Invernadero IBTS

El invernadero IBTS (“Sistema Biotectural Integrado”) es un proyecto biotectural de desarrollo urbano adecuado para desiertos áridos y cálidos . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Formó parte de la estrategia egipcia para la reforestación de tierras desérticas desde 2011 hasta la primavera de 2015, cuando cambios geopolíticos como el Estado Islámico de Irak y la Provincia del Levante-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 reverdecimiento del desierto . Fue desarrollado posteriormente por Nicol-André Berdellé y Daniel Voelker como un proyecto privado hasta 2011. Posteriormente, se creó el Grupo LivingDesert, integrado por el Prof. Abdel Ghany El Gindy y el Dr. Mosaad Kotb del Laboratorio Central de Clima Agrícola de Egipto, el científico forestal Hany El Kateb, el agroecólogo Wil van Eijsden y el permacultor Sepp Holzer, para introducir el proyecto finalizado en Egipto. ^{[ 4 ]}

El invernadero del IBTS, junto con el programa de reforestación de tierras desérticas en Egipto, ^{[ 5 ] [ 6 ]} se integraron en las estrategias de reubicación. Estas desempeñan un papel importante en Egipto, ya que la urbanización del delta del Nilo representa un problema para el sector agrícola y debido a problemas de infraestructura como la congestión del tráfico en El Cairo. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

El sistema IBTS utiliza agua de mar para el cultivo dentro de un gran invernadero. De esta manera, se puede aprovechar toda el agua evaporada. La generación de agua líquida a partir de la atmósfera dentro del IBTS requiere una gran cantidad de energía para la refrigeración. Esto se logra con el agua de mar que ingresa. Así, la necesidad de refrigeración y la energía de refrigeración se mantienen siempre en equilibrio.

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 la viabilidad en condiciones hiperáridas.

La relevancia del IBTS radica en su capacidad de desalinización de agua con una eficiencia de 0,45 kWh por metro cúbico de destilado. Esto se debe a que, con el tiempo, el costo operativo de las plantas de desalinización supera con creces el costo inicial de construcción. Además, el requerimiento energético de estas plantas alcanza el rango de los gigavatios. La dependencia de grandes cantidades de energía fósil genera incertidumbre en el suministro de agua para plantas industriales. Gracias a su alta eficiencia, la desalinización se ha vuelto viable, tanto financiera como ecológicamente, para la agricultura, la silvicultura y la acuicultura a gran escala .

Otro aspecto relevante es la creación de un paisaje biodiverso y numerosos puestos de trabajo, en lugar de chimeneas humeantes y fábricas a lo largo de la valiosa zona costera. También resulta especialmente relevante su aplicabilidad en el interior del país, incluso sin contar con una 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 con la mayoría de los invernaderos. Es fundamentalmente diferente de los invernaderos de agua de mar . ^{[ 12 ]} Se diferencia por su rendimiento en la desalinización. Las tecnologías alternativas de desalinización, las plantas de conversión de aire en agua y los invernaderos desalinizadores en fase de prueba, requieren una cantidad de energía mucho mayor que la necesaria para la producción de agua dulce.

La importancia del término Integración radica en la eficiencia que puede lograr la integración de sistemas , mediante la imitación de sistemas naturales, especialmente ciclos cerrados . El establecimiento de ciclos hídricos cerrados es fundamental, debido a la creciente gravedad de la crisis hídrica mundial , particularmente en climas desérticos cálidos .

La desalinización a escala industrial está ligada a climas cálidos, ya que requiere grandes cantidades de energía solar térmica. Ha demostrado ser adecuada para mitigar el descenso del nivel freático en zonas agrícolas de la región MENA y más allá. En futuras versiones, el sistema IBTS podrá implementarse en climas fríos utilizando fuentes de energía térmica adicionales, como la fusión compacta o pequeños reactores modulares .

El sistema IBTS puede cargarse con agua de mar, que se convierte en agua dulce por evaporación. Este es el tipo principal debido a su importancia. El agua de mar es ilimitada, por lo que el sistema IBTS puede producir un excedente de agua para su venta.

Al inicio del proceso de carga de agua salada se encuentra la operación de cultivo en agua de mar dentro del invernadero IBTS. Esta operación requiere solo 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 desalinizadora.

El IBTS también puede cargarse mediante un flujo continuo de materia orgánica para los trabajadores, los animales y los residentes posteriores. La materia orgánica, que es principalmente alimento y bebida, se recupera mediante el tratamiento de residuos. ^{[ 4 ]} El tratamiento de aguas residuales forma parte del ciclo del agua ordinario. La materia orgánica se infiltra parcialmente en el subsuelo, en las zonas radiculares de las plantas, y parcialmente se procesa en fosas sépticas para luego aplicarse como tierra vegetal en la silvicultura. Este concepto se ha implementado en viviendas residenciales (un tipo común es una Earthship ).

En general, es posible construir los IBTS como sitios de tratamiento de residuos sólidos y líquidos para asentamientos, hoteles o ciudades. ^{[ 1 ]}

El ciclo del agua también puede recargarse con una sola lluvia, algo que ocurre en el desierto y con lo que se puede contar. Por último, es posible recargar el ciclo del agua bombeando agua subterránea salina o contaminada 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, en el que la evaporación del suelo y la humedad exhalada por las personas quedan atrapadas bajo el techo.

Las pérdidas se producen debido a la exportación de alimentos y en caso de filtraciones en el techo. Las filtraciones serían frecuentes en condiciones normales. El techo panorámico se mantiene con un sistema especial de reacondicionamiento y reemplazo que puede soportar condiciones climáticas adversas y la caída de objetos sobre la fina lámina.

El ciclo de nutrientes está conectado al ciclo del agua. Su carga implica principalmente la práctica de aumentar la fertilidad del suelo y la materia orgánica del mismo . Esto puede conllevar la importación de biomasa a través de residuos orgánicos , pero principalmente a través de los biorresiduos 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 por año. ^{[ 13 ]} Además, la generación de biomasa de las raíces es importante para el secuestro de carbono . Esto representa hasta 35 t/ha*año adicionales. ^{[ 14 ]} El invernadero IBTS es un proyecto de carbono azul . ^{[ 15 ]} Una tercera fuente de biomasa son las granjas de agua de mar externas, que no requieren el costoso espacio bajo el techo del IBTS. Estas pueden estar en tierra o en el mar. Las granjas de algas marinas son especialmente notables . ^{[ 16 ]}

Así como el ciclo de nutrientes debe cargarse con biomasa, existe la opción de cargar la atmósfera dentro del IBTS, o estanques de agua de algas, con _CO₂ . Esto aumentaría el rendimiento de biomasa. Este proceso tiene ciertas limitaciones. Una de ellas es la disponibilidad de oligoelementos como el fósforo, necesarios para cualquier organismo. ^{[ 17 ]} Dado que la mejor fuente para la carga con CO₂ adicional sería el CO₂ _{de los residuos industriales ,} esta es otra forma en que el IBTS puede funcionar como un sitio de tratamiento de residuos.

La energía de operación es de 0,45 kWh por metro cúbico de agua destilada en la versión a escala completa. ^{[ 3 ]} Este rendimiento es más de 10 veces menor que los récords establecidos por las plantas desalinizadoras en Dubái y Perth según cifras oficiales proporcionadas por las autoridades respectivas. ^{[ 18 ]} El IBTS se basa en un concepto modular, con un tamaño central de 1 hectárea. Este es el tamaño mínimo para la construcción y para la autosuficiencia , pero los módulos arquitectónicos circulares pueden construirse de 10 hectáreas o más. 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 etapas iniciales). La mejor eficiencia y la capacidad total pueden proporcionarse con una superestructura de aproximadamente 100 módulos. 10 ^km²  tienen la capacidad de una planta desalinizadora industrial, que es de 0,5 millones de metros cúbicos de agua por 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 operarse a 0,45 kWh/m³ ^según el desarrollador. ^{[ 19 ]} El IBTS funciona con procesos naturales en ciclos cerrados, alojado en un edificio. Por lo tanto, nunca alcanza limitaciones naturales o físicas para el crecimiento como la tecnología de desalinización en el Golfo Pérsico debido a la descarga de salmuera y el aumento de temperatura. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

El IBTS funciona con energía eléctrica y térmica producida in situ a partir de energía eólica y energía solar concentrada (mediante un proceso propio). Esto significa que el requerimiento energético y el uso de energía primaria pueden considerarse iguales, lo cual no ocurre en las plantas desalinizadoras convencionales. ^{[ 22 ]}

Las plantas desalinizadoras convencionales dependen de centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles. Si se tienen en cuenta las pérdidas de energía durante la transformación energética en la central eléctrica, las plantas desalinizadoras convencionales consumen entre dos y tres veces más energía de la que indican los datos de rendimiento habituales. Estos son factores comunes que provocan pérdidas de energía en los motores de combustión empleados en la industria de la 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/m³ ^más aproximadamente 1,0 kWh/m³ ^para el bombeo de agua de mar y otros factores no considerados. Se multiplica por la eficiencia del uso de energía primaria. En total, 9-14 kWh/ ^m³ .

El término energía primaria debe combinarse con calidad energética para una comprensión realista. La calidad energética en el contexto de la desalinización muestra una nueva perspectiva sobre la eficiencia general, no solo del proceso físico de desalinización, sino también sobre la eficiencia económica general del IBTS que utiliza energía renovable propia. ^{[ 23 ]}

La producción máxima de agua dulce de 500 m³ por día y hectárea, multiplicada a 0,5 millones de m³ en 1000 ha, equivale a la producción de las mayores plantas desalinizadoras industriales del mundo. Esto se logra mediante la recuperación de calor del agua dulce caliente. Esta energía recuperada se utiliza para calentar la salmuera que sale de la maricultura en el IBTS, duplicando la evaporación diaria de 100 m³ y generando sal para la venta. La energía recuperada también se utiliza para precalentar el agua salada que ingresa a la maricultura. La raza de peces elegida necesita agua caliente, y esta agua caliente 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 energéticos y materiales primarios, la eficiencia en la producción de agua y el diseño modular y escalable, el invernadero IBTS es sostenible. Un proyecto de infraestructura nacional estratégico como el IBTS permite una transición energética exitosa hacia una economía sostenible. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Esto se puede comprender 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 en el suelo y proporcionan agua y nutrientes para el crecimiento de los árboles. Esto no es tan sencillo con los cultivos alimentarios por razones higiénicas. Por lo tanto, el IBTS proporciona tratamiento de aguas residuales en países o áreas que carecen de plantas de tratamiento ^{[ 26 ].}

El invernadero IBTS es un concepto abierto compatible con la mayoría de las tecnologías y prácticas para la producción de agua, energía y alimentos. Está preparado para integrar tecnologías futuras como la energía nuclear de fusión compacta, el reactor de onda viajera 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 ni los consiguientes problemas ambientales. Para proyectos de infraestructura que requieren décadas de implementación y ampliación, es fundamental diseñarlos pensando en el futuro, un principio clave de la 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 convencionales. Este diseño de plataforma también está preparado para el futuro, con mayor disponibilidad de energía. Un ejemplo es el gran techo del IBTS, que necesita ser inspeccionado, limpiado continuamente y renovado varias veces a lo largo de su vida útil. Esto solo puede realizarse con robots o drones especiales, a la escala para la que se desarrolló el IBTS como parte de la estrategia nacional de reverdecimiento de desiertos para la recuperación y reforestación de regiones enteras.

El ejemplo más famoso es Biosfera 2 , un proyecto de investigación y demostración que integra áreas residenciales en un nuevo tipo de invernadero. Fue diseñado para ser autosuficiente, incluyendo la producción de alimentos en un contexto ecosistémico. Otro ejemplo de bioarquitectura, que se centra principalmente en la vivienda, es una Earthship . Las Earthships incorporan la purificación y reutilización del agua en múltiples niveles.

Desde 2010, se han creado desarrollos urbanos denominados Ciudades Forestales, inspirados en el IBTS y otros proyectos pioneros. Gardens by the Bay, que utiliza todos los elementos de diseño principales de la Ciudad Forestal TSPC 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, o mejor dicho, desarrollos urbanos sostenibles de nuevas ciudades con amplias zonas verdes, incluidas las fachadas de los edificios.

Los esfuerzos internacionales para crear Ciudades Forestales representan otro nivel de implicación. China está avanzando con la introducción de varios cientos de Ciudades Forestales designadas. ^{[ 27 ]} Uno de los ejemplos más recientes es Shenzhen. ^{[ 28 ]}

• Efectos de un módulo de desalinización solar integrado en el techo de un invernadero sobre la transmisión de luz y el crecimiento de los cultivos, por M. Thameur Chaibi.