La fotosíntesis también nos ha proporcionado todo tipo de energía mecánica a lo largo de la historia: nos ha provisto de combustible tanto para humanos como para animales, y de materiales de construcción para molinos de viento y agua. Ni los antiguos molinos de viento ni las antiguas cocinas a leña proveen electricidad, pero ambos pueden ser adaptados para hacerlo: basta con conectar un generador eléctrico al molino, y uno termoeléctrico a la cocina.
Generadores Termoeléctricos
Los generadores termoeléctricos (o “GTES”) son muy similares a los generadores “fotoeléctricos” – llamados hoy en día generadores “fotovoltaico”, o celdas solares FV: un generador fotovoltaico convierte luz directamente en electricidad, y un generador termoeléctrico convierte calor directamente en electricidad. 1
Un generador termoeléctrico consiste en uno o más lingotes de elementos semiconductores conectados en serie con planchas de metal, intercalados entre dos placas de material eléctricamente aislante, pero térmicamente conductor, formando un módulo muy compacto. 2 Pueden adquirirse de varios fabricantes, como Hi-Z, Tellurex, Thermalforce o Thermomanic.
Si uno adhiere un módulo termoeléctrico a la superficie de una cocina a leña, producirá electricidad cuando la cocina se use para cocinar, calefaccionar o calentar agua. A lo largo de varios experimentos y prototipos descriptos en mayor detalle más adelante, la potencia generada por cada módulo ha sido de entre 3 y 19 watts.
Al igual que con los paneles solares, los módulos pueden conectarse unos a otros en paralelo o serie, con el fin de obtener el voltaje y potencia que uno necesite – al menos mientras haya espacio disponible en la superficie de la cocina. Al igual que con los paneles solares, la corriente eléctrica que producen los módulos puede ser regulada por un controlador de carga y almacenada en una batería, para ser consumida inclusive cuando la cocina no se encuentra en uso. Una cocina termoeléctrica se combina habitualmente con dispositivos de corriente directa y poco voltaje, evitando pérdidas por conversión.
Las cocinas termoeléctricas podrían ser usadas en muchas partes del mundo. Las investigaciones se enfocan principalmente en el “Sur Global”, donde cerca de 3.000 millones de personas (40% de la población mundial) dependen de quemar biomasa para cocinar y calentar agua. Algunos de estos hogares también usan cocinas u hogueras para iluminación (1.300 millones de personas no tienen acceso a electricidad) y para calefacción durante partes del año. Sin embargo, también hay investigaciones sobre su uso en hogares en sociedades industriales, donde las cocinas a biomasa y hornallas han aumentado en popularidad, sobre todo fuera de las ciudades.
100% Eficiente
Desde que Thomas Seebeck describió el efecto termoeléctrico por primera vez, en 1821, los generadores termoeléctricos han sido famosos por su baja eficiencia al convertir calor en electricidad. 3456 Hoy en día, la eficiencia de los módulos termoeléctricos es de tan solo 5 a 6%, aproximadamente tres veces menor que la de los paneles FV más usados. 4
Sin embargo, en combinación con una cocina, la eficiencia de un módulo termoeléctrico no importa demasiado. Si el módulo es solo 5% eficiente al convertir el calor en electricidad, el 95% restante se emitirá nuevamente como calor. Si la cocina se usa para calefaccionar el ambiente, este calor no puede considerarse una pérdida de energía, dado que aún contribuye a su fin original. La eficiencia total del sistema (calor + electricidad) es por lo tanto cercana al 100%, o sea, no se pierde energía. Con una cocina diseñada apropiadamente, el calor generado a partir de la conversión a electricidad puede inclusive reutilizarse para cocinar o para calentar agua.
Más confiable que los paneles solares
Los módulos termoeléctricos comparten muchas ventajas de los paneles solares: son modulares, requieren poco mantenimiento, no tienen partes móviles, operan silenciosamente, y su expectativa de vida es larga. 7 Sin embargo, los módulos termoeléctricos ofrecen algunos ventajas adicionales sobre los paneles solares FV, siempre y cuando el hogar cuente con una fuente de calor no eléctrica usada con frecuencia.
Aunque los módulos termoeléctricos tienen aproximadamente un tercio de la eficiencia de los paneles solares FV, las cocinas termoeléctricas son una fuente de energía más confiable, dado que su uso es independiente del clima, la estación del año, o la hora del día. En jerga técnica, las cocinas termoeléctricas tienen un “factor de planta” más elevado que los paneles solares FV.
Aunque la cocina se use únicamente para cocinar y calentar agua, estas tareas cotidianas garantizan de todas formas una fuente constante de energía sin importar el clima. Además, la producción de energía de una cocina termoeléctrica coincide con las demandas de energía de un hogar: por lo general, el mayor uso de electricidad se da al mismo tiempo que se usa la cocina. Los paneles solares, por otra parte, producen muy poca o ninguna electricidad en los momentos de mayor demanda hogareña.
Estas ventajas desaparecen rápidamente cuando el generador termoeléctrico se alimenta de energía solar. Los generadores termoeléctricos solares, en los que los módulos termoeléctricos son calentados con luz solar concentrada, no logran compensan su baja eficiencia con una alta disponibilidad, dado que son tan dependientes del estado del tiempo como un panel solar FV.8910
Menos almacenamiento de energía
Gracias a tener una mayor disponibilidad, los sistemas termoeléctricos no necesitan sobredimensionar la capacidad de generación y almacenamiento de electricidad para compensar por las noches, estaciones del año más oscuras, o días nublados, como ocurre con los paneles solares FV. Las baterías no necesitan almacenar más electricidad que la que se consume entre dos usos de la cocina, ni hace falta agregar módulos adicionales para compensar por períodos de baja producción.
Los paneles solares y las cocinas termoeléctricas se pueden combinar, dando lugar a un sistema autónomo, con una necesidad baja de almacenamiento. Un sistema híbrido de estas características combina bien con una cocina empleada principalmente para calefaccionar el ambiente. Los módulos termoeléctricos producen la mayor parte de la energía durante el invierno, mientras que los paneles solares lo hacen en el verano.
Más económico de instalar, más fácil de reciclar
Una ventaja adicional de los módulos termoeléctricos por sobre los paneles solares, es que son más fáciles de instalar. No hay necesidad de construir una estructura en el techo y una conexión eléctrica con el exterior de la vivienda, dado que la generación se produce en el interior. Esto evita también el robo de electricidad, un problema significativo asociado a los paneles solares en algunas regiones del mundo.
La suma de estos factores hace que la energía generada por una cocina termoeléctrica pueda ser más barata y sustentable que la proveniente de paneles solares FV, con menos energía, materiales y dinero necesarios para fabricar las baterías, módulos y estructuras de soporte.
En términos de sustentabilidad, hay otra ventaja: a diferencia de los paneles solares FV, los módulos termoeléctricos son relativamente fáciles de reciclar. A pesar de que las celdas solares son perfectamente reciclables, se encuentran protegidas por una capa de plástico (típicamente “EVA” o etileno/acetato de polivinilo), fundamental para el desempeño de los módulos en el largo plazo. 11 Quitar esta capa sin destruir las células de silicio, aunque técnicamente posible, es tan complejo que su reciclado es muy poco atractivo desde el punto de vista económico y energético. 1213 Los módulos termoeléctricos, por otro lado, no contienen plástico en absoluto. 141516
Refrigeración de los módulos
La eficiencia energética de los generadores termoeléctricos no depende únicamente de los módulos, sino también de la diferencia de temperatura entre sus lados frío y caliente. Un módulo termoeléctrico operando a la mitad de diferencia de temperatura, generará solo una cuarta parte de la electricidad. Esto significa que con una disipación apropiada, el generador termoeléctrico genera más electricidad con menos módulos, y es por lo tanto un foco importante de su diseño.
Por un lado, esto significa instalar los módulos en los puntos más calientes en la cocina – siempre y cuando puedan soportar el calor. La mayoría de las cocinas tienen una temperatura superficial de entre 100 y 300 grados Celsius, mientras que el lado caliente de los módulos basados en teleluro de bismuto (los más económicos y eficientes) puede soportar temperaturas continuas de entre 150 y 350 grados, dependiendo del modelo.
Por otro lado, de debe reducir la temperatura del lado frío de los módulos lo más posible. Hay cuatro formas de hacerlo: convección forzada de aire o agua, lo que requiere ventiladores eléctricos y bombas, o convección natural de aire o agua, usando disipadores pasivos que no hacen uso parasítico de la carga del sistema.
La refrigeración activa generalmente tiene una eficiencia mayor, inclusive teniendo considerando el consumo del ventilador o de la bomba de agua. Pero los sistemas pasivos son más económicos, operan silenciosamente y son más confiables que los activos. En particular, la rotura de un ventilador puede ser problemática, resultando en la falla de un módulo por sobrecalentamiento. 17
Cocinas termoeléctricas con disipadores
Las primeras cocinas termoeléctricas a biomasa se fabricaron a principio de los años 2000, aunque los soviéticos habían probado un concepto similar en los años 50, usando linternas de querosén para alimentar radios eléctricas. 6 En el 2004, un grupo de investigadores en el Líbano adaptaron una cocina de fundición de hierro a base de leña, típica en áreas rurales, con un módulo termoeléctrico de 56 x 56 mm que ellos mismos fabricaron. La cocina, usada tanto para cocinar y hornear, como para calefaccionar y calentar agua, era relativamente pequeña (52 x 44 x 29 cm) y pesaba 40 kg.
![Imagen: La cocina de fundición de hierro usada en los experimentos. [^18]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/lebanese-wood-stove_dithered.png)
Los investigadores atornillaron una plancha de aluminio de 1 cm de grosor en el punto más caliente de la cocina. Instalaron ahí el módulo, y adosaron al lado frío un gran disipador de aluminio (180 x 136 x 125 mm) con aletas. Quemando 2,5 kg de madera blanda de pino por hora, lograron una potencia de salida de 4,2 watts. Si la cocina se usara durante 10 horas al día (dejando de lado la fase inicial de entrada en calor), podría proveer de 42 watt-hora de electricidad, suficiente para cubrir las necesidades básicas de un hogar rural en el Líbano.
![Imagen: Detalle de instalación del GTE y ubicación en la cocina. [^18]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/teg-on-wood-stove-lebanon_dithered.png)
Para aumentar la potencia de salida se pueden agregar más módulos y disipadores. Pero por supuesto la superficie de la cocina es limitada, y los módulos adicionales deberán ser instalados en puntos con menor temperatura superficial, disminuyendo su eficiencia. Otra forma de aumentar la producción es usando un disipador aún más grande, o uno más caro, basado en materiales con mayor conductividad térmica.
Cocinas termoeléctricas con ventiladores
La mayoría de las cocinas termoeléctricas construidas hasta la fecha, enfrían el módulo usando una combinación de ventiladores y disipadores. Los ventiladores pueden romperse y son una carga parasitaria en el sistema, pero permiten aumentar la eficiencia de la cocina al soplar aire caliente dentro de la cámara de combustión, reduciendo el consumo de leña y la polución aérea a aproximadamente la mitad. Las cocinas con ventiladores permiten además eliminar la necesidad de construir una chimenea, usando en cambio un caño de escape horizontal. 18 En consecuencia, las cocinas con ventiladores auto alimentados permiten reducir el consumo de leña y la polución del aire interior en las regiones del sur global, donde la gente no tiene acceso ni a electricidad, ni a los recursos para construir una chimenea a través del techo.
Un estudio de una cocina termoeléctrica, con un módulo y ventilación forzada, mostró que puede producir 4,5 watts de potencia, de los cuales 1 es consumido por el ventilador. 19 La producción neta (3,5 watts) es menor que en la cocina que solo usa un disipador (4,2 watts), pero la cocina con el ventilador consume menos de la mitad de leña: genera 3,5 watts netos de electricidad quemando solo 1 kg por hora, mientras que la cocina con refrigeración pasiva requiere 2,5 kg por hora para producir los 4,2 watts.
![Imagen: Cocina con GTE y ventilación forzada. [^20]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/teg-draft-cookstove_dithered.png)
Un estudio de campo evaluó en Malaui, durante 80 días, un diseño similar de cocina termoeléctrica portátil. Encontraron que los usuarios apreciaban enormemente la tecnología, y que las cocinas producían más electricidad de la que necesitaban. Durante la duración del estudio la producción de electricidad fue de entre 250 y 700 watt-hora, con un uso de solo 100 a 250 watt-hora. 20
Hay cocinas termoeléctricas con ventilador disponibles comercialmente, en general diseñadas para mochileros. Algunos ejemplos son las cocinas de BioLite, Thermonamic y Termefor, que prometen una generación de entre 3 y 10 watts, dependiendo del diseño y de la cantidad de módulos. 17
Cocinas termoeléctricas con tanques de agua
Las cocinas termoeléctricas más eficientes son aquellas en las que el lado frío de los módulos se encuentra en contacto directo con un tanque de agua. El agua tiene una resistencia termal menor que el aire, por lo que refrigera más eficientemente. Además, la temperatura del agua no puede superar los 100 grados Celsius, lo que reduce la posibilidad de que un módulo falle por sobrecalentamiento.
![Imagen: el funcionamiento de las cocinas termoeléctricas con refrigeración pasiva con agua. [^17]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/teg-water_dithered.png)
Cuando se emplea agua para refrigerar los módulos termoeléctricos, el calor residual generado por la conversión de energía se usa para calentar agua, y no para calefaccionar el ambiente. Las cocinas termoeléctricas con refrigeración a agua pueden ser activas (usando una bomba) o pasivas (sin partes móviles). 17
La mayoría de las cocinas termoeléctricas con refrigeración pasiva a agua son pequeñas, y calientan cantidades reducidas de agua. De hecho, el módulo termoeléctrico suele adosarse a una pequeña cacerola, y no a la cocina. Un ejemplo es el PowerPot, una cacerola que se coloca directamente sobre la cocina y que tiene un módulo termoeléctrico adosado a su base. Se puede adquirir comercialmente, y supuestamente puede generar entre 5 y 10 watts.
![Imagen: cocina multifuncional a base de leña con refrigeración pasiva a agua. [^22]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/clip-stove_dithered.png)
Investigadores franceses diseñaron una cocina termoeléctrica con refrigeración pasiva a agua mucho más grande y versátil, basada en el diseño marroquí de una cocina multifuncional de barro a leña. 1821222324 Embebieron un tanque de agua de 30 litros en la cocina, y le adosaron ocho módulos termoeléctricos al fondo. El tanque funciona como disipador del generador, y provee de agua caliente al hogar. La cocina cuenta además con ventilador eléctrico, alimentado por la cocina misma, y una doble cámara para aumentar la eficiencia de la combustión.
El prototipo generó 28 watts de potencia usando dos módulos y quemando 1,5 kg de madera para cocinar o calefaccionar. El ventilador usaba 15W, por lo que solo quedaban 13W para otros usos. La cocina podía calentar 60 litros de agua por hora, y una batería almacenaba entre 35 y 55 watt-hora por día, dependiendo de la duración de dos sesiones de cocinado. Estos valores tienen en cuenta las pérdidas generadas por la batería, su cargador, y el ventilador.
Cocinas termoeléctricas con bombas
La refrigeración pasiva a agua tiene una desventaja: a medida que la temperatura del agua aumenta, la diferencia de temperatura entre el lado frío y caliente del generador disminuye, y por lo tanto se vuelve menos eficiente. O bien se deja suficiente tiempo entre los usos de la cocina para que el agua se enfríe, o el agua caliente debe ser usada regularmente y reemplazada por agua fría. Una bomba de agua facilita esta tarea.
![Imagen: Prototipo de una cocina termoeléctrica con módulos refrigerados a agua. [^26]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/water-cooling-system-goudarzi_dithered.png)
En el 2015, una cocina a leña usada para cocinar, calefaccionar y calentar agua, fue equipada con 21 generadores termoeléctricos refrigerados con una bomba de agua. Quemando 1 kg de madera de pino por hora, este prototipo generó 25W; con 4kg/hora, 70W; y quemando 9kg/hora, 166W. 25 La potencia de salida llegó a picos de 7,9 watts, casi el doble que la producida por módulo cuando eran ventilados solo con aire. La bomba consumía 5W, y se usaba 1W adicional para un ventilador que aumentaba la eficiencia de la combustión. 2627
Calderas a gas termoeléctricas?
Los generadores termoeléctricos con refrigeración forzada a agua se adaptan mejor a la infraestructura eléctrica de sociedades industrializadas, especialmente en hogares con sistemas de calefacción central. Agregándoles más módulos pueden suplir las necesidades de un estilo de vida con alto consumo eléctrico, pero no están faltos de obstáculos. Primero, los sistemas de calefacción centralizada se usan únicamente para calentar el ambiente y el agua, no para cocinar, lo que significa que su uso no es constante a lo largo del año. Segundo, solo algunos de tales sistemas quema biomasa o gránulos de madera; la mayoría usa gas, petróleo o electricidad.
![Prototipo de un quemador termoeléctrico a gránulos de madera. [^30]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/teg-pellet-moser_dithered.png)
Cuando el calor se genera a partir de electricidad, no tiene ningún sentido agregar un generador termoeléctrico. Un sistema de generación termoeléctrico no es compatible con la idea de un edificio sustentable de alta tecnología, donde se calefacciona usando una bomba eléctrica, se cocina con una cocina eléctrica, y el agua caliente es provista por una caldera eléctrica.
Sin embargo, cuando la fuente de energía es gas o petróleo, una caldera termoeléctrica es una solución tan baja en carbono como un sistema solar FV conectado a la red eléctrica. 28 Ni un sistema de calefacción termoeléctrico, ni uno solar FV conectado a la red, vuelven a un hogar independiente de combustibles fósiles. Ambos siguen dependiendo de la red eléctrica, mayormente alimentada por combustibles fósiles, para solucionar excesos y faltas de energía, y generalmente cuentan con un sistema de calefacción y agua caliente central, alimentado también por combustibles fósiles.
![Imagen: Un generador termoeléctrico de 1kW con refrigeración forzada a agua, para fuentes de energía termal de baja temperatura. [^31]](https://solar.lowtechmagazine.com/es/2020/05/thermoelectric-stoves-ditch-the-solar-panels/images/dithers/1-kw-thermo-electric-generator-liu2014_dithered.png)
Un sistema termoeléctrico de calefacción basado en combustibles fósiles tiene ventajas por sobre una planta de cogeneración eléctrica, que captura el calor residual de la producción eléctrica, y lo distribuye a los hogares para calefaccionar y calentar agua. En el sistema termoeléctrico, el calor y la electricidad son generados y consumidos en el mismo sitio. A diferencia de la planta cogeneradora, no hay necesidad de construir una infraestructura para distribuir calor y electricidad, con lo que se ahorran recursos y se evitan las pérdidas generadas durante el transporte. Estas pérdidas rondan entre el 10 y 20% para la distribución del calor, y entre un 3 y 10% (o mucho más, en algunas regiones) para la electricidad.
Una planta cogeneradora es más eficiente (de 25 a 40%) al transformar calor en electricidad, lo que significa que, en comparación, un generador termoeléctrico provee una proporción mayor de calor que de electricidad. Esto dista de ser problemático, dado que inclusive en Europa, el 80% del uso de energía hogareña se emplea en la calefacción y el calentado de agua.