El calentador solar doméstico ideal para Latinoamérica

Autor: Sergio Cortés Gaytán                                           Enero 2023 Guadalajara Jalisco, México

En México, en el sector vivienda, el gas es el combustible más utilizado, ya que representa el 42% del consumo  de energía  del  sector (38%  gas  LP y  4%  gas natural)  [SENER. Sistema  de Información Energética. 2016 [disponible en: http://sie.energia.gob.mx/.]

La  importancia que tiene el gas LP y natural en los hogares se deriva del papel estratégico que desempeña en la producción de agua caliente para uso sanitario ya que en países como México se destina hasta un 54% del consumo de estos energéticos para esta actividad, la cual se considera un servicio indispensable para tener condiciones sanitarias adecuadas en los hogares.

Un hogar  promedio consume 300 kg anuales de gas LP y en el país existen alrededor de 35 millones de hogares, lo que nos da una idea sobre el tamaño del mercado; Su peso en la economía de las familias es aún más importante ya que el gasto en gas representa el 63% del gasto total en energéticos [ INEGI. Encuesta Ingreso y Gasto de los Hogares 2016-2018; Disponible en: www.inegi.org.mx.] (GIZ, Análisis de  viabilidad  y dimensionamiento  del  potencial de  ahorro  de  un  programa de  sustitución  de calentadores de agua 2011, (GIZ GmbH: México. p. 85.). Por lo mismo, cualquier política pública orientada a mejorar la eficiencia energética en el uso del gas para calentamiento de agua o la sustitución del uso del mismo con el uso de energías renovables, es de gran importancia no solo en términos energéticos, sino también económicos, ambientales y sociales.

Derivado de esta situación la Reforma Eléctrica 2021 privilegia el uso de combustibles fósiles en la generación de electricidad, lo que provoca un estancamiento en la transición energética hacia las fuentes renovables de mayor potencial en la región como son la eólica y la solar cuyos altos costos de implementación contrastan con el recrudecimiento de la pobreza generada por la pandemia cuyos efectos inmediatos son una disminución del poder adquisitivo de la población ante el incremento constante en los precios de los energéticos convencionales.

A nivel mundial, el uso de calentadores solares de agua (CSA) es una realidad desde el punto de vista tecnológico, ambiental y comercial, incluso es de uso obligatorio en algunos países, por ejemplo España donde se obliga su instalación para cualquier vivienda nueva o edificio que requiera agua caliente. De hecho la capacidad instalada de esta  tecnología es más grande que la  de parques fotovoltáicos y similar a la de parques eólicos a nivel mundial. Al 2013 se tenían a nivel mundial 406 Gw  de calentadores  solares,  370 GW  de  equipos eólicos  y  177 GW  de  equipos solares fotovoltáicos en funcionamiento.                                                                                                                   (fuente: https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/103194/Aportaci_n_FAMERAC.pdf)                                       Según datos de la Encuesta Nacional sobre Consumo de Energéticos en Viviendas Particulares (ENCEVI) 2018 se pudo averiguar que en el 43.5% de las viviendas en el país se usa algún tipo de calentador de agua. Se calculan 14.6 millones  de estos equipos en uso, de los cuales 11 millones son calentadores a gas y de los 35 millones de hogares que existen en México solo 2 millones cuentan con calentador solar, y finalmente es importante destacar  que 19.7 millones de hogares no cuentan con ningún tipo de calentador comercial para la producción de agua caliente para uso sanitario.(fuente: Encuesta Nacional sobre Consumo de Energéticos en Viviendas Particulares (ENCEVI) 2018).

En México y en toda Latino América existe un bajo aprovechamiento en el sector doméstico del abundante recurso que representa la energía solar para la generación de agua caliente para uso sanitario, lo que ocasiona que la mayoría de la población tenga que seguir recurriendo a las fuentes energéticas más populares como son el gas LP y la electricidad para proveerse de este servicio básico

De los 35 millones de hogares existentes solo 2 millones cuentan con un calentador solar comercial. En 1970 se  empezaron a comercializar los primeros calentadores solares en México para producir agua caliente sanitaria en las viviendas, 52 años después menos del 7 % de los hogares cuenta con un equipo comercial que le permita aprovechar esta energía renovable para mejorar su calidad de vida.

Para conocer la causa de esta situación se realizó una investigación recurriendo a datos del INEGI (Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática) y entrevistas a usuarios que no cuentan con equipos solares térmicos arrojando la siguiente información:

- En primer lugar están los elevados costos de las tecnologías comerciales  para aprovechar la energía solar en el ámbito doméstico en relación con el bajo poder adquisitivo de la mayor parte de la población la cual destina la mayor parte de sus recursos  en atender necesidades básicas como alimentación, vivienda  y salud. Además debemos agregar que en muchas zonas pobres existen altos índices de inseguridad pública que dificultan la conservación de los equipos solares, inhibiendo el interés de los compradores.

La segunda causa es que a pesar de contar con un calentador solar comercial en el hogar esto no asegura un suministro suficiente y constante de agua caliente cuando las condiciones climáticas no son las idóneas para la captación solar, tal es el caso de la ciudad de México cuya estación lluviosa puede prolongarse hasta 7 meses,  por lo que es necesario contar con sistemas  o equipos de apoyo  como son calentadores de paso o depósito que funcionan en base a gas LP o electricidad lo que incrementa los costos entre $ 2000.00 y $ 4000.00 a lo que hay que sumar el gasto energético que ellos representan.

Desde hace muchos años se viene trabajando en diferentes alternativas que permitan abaratar el aprovechamiento de la energía solar en los hogares para propiciar su implementación masiva. 

El área de oportunidad    

 Nuestra propuesta se basa en un sistema que aprovecha las condiciones climáticas de la región, los usos y costumbres de la población y finalmente la existencia en sus mercados y sector industrial de un producto  de consumo masivo muy  común: El tinaco, como se le llama en México a el tanque o contenedor para almacenar agua potable en el hogar, el cual es un producto con un crecimiento constante debido a que es un indispensable paliativo para sobrellevar una crisis hídrica que se recrudece conforme crece la población y se agotan las reservas del vital líquido lo que ha generado una pujante industria conformada por cientos de empresas fabricantes repartidas por todo el continente.

Cuando los primeros tinacos aparecieron en los hogares mexicanos, se aprovecho la presión de la red hidráulica para ubicarlos estratégicamente en la azotea de las viviendas y de esta manera aprovechar la presión  por gravedad para disponer del agua almacenada; un efecto no esperado fue que al estar expuestos de manera directa a la radiación solar el agua contenida en su interior incrementaba su temperatura de manera sustancial, sin embargo nadie le dio importancia a este hecho ya que no le vieron ningún aplicación práctica. Posteriormente en el  año 2014 se realizó un detallado estudio científico para medir el potencial de este fenómeno con la intención de utilizarlo en la producción de agua caliente para uso sanitario, sin embargo  no se logró encontrar forma alguna de aprovecharlo.

(Vease Estudio del comportamiento térmico de agua para uso residencial en tinacos de concreto y polietileno en un clima cálido-subhúmedo. UNAM) https://www.revistas.unam.mx/index.php/ingenieria/article/view/52547/46782

En el 2019 retomamos el problema  y logramos resolver los impedimentos técnicos  más importantes realizando algunas modificaciones orientadas a considerar a un tinaco como un calentador solar auto-contenido y al mismo tiempo conservar su función primaria, la de servir como  tanque de almacenamiento y suministro de agua potable a temperatura ambiente.

Cuando se requiere extraer agua de un  tinaco para someterla a un proceso de calentamiento, ya sea para alimentar un calentador solar, boiler de gas o eléctrico  se toma el líquido del fondo que es donde está la salida de suministro y la parte más fría de toda la masa de agua  mientras que el líquido a mayor temperatura se encuentra en la parte superior.

Conforme el líquido va calentándose a lo largo del día asciende hacia la parte superior del recipiente y allí va acumulando energía, es aquí donde el diseño tradicional de los tinacos hace imposible hacer un aprovechamiento útil de este recurso ya que la salida de suministro del agua almacenada se encuentra en la base del tinaco, de manera que siempre que se extrae líquido se estará recurriendo a la parte más fría de y el agua caliente simplemente seguirá flotando inaccesiblemente en la parte superior, otro problema con el diseño convencional de un tinaco es que  el mecanismo de llenado por donde  ingresa el líquido a temperatura ambiente se encuentra en la parte superior y se deposita en la superficie de la zona “caliente”, causando una pérdida de energía  sin embargo a pesar de esto siempre vamos a encontrar un notorio gradiente de temperatura entre el fondo y la parte superior que puede llegar hasta los 10°C .

Para aprovechar este recurso el primer  paso fue modificar el sistema de llenado en un tinaco común mediante una extensión que permitiera depositar directamente en el fondo el agua entrante y de esta manera mantener estable la temperatura del líquido en la parte superior; El segundo paso consistió en implementar  una salida de suministro en la “zona caliente” para disponer del agua a mayor temperatura. Con estas dos simple modificaciones  es posible habilitar  un tinaco común en uno “solar” dotando a los hogares de una fuente energética gratuitita y no contaminante, con estas dos sencillas adecuaciones se podría beneficiar de manera inmediata  a los propietarios de los 30 millones de tinacos ya mencionados.

Estableciendo un enfoque basado principalmente en las necesidades del usuario final detectamos un área de oportunidad que sortea de manera exitosa el obstáculo económico que impide el aprovechamiento masivo de la energía solar en el sector doméstico; En la mayor parte de los hogares, en el caso de México, ya se cuenta con un calentador solar pero la gente no sabe que lo tiene ni cómo utilizarlo, para ello es necesario compartirles el conocimiento les permita  acceder a este recurso:

1-     Redefinición de la temperatura del agua caliente sanitaria en las diferentes etapas desde su generación hasta su uso final.                                                                                                                                                                                                            Los usuarios, es decir las personas no requieren 100 litros de agua a más de 70°C para cubrir sus necesidades sanitarias en un hogar promedio, sino 50 litros por usuario a una temperatura de uso final la cual va de los 32°C a los 36°C, este nuevo axioma nos permite simplificar y abaratar las necesidades técnicas de la captación solar, aislamiento térmico y almacenaje, gracias a que se reducen sustancialmente las pérdidas de calor al disminuir el gradiente térmico, abatiendo de esta manera uno de los aspectos negativos más importantes de la tecnología actual que es su elevado costo.

2-     Considerar al precalentamiento basado en energía solar como la forma más económica y eficiente para aprovechar la energía solar en los hogares de Latino América, ya sea para disminuir o eliminar en su totalidad la dependencia en los energéticos basados en hidrocarburos para la producción de agua caliente sanitaria.

A partir de estos planteamientos se establecen nuevos esquemas para la producción y aprovechamiento del agua caliente sanitaria utilizando la energía solar:

Este proceso de precalentamiento es susceptible para crear una beneficiosa sinergia en combinación con las tecnologías comerciales, por ejemplo  sí un calentador de paso, que funciona con gas LP o electricidad,  se alimenta con agua a una temperatura de 18 °C, para llevarla a la temperatura de 50 °C por cada litro se requerirán 32 Kcal y este litro mezclado en la regadera con un litro de agua a 18 °C se convertirán en 2 litros con una confortable temperatura 34 °C, si nos duchamos con 40 litros obtenidos de esta manera habremos consumido 640 Kcal en el supuesto de que tuviéramos un aprovechamiento perfecto de los energéticos utilizados así como ninguna pérdida térmica en le trayecto del agua caliente.

Pero si se alimenta con agua a una temperatura de 30 °C solo requerirán de 20 Kcal para llegar a  50°C y si mezclamos este litro con 3 litros de esta misma agua a 30 °C obtendremos 4 litros a una temperatura  de 35 °C, si nos duchamos con 40 litros obtenidos de esta manera habremos consumido solo  200 Kcal, de esta forma habremos logrado un ahorro de  un 68.7% de energía contra el primer método obteniendo la misma cantidad de agua para ducharnos.

Un tinaco de 1100 litros tiene una altura promedio de de 1.20 m y un diámetro de 1 m, con una superficie externa de 3.8 m2, si lo consideramos como un colector solar, tendríamos que restarle el 50% debido a la sombra de su forma cilíndrica por lo que estaríamos hablando de una superficie de 1.9 m2 la cual tomando la radiancia solar existente en México de 5.2  kw hora/m2 día nos ofrece un potencial de captación de 9.88 kw hora/día, suficientes para elevar  10 °C una masa de 849.5 litros de agua o +20°C una masa de 424.7 litros de agua.

Desde el año 2019 acondicionamos un tinaco de 1100 litros de capacidad con estas sencillas adecuaciones obteniendo excelentes resultados en una vivienda ubicada en la ciudad de Guadalajara Jalisco.Es importante mencionar  que la temperatura de uso la fijamos en el rango de los 30°C a los 34° como resultado de una investigación realizada para saber cuál es la más recomendable para la salud en este aspecto.

Anteriormente se tenía un consumo anual  promedio de 120 kg de gas LP para la producción de agua caliente sanitaria, a  partir de la modificación del sistema el consumo anual promedio de ha sido de 40 kg derivados de la producción de agua caliente sanitaria.

(Vease Estudio del comportamiento térmico de agua para uso residencial en tinacos de concreto y polietileno en un clima cálido-subhúmedo. UNAM)  https://www.revistas.unam.mx/index.php/ingenieria/article/view/52547/46782

Este proceso de precalentamiento posibilita que se empleen los mismos calentadores solares que ya existen en el mercado pero con la ventaja de que pueden ser de menor tamaño y precio para obtener el mismo resultado, es decir que con un tinaco solar una familia de 4 personas requerirá  un calentador solar convencional de 80 litros en vez de uno de 150 litros con la consiguiente diferencia de costos.

Otra ventaja económica de esta configuración es que permite eliminar la necesidad de una base en caso de que se quisiera instalar un calentador solar convencional ya que la salida de la parte superior  permite proveer la altura necesaria para la alimentación por gravedad, suponiendo esto otro ahorro que permite a las familias acceder de manera más económica al uso de la energía solar para la producción de agua caliente sanitaria. Aunado al hecho de que los calentadores solares de tubos evacuados que son los más populares y económicos en el mercado funcionan a baja  presión por lo que requieren indefectiblemente ser alimentados por un tinaco.

Este proceso de precalentamiento posibilita que se empleen los mismos calentadores solares que ya existen en el mercado pero con la ventaja de que pueden ser de menor tamaño y precio para obtener el mismo resultado, es decir la adaptación de un tinaco que posibilita disponer de la capa de agua a mayor temperatura  permite incrementar el volumen de agua caliente con un menor número de tubos evacuados, disminuye los tiempos de recuperación e  incrementa la disponibilidad de agua caliente en condiciones de baja radiación solar cuando se utiliza para alimentar la red de agua fría de la ducha.

Finalmente solo resta mencionar el costo de modificar un tinaco común para que funcione como un calentador solar auto-contenido, en México sería de unos $ 100.00 USD si es usuario se ve obligado a contratar la mano de obra, pero si tiene la posibilidad de realizar él mismo el trabajo solo requerirá alrededor de $ 40.00 USD en materiales muy comunes en cualquier ferretería de todo el continente.

Dadas las múltiples ventajas comprobadas de esta alternativa para acceder al aprovechamiento de la energía solar en el sector doméstico es cuestión solo de voluntad política y social aprovechar esta área de oportunidad tan obvia y beneficiosa cuya implementación masiva puede ser realizada de manera sencilla con tan solo reconocer  y promover de manera oficial  la información aquí presentada.

Una vez que hemos llegado hasta este punto el siguiente paso es como incrementar la eficiencia del sistema sin incrementar los costos del mismo. Partiendo de la premisa de que la forma de la estructura externa de  un tinaco es capaz de brindar una eficiencia aceptable como la de un calentador solar nos dimos a la tarea un crear un diseño que incrementara la captación energética y conservara el calor por más tiempo.

Actualmente estamos trabajando en un diseño mediante el cual buscamos conservar o incrementar las ventajas y funciones básicas del concepto básico como son:

1-     Que  mantenga sus características funcionales de tanque de almacenamiento de agua potable, tanto en capacidad como en la temperatura del líquido suministrado sea muy similar a la del medio ambiente que lo rodea.

2-     Bajo costo de fabricación el cual debe ser muy similar al de un tinaco común.

3-     Larga vida útil y mínimo mantenimiento.

4-     Incrementar la capacidad de captación de la radiación solar directa e indirecta.

5-     Posibilitar la implementación de un aislamiento térmico de bajo costo para la conservación del calor por más tiempo.

Para lo que desarrollamos el presente diseño que considera la hidrodinámica de las corrientes de convección natural o efecto termosifón para incrementar la eficiencia.

La innovación más importante que desarrollamos es  un diseño externo que permite incrementar la capacidad de captación solar mediante la implementación en la parte media de una forma de cono trucado que funciona del mismo modo que las aletas metálicas de los colectores convencionales,  así como la creación de una zona de acumulación del agua calentada en la parte superior , hacia donde confluyen todas las corrientes generadas por la convección o efecto termosifón, la cual es susceptible de aislarse térmicamente, en el momento que lo decida el usuario, de una manera fácil y económica según sus requerimientos o recursos económicos, cuyo beneficio será un mayor  incremento de  la temperatura  y la conservación del calor por más tiempo.

El área en forma de cono truncado que se encuentra en la parte media del tinaco es la encargada de captar la radiación solar vertical y lateral. La zona cilíndrica de la parte superior tiene la función de servir como tanque térmico y la de la base cumple la función de un tinaco común.

En esta imagen se detallan el promedio semanal de las temperaturas registradas a las 07:00 hrs diariamente a lo largo de los días que duró la prueba. O sea alrededor de 12 hrs después de no recibir radiación solar, se hace una proyección de como serían las temperaturas en un tinaco solar provisto de un sencillo aislamiento térmico.

Ahorro económico.

El contar con un suministro 270 litros diariamente de agua precalentada con una aportación calórica de +10°C nos permite ahorrar anualmente unas 985 500 kcal, 1146 kw que si lo traducimos en consumo de gas LP equivale a la quema de 112 kilogramos  los cuales tienen un costo $ 2441.00 pesos mx adquiriéndolos en cilindros de 30 kg por lo que en un solo año se puede recuperar de manera fácil  la inversión total en un tinaco solar.

Actualmente estamos trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para calentadores solares de baja temperatura así como en sistemas de purificación de agua potable utilizando energía solar.

Para cualquier duda o requerimiento de mayor información favor de contactarnos al correo:

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Fuentes de información utilizadas.

Comportamiento térmico de tinacos domésticos sometidos a la radiación solar :

http://www.revistas.unam.mx/index.php/ingenieria/article/view/52547

Emisiones  de GEI sector recisencial: https://www.gob.mx/inecc/acciones-y-programas/inventario-nacional-de-emisiones-de-gases-y-compuestos-de-efecto-invernadero

Tinacos que se venden en México cada año: https://www.entrepreneur.com/article/256826#:~:text=Con%20un%20capital%20netamente%20mexicano,ocho%20son%20de%20esta%20marca

Huella de carbono del gas LP: https://energia.gob.es/glp/Paginas/Index.aspx#:~:text=es%3A%2010.938%20Kcal%2FKg%20y,el%20poder%20calor%C3%ADfico%20superior%20(P.C.S.)

Calentadores solares autocontenidos, un proyecto social:

http://www.cienciamx.com/index.php/tecnologia/energia/2730-calentadores-solares-autocontenidos-para-comunidades-rurales-nota

Novedoso calentados solar autocontenido México:

https://www.youtube.com/watch?v=L3s8wR-zyKg

Pre calentador de agua que utiliza la energía solar:

https://eses.facebook.com/commerce/products/3061895887174806/?rid=107574195999917&rt=6&referral_code=page_shop_card

Nuevos materiales para la fabricación de calentadores solares:

http://www.proyectofse.mx/2018/01/02/nuevos-materiales-calentadores-solares-agua/

Simulación satelital para el cálculo del potencial solar:

https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=es

Mapa del potencial solar por país:

https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/es/#MR

Mapa de potencial solar por Región México

http://energiasolar.smartbitt.com/radiacion-solar/ La energía solar en México:

https://ciep.mx/energia-solar-en-mexico-su-potencial-y-aprovechamiento/

El mercado de los tinacos en México:

https://www.entrepreneur.com/article/256826#:~:text=Con%20un%20capital%20netamente%20mexicano,ocho%20son%20de%20esta%20marca.

PATENTSCOPE  http://patentscope.wipo.int/search/es/search.jsf

LATIPAT  https://lp.espacenet.com/ 

OFICINA DE PATENTES EUROPEAS https://worldwide.espacenet.com/

SIGA IMPI  https://siga.impi.gob.mx/newSIGA/content/common/principal.jsf

OFICINA DE PATENTES DE LOS ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA https://www.uspto.gov/

Lecciones aprendidas y mejores prácticas del Proyecto 25,000 Techos Solares para México Giz México:  https://www.international-climate-initiative.com/fileadmin/Dokumente/2015/2015_06_04_Informe_Lecciones_Aprendidas.pdf

ANALISIS DEL CONSUMO DE ENERGÍA TÉRMICA EN MEXICO USO DE ENERGÍAS RENOVABLES PARA DISMINUIR EL CONSUMO DE GAS LP:

https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/103194/Aportaci_n_FAMERAC.pdf

DISEÑO Y FABRICACION DE DOS CALENTADDRES SOLARES AUTOCONTENIDOS Y UN DESTILADOR SOLAR   http://zaloamati.azc.uam.mx/handle/11191/4968

PRIMERA ENCUESTA NACIONAL SOBRE CONSUMO DE ENERGÉTICOS EN VIVIENDAS PARTICULARES (ENCEVI):  https://www.inegi.org.mx/programas/encevi/2018/

Aplicaciones prácticas de la energía solar https://www.soltuyo.com/libros/laenergia-imatco-4.pdf

Termodinámica 7ª edición Cengel-yonus . edit. McGraw Hill

Transferencia de calor y masa, un enfoque práctico Yunus-Cengel  edit. McGraw Hill

Materiales termoaislantes, características técnicas y criterios de selección.

http://www.fao.org/3/y5013s/y5013s07.htm

Alza inflacionaria en los precios del  gas LP 2021

https://udgtv.com/noticias/precio-la-gasolina-gas-lp-al-alza-2021/

https://lucesdelsiglo.com/2021/01/25/anticipan-aumento-a-precio-de-gas-lp-negocios/#:~:text=KARLA%20OMA%C3%91A%20%2F%20AGENCIA%20REFORMA,precios%20por%20parte%20de%20Pemex.

NOM  Mex de eficiencia energética para calentadores de agua a gas y sus impactos energéticos, económicos y ambientales, abril 2018 .Comisión Nacional para el uso eficiente de la Energía.