El invernadero IBTS ("Sistema Biotectural Integrado") es un proyecto de desarrollo urbano biotectural adecuado para desiertos áridos y cálidos . [1] [2] Fue parte de la estrategia egipcia para la forestación de tierras desérticas desde 2011 hasta la primavera de 2015, cuando Los cambios geopolíticos como el Estado Islámico de Irak y el Levante – Provincia del Sinaí en Egipto obligaron a detener el proyecto [3] . El proyecto comenzó en la primavera de 2007 como un estudio académico sobre desarrollo urbano y ecologización del desierto . Berdellé y D. Voelker como proyecto privado hasta 2011. Después, LivingDesert Group, formado por el Prof. Abdel Ghany El Gindy y el Dr. Mosaad Kotb del Laboratorio Central para el Clima Agrícola de Egipto, el científico forestal Hany El-Kateb, el agroecólogo Wil van Eijsden y el permaculturista. Sepp Holzer fue creado para presentar el proyecto terminado en Egipto [4] .
El invernadero IBTS, junto con el programa de forestación de tierras desérticas en Egipto, [5] [6] pasó a formar parte de las estrategias de reubicación. Estos desempeñan un papel en Egipto, ya que la urbanización del delta del Nilo es un problema para el sector agrícola y debido a problemas de infraestructura como la congestión del tráfico en El Cairo. [7] [8] [9]
El IBTS presenta cultivos en agua de mar pero dentro de un gran invernadero. De este modo se puede recoger toda el agua evaporada. La generación de agua líquida a partir de la atmósfera dentro del IBTS requiere grandes cantidades de potencia de refrigeración. Esto se hace con el agua de mar entrante. De este modo, la necesidad de refrigeración y la potencia de refrigeración siempre están equilibradas.
El IBTS se basa en una nueva calidad de integración de sistemas que incluye elementos arquitectónicos, tecnológicos y naturales. [10] Combina la producción de alimentos y la residencia, así como la desalinización de agua de mar o agua subterránea salobre . [11] Un proyecto de demostración CAE que utilizó condiciones climáticas, edáficas y económicas reales demostró su viabilidad en condiciones hiperáridas.
La relevancia del IBTS es su capacidad de Desalación de agua con una eficiencia de 0,45kwh por metro cúbico de destilado. Esto se debe a que los costos operativos de los servicios públicos de desalinización superan con creces el costo inicial de construcción con el tiempo. También porque las necesidades energéticas de las plantas desalinizadoras alcanzan la región de los gigavatios. La dependencia de grandes cantidades de energía fósil hace que el suministro de agua de las plantas industriales sea inseguro. Gracias a su alta eficiencia, la desalinización se ha vuelto financiera y ecológicamente viable para la agricultura, la silvicultura y la acuicultura a gran escala .
Otro punto importante es la creación de un paisaje biodiverso y muchos puestos de trabajo en lugar de chimeneas humeantes y fábricas a lo largo del valioso paseo marítimo. Particular relevancia reside también en la aplicabilidad en el interior, lo que excluiría también la alta capacidad de desalinización.
El edificio tiene sus raíces en la ingeniería y la física de la construcción, a diferencia de la producción de alimentos , como ocurre en la mayoría de los invernaderos. Es fundamentalmente diferente de los invernaderos de agua de mar . [12] Se diferencia por su desempeño en desalinización. Las tecnologías alternativas de desalinización, los servicios públicos de aire a agua y los invernaderos de desalinización que se están probando requieren una energía mucho mayor que la necesaria para la producción de agua dulce.
El significado del término Integración radica en la eficiencia que puede alcanzar la integración de sistemas , mediante la imitación de sistemas naturales, especialmente de ciclos cerrados . El establecimiento de ciclos hidrológicos cerrados es el más crucial de todos, debido a la creciente gravedad de la crisis mundial del agua, especialmente en los climas desérticos cálidos .
La desalinización a escala industrial está destinada a climas cálidos porque requiere grandes cantidades de energía solar térmica. Ha resultado adecuado para mitigar el hundimiento de los niveles freáticos en zonas agrícolas de la región MENA y más allá. En versiones futuras, el IBTS podrá desplegarse en climas fríos utilizando fuentes de energía térmica adicional, como la fusión compacta o pequeños reactores modulares .
El IBTS se puede cargar con agua de mar, que se convierte en agua dulce por evaporación. Este es el tipo principal porque es importante. El agua de mar es ilimitada y, por tanto, el IBTS puede producir el exceso de agua para la venta.
Al comienzo de la carga de agua salada se encuentra la operación de cultivo de agua de mar dentro del invernadero IBTS. Esto sólo requiere pequeñas cantidades de agua de mar. La mayor parte del agua fluye a través del sistema de producción de alimentos y luego se procesa en la planta de desalinización total.
El IBTS también puede cargarse mediante un flujo continuo de materia orgánica para los trabajadores, los animales y, posteriormente, los residentes. La materia orgánica, que en primer lugar es alimento y bebida, se recupera mediante el tratamiento de residuos. [13] El tratamiento de aguas residuales forma parte del ciclo ordinario del agua. La materia orgánica se infiltra en parte bajo tierra en las zonas de las raíces de las plantas y en parte se procesa en fosas sépticas y luego se aplica como capa superficial en la silvicultura. Este concepto se ha implementado dentro de viviendas residenciales (un tipo común es un Earthship ).
En general, es posible construir los IBTS como sitios de tratamiento de residuos sólidos y líquidos para asentamientos, hoteles o ciudades. [14]
El ciclo del agua también se puede recargar con un solo evento de lluvia, que ocurre en el desierto y con el que se puede contar. Por último, es posible recargar el ciclo del agua mediante el bombeo de aguas subterráneas salinas o contaminadas y, en cierta medida, mediante la generación de agua atmosférica.
El volumen de agua dentro del ciclo del agua no es importante ya que es un ciclo casi cerrado, lo que provoca la evaporación del suelo y la humedad exhalada por las personas que quedan atrapadas bajo el techo.
Las pérdidas se producen por la exportación de alimentos y en caso de goteras en el techo. En condiciones normales se producirían fugas con frecuencia. El Skyroof se mantiene con un sistema especial de renovación y reemplazo que puede hacer frente a las inclemencias del tiempo y a los objetos que caen sobre la fina lámina.
El ciclo de los nutrientes está conectado al ciclo del agua. Cobrarlo significa principalmente la práctica de aumentar la fertilidad del suelo y la materia orgánica del suelo . Esto puede implicar la importación de biomasa a través de residuos orgánicos , pero principalmente de biorresiduos procedentes de la producción de alimentos dentro del IBTS. En los sistemas de agua de mar, la biomasa se crea a partir de plantas tolerantes a la sal llamadas halófitas . Se han registrado rendimientos de biomasa de hasta 52 toneladas por hectárea al año. [15] Además, la generación de biomasa de las raíces es importante para el secuestro de carbono . Esto supone hasta 35t/ha*y adicionales. [16] El IBTS-Greenhouse es un proyecto de Carbono Azul . [17] Una tercera fuente de biomasa son los centros de cultivo externos de agua de mar, que no requieren el costoso espacio bajo el techo del IBTS. Estos pueden ser en tierra o en el mar. Los más destacables son los criaderos de algas . [18]
Así como el ciclo de nutrientes debe cargarse con biomasa, existe la opción de cargar la atmósfera dentro de los IBTS, o estanques de agua con algas, con CO 2 . Esto aumentaría el rendimiento de biomasa. Este proceso tiene ciertos límites. Uno es la disponibilidad de oligoelementos como el fósforo que necesita cualquier organismo. [19] Dado que la mejor fuente para la carga de CO 2 adicional serían los residuos industriales CO 2, esta es otra forma en la que el IBTS puede funcionar como centro de tratamiento de residuos.
La energía de funcionamiento es de 0,45 kWh por metro cúbico de agua destilada en la versión a gran escala. [3] Este rendimiento es más de 10 veces inferior a los récords establecidos por las plantas desaladoras de Dubai y Perth según las cifras oficiales proporcionadas por las autoridades respectivas. [20] El IBTS se basa en un concepto modular, con un tamaño de núcleo de 1 hectárea. Este es el tamaño mínimo para la construcción y para la autosuficiencia , pero los módulos arquitectónicos circulares se pueden construir a partir de 10 hectáreas. Cada módulo se basa en submódulos que permiten el inicio inmediato de la operación y la generación de ganancias (como un sitio de reforestación que genera ganancias en sus primeras etapas). La máxima eficiencia y plena capacidad se pueden conseguir con una superestructura de aproximadamente 100 módulos de tamaño. 10 km 2 tienen capacidad para una planta desaladora industrial, lo que supone 0,5 millones de metros cúbicos de agua al día. Desde la primera versión del IBTS, la generación de agua atmosférica ha evolucionado a través de una serie de modelos higrotérmicos y ahora puede funcionar a 0,45 kwh/m 3 según el promotor. [21] El IBTS trabaja con procesos naturales en ciclos cerrados, alojados en un edificio. Por lo tanto, nunca topa con limitaciones naturales o físicas para el crecimiento como las que ya tiene la tecnología de desalinización en el Golfo Pérsico debido a la descarga de salmuera y al aumento de temperatura. [22] [23]
El IBTS funciona con energía eléctrica y térmica producida a partir de energía eólica y solar concentrada , in situ (en un proceso patentado). Esto significa que el requerimiento energético y el uso de energía primaria pueden considerarse iguales, lo que no ocurre en las plantas desaladoras comunes. [24]
Las plantas desalinizadoras comunes dependen de centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles. Teniendo en cuenta la pérdida de energía durante la transformación energética en la central eléctrica, las plantas desalinizadoras habituales utilizan entre 2 y 3 veces más energía que la indicada en los datos de rendimiento habituales. Estos son factores comunes de pérdidas por conversión de energía en los motores de combustión utilizados en la industria de desalinización.
Teniendo esto en cuenta, el IBTS utiliza menos del 5% del récord mundial de eficiencia actual. Este récord industrial es de aproximadamente 3,5 kWh/m 3 más ca. 1,0kWh/m 3 para bombeo de agua de mar y otros factores no contabilizados. Se multiplica por la eficiencia del uso de la energía primaria. En conjunto 9-14 kWh/m 3 .
El término energía primaria debe combinarse con calidad de la energía para una comprensión realista. La calidad de la energía en el contexto de la desalinización muestra una nueva imagen de la eficiencia general no solo del proceso físico de desalinización, sino también de la eficiencia económica general de los IBTS que utilizan energía renovable patentada. [25]
El máximo de 500 m³ de producción de agua dulce por día y hectárea se multiplica hasta 0,5 millones de m³ por 1.000 ha, lo que equivale a la producción de las mayores plantas de desalinización industrial del mundo. Se alcanza mediante recuperación de calor del agua dulce caliente. Esta energía recuperada se utiliza para calentar la salmuera que sale de Maricultura en el IBTS duplicando la evaporación diaria de 100m³ y generando sal para su venta. La energía recuperada también se utiliza para precalentar el agua salada entrante para la maricultura. La raza de peces elegida necesita agua tibia y esa agua tibia también aumenta la evaporación natural dentro del invernadero. Los puntos de diseño surgieron de la ingeniería computacional del modelo físico así como del plan financiero en un proceso iterativo.
Debido a la independencia de los recursos materiales y energéticos primarios, la eficiencia de la producción de agua y el diseño modular escalable, el invernadero IBTS es sostenible. Un proyecto estratégico de infraestructura nacional como el IBTS permite una transición energética exitosa hacia una economía sostenible. [26] [27]
Esto puede entenderse comparando el crecimiento del PIB, la generación de valores reales y un PIB ponderado.
Un ejemplo de los servicios de infraestructura del invernadero IBTS es la purificación del agua. Las aguas residuales se filtran al suelo y proporcionan agua y nutrientes para el crecimiento de los árboles. Esto no es tan fácil con los cultivos alimentarios por razones de higiene. Así, el IBTS proporciona tratamiento de aguas residuales en países o áreas que carecen de plantas de tratamiento [28].
El invernadero IBTS es un concepto abierto compatible con la mayoría de las otras tecnologías y prácticas para la producción de agua, energía y alimentos. Está preparado para complementos para tecnologías futuras como la energía nuclear a partir de fusión compacta, el reactor de ondas viajeras o los reactores reproductores . Cuando estas fuentes de energía estén disponibles, podrán integrarse en la infraestructura IBTS existente y generar aún más agua dulce sin vertidos de salmuera a cuerpos de agua naturales y los consiguientes problemas medioambientales. Para los desarrollos de infraestructura que tardan décadas en implementarse y ampliarse, es crucial diseñar en términos de preparación para el futuro, un principio clave de ingeniería.
El proceso de fabricación del IBTS está diseñado para la automatización , lo que requiere más electricidad que las obras de construcción o los procesos de fabricación habituales. Este diseño de plataforma también está preparado para el futuro para disponer de más energía. Un ejemplo es el gran techo del IBTS, que debe observarse, limpiarse continuamente y renovarse varias veces durante su ciclo de vida. Esto sólo puede hacerse mediante robots especiales o drones a la escala para la que se desarrolló el IBTS como estrategia nacional de reverdecimiento del desierto para recuperar y reverdecer regiones enteras.
El ejemplo más famoso es Biosphere 2 , un proyecto de investigación y sitio de demostración que integra áreas residenciales en un nuevo tipo de invernadero. Fue diseñado para ser autosuficiente, incluida la producción de alimentos en un contexto ecosistémico. Otro ejemplo de Biotecture, que es ante todo una vivienda residencial, es un Earthship . Los Earthships incorporan la purificación y reutilización del agua en múltiples niveles.
Desde 2010 se han creado desarrollos urbanos denominados Ciudades Forestales, a partir del IBTS y otros proyectos pioneros. Los Jardines junto a la Bahía, que utilizan todos los elementos centrales de diseño de TSPC Forest City de 2008, como árboles artificiales con edificios esféricos en la parte superior, es un ejemplo sobresaliente. La ciudad forestal de Liuzhou es uno de los muchos ejemplos de arquitectura verde, respectivamente desarrollos urbanos verdes de nuevas ciudades con muchas áreas verdes, incluidas las fachadas de los edificios.
Los esfuerzos internacionales para crear Ciudades Forestales son otro nivel de implicación. China está avanzando con la introducción de varios cientos de ciudades forestales designadas. [29] Uno de los últimos ejemplos es Shenzhen. [30]
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