Cosechar Energia: Energy Harvesting

Un mirada desde la arquitectura a la ciudad

Para el mundo contemporáneo la energía se ha transformado en un dilema que toca tanto la realidad inminente de los países y su futuro desarrollo como la conservación del planeta en un cierto estado natural que preserve un ecosistema que nos permita sobrevivir como humanidad en el futuro.

Este asunto se une a la notable perdida de importancia de los arquitectos en las decisiones que atañan directa o indirectamente a la ciudad, al país y, por qué no decirlo, al planeta.

La ciudad es un sistema mixto, a la vez que orgánico con componentes como población, suelo, construcción y paisaje, con los seres humanos como su célula de control y memoria. Los principales procesos de cambio y adaptación de una ciudad, se denominan Procesos Metabólicos, y estarán definiendo a la estructura urbana en su evolución en el tiempo.

La arquitectura se ha concentrado básicamente en la resolución y propuestas formales, proyectos de casas, edificios, urbanizaciones y conservaciones, sin ver a la ciudad como un todo orgánico, un organismo biológico, cediendo roles en favor de las llamadas “ingenierías duras”, aquellas que usan datos que provienen de sendas teorías numéricas, que han demostrado ser insuficientes y, en muchos casos, deficientes.

Ejemplos concretos de estos proyectos deficientes son claramente distinguibles: el Transantiago o la obsolescencia –mucho antes de lo esperado- del Aeropuerto Internacional frente la crisis energética, que afectará inevitablemente la condición económica de los ciudadanos.

El concepto de ENERGY HARVESTING, cosecha de energía, surge como una alternativa innovadora e ingeniosa para hacer frente a la inminente crisis energética de los próximos años.

Este concepto entra de lleno en los nuevos enfoques de los estudios de científicos que están estudiando para llevar a cabo el desacople entre expansión económica y consumo energético.

El alza del precio de los combustibles fósiles o hidrocarburos y la creciente preocupación y toma de conciencia de las personas por el estado del planeta y el cambio climático serán claves en los próximos años.

El concepto de COSECHAR ENERGIA involucra, en pocas palabras, aprovechar la energía generada por situaciones pre-existentes en diversas actividades. Energía que es canalizada por sistemas y dispositivos que, con relativa baja inversión, quedan operativos produciendo, por ejemplo, energía eléctrica u otros
tipos de actividades y proyectos que incrementen el valor de la ciudad, contribuyendo, a su vez, a mejorar la matriz energética del país.

ENERGY HARVESTING implica una mirada y conceptualización de la ciudad como un todo orgánico.

Existen diversos ejemplos de cosechar energía, tales como aquellos antiguos relojes que cargaban su batería con el movimiento de la mano. Este tipo de productos tienen la capacidad de cosechar energía de manera directa, a través de su utilización.

En la ciudad existen flujos de tránsito; desplazamientos de vehículos y personas que implican la interacción entre el medio de transporte y el medio físico -la infraestructura- en el que se producen estos desplazamientos, descargando energía en él.

El principio piezoeléctrico trabaja sobre la idea de cosechar esta energía, generada en forma gratuita por estos desplazamientos, aprovechando y transformando su peso y roce en electricidad, que puede ser fácilmente inyectada a la red; contribuir a la disminución del gasto energético de edificios o alimentar proyectos que contribuyan a incrementar el valor de la ciudad.

La piezoelectricidad es definida como un cambio en la polarización eléctrica generado por un cambio en la tensión aplicada (efecto piezoeléctrico directo).
Una reacción química propia de ciertos materiales que poseen esta cualidad. El
efecto piezoeléctrico inverso es el cambio de tensión o estrés en un material
debido a un campo eléctrico aplicado.

Proveniente del griego piezein, “estrujar o apretar”, fue observado por primera
vez por Pierre Jacques Curie en el año 1881, quien descubrió que determinados
cristales al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización
eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas
en su superficie. Además observó que este fenómeno también se presenta a la
inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos
a un campo eléctrico. Los cristales recuperan su forma al dejar de ser sometidos
a el voltaje exterior o campo eléctrico.

Los sensores piezoeléctricos son catalogados como herramientas versátiles
para la medición de varios procesos y son utilizados para garantías de calidad,
procesos de control, investigación y desarrollo en diferentes campos industriales.
El cuarzo, al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de su
materia se separan y esto da lugar a una polarización que es la causante de que
salten las chispas.

El origen microscópico del efecto piezoeléctrico es el desplazamiento de cargas
iónicas dentro de una estructura de cristal. En ausencia de tensión externa, la
distribución de carga dentro del cristal es simétrica y el momento de dipolo
eléctrico neto es cero. Sin embargo, cuando se aplica una tensión externa, éstas
cargas son desplazadas y su distribución ya no es simétrica por lo que se genera
una polarización neta.

Esta tecnología comenzó a ser implementada en las aéreas sensoriales en la
industria a partir del año 1950. Desde entonces el uso de este principio de
medición se ha incrementado y ya puede ser considerado como una tecnología
madura gracias a su fácil manejo y su alto nivel de confiabilidad.

De esta manera, mediante la incorporación de dispositivos piezoeléctricos en
infraestructura vial, se puede convertir la energía generada mediante la presión
de personas, vehículos u otros en electricidad. Energía utilizable tanto en
iluminación, señalización, sonido o calor, como en la reducción del gasto
energético de hospitales o aeropuertos.

Actualmente nuestra empresa se encuentra estudiando la aplicación e
incorporación de dispositivos piezoeléctricos en Ciudad de Panamá, que cuenta
con dos autopistas urbanas que, teniendo en cuenta el flujo de tránsito pesado
proveniente del Canal de Panamá, significa una oportunidad de especial interés
para la puesta en práctica de esta nueva tecnología.

Hemos tenido contacto con dos empresas especializadas en este rubro,
INNOWATTECH en Israel y ABACCUS en España, con quienes hemos
desarrollado un estudio preliminar con estimaciones de generación energética
para este caso.

Los antecedentes aportados por la empresa ABACCUS – ESPAÑA del material
piezoeléctrico consideran los siguientes criterios:

1. Costo de inversión material piezoeléctrico para 14 Km: EUR 48.181.000.-

2. Costos asociados a proyecto eléctrico, casetas de interconexión, sistema de control de generación,
estudio de drenantes y evacuación de agua instalación de 14 Km: EUR 7.227.150.-

Las estimaciones de generación de energía eléctrica de acuerdo a Índice Medio de Desplazamientos (IMD),
se obtendrían aproximadamente un total de 16 horas de generación a potencia nominal equivalente.

La generación eléctrica en el tramo equivalente a 14 Km de autopistas alcanzaría a 98.112 GWh/año.

Si se asume un precio de la energía eléctrica de EUR 0,12 kWh, entonces se obtendrían ingresos anuales
a EUR 11.773.440.-

Los costos de explotación podrían alcanzar el 0,5% del total de los ingresos, es decir, un total anual de EUR
588.672.-

ABACCUS prevé entrada en rentabilidad de la tecnología en base a los
siguientes criterios:

• Aumento de la capacidad de generación de los piezoeléctricos.

• Mejora del factor de absorción de los asfaltos.

• Reducción del coste de integración de la tecnología. La previsión de puesta al día de esta tecnología esta
entorno a 3 – 4 años. El precio final será competitivo al de la energía fotovoltaica con periodos de
amortización entre 5 y 6 años.

El profesor Haim Abramovich, de INNOWATTECH, por su parte, teniendo en
cuenta los datos recogidos del estudio de flujos de Panamá donde las carreteras
tienen dos pistas para cada sentido, con vehículos ligeros estimados en 30.000
y camiones/autobuses en 15.000 para un largo de carretera de 10 kms, con
dispositivos piezoeléctricos cada 5 metros, ha estimado la cosecha de energía a
partir de los siguientes supuestos:

1. el número total de vehículos por día se divide en partes iguales en las dos direcciones, es decir, para
cada dirección tenemos: para camiones y autobuses: 7500; vehículos ligeros: 15,000.

2. El número de ruedas para vehículos ligeros: 4; para camiones y autobuses (media) 6 ruedas.

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3. Total de ruedas (vehículos ligeros): 4X15000 = 60.000; para camiones y autobuses: 6X7500 = 45000

4. Suponemos que ponemos un generador cada 5 m. Para una longitud de 10 Km, tendremos: 2.000
generadores por un lado, o un total de 16.000 en las 2 pistas y ambos sentidos.

5. Vamos a suponer que la línea de la derecha es para camiones y autobuses y el carril izquierdo será para
vehículos ligeros.

6. La producción de energía de una rueda de un camión (autobús) es 2.5j. La producción de energía de una
rueda de un vehículo ligero es 0.025J.

7. La energía eléctrica de salida por un carril de camiones (autobuses) será: 45000x2000x2.5 = 225000000
J = 62,5 kWh

8. La energía eléctrica de salida por un carril de vehículos ligeros será: 60000x2000X0.025 = 3000000 J =
0,83 kWh Total en una dirección: 62.5 0.83 = 63.33 kWh

9. En dos sentidos: 126,7 kWh.

10. Para aumentar la energía: aumentar el número de generadores; la contribución de energía
de los vehículos ligeros es insignificante, mejor aumentar el número de generadores en el carril
de la izquierda y no cosechar en el carril derecho.

INNOWATTECH también ha dado a conocer algunas cifras de los pocos
proyectos pilotos que se han desarrollado en la actualidad:

– 600 camiones pesados y autobuses de viaje a través del intervalo por hora en promedio, que
circulen a una velocidad de 72 km/h de promedio sobre una carretera con generadores
piezoeléctricos instalados a lo largo de cada kilómetro permitiría producir 200 kWh electricidad
suficiente para satisfacer el consumo medio de entre 200 y 300 hogares. La inversión realizada se amortizaría en un período de tres y seis años, recuperando así los gastos de inversión de US$550.000 por kilometro correspondientes a la instalación de 6.250 generadores piezoeléctricos.
– Un promedio de 15 trenes de 10 vagones cada uno por hora pueden generar 120 kilovatios de energía renovable por hora. Esta producción puede emplearse para colaborar en la alimentación eléctrica de los trenes o de las señales ferroviarias.

Hoy la ciencia ha logrado niveles de eficiencia en la generación de energía eléctrica aún más altos que las que ofrecen las energías convencionales. En Europa han redescubierto las energías renovables, alcanzando porcentajes de participación en la matriz energética que superan los dos dígitos, con un mejoramiento de las condiciones ambientales y de dependencia.

Chile tiene una de las tarifas eléctricas más altas de la región y cabe esperar un aumento sostenido. A esto se suma la creciente carbonización de la matriz a medida que incorporan nuevas centrales carboníferas, productoras de CO2 al por mayor. En síntesis: una matriz energética amenazada por la inseguridad, con cobros altísimos para los consumidores que además deben sufrir los efectos de la contaminación.

Resulta necesaria la implementación de nuevas tecnologías que posibiliten eficiencia energética y contribuyan a mejorar nuestra matriz. La piezoelectricidad representa una interesante oportunidad para la consecución de estos objetivos, introduciendo el concepto de ENERGY HARVESTING en los procesos de desarrollo urbano.

Muchos de nosotros viviremos el día en que se termine el petróleo y sería estupendo llegar a ese momento sin ninguna crisis energética, con ciudades que se comenzaron a planificar para ese momento.