El aumento de los precios del gas, las restricciones en el suministro de petróleo y la financiación constante de las energías renovables son factores que hacen que la factura de la energía se encuentre en su punto más alto. Si se añade la normativa cada vez más estricta sobre eficiencia energética en los nuevos hogares, y si se aumenta el uso de calderas con bomba de calor, lo que tenemos es un mercado maduro para una nueva generación de dispositivos de energía. ¿A qué retos se enfrentan los hogares en materia de eficiencia energética? ¿Dónde se desperdicia más la energía en una casa? ¿Y cómo contribuirán los dispositivos de energía?
¿A qué retos se enfrentan los hogares en la actualidad?
A pesar de que estamos bien adentrados en el tercer año de la pandemia de COVID, se siguen sintiendo los efectos de los confinamientos a nivel mundial como consecuencia de los intentos de controlar la propagación del virus. Sin entrar en grandes detalles, los diversos confinamientos provocaron el cierre de miles de empresas, el desorden de las cadenas de suministro, la disminución de los suministros de semiconductores y un bajo desempeño de la economía, ya que los gobiernos pidieron prestadas grandes sumas de dinero para tratar de cubrir los pagos realizados a los ciudadanos que no podían trabajar.
Ahora, el aumento del costo de la vida combinado con la inflación está reduciendo el poder adquisitivo de la mayoría de la gente, y la falta de crecimiento salarial está haciendo más difícil llegar a fin de mes. Para empeorar las cosas, el aumento de los costos de la energía debido a la guerra ruso-ucraniana está ejerciendo una inmensa presión sobre los propietarios de viviendas, ya que muchos tienen que sacrificar la calefacción.
Por último, se siguen introduciendo requisitos legales sobre eficiencia para el público, y estas leyes están restringiendo lo que se puede y no se puede vender. Si bien esta legislación ayuda a reducir las facturas de energía y a reducir las emisiones de carbono en todo el país, obliga a los ingenieros a tener limitaciones de diseño que no son tan fáciles de resolver.
¿Dónde se desperdicia más la energía en una casa?
Para mejorar la eficiencia energética de una vivienda, es esencial identificar primero todas las fuentes de pérdidas de energía. La mayor causa de desperdicio de energía es, con toda seguridad, la pérdida de calor por falta aislamiento, razón por la cual todas las viviendas modernas deben tener una cantidad significativa de este en los desvanes y las paredes (curiosamente, hay un argumento de peso para dejar las cavidades de las paredes vacías debido a la acumulación de humedad).
En climas fríos, la fuga de temperatura será de aire caliente que se escapa de la casa de forma directa o a través de la transferencia térmica del aire caliente interno que calienta las zonas más alejadas de la casa que luego se enfrían. En los climas cálidos, las pérdidas térmicas son idénticas, pero a la inversa, ya que el aire interior frío se escapa al exterior y/o las zonas calientes extremas del edificio calientan el aire interior. En cualquiera de los dos casos, se necesita energía para mantener una temperatura interna estable, y un mal aislamiento supondrá un alto valor en la cuenta de la electricidad por esta transferencia térmica.
La iluminación es otro gran consumidor de energía en los hogares modernos. Se han eliminado de la mayoría de los mercados en el mundo las luces tradicionales de filamento de tungsteno, incluidos los Estados Unidos y la UE, debido a su escasa eficiencia, sin embargo, incluso con los focos LED y los tubos fluorescentes, la iluminación sigue siendo un gran consumidor de energía. Por eso, apagar las luces de las habitaciones cuando no se utilizan es una buena forma de reducir la cuenta de la factura de electricidad.
Los dispositivos en modo de espera también pueden contribuir al consumo de energía aunque estén técnicamente en “estado apagado”. Los circuitos de alimentación bien diseñados deberían consumir poca o ninguna corriente cuando están en modo de espera, pero los adaptadores de corriente más baratos pueden calentarse incluso cuando no están en uso (por lo general, esto es debido al uso de reguladores lineales y a una mala administración de potencia).
Los aparatos de alta potencia, como las lavadoras, las aspiradoras y los lavavajillas, también pueden malgastar energía por la conversión de la misma. Estos electrodomésticos pueden requerir a veces una tensión CC para alimentar equipos inductivos (motores, solenoides, etc.), y esta conversión puede generar grandes cantidades de residuos.
Por último, los hogares con fuentes de energía renovable (como la solar y la eólica) pueden desperdiciar energía si no cuentan con sistemas de almacenamiento de baterías. En los momentos de máxima generación de energía, si la energía generada por las fuentes renovables no se utiliza, se está desperdiciando.
¿Qué oportunidades energéticas se presentan en los hogares?
Cuando una puerta se cierra, otra se abre, y esto no podría ser más cierto en el campo de la eficiencia energética. La creciente normativa en materia de eficiencia de los dispositivos, combinada con el aumento de los precios de la energía, hace que este sea el momento idóneo para que los ingenieros busquen los últimos métodos para mejorar la eficiencia energética.
Dado que el calor es el factor más importante, los gradientes de temperatura representan una gran oportunidad para la recuperación y extracción de energía por parte de los ingenieros. Por ejemplo, las bombas de calor están empezando a sustituir a las calderas de gas gracias a que solo dependen de la electricidad, a que su instalación es más segura y a que son capaces de mover la energía térmica de forma más eficiente que las calderas de gas (las bombas de calor pueden utilizarse tanto para la calefacción como para la refrigeración).
El rápido crecimiento de la industria de IoT, junto con los dispositivos de baja potencia, generará el aumento de la utilización de los recolectores de energía. Por ello, los ingenieros pueden explorar fuentes de energía más inusuales, tales como los suelos piezoeléctricos, que generan electricidad al pisarlos, y los generadores termoeléctricos, que pueden acoplarse a conductos calientes para generar energía.
Además, el aumento de los hogares inteligentes también presenta nuevas oportunidades para la eficiencia energética. A medida que aumente el número de dispositivos en los hogares, puede resultar imposible encontrar fuentes de energía permanentes, por lo que habrá que recurrir a técnicas de recolección de energía.
El aumento del uso de vehículos eléctricos también presenta grandes oportunidades en el campo de las energías renovables para las redes eléctricas. La incapacidad de almacenar la energía renovable cuando está en su punto máximo de producción hace que sea difícil confiar en las fuentes de energía renovables, pero los vehículos eléctricos conectados a la red podrían actuar como baterías virtuales que se cargan y descargan para estabilizar la energía. Los propietarios de vehículos eléctricos que contribuyan a este sistema podrían recibir créditos para cargar sus vehículos de forma gratuita o recibir un incentivo económico.
Los hogares inteligentes del futuro podrían, incluso, combinar los precios de la energía en tiempo real con los dispositivos conectados y determinar el mejor momento para hacer funcionar equipos como lavadoras y lavavajillas. Los propietarios podrían cargar su lavadora, activar los modos de arranque ecológico y, entonces, cada vez que se genere un punto máximo de cantidad de energía (y, por lo tanto, el momento más barato para el uso de energía) el hogar inteligente pueda operar este equipo.
¿Por qué los hogares con eficiencia energética podrían ser el próximo gran mercado de los dispositivos de energía?
Es obvio que existe una necesidad imperiosa de mejorar la eficiencia energética en la vida cotidiana, ya sea por razones medioambientales, gubernamentales o económicas. Por fortuna, para los ingenieros electrónicos, la mayoría de los dispositivos están recurriendo a la electricidad como principal fuente de energía, y es posible que los hogares del futuro eliminen por completo la necesidad de conexiones de gas. Cuando esto ocurra, los dispositivos de potencia serán cruciales en todos los niveles de producción y uso de la energía.
Todos los dispositivos que los propietarios de las viviendas utilicen deberán ser lo más eficientes posible, desde los pequeños consumidores de energía, como los sensores de IoT de bajo consumo y sin batería, hasta los motores de alta potencia que se encuentran en las bombas de calor y las lavadoras. Los dispositivos de bajo consumo que utilizan recolectores de energía deben ser capaces de extraer nanovatios de energía de las vibraciones y de las fuentes de RF dispersas, y esto requerirá convertidores CC-CC eficientes que puedan caber en los espacios más reducidos. Los dispositivos de alta energía requerirán nuevas soluciones para hacer frente a grandes corrientes y tensiones de manera eficiente, que es donde el SiC y el GaN son muy prometedores.
Aunque los vehículos eléctricos son excelentes para el medio ambiente, las corrientes y tensiones en extremo grandes que se utilizan para cargarlos pueden ocasionar grandes pérdidas. Por lo tanto, los cargadores de los vehículos eléctricos pueden ser un mercado importante para los dispositivos de alimentación destinados a mejorar la eficiencia energética, y si el uso de las baterías virtuales se pone en marcha, estos dispositivos de alimentación también tendrán que ser bidireccionales y tener pérdidas de conversión muy bajas.
Los enchufes y los conmutadores de la luz en los hogares también suponen otro mercado posible para los dispositivos de potencia. Dado que desconectar la electricidad en las zonas no utilizadas de las casas puede suponer un importante ahorro de energía, se podrían utilizar enchufes y conmutadores inteligentes para desconectar la electricidad de forma automática si una habitación está desocupada. Si se combinan con sensores inteligentes e infraestructura basada en la nube, los hogares podrían incluso predecir los patrones de comportamiento de los ocupantes para prever cuándo se necesitará energía y así tomar decisiones sobre la mejor manera de suministrarla para minimizar el uso de ésta.
Conclusión
La eficiencia energética siempre ha sido importante, pero el aumento del coste de la vida, la subida de los precios de los combustibles y el endurecimiento de la normativa gubernamental la están convirtiendo en un factor crítico en el diseño de los productos. Sin embargo, todas las nubes tienen un lado positivo, y la necesidad de aumentar la eficiencia supone una gran oportunidad para los amplificadores y los convertidores de potencia. Las bombas de calor que sustituyen a las calderas de gas permiten que los ingenieros electrónicos tengan una gran influencia en la eficiencia de los sistemas de calefacción. El uso de los dispositivos de IoT en el hogar hace que se necesiten sistemas de recolección de energía capaces de extraerla de las fuentes de energía más pequeñas. Además, la introducción de los vehículos eléctricos a gran escala exige ahora que los hogares se equipen con sistemas de carga capaces de aprovechar al máximo cada vatio.