En la actualidad es imposible visualizar el mundo sin energía. Sin embargo, la demanda de este recurso exige cada vez más de respuestas sustentables, a partir del aprovechamiento de fuentes naturales. En esta dirección, la doctora Susana Elvia Toledo Flores, del Departamento de Investigación en Zeolitas, del Instituto de Ciencias de la BUAP (ICUAP), desarrolla un sistema de refrigeración solar, el cual será de utilidad para conservar alimentos y medicamentos en zonas que carecen de energía eléctrica, entre éstas la Sierra Negra de Puebla.

Este prototipo tecnológico se presentó en el Congreso Internacional de Energía Solar en Alemania, donde tuvo buena aceptación por parte de científicos internacionales, quienes resaltaron que dicho proyecto es atractivo en términos económicos, seguro y eficiente, formando así parte de la tecnología verde por el uso de energía renovable.

Su funcionamiento se basa en un ciclo termodinámico desorción-adsorción, haciendo de la radiación solar su única fuente de energía. Además, utiliza como refrigerante metanol y como adsorbente zeolita (clinoptilolita natural activada química y térmicamente). Los elementos del prototipo de refrigeración solar por adsorción son un colector solar, cama adsorbente, condensador y evaporador, todos dentro de un tubo de vidrio sellado al vacío.

A pesar de que el coeficiente de rendimiento (COP) del refrigerador solar es bajo en comparación con la de un refrigerador convencional, este prototipo es de bajo costo, fácil fabricación y sobre todo amigable con el ambiente, indicó la Doctora en Ciencias Químicas.

Para evaluar el desempeño de la investigación se usó el diagrama de Clapeyron, un análisis teórico y simulado de los procesos térmicos y cálculo de las cantidades macroscópicas. Las pruebas experimentales se realizaron en la ciudad de Puebla, la cual tiene una radiación solar promedio de 1394.6 W/m2 y con una variación de temperatura ambiente de 26 a 11 grados centígrados.

Bajo estas condiciones ambientales se pudo obtener para 2.5 litros de agua en el tanque de evaporación y 2.5 litros en el tanque de condensación, un valor de coeficiente de rendimiento 0.17. El resultado es favorable dado que en la literatura se presenta un COP de 0.22, pero todavía se pueden alcanzar mejoras dentro del sistema, destacó Toledo Flores.

Hasta el momento, la investigadora ha desarrollado dos prototipos, mismos que se colocan a 32 grados de inclinación para captar mayor cantidad de radiación solar. En el primero se obtuvo una temperatura de nueve grados, mientras que en el segundo se espera alcanzar de tres a cinco grados centígrados, suficiente para enfriar alimentos.

Refrigeración por adsorción-desorción

Los elementos del prototipo de refrigeración solar por adsorción son un colector solar, cama adsorbente, condensador y evaporador, todos dentro de un tubo de vidrio sellado al vacío con canales para llevar a cabo el proceso de adsorción y desorción.

Durante el día, explicó Toledo Flores, se produce el calentamiento, la desorción y el periodo de condensación. La energía solar calienta el adsorbente –la zeolita- elevando su temperatura, lo cual incrementa la presión de vapor del refrigerante desorbido. Este vapor es condensado (Pc) en el condensador y fluye por gravedad hacia el evaporador.

Por la noche se lleva a cabo el proceso de enfriamiento, adsorción y periodo de evaporación. La temperatura de la cama adsorbente disminuye después de la puesta de sol, por lo que igualmente la presión del refrigerante se reduce en el sistema y la evaporación ocurre mientras el adsorbente es enfriado. De esta manera, el enfriamiento es favorecido por los ductos de ventilación en la parte interna del colector. Durante este periodo de enfriamiento, el refrigerante comienza a evaporarse y es de nuevo readsorbido por la zeolita. El proceso de adsorción continúa toda la noche hasta la mañana siguiente.

Uso de zeolitas

Una de las innovaciones de la investigación es la utilización de zeolitas: aluminosilicatos microporosos (menores de dos nanómetros) que adsorben, en sus cavidades, grandes cantidades de gases de enfriamiento a temperatura ambiental. De tal manera que si se calientan en un sistema cerrado, los gases desorbidos en alta presión permiten la sustitución de los compresores mecánicos, utilizados con frecuencia en equipos de refrigeración.

Las zeolitas son empleadas en la industria del petróleo en reacciones de interconversión de hidrocarburos, tal es el caso de la zeolita ZSM-5; como tamiz molecular, en el mantenimiento de la neutralidad de diferentes productos, en los procesos convencionales de tratamiento de agua; además de ser aprovechadas en alimentos de aves, cerdos, ovinos y bovinos para incrementar la eficiencia alimentaria.

Igualmente combaten el mal olor, humedad y diferentes enfermedades como diabetes. También se utilizan en la agricultura como soporte de fertilizantes para dosificar los nutrientes; en horticultura, floricultura, follaje, preplantación de arbustos y árboles; en el crecimiento zeopónico, así como en el tratamiento de amonio e incubadoras de pescado y extracción de metales pesados.

Las zeolitas naturales son el resultado de reacciones entre agua con piedras volcánicas y sedimentos volcanoclásticos, teniendo una metamorfosis de bajo grado con alteración hidrotérmica de minerales dispersos. Estos materiales están ampliamente distribuidos en el territorio mexicano, de tal manera que los depósitos de zeolitas son de gran interés por su abundancia y sus aplicaciones le dan un gran valor económico.