Battery used Battery charging

Energía solar directa: fuera de la red sin baterías.

Utilizar paneles solares sin infraestructura de respaldo hace que la producción de energía renovable sea mucho más asequible, eficiente y sostenible.

Imagen: una computadora portátil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.
Imagen: una computadora portátil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.
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Las instalaciones solares convencionales no cuestionan nuestra dependencia de los combustibles fósiles y del estilo de vida derrochador de energía que resulta de ello. Tanto los paneles solares en los techos como las granjas solares a gran escala nos suministran toda la energía que queremos, incluso cuando el sol no está brillando. Esto se debe a que estos sistemas utilizan la red eléctrica central, que funciona en gran medida con combustibles fósiles, como una especie de batería para hacer frente a las escaseces de energía.

Aunque los paneles solares conectados a la red pueden reducir el consumo de combustibles fósiles en las plantas de energía térmica, estos ahorros se ven al menos parcialmente compensados por los combustibles fósiles adicionales necesarios para construir y mantener lo que es esencialmente una infraestructura energética dual. La combinación de energía solar y eólica puede aumentar aún más la proporción de energía renovable en la red eléctrica, pero esto requiere un mayor desarrollo de infraestructura. Además de la energía, esto también demanda una gran cantidad de dinero y tiempo.

Reemplazar las centrales eléctricas que funcionan con combustibles fósiles con almacenamiento de energía, de manera que la electricidad excedente generada en días soleados pueda almacenarse para cuando no haya sol o sea insuficiente, se encuentra con el mismo problema. El almacenamiento de energía, ya sea integrado en una red eléctrica o ubicado en hogares individuales (sistemas fuera de la red), es muy costoso y intensivo en carbono para construir y mantener.

Instalación solar autónoma

La producción de paneles solares obviamente implica costos en dinero y energía. Sin embargo, los costos financieros y energéticos de la infraestructura de respaldo asociada son muchas veces mayores. Para las instalaciones solares conectadas a la red, estos costos son muy difíciles de calcular con precisión, pero para las instalaciones solares autónomas (sin conexión a la red y con su propio almacenamiento de energía), es mucho más fácil. Como ejemplo, tomaré la pequeña instalación solar autónoma que alimenta mi sala de estar en Barcelona.

Este sistema consta de dos paneles solares de 50 W en el balcón, una batería de plomo-ácido de 100 Ah y un controlador de carga de 10 A. La energía generada se utiliza para la iluminación, el sistema de música y cargar computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos, entre otras cosas. La inversión financiera inicial fue de 340 euros: 120 euros para los paneles solares, 170 euros para la batería y 50 euros para el controlador de carga.

Pero mientras que se espera que los paneles solares duren 30 años y el controlador de carga alrededor de 10 años, tengo que reemplazar la batería de plomo en promedio cada tres a cinco años. 1 A lo largo de una vida útil de 30 años, los costos ascienden a 120 euros para los paneles solares, 150 euros para los controladores de carga y, en el mejor de los casos, 1,020 euros para las baterías. Las baterías (y los controladores de carga asociados) representan aproximadamente el 90% de los costos totales durante toda la vida útil.

El almacenamiento de energía también domina la “energía incrustada” de la planta (y las emisiones de carbono resultantes). La producción de mi batería de plomo-ácido consumió 1,200 megajulios (MJ) de energía. 2 A lo largo de una vida útil de 30 años (seis baterías como máximo), eso equivale a 7,200 MJ. Los tres controladores de carga suman otros 360 MJ durante una vida útil de 30 años, lo que lleva el consumo total de energía del sistema de batería a 7,560 MJ. 3 En contraste, la producción de los paneles solares cuesta solo 2,275 MJ de un total de 9,835 MJ. 4 Conclusión: más del 75% del consumo total de energía fósil se debe al almacenamiento de energía.

Imagen: A la derecha en el balcón se encuentran los dos paneles solares de 50 W que alimentan la sala de estar de mi apartamento. Junto a ellos está el panel solar de 30 W que hace funcionar este sitio web. Foto: Marie Verdeil.
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Imagen: La estructura para los paneles solares, construida con madera reciclada. Foto: Kris De Decker.
Imagen: La estructura para los paneles solares, construida con madera reciclada. Foto: Kris De Decker.
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Imagen: La batería de plomo-ácido de 100 Ah que alimenta la sala de estar después del atardecer. Foto: Kris De Decker.
Imagen: La batería de plomo-ácido de 100 Ah que alimenta la sala de estar después del atardecer. Foto: Kris De Decker.
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Otros tipos de baterías no cambiarían significativamente esta conclusión. Para un sistema fuera de la red comparable con baterías de ion de litio, el almacenamiento de energía representaría aproximadamente el 95% del costo total durante toda la vida útil (casi el doble que un sistema con baterías de plomo-ácido). Suponiendo una vida útil optimista (10 años) e incluyendo controladores de carga, el almacenamiento de energía de litio representa alrededor del 70% de la energía invertida en un sistema de red solar. 5 6 Para las baterías de níquel-hierro, el almacenamiento de energía representaría el 85% del costo total durante toda la vida útil (no hay datos de costo de energía). 7

La escala y la ubicación de la instalación solar tampoco hacen ninguna diferencia. Un sistema más grande necesita más paneles solares, pero también baterías más grandes y controladores de carga más caros y potentes. Las proporciones siguen siendo las mismas. 8 El único factor que podría dar a los paneles solares una parte ligeramente mayor del costo total son las estructuras en las que están montados. No lo tengo en cuenta porque los construí yo mismo con madera reciclada. Sin embargo, si los paneles solares están montados en un techo, una solución de bricolaje es menos evidente. Pero incluso en ese caso, el costo del almacenamiento de energía sigue siendo, con mucho, la consideración más importante.

Energía solar directa: mucho más barata y sostenible

A diferencia de los combustibles fósiles, el sol y el viento no están disponibles a pedido. El problema con nuestro enfoque hacia la energía renovable es que insistimos en que la energía siempre debe estar disponible infinitamente, independientemente del clima, las estaciones o la hora del día. Coincidir la demanda de energía con la oferta, como se hacía en el pasado - llevaría a reducciones dramáticas en el costo y en el uso de los combustibles fósiles.

Por ejemplo, si omitiera el almacenamiento de baterías de mi instalación solar, mi sistema se volvería aproximadamente 10 veces más barato: 120 euros en lugar de 1,290 euros durante toda su vida útil de 30 años. Alternativamente, podría gastar 1,290 euros solo en paneles solares, lo que me daría un sistema solar de 1,075 vatios. Eso es diez veces la capacidad de la configuración con baterías, más de lo que cabría en el balcón.

Sin la batería y el controlador de carga, el costo energético de la instalación también disminuye de 9,835 MJ a 2,275 MJ. En otras palabras, podría generar al menos cuatro veces más energía solar con la misma inversión en combustibles fósiles.

¿Cómo puede ser práctica la energía solar directa?

Todo bien, pero el sol no brilla después del atardecer y la cantidad de energía solar varía a lo largo del día y del año. Entonces, ¿cómo puede ser práctico el uso de paneles solares sin baterías (o sin otra infraestructura de respaldo en el caso de instalaciones conectadas a la red)?

Para responder a esa pregunta, observamos a un pionero de la “energía solar directa”: la Living Energy Farm. Esta comunidad de educación ambiental en el estado de Virginia, Estados Unidos, está completamente “fuera de la red” gracias a la energía solar, pero solo el 10% de la energía solar generada pasa a través de una batería de níquel-hierro. Sin embargo, los paneles solares proporcionan energía para varias viviendas, una cocina comunitaria, un taller de metal y una granja. 9 10

Imagen: energía solar directa en la Living Energy Farm.
Imagen: energía solar directa en la Living Energy Farm.
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La instalación solar ha estado en funcionamiento desde 2011 y consta de sistemas separados con una potencia máxima total de 1,400 vatios. 11 En comparación, la potencia máxima promedio de una instalación solar residencial en el Reino Unido y en los Estados Unidos, para un hogar, es de 4,000 vatios y 6,500 vatios, respectivamente. Al igual que en mi apartamento, en la Living Energy Farm se utiliza la energía de manera frugal, pero el hecho de que apenas se utilicen baterías tiene otras razones.

Algunos electrodomésticos solo se utilizan durante el día

Una primera razón es evidente: algunos electrodomésticos y máquinas eléctricas solo se utilizan durante el día. Esto es cierto, por ejemplo, para todas las máquinas en el taller de metal, incluyendo una sierra de banda, un compresor, una amoladora, una sierra circular, un torno, una fresadora y una taladradora. También se aplica a maquinaria agrícola como un molino de granos y una bomba de pozo profundo. Conectadas directamente a los paneles solares, estas máquinas ofrecen todas las capacidades de la tecnología moderna alimentada por la red, con la excepción de que solo pueden utilizarse durante el día. 10

En una escala mucho más pequeña, he utilizado energía solar directa para una plancha, una pistola de pegamento y una bomba de riego (para el balcón) en casa. Otros ejemplos de electrodomésticos y máquinas que podrían utilizarse sólo durante el día incluyen aspiradoras, máquinas de coser, lavadoras, consolas de juegos, cortadoras láser e impresoras 3D. No es tan difícil imaginar una sociedad moderna donde actividades como aspirar y realizar tareas de bricolaje solo ocurran durante el día. Ciertamente, no es un retorno a la Edad Media.

Imagen: varias herramientas de taller en la Living Energy Farm, la mayoría de ellas funcionando con energía solar directa. Imagen: Alexis Zeigler.
Imagen: varias herramientas de taller en la Living Energy Farm, la mayoría de ellas funcionando con energía solar directa. Imagen: Alexis Zeigler.
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Image: Metal lathe running on direct solar power, Living Energy Farm. Image: Alexis Zeigler.
Image: Metal lathe running on direct solar power, Living Energy Farm. Image: Alexis Zeigler.
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Imagen: Soldadura con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil. Ver el vídeo.
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Además, no todos los electrodomésticos requieren atención constante. Las lavadoras o lavavajillas que se activan automáticamente cuando brilla el sol a menudo se citan como ejemplos de aplicaciones en una “red eléctrica inteligente”. Pero ese enfoque depende de una infraestructura extensa de transmisión eléctrica, redes de comunicación y electrodomésticos llenos de electrónica.

En cambio, en un enfoque descentralizado de energía solar directa, la inteligencia la proporciona el sol y la rotación del planeta. Una lavadora o lavavajillas alimentados directamente por energía solar pueden cargarse completamente y encenderse por la noche. La máquina luego se inicia “automáticamente” por la mañana. Incluso puede utilizar temporizadores (electrónicos o mecánicos) para hacer funcionar diferentes electrodomésticos uno tras otro.

Si las nubes representan un límite adicional para una instalación solar directa, y en qué medida, depende del tamaño de los paneles solares. Duplicar el área de los paneles solares garantiza suficiente energía solar durante una cobertura de nubes moderada, mientras que la instalación sigue siendo mucho más barata y sostenible que un sistema con baterías u otra infraestructura de respaldo.

Un área aún mayor de paneles solares podría proporcionar suficiente energía incluso durante una cobertura de nubes densa, pero aumentar el tamaño del sistema diez veces vuelve a llevar el costo al nivel de un sistema autónomo con baterías. Cuadruplicar el área hace que el sistema vuelva a depender igualmente de los combustibles fósiles.

Muchos electrodomésticos ya tienen baterías

La energía solar directa no excluye el uso de electrodomésticos eléctricos después del atardecer. Como se mencionó, la Living Energy Farm tiene un modesto sistema de baterías que proporciona energía para luces, ventiladores y dispositivos electrónicos después del atardecer, entre otras cosas. 10 Además, muchos electrodomésticos modernos ya tienen almacenamiento de energía incorporado. Esto es válido para todo tipo de vehículos eléctricos, la mayoría de los gadgets electrónicos y electrodomésticos más antiguos con baterías AA.

Consecuentemente, estos tipos de dispositivos pueden cargarse con energía solar directa durante el día y luego utilizarse durante varias horas después del atardecer gracias a la batería incorporada. Combinado con un banco de energía de ion de litio, un panel solar directo también puede permitir cargar dispositivos USB después del atardecer. Esta estrategia incluso puede funcionar para la iluminación, ya que existen muchas lámparas a batería que se pueden usar como linternas modernas, colgadas en diferentes partes de habitaciones y edificios.

Imagen: Un teléfono móvil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.
Imagen: Un teléfono móvil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.
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Por supuesto, externalizar el almacenamiento de energía química en el dispositivo no es la opción más sostenible. La producción de baterías de ion de litio requiere combustibles fósiles y (a diferencia de las baterías de plomo-ácido) no se reciclan. La mejor solución, por supuesto, es reducir el uso de dispositivos eléctricos. Pero cargarlos con energía solar directa es mucho más sostenible y eficiente que a través de otras baterías o una red eléctrica alimentada con combustibles fósiles. Si usamos dispositivos de alta tecnología, preferiblemente de la manera más inteligente posible.

Almacenamiento de energía no eléctrico

Una tercera razón por la cual la energía solar directa es más práctica de lo que parece inicialmente es que algunos electrodomésticos pueden utilizarse después del atardecer gracias al almacenamiento de energía térmica. Esto es mucho más barato y sostenible que el almacenamiento de energía eléctrica. El almacenamiento de energía térmica ya está bastante establecido para sistemas de calefacción de espacios y agua, que almacenan agua calentada por el sol en un calentador aislado o (solo para calefacción de espacios) en el envolvente del edificio. No sorprende que la Living Energy Farm tenga tales sistemas, y la energía solar térmica también proporciona agua caliente en mi apartamento.

Sin embargo, el mismo enfoque también funciona para dos electrodomésticos importantes que necesitan funcionar después del atardecer y también consumen mucha electricidad: la nevera y la cocina. En lugar de almacenar electricidad de un panel solar en una batería para luego alimentar una nevera o cocina después del atardecer, estos electrodomésticos en la Living Energy Farm utilizan aislamiento térmico. Esto mantiene el calor dentro (en el caso de la cocina) o fuera (en el caso de la nevera) cuando no hay suministro de energía. El aislamiento térmico también garantiza una eficiencia energética muy alta, lo que significa que cada uno de estos electrodomésticos puede funcionar con un panel solar de solo 100-200 vatios.

Una nevera alimentada directamente por energía solar

Es perfectamente posible conectar una nevera o congelador convencional directamente a un panel solar, pero dicho electrodoméstico se calentaría muy rápidamente por la noche. Incluso las neveras con las etiquetas de eficiencia energética más altas tienen un grosor de aislamiento relativamente limitado (generalmente 2.5 cm). Sin embargo, si ese grosor de aislamiento se aumenta a aproximadamente 12.5 cm, el consumo de energía de una nevera se reduce en un factor de cuatro. 12 13 La capacidad de enfriamiento pasivo de una nevera se puede aumentar aún más agregando masa térmica en forma de un tanque de agua dentro del electrodoméstico. Durante el día, el panel solar enfría el agua o la convierte en hielo. Por la noche, este agua fría o hielo retrasa el calentamiento de la nevera. 14

Una nevera alimentada directamente por energía solar también se abre en la parte superior, no en la parte frontal. El aire frío es pesado, y de esa manera se pierde mucha menos energía cuando alguien abre la puerta. Todas estas elecciones de diseño se suman a una eficiencia energética espectacular. Un estudio de neveras solares directas en regiones muy soleadas (Texas y Nuevo México, EE. UU.) mostró que mantenían su capacidad de enfriamiento durante 6 o 7 días sin suministro de energía. Las unidades operaban durante todo el año con paneles solares de solo 80W a 120W. 15 La Living Energy Farm alimenta su nevera solar con un panel de 200W. 10

Imagen: El Sundanzer DDR165. Una nevera diseñada específicamente para funcionar con energía solar directa. Foto: Sundanzer.
Imagen: El Sundanzer DDR165. Una nevera diseñada específicamente para funcionar con energía solar directa. Foto: Sundanzer.
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A diferencia del calentamiento solar, la refrigeración solar está optimizada para las variaciones estacionales en la radiación solar. La refrigeración requiere más energía en verano, cuando hay más energía solar. La nevera mencionada en Nuevo México registró un consumo de electricidad de 406 vatios-hora por día en verano y solo 230 vatios-hora en invierno. 16 Además, la tecnología se puede utilizar en toda la cadena de frío, de la cual la nevera doméstica es solo una pequeña (pero esencial) parte. Otra aplicación es la refrigeración del aire, aunque esto está menos investigado y es más desafiante. 17

Una cocina eléctrica solar directa

En principio, una cocina convencional también se puede conectar directamente a un panel solar, pero al igual que con una nevera convencional, no es muy práctico. Solo se puede cocinar durante el día, y hay que instalar muchos paneles solares. Una sola placa caliente necesita 1,000 vatios de potencia eléctrica. Una cocina eléctrica solar resuelve estos problemas al llenar la placa con aislamiento térmico. La tecnología es básicamente una combinación de una placa de cocina eléctrica y una caja de heno.

Imagen: Prueba de una cocina eléctrica solar. Foto: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).
Imagen: Prueba de una cocina eléctrica solar. Foto: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).
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Gracias al aislamiento térmico, una cocina eléctrica solar acumula lentamente calor durante el día, que luego se puede utilizar para cocinar después del atardecer. De esta manera, puede ser suficiente un suministro de energía mucho menor para alcanzar altas temperaturas. Piensa en ello como “cargar” tu cocina, no con electricidad, sino con calor.

Investigadores de la Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly) en EE. UU. construyeron la primera cocina eléctrica solar en 2015. Su dispositivo de 12 voltios, que desde entonces ha sido mejorado, solo necesita un panel solar de 100W para funcionar. Hierve un litro de agua en una hora. Con un día completo de luz solar, puede cocinar casi 5 kg de frijoles, arroz, guisos o papas. 18

Cocinar después del atardecer es posible utilizando una olla con un fondo mucho más grueso (5-10 kg). El equipo de investigación de Cal Poly logró llevar la temperatura de ese almacenamiento sólido de calor a 250°C en cinco horas con un panel solar de 100W. Luego pudieron hervir un litro de agua en tres segundos después del atardecer. En otra prueba, saltearon 1 kg de verduras en dos minutos. La configuración ideal consta de dos ollas: una con almacenamiento de calor y otra sin él. Así, una cocina eléctrica solar puede cocinar tanto lentamente como rápidamente, según la hora del día y el plato. 19

Imagen: El principio de una cocina eléctrica solar con almacenamiento sólido de calor. Dibujo: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).
Imagen: El principio de una cocina eléctrica solar con almacenamiento sólido de calor. Dibujo: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).
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¿Térmico o eléctrico?

Al igual que los sistemas de calefacción solar de agua y espacio, la cocina y la refrigeración pueden funcionar tanto con electricidad, a través de paneles fotovoltaicos (PV), como con colectores solares térmicos. Sin embargo, mientras que la calefacción solar de agua y espacio es más rentable y eficiente en términos energéticos sin electricidad, para la refrigeración y la cocción solares sucede lo contrario.

La calefacción de espacios y agua requiere diferencias de temperatura relativamente pequeñas, que pueden proporcionar colectores solares térmicos de bajo costo hechos de placas de vidrio y tuberías de agua. En cambio, la refrigeración y la cocción requieren diferencias de temperatura mayores, lo que implica colectores solares más sofisticados (tubos al vacío o parabólicos) que son más caros que los paneles fotovoltaicos. 20 21

La única excepción es una cocina solar simple, una caja aislada con una tapa de vidrio, pero no puede alcanzar temperaturas tan altas. Además, una cocina eléctrica solar tiene algunas ventajas adicionales. Con un aparato no eléctrico, debes cocinar afuera, lo cual es menos práctico pero también menos eficiente, especialmente en invierno: una cocina solar térmica perderá más calor en el entorno. Una cocina eléctrica solar también es más eficiente en energía porque está aislada por todos lados. También funciona mejor en días nublados y se puede usar después del atardecer. En la Living Energy Farm, la cocina solar parabólica solo se utiliza en condiciones óptimas, con sol pleno y altas temperaturas exteriores.

¿Cuáles son los desafíos técnicos?

Aunque la Living Energy Farm está poniendo en práctica todas estas aplicaciones de energía solar directa, hay algunos desafíos técnicos para aquellos que quieran seguir el mismo camino. Casi toda nuestra tecnología moderna está diseñada para funcionar con un suministro de energía estable e ininterrumpido. No tiene que ser así, pero por ahora, la energía solar directa suele requerir ciertas modificaciones. Un sistema solar directo es mucho más fácil de construir que un sistema autónomo con baterías, pero a menudo requiere modificaciones en el lado del electrodoméstico.

Algunos dispositivos se pueden conectar directamente a un panel solar: basta con conectar los contactos positivos y negativos del panel solar y el dispositivo. Por ejemplo, las máquinas con un motor de corriente continua (DC) toleran grandes fluctuaciones en el suministro de energía. El taller de metal y la maquinaria agrícola en la Living Energy Farm funcionan de esta manera. Si las nubes bloquean el sol, la carga eléctrica combinada puede ser mayor que el suministro de energía de los paneles solares, pero esto no detiene las máquinas. Todos los motores se ralentizarán porque comparten la energía disponible, pero todos continúan haciendo un trabajo útil. 10 22

Lo mismo se aplica a todos los electrodomésticos que funcionan sobre la base de elementos calefactores resistivos, como hervidores, placas calientes o sistemas de calefacción eléctrica. Funcionan independientemente de la potencia o voltaje, simplemente más lentos o más rápidos. Una nevera alimentada directamente por energía solar opera preferiblemente con un compresor de corriente continua variable, que puede ajustar su velocidad según la producción variable de energía solar. 10 23

Muchos otros dispositivos necesitan una entrada de voltaje específica y estable, que generalmente no coincide con lo que produce el panel solar. Esto se puede solucionar colocando un convertidor de corriente continua a corriente continua (un convertidor “buck” o “boost”) entre el panel solar y el dispositivo. Este es un pequeño módulo electrónico que convierte el voltaje fluctuante de un panel solar en un voltaje de salida constante para un dispositivo de bajo voltaje (5V, 12V o superior). 24

Imagen: Experimentos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.
Imagen: Experimentos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.
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Si utilizas un inversor además de esto, incluso los electrodomésticos de corriente alterna pueden funcionar directamente con un panel solar. 25 Los convertidores de corriente continua a corriente continua son esenciales para todos los electrodomésticos que contienen componentes electrónicos. Esto es válido para muchos electrodomésticos hoy en día, incluidos aquellos, como lavadoras o cafeteras, que hasta hace poco funcionaban sin electrónica. Esto te ofrece a menudo dos opciones para hacer funcionar tales electrodomésticos con energía solar directa. Puedes instalar un convertidor de corriente continua a corriente continua o modificar el electrodoméstico eludiendo la electrónica.

Manuales de bricolaje y dispositivos comerciales

La mayoría de las aplicaciones de energía solar directa funcionan a bajo voltaje, por lo que puedes hacerlo de forma segura por ti mismo. Low-tech Magazine publicará pronto un manual al respecto. Sin embargo, la Living Energy Farm utiliza corriente continua con voltajes más altos para varias aplicaciones. Ejemplos son las herramientas de la máquina en el taller de metal (90V) y algunas cocinas solares eléctricas potentes (48V, 180V). No es buena idea construir estos sistemas por ti mismo a menos que cuentes con la ayuda de un electricista calificado, ya que estos voltajes pueden provocar accidentes fatales.

Quienes deseen construir sus propias cocinas solares eléctricas (de bajo voltaje) encontrarán manuales completos tanto en Living Energy Farm como en Cal Poly. 26 Los dispositivos se pueden fabricar con materiales simples. El material de aislamiento debe ser ignífugo. Ejemplos de materiales son lana de roca, fibra de vidrio, lana natural o arcilla.

Se pueden utilizar diferentes tecnologías para los elementos calefactores, pero incrustar alambres de nichrome en cemento es la opción más sencilla. Estos cables se pueden obtener de varios electrodomésticos como tostadoras, hornos y placas calientes. En principio, los cables calefactores se pueden sujetar directamente a la olla, pero es más práctico hacer un “nido” calefactado en el que se pueda colocar una olla.

Imagen: Inspirada en el trabajo de Cal Poly, Living Energy Farm también desarrolló varias cocinas solares eléctricas, una de las cuales ofrecen a la venta a través de su sitio web. El horno Roxy se puede utilizar como placa caliente u horno, por ejemplo, para hornear pan. La puerta también permanece cerrada cuando se utiliza como placa caliente. Esta cocina solar no tiene almacenamiento de energía.
Imagen: Inspirada en el trabajo de Cal Poly, Living Energy Farm también desarrolló varias cocinas solares eléctricas, una de las cuales ofrecen a la venta a través de su sitio web. El horno Roxy se puede utilizar como placa caliente u horno, por ejemplo, para hornear pan. La puerta también permanece cerrada cuando se utiliza como placa caliente. Esta cocina solar no tiene almacenamiento de energía.
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Imagen: El horno Roxy sin la puerta y con el aislamiento de lana de vidrio visible. El dispositivo, fabricado en el taller de metal con energía solar directa, funciona con 48V y requiere un panel solar de 200 a 500 vatios. Living Energy Farm también ofrece el refrigerador solar Sunstar a la venta en línea.
Imagen: El horno Roxy sin la puerta y con el aislamiento de lana de vidrio visible. El dispositivo, fabricado en el taller de metal con energía solar directa, funciona con 48V y requiere un panel solar de 200 a 500 vatios. Living Energy Farm también ofrece el refrigerador solar Sunstar a la venta en línea.
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¿Desperdicia energía la energía solar directa?

La sostenibilidad de una instalación solar depende no solo de la energía requerida para producir y mantener la infraestructura, sino también de la energía producida por los paneles solares durante su vida útil. Algunas personas argumentarán que el uso directo de la energía solar es inferior a las instalaciones solares convencionales conectadas a la red o alimentadas por baterías en este aspecto.

Después de todo, la aspiradora, la lavadora y el taladro no se utilizan todos los días, y si no hay ningún electrodoméstico conectado, entonces un panel solar no producirá energía. En consecuencia, la cantidad de electricidad producida por el panel disminuirá a lo largo de su vida útil, mientras que la energía necesaria para fabricar el panel permanece igual. Esto hace que la energía de un panel solar directo sea más intensiva en carbono.

Sin embargo, dado que el almacenamiento de energía en baterías (o la alternativa conectada a la red) representa una gran proporción de la energía total invertida, un panel solar independiente puede desperdiciar bastante energía antes de volverse menos sostenible que su contraparte con almacenamiento de batería o conexión a la red.

Además, el uso directo de la energía solar evita las pérdidas de carga y descarga causadas por las baterías, o las pérdidas de energía en la infraestructura de transmisión para los sistemas conectados a la red. Ambos deben ser compensados con paneles solares adicionales. Además, los paneles solares conectados a baterías o a la red también desperdician energía, como consecuencia de la gran diferencia en la producción de energía entre el verano y el invierno.

Maximizando la energía solar directa con servicios colectivos

Sin embargo, es importante maximizar la producción de energía de un panel solar directo. En ese contexto, es útil regresar por un momento al sistema de ejemplo original ubicado en mi balcón. La energía solar directa podría ser una buena adición a este sistema, especialmente para el refrigerador y la cocina. Fue por estos electrodomésticos que concluí en 2016 que era imposible desconectar completamente mi piso de la red.

Sin embargo, Living Energy Farm demuestra que se podría hacer: hay espacio para otros 200 vatios de paneles solares (4 x 50W) en el balcón, suficientes para alimentar tanto un refrigerador como una cocina con aislamiento térmico. No se necesitaría capacidad adicional de batería.

Para otros electrodomésticos, sin embargo, la energía solar directa no sería de mucha utilidad en mi caso. No sería muy eficiente instalar un panel solar adicional para la lavadora o el taladro, ya que solo se utilizan ocasionalmente. Esto parece favorecer a una red eléctrica “inteligente”, porque de esa manera muchos hogares pueden utilizar la misma energía solar: siempre hay alguien que necesita lavar la ropa o taladrar un agujero.

Sin embargo, una red inteligente de este tipo requiere mucha infraestructura, incluso si la energía solar directa se utilizara a esa escala. Puede que no requiera baterías o combustibles fósiles como respaldo, pero sí necesita infraestructura de transmisión y comunicación.

Imagen: Un tocadiscos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil. Ver el video.
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La Living Energy Farm demuestra una solución alternativa: la organización comunal de tareas domésticas y trabajo. En lugar de una red eléctrica comunal distribuyendo energía a muchos hogares individuales, podemos establecer servicios colectivos con producción de energía descentralizada.

En el taller comunal de la Living Energy Farm, la energía solar directa se puede utilizar de manera mucho más eficiente que en un taller individual que solo se utiliza ocasionalmente. Una lavandería colectiva en cada calle también utilizaría la energía solar directa de manera mucho más eficiente. Además, ahorramos mucha energía al construir electrodomésticos de esta manera y ganamos mucho espacio.

¿Energía eólica directa?

Esta estrategia se vuelve aún más importante si elegimos no la energía solar directa, sino la energía eólica directa, o una combinación de ambas. La Living Energy Farm se encuentra en una región soleada, pero el mismo enfoque también podría funcionar en lugares ventosos.

Sin embargo, hay una diferencia importante entre la energía solar y la energía eólica. La eficiencia de un panel solar no depende de su tamaño, lo que hace que la energía solar sea ideal para la producción descentralizada de energía. En cambio, la eficiencia de un aerogenerador aumenta más que proporcionalmente a medida que aumenta el diámetro del rotor. Mucho mejor que un aerogenerador por hogar, por lo tanto, es un aerogenerador algo más grande para una comunidad de hogares, por ejemplo, para alimentar una lavandería o taller colectivo.


  1. La vida útil de las baterías de plomo-ácido depende de muchos factores. Si se descargan demasiado profundamente o no se cargan completamente regularmente, la vida útil puede ser inferior a tres años. Por otro lado, una batería de plomo-ácido que apenas se utiliza o no se descarga en absoluto puede durar mucho más de cinco años. Sin embargo, la literatura académica establece una expectativa de vida de tres a cinco años, y esta también ha sido mi experiencia con las baterías que he utilizado desde 2016. Consulte, por ejemplo, “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, en “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008, y “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, en “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, julio de 1998. ↩︎

  2. La fabricación de una batería de plomo-ácido (basada en gran medida en materiales reciclados) requiere aproximadamente 1 MJ de energía por vatio-hora de capacidad de almacenamiento. Mi batería de 100 amperios-hora equivale a una capacidad de almacenamiento de 1,200 vatios-hora, y así la energía incorporada es de 1,200 MJ. A lo largo de una vida útil de 30 años, necesitaría seis de estas baterías como máximo, lo que suma un total de 7,200 MJ. Fuente: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” y “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎

  3. No se ha investigado mucho sobre la energía incorporada de los controladores de carga. Los datos más relevantes que encontré indican un valor de 1 MJ por vatio de potencia máxima: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Para una capacidad de 120W (mi controlador de carga tiene una capacidad máxima de 10A x 12V = 120W), esto equivale a 120 MJ. Para la vida útil estimada, encontré valores de 7 y 12.5 años: misma referencia que anteriormente mencioné, así como Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Por lo tanto, hice el cálculo con una vida útil estimada de 10 años. ↩︎

  4. Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Según esta fuente ampliamente citada, se necesitan 3,500 MJ para producir 1 m2 de panel solar. Mis dos paneles solares juntos miden 0.65 m2, lo que representa un costo total de energía de 2,275 MJ. Una revisión bibliográfica más reciente sitúa el costo energético de la producción de diferentes tipos de paneles solares entre 1,034 y 5,150 MJ/m2. Los estudios más recientes sobre paneles solares de silicio en esta revisión sitúan el costo energético en alrededor de 1,000 MJ/m2, mucho más bajo que la cifra que estoy utilizando. Consultar: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎

  5. Las baterías de iones de litio son mucho más caras que las baterías de plomo-ácido, pero a diferencia de estas últimas, pueden descargarse más profundamente (hasta el 15% de su capacidad total) y tienen una vida útil más larga (de 7 a 10 años). En consecuencia, se necesitan menos y más pequeñas baterías. Teniendo en cuenta estos factores, el costo de por vida de la batería es de 750 euros, en comparación con los 1,020 euros de las baterías de plomo-ácido. Por otro lado, las baterías de iones de litio requieren un controlador de carga más sofisticado y más caro: un controlador de carga de 10A cuesta entre 200 y 600 euros, según la calidad. Suponiendo un precio de 400 euros para el controlador de carga y una vida útil de 10 años tanto para la batería como para el controlador de carga, el almacenamiento de batería representa el 95% del costo total de por vida (un total de 2,070 euros, mucho más que el costo total del sistema con baterías de plomo-ácido). Fuentes: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎

  6. Aunque la producción de una batería de iones de litio consume más energía que la producción de una batería de plomo-ácido (1.4-1.9 MJ/Wh frente a 1 MJ/Wh), esto se compensa con una vida útil más larga y una mayor capacidad de descarga. El costo energético de las baterías de iones de litio durante una vida útil de 30 años es de aproximadamente 3,000 MJ, significativamente menos que un sistema de baterías de plomo-ácido comparable. En cambio, el controlador de carga contiene electrónica más compleja. Desafortunadamente, no hay datos disponibles sobre el costo energético de dicho controlador de carga. Por lo tanto, no queda más remedio que estimar el costo energético en función del costo financiero, que es de cuatro a doce veces más caro que un controlador de carga para una batería de plomo-ácido. Suponiendo un costo cuatro veces más alto, la energía incrustada del controlador de carga aumenta a 480 MJ, o 1,440 MJ durante un período de 30 años. El costo total de energía para el sistema es entonces de 6,685 MJ, menos que un sistema comparable con baterías de plomo-ácido. De esto, casi el 70% se atribuye al almacenamiento de la batería. ↩︎

  7. Las baterías de níquel-hierro son incluso más grandes y más pesadas que las baterías de plomo-ácido y requieren un mantenimiento regular. Pero pueden descargarse completamente y tienen una vida útil muy larga (20 años). Además, se pueden utilizar con los mismos controladores de carga que las baterías de plomo-ácido. El costo de por vida durante 30 años para la batería es de 750 euros, más barato que las seis baterías de plomo-ácido de capacidad similar. El costo total de por vida para un sistema de batería de níquel-hierro con paneles solares de 100 W es de 1,020 euros, de los cuales el 85% se destina al almacenamiento de energía. Lamentablemente, las baterías de níquel-hierro son difíciles de encontrar, especialmente los modelos más pequeños. Fuentes: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎

  8. De hecho, el precio de los paneles solares en una instalación solar algo más grande sería proporcionalmente aún menor. Esto se debe a que los paneles solares con tamaños pequeños (como 50W) son proporcionalmente más caros por vatio de capacidad pico que los paneles solares con tamaños más convencionales (a partir de 250W en adelante). Más o menos lo mismo se aplica al costo energético. ↩︎

  9. https://livingenergyfarm.org ↩︎

  10. Alexis Zeigler, fundador de Living Energy Farm, escribió un libro sobre el proyecto, que está disponible en línea en su totalidad: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Tambien se puede comprar en formato impreso↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

  11. Dado que la energía solar directa no requiere un controlador de carga para cada sistema por separado, dividir un sistema solar no implica costos adicionales ni consumo de energía. ↩︎

  12. La investigación muestra que duplicar el grosor del aislamiento de 2.5 cm (aislamiento estándar) a 5 cm reduce el consumo anual de electricidad de un refrigerador (capacidad de 50 litros) de 250 a 125 kilovatios-hora.13 Con un grosor de aislamiento de 10 a 12.5 cm, el consumo de electricidad se reduce a la mitad nuevamente, llegando a alrededor de 60 kilovatios-hora por año. Un aislamiento aún más grueso produce una reducción más pequeña en el consumo de electricidad y ya no resulta atractivo debido a que el aislamiento adicional también aumenta el costo y el tamaño del refrigerador. El estudio se refiere a un refrigerador con energía solar que funciona gracias a un inversor y una batería, siendo menos eficiente en términos de energía que un refrigerador solar directo. ↩︎

  13. Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎

  14. Esta masa térmica puede ser literalmente un recipiente de agua colocado dentro del refrigerador o algunas botellas de agua para beber. Pero el agua también se puede almacenar en depósitos a lo largo del costado del electrodoméstico, detrás de un revestimiento interno que las mantiene en su lugar y las oculta a la vista. El agua tiene una mayor densidad de almacenamiento de calor que el aire, lo que ayuda a mantener la temperatura estable por más tiempo. ↩︎

  15. Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎

  16. Esta ventaja sólo se aplica si el refrigerador se instala en una habitación no climatizada. La moderna costumbre de colocar un refrigerador en una cocina climatizada cuando la temperatura exterior en invierno es igual o inferior a la del refrigerador es evidentemente absurdamente derrochadora. Sin embargo, esta ventaja tampoco es válida en países tropicales, donde las temperaturas son altas durante todo el año. ↩︎

  17. El uso de energía solar directa para la refrigeración de espacios no se ha analizado tan exhaustivamente como en el caso de los refrigeradores domésticos. Consulta: Luerssen, Christoph, et al.“Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.” Applied energy 273 (2020): 115145. Además, es poco probable lograr ahorros de energía igualmente significativos. Un refrigerador siempre está aislado, pero en el caso de una habitación o edificio enfriado por aire, esto no es necesariamente así. Además, un refrigerador se coloca en una habitación donde hay una temperatura estable. Un edificio está sujeto a mayores fluctuaciones de temperatura y también puede ser calentado por radiación solar directa. Por lo tanto, la refrigeración solar directa del aire es mucho más complicada. Consulta: Qi, Ronghui, Lin Lu y Yu Huang. “Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎

  18. Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Consulta this PowerPoint del mismo autor. ↩︎

  19. Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. See also this video↩︎

  20. Consulta: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎

  21. Debido a la falta de investigación, no está claro si lo mismo se aplica al consumo de energía incrustada. ↩︎

  22. En ambos casos, sin embargo, es necesario omitir el interruptor del dispositivo, porque la electricidad de corriente continua (CC) produce más calor que la electricidad de corriente alterna (CA). En su lugar, un interruptor externo adecuado puede ayudar, pero al hacerlo, se evita el mecanismo de seguridad del dispositivo, lo cual obviamente representa un riesgo. 10 Una vez más, esto no tiene que ser así: es técnicamente posible fabricar dispositivos aptos para funcionar con energía solar directa. ↩︎

  23. Un compresor de velocidad fija solo puede utilizar el 50% de la energía solar producida de forma útil, mientras que un compresor de velocidad variable utiliza aproximadamente el 75% de forma útil. 15 Se necesita un condensador para proporcionar al compresor un impulso de energía durante la fase de arranque. ↩︎

  24. En lugar de un convertidor CC-CC, también puede instalar una pequeña “batería de reserva” y un controlador de carga. Al igual que un convertidor CC-CC, el controlador de carga garantizará un voltaje de salida estable. Además, la pequeña batería puede proporcionar un almacenamiento de energía limitado que puede ser útil para manejar picos cortos en el consumo de energía. Por ejemplo, algunos dispositivos tienen un pico de corriente cuando se cargan. La desventaja de una batería de reserva es que el costo y la energía incorporada aumentan, y los componentes adicionales pueden fallar. Un condensador es una tecnología alternativa para absorber picos de potencia. ↩︎

  25. Sin embargo, el uso de dispositivos de corriente continua de bajo voltaje es mucho más eficiente energéticamente porque los paneles solares también producen corriente continua de bajo voltaje: https://solar.lowtechmagazine.com/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎

  26. Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Video presentation manual solar electric cookers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video manual for making heating wires. Thermal heat storage: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Also see this video↩︎