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23/03/2017 / Miguel

Carreteras inteligentes y su aprovechamiento energético

El gasto de España en energías fósiles (petróleo, gas, uranio), materias primas de las que carece, asciende a más de 120 millones de € diarios. Si, por otro lado, España es un país privilegiado por Naturaleza, gracias a los abundantes recursos en energías renovables como el sol o el viento y, viendo que se produce más energía renovable (55 %) que la que se consume (17%), es de entender que algo se está haciendo mal.

Con la crisis económica de los últimos años se ha hecho imprescindible el ahorro energético y se ha visto la necesidad de frenar el imparable cambio climático.

REGLAMENTACIÓN

Se calcula que el gasto energético de los edificios es alrededor del 45 % de la energía consumida y que este gasto irá en aumento en los próximos años.

La Directiva 2012/27 pone las bases para su regulación obligando a las Administraciones a dar ejemplo al prohibirles adquirir, a partir de 2019, edificios que no tengan un consumo de energía casi nulo y los nuevos a adquirir han de tener un alto rendimiento energético, a controlar la eficiencia energética de otros edificios, beneficiando a los más eficientes, fijando los requisitos mínimos en ahorro de energía para los nuevos a construir y fomentando la generación eléctrica distribuida. Otros proyectos que van en esta dirección son los proyectos clima y la Ley 3R (Ley de de rehabilitación, regeneración y renovación urbanas). Con estas medidas el Gobierno pretende reducir el consumo de energía y las emisiones de CO? y conseguir los retos propuestos para el año 2020 (objetivo 2020): 20 % menos emisiones, 20 % de ahorro energético, 20 % de energías renovables).

AHORRO ENERGÉTICO

Existen estándares de edificación como el Passivhaus, cuyos edificios tienen una demanda energética entre un 75% y un 90% por debajo de los tradicionales, a los que conviene ajustarse.

El ahorro de energía  en los hogares comienza con el proyecto de construcción en el cual también hay que considerar su mantenimiento y demanda de energía durante toda su vida útil, evitando así gastos posteriores.

La orientación de los edificios es muy importante para aprovechar la energía solar, siendo el ideal mantener una temperatura constante y confortable a través de técnicas de construcción pasivas, como aislamiento del suelo para evitar humedades y pérdida de temperatura,  reducir la superficie en contacto con el exterior de muros con buenos aislantes, instalar puertas y ventanas de altas prestaciones para disminuir las necesidades de climatización facilitando la ventilación natural con un sistema mecánico de recuperación de calor sin sufrir pérdidas o utilizar protecciones solares que impidan un sobrecalentamiento en verano y a la vez un aprovechamiento máximo del sol en invierno. Tras la aplicación de estas técnicas pasivas hay que estudiar el consumo de energía necesario para el mantenimiento del confort, apoyándolas con las fuentes de energía  renovables que mejor se adapten o se calculen más eficientes, paneles solares, geotermia, eólica..., a fin de conseguir el consumo mínimo de energía convencional que exigen los criterios de la arquitectura sostenible.

Por último la utilización de electrodomésticos de altos niveles de eficiencia energética clasificados A++, luces LEDs...harán que la dependencia energética del edificio sea nula.

La producción de energía eléctrica por medio de las fuentes de energías renovables ha estado estancada en los últimos años, posiblemente debida a la crisis, lo que ha hecho agudizar el ingenio apareciendo nuevas formas de aprovechar al máximo todos los recursos energéticos que existen. Una de las formas estudiadas es el aprovechamiento de la energía solar que incide en el asfalto de las carreteras.

 ASFALTO RADIANTE

La construcción de carreteras no es bien vista por todos los usuarios. Ya desde el comienzo del proyecto se encuentran personas a las que no les gusta esta construcción, bien porque han sido afectados por la expropiación, bien porque discurren cerca, con los consiguientes perjuicios visuales o sonoros y también, en muchos casos, porque, aun después de muchos años, siguen pagando un peaje teniendo la certeza de que la autopista está más que amortizada. Este sentimiento de rechazo podría cambiarse si  se consiguiera aprovechar la energía solar que incide en estas vías, derivando parte de los beneficios a estas poblaciones.

 La red nacional de carreteras tiene más de 130 Km² sólo en autopistas y autovías. Se calcula que más del 80 % del día incide la energía solar sobre el asfalto, llegando en verano a alcanzar una temperatura de 70ºC. Algunos estudios sobre el tema consisten en convertir el propio asfalto de carreteras, aparcamientos, aeropuertos, calles de ciudades, en  colectores solares y aprovechar la energía térmica acumulada por la radiación solar, mediante el transporte de un fluido, a través de tuberías por debajo del mismo, que absorba  las calorías para luego almacenarlas en depósitos por debajo de los 15 m. de la superficie, donde se mantiene la temperatura todo el año, debido a que ya no depende de la superficie sino del gradiente geotérmico y, por medio de bombas de calor, distribuirlas para suministro de agua caliente de edificios públicos, comunidades de edificios, polideportivos, piscinas… El agua acumulado, puede ser utilizado en invierno para deshelar la misma carretera y a la inversa en  verano, para enfriar las calles y evitar el efecto “isla de calor” de las grandes ciudades, al extraer el calor de la superficie pavimentada. Este sistema reduciría costes de mantenimiento de la carretera, al no haber tanto salto térmico entre estaciones, lo que evitaría el agrietamiento del asfalto y un ahorro en sal.

VÍAS FOTOVOLTAÍCAS       

Otra forma probada es un pavimento de placas fotovoltaicas  rugosas que soportan el peso de los vehículos y golpes confiriendo un agarre similar al del asfalto convencional. Cada placa individual consta de tres capas básicas impermeables: la capa superficial está fabricada con un material capaz de soportar grandes tonelajes en las peores condiciones, con un alto coeficiente de fricción  que permite un grado de tracción de las ruedas de los vehículos y  translucida para dejar pasar la luz  hasta los colectores solares embebidos en la misma, junto con sistemas de iluminación LEDs y elementos calefactores. La segunda capa contiene los sistemas electrónicos y las células solares, para producir la electricidad a inyectar en la red eléctrica. La última capa llevaría los servicios de telefonía, televisión e internet. En las zonas de descanso habría dispositivos para cargar la batería de los coches eléctricos. Este sistema ahorraría la capa de asfalto en nuevas carreteras, eliminando la emisión de NO? y CO? durante su fabricación y manipulación.

Algunos países como EEUU, Inglaterra, Francia y Países Bajos ya lo han probado con resultados satisfactorios. En España, con más horas de sol, la producción energética sería aún mayor. Aunque las expectativas son importantes, aún retiene el elevado coste, superior al de la energía convencional. Esto podría cambiar en pocos años con el descubrimiento de nuevos materiales de cualidades extraordinarias: maderas transparentes, células fotosintéticas, cementos luminosos, hidrogeles que refrigeran…Sin embargo el descubrimiento más impactante es el de las propiedades del grafeno. La comunidad investigadora internacional está realmente alterada debido a su enorme utilidad en todos los campos.

EL GRAFENO INTELIGENTE

El grafeno ya se conocía desde 1930, sin embargo, su estudio fue despreciado por los científicos al considerarlo un elemento inestable pues se pensaba que los compuestos bidimensionales no podían existir debido a la inestabilidad térmica producida en la separación. Su estructura molecular no se descubrió hasta 2004, a partir de ir exfoliando láminas de grafito (minas de lápices) con celo; en 2010, sus descubridores recibieron el premio Nobel.  Tras el primer examen por microscopía electrónica de transmisión, sus  descubridores vieron que, en su estructura molecular bidimensional (es el primer material aislado de dos dimensiones) de forma hexagonal (como un panal de abejas), cada átomo de carbono está formado por 4 electrones. Tres de ellos se conectan (enlaces covalentes a 120º) con otros tres electrones de los átomos adyacentes en el plano bidimensional (electrones de valencia), quedando un electrón libre orbitando en la tercera dimensión (orbital tipo Pi (π)) de la conducción electrónica, fortaleciendo las uniones carbono-carbono de otra capa por la polarización eléctrica mutua (fuerzas de Van der Waals). Los Pi (π) y los huecos tienen masa efectiva cero y por ello actúan de forma muy parecida a los fotones, siendo portadores de carga capaces de viajar distancias micrométricas sin dispersión a velocidad de la luz, fenómeno conocido como transporte balístico.

PROPIEDADES:

Dureza: Es la cantidad de energía que es capaz de absorber un cuerpo antes de romperse o deformarse. Su dureza es similar a la del diamante, por lo que su resistencia al desgaste es enorme y  puede soportar grandes pesos manteniendo su estabilidad, por ello se cree que es el material más fuerte conocido hasta ahora. La fuerza de sus enlaces de carbono es 0,142 Nm y su resistencia a la tracción es 200 veces mayor que el acero. Se dice que una capa de grafeno de 1 cm de grosor bien anclada, podría detener a un Boeing 747 que volara a velocidad de crucero. Usos: material militar y de protección, chasis de vehículos, estructuras y materiales más resistentes mezclados con grafeno…

Ligereza y peso: Es tan denso que ni siquiera los átomos más pequeños conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Una lámina de un átomo de grosor podría cubrir un campo de futbol pesando menos de un gramo.

Elasticidad, flexibilidad, transparencia: Es más elástico que la fibra de carbono, disminuyendo su posibilidad de quebrarse, pudiendo adoptar muchísimas formas. Sus fibras transparentes pueden doblarse, estirarse o encogerse hasta 50 veces su longitud sin romperse. Usos: Pantallas de elementos electrónicos flexibles, plegables, táctiles y casi irrompibles, preservativos, trajes ligeros totalmente impermeables…

Conductividad térmica y eléctrica: El grafeno supera al cobre o silicio en conductividad térmica y además posee la capacidad de auto-enfriarse. Es un excelente conductor iónico de la electricidad pudiendo generar electricidad sin calentarse al incidirle la luz y apenas tiene efecto Joule, es decir, que no opone resistencia al paso de la electricidad por lo que no pierde energía en la conducción. Gracias a su estructura molecular puede transmitir corriente eléctrica de forma muy parecida a como se mueven los fotones en un sistema de transmisión óptica y a semejante velocidad.

El enrejado hexagonal de un átomo de grosor en el grafeno absorbe el 2,3 % de la luz por lo que se puede utilizar para crear electrónica transparente como pantallas, conducciones y sistemas electrónicos de tamaño nanométrico, comunicaciones decenas de veces más rápidas que la fibra óptica o generar energía con láminas trasparentes en cristales de ventanas o adaptadas a cualquier soporte como fachadas de edificios, techos de automóviles. También puede extraer electricidad del agua de lluvia.

Soporta bien la radiación ionizante: El grafeno resiste la radiación sin apenas desgaste siendo esta cualidad muy útil para residuos radiactivos

Efecto antibacteriano: las bacterias no crecen en él, abriendo enormes  posibilidades en la industria alimentaria o en la biomedicina.   

Reacciona químicamente con otras sustancias: Usando láminas de un átomo de grosor de grafeno, los científicos pueden crear materiales nuevos al ir añadiendo moléculas o capas de otros elementos, eligiendo las propiedades que quieran conseguirse, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación.

 Se ha observado que las moléculas encerradas entre dos capas de grafeno experimentan presiones equivalentes a 10.000 veces la presión de aire en un neumático y a temperatura ambiente. Con esta propiedad pueden conseguirse dispositivos de almacenamiento energético como baterías de hidrógeno de alto rendimiento con lo que este problema, que lleva dos siglos sin resolverse, quedaría definitivamente resuelto. Las posibilidades de crear nuevos materiales aún desconocidos, existentes o no en la Naturaleza, es por lo que se le ha llamado “material de dios”.

 Autoreparación: La unión de sus átomos es tan fuerte que si se rompe, la fuerza eléctrica de los electrones libres atraerá a  otros átomos de carbono cercanos reparándose. Los científicos, Premios Nobel, lo rompieron lanzando un rayo de electrones, comprobando, al poner carbono en el agujero, que él mismo se reparó. “Tan solo hay que depositar los ingredientes juntos en una solución y los resultados pueden apreciarse en media hora. Es  como si supieran dónde tienen que ir.”, comentan.

Con estas cualidades del grafeno y sus extraordinarias propiedades generadoras de electricidad quien no se imagina conduciendo, de noche, un coche eléctrico con baterías de hidrógeno comprimido por grafeno, la carretera perfectamente iluminada, indicándonos en cada momento la fluidez del tráfico, si hay animales en la vía, si va a nevar… ¿quién no querría que la autopista pasara cerca de su casa si le redujeran el 50 % de la factura de la luz?

Aplicado el grafeno a gran escala para el aprovechamiento de la energía solar que incide en las vías de comunicación, actualmente desaprovechada, resolvería, de una vez por todas, la dependencia energética del país.

CONCLUSIONES

La compresión y fusión de escamas de grafeno es una realidad que se impondrá en todos los campos industriales. Muchos países están haciendo un  gran esfuerzo investigador. Se están creando nuevos vínculos e intercambios personales y de conocimientos en la tecnología del grafeno, entre Manchester, cuna de su  descubrimiento, y China, factor clave en la economía global, que pueden dejar atrás a otros países como España.

En Manchester se ha inaugurado un Instituto, dedicado exclusivamente al estudio del grafeno y están apareciendo empresas, altamente rentables, basadas en la cartera de patentes de los nuevos materiales fabricados a partir de grafeno, creando numerosos puestos de trabajos para científicos investigadores.

En España destacan las aportaciones de físicos teóricos que desarrollan su actividad en instituciones (ICFO, ICN, IMDEA, CSIC) o empresas como Avanzare, Graphnanotech y Graphenea Nanomaterials, siendo esta última una de las principales productoras de grafeno, en lámina de alta calidad, a nivel mundial.

Del inminente apoyo del Gobierno a la investigación sobre estos  nuevos materiales, dependerá el que volvamos a perder el carro de la invención, o no.

La inversión actual en renovables representa cerca de la mitad de la nueva capacidad energética en el mundo, y está previsto que este mercado crezca un 13% más en los próximos cinco años.

Parece que la energía fotovoltaica despega con gran dinamismo en 2017 tras varios años en paro. Las empresas dedicadas a la producción están invirtiendo en modernización y en nuevas instalaciones de módulos y células. En China e India se han anunciado planes de ampliación de la producción para este año del orden de 17 GW cada una y EEUU, Europa, Arabia Saudí e Irán también han anunciado inversiones importantes en nuevas instalaciones. Estas buenas  perspectivas de pedidos podrían incrementar la competencia entre los fabricantes de instalaciones, componentes y maquinaria, haciendo que bajen los precios y sean más asequibles, produciendo la renovación de  instalaciones de energías fósiles particulares.

Las energías renovables constituyen la mejor herramienta para luchar contra la dependencia energética nacional consiguiendo disminuir el precio del pool, la importación de combustibles fósiles y el pago por emisiones de CO2.

 

Datos del autor
Nombre Adolfo de Juan Herráez
Empresa
Cargo
Biografía
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
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