseñador del sistema y el instalador tienen que ser de confianza. Sistemas plug-and-play Los sistemas fáciles de instalar y compactos (plug and play) pueden ser particularmente interesantes en el ámbito de la ayuda humanitaria, porque requieren una capacidad de instalación, funcionamiento y mantenimiento limitados. Sin embargo, tienen que seleccionarse cuidadosamente para satisfacer las necesidades, aprovechando los recursos disponibles localmente. Normalmente estos sistemas son solo parcialmente redimensionables y no son particularmente flexibles ni fáciles de reparar (las piezas de los componentes suelen estar ensambladas y no pueden separarse fácilmente). Sistemas híbridos La interconexión de fuentes eléctricas en una microrred para obtener un sistema híbrido permite una gestión más eficiente de los recursos energéticos, tanto desde el punto de vista técnico como económico. Sin embargo, esta arquitectura puede resultar complicada de diseñar e instalar por una serie de razones, entre las que se encuentran: i) los datos relativos a ciertas fuentes de energía renovables no están disponibles normalmente, teniendo así que ser recopilados o estimados, y puede requerir tiempo y esfuerzo adicionales; ii) todos los componentes del sistema tienen que seleccionarse bien para ser compatibles y equilibrar el sistema; iii) además, la instalación requiere una capacidad específica, incluyendo un grupo de parámetros apropiados; iv) las fuentes de energía tienen que proporcionar la energía requerida por las cargas, normalmente con el apoyo del almacenamiento de energía (banco de baterías), 258 Recomendaciones sobre acciones relativas a las tecnologías para la utilización de los alimentos considerando alguna fluctuación tanto en la producción como en el consumo (normalmente se recomienda que está un poco sobredimensionado). Relevancia de los sistemas de alumbrado El alumbrado un servicio muy importante para las personas, también para las comunidades de refugiados y las PDI. Tiene una importancia primaria por razones de seguridad, pero tiene un impacto también en otros aspectos. Algo tan simple como el alumbrado público no sólo contribuye a reducir la violencia de género, sino que también permite a la gente cocinar durante la noche y pasar más tiempo fuera de casa. Supervisión En el caso de los sistemas eléctricos, introducir una supervisión a distancia es asequible y efectivo. De hecho, obviamente es más fácil instalar dispositivos que supervisen los parámetros eléctricos en el marco de un sistema de energía que monitorizar otras tecnologías como las cocinas etc., especialmente si la tecnología es móvil. Además, en el caso de la supervisión de los sistemas eléctricos, no hay necesidad de fuentes de energía adicionales (baterías para suministro externo) para alimentar los dispositivos de supervisión. Capacidad de construcción y mantenimiento A pesar de la simplicidad de la tecnología, la capacidad de construcción siempre es necesaria, incluyendo los procedimientos de operación y mantenimiento, y las referencias para el apoyo técnico y las reparaciones. Las condiciones de algunas operaciones pueden requerir un mantenimiento específico. En particular, algunos aparatos con componentes mecánicos (como ventiladores o sopladores) o funciones específicas (p. ej., paneles FV) pueden necesitar una limpieza adicional. 259 Bibliografía Introducción E. Colombo, S. Bologna, y D. Masera, “Renewable Energy for Unleashing Sustainable Development”, vol. 26. Springer Science & Business Media, 2013, pág. 321. E. Lyytinen, “Household energy in refugee and IDP camps: Challenges and solutions for UNHCR,” 2009. OCHA, “Energy Security and Humanitarian Action: Key Emerging Trends and Challenges,” 2010. 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