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Se estima que la demanda global de energía habrá aumentado un 4,6 % al finalizar 2021, recuperando la tendencia creciente interrumpida por la pandemia de la covid-19. Al mismo tiempo, la potencia instalada de energía renovables creció más de un 10 % a nivel global en el año 2020. Los datos indican que estamos recorriendo el camino hacia la descarbonización.

Pero la transición energética no podrá ser definitiva si no somos capaces de compensar el suministro intermitente de energía que aportan las renovables. La producción de energía solar y eólica depende de factores que pueden sufrir grandes variaciones a lo largo de un mismo día. Para poder integrarlas en el sistema de generación de energía es necesario combinarlas con un sistema de almacenamiento energético.

El almacenamiento de energía se asocia directamente con las baterías eléctricas. Esto es aún más frecuente si tenemos en cuenta el creciente aumento del uso de vehículos eléctricos. La tecnología de baterías eléctricas ha experimentado un gran desarrollo y los costes se están reduciendo de forma significativa. Sin embargo, aún es necesario aumentar su vida útil y favorecer la reutilización y reciclaje de sus componentes.

Afortunadamente, las baterías eléctricas no son la única forma de almacenamiento energético. Las fuentes de energía renovable actuales pueden combinarse con sistemas de almacenamiento mecánico, térmico y químico.

Almacenamiento mecánico: centrales hidráulicas de bombeo

Las centrales hidráulicas de bombeo son un tipo especial de central hidroeléctrica. Utilizan un sistema de turbinas hidráulicas para producir electricidad a partir de la energía potencial almacenada en el agua de un embalse. Adicionalmente, incorporan un sistema de bombeo que permite volver a impulsar el agua al embalse.

A menudo, estas instalaciones funcionan con dos embalses, uno superior y otro inferior. Bombear agua al embalse superior tiene un coste en electricidad, pero este coste varía a lo largo del día. Así, en los periodos de alta demanda de electricidad, la central funcionará de la forma habitual para producir electricidad. En los periodos de baja demanda de electricidad, el agua se bombea hacia el embalse superior y se almacena. El proceso de bombeo aumenta la energía potencial del agua para que pueda ser utilizada en las turbinas en periodos de alta demanda de electricidad.

Se trata de una tecnología muy eficiente y flexible. Por esta razón más de un 90 % de la potencia de almacenamiento energético de Europa es de este tipo. En España hay varios proyectos en marcha, como el de Salto de Chira en Gran Canaria .

Presa de Chira, en Gran Canaria. Salto de Chira

Almacenamiento térmico: centrales de concentración solar

No todas las fuentes de energía se emplean para producir electricidad. La energía en forma de calor se puede producir con una eficiencia mayor que la electricidad. En el caso de las energías renovables, la energía solar térmica es una de las más utilizadas.

La energía solar de baja temperatura se emplea ampliamente en viviendas para la producción de agua caliente. Para que estas instalaciones sean eficientes, deben contar con un sistema de almacenamiento térmico. Consiste en un depósito que almacena el agua caliente producida por la instalación solar que no se consume. Gracias a este sistema podemos tener agua caliente durante la noche.

Sin embargo, donde la energía solar térmica tiene un potencial más elevado es en las aplicaciones de alta temperatura. La tecnología de concentración solar permite alcanzar grandes temperaturas, siendo capaz de generar vapor de agua. Este vapor puede aprovecharse de la misma forma que se hace en una central térmica convencional, por lo que es posible generar electricidad. El problema del ciclo de vapor de una central de concentración es la intermitencia de la radiación solar. Para poder producir electricidad de forma continua es necesario emplear un sistema de almacenamiento de energía.

En este caso, se utilizan materiales de elevada capacidad calorífica como las sales fundidas (nitrato sódico, nitrato potásico…). Estos materiales son capaces de almacenar la energía térmica que no se está empleando para la producción eléctrica durante horas. De esta forma, puede utilizarse en momentos en los que no hay luz solar o la demanda de electricidad aumenta.

Gemasolar, planta de energía termosolar de concentración con sistema de almacenamiento térmico en sales fundidas (Fuentes de Andalucía, Sevilla). Wikimedia Commons / kallerna, CC BY-SA

Almacenamiento químico: hidrógeno

Los sistemas de almacenamiento químico se basan en la transformación de energía eléctrica en energía de enlaces químicos. Esta energía puede ser extraída cuando se requiera o pueden usarse estas moléculas en procesos industriales. Si se utiliza electricidad de fuentes renovables se logran combustibles renovables, como el llamado hidrógeno verde.

El hidrógeno es una molécula con un poder calorífico muy elevado. Para obtener la misma cantidad de energía que contiene 1 kg de hidrógeno, necesitamos quemar 2,78 kg de gasolina.

Aunque el manejo de hidrógeno tiene algunos problemas de seguridad por su elevada inflamabilidad, cada vez estamos más cerca de un futuro basado en este combustible. Esta es, de hecho, una de las estrategias de España, como se expone en la Hoja de Ruta del Hidrógeno. Se espera que este sistema de almacenamiento químico sea capaz de eliminar las emisiones provocadas por el sector del transporte.

Sistema de almacenamiento y suministro de hidrógeno en el Centro Aeroespacial de Alemania en Colonia. DLR, CC BY-SA

No hay un sistema de almacenamiento mejor que otro. La clave está en combinarlos todos de forma adecuada. El amplio abanico de tecnologías de almacenamiento de energía existente puede contribuir de manera combinada a la neutralidad climática.

El almacenamiento energético es fundamental para reducir la dependencia de combustibles fósiles. A la larga, será esencial para garantizar un sistema basado en energías renovables y libre de emisiones.

Fuente:   Autor:Javier Sánchez Prieto.Profesor contratado doctor. Área de Organización Industrial y Electrónica., UNIR - Universidad Internacional de La Rioja

Los creadores del Lightyear 0 que cuesta 250.000 € esperan convencer a los conductores de que puede ser una alternativa viable y respetuosa con el medio ambiente.

 Ashifa Kassam con el coche solar Lightyear 0 en las Bardenas Reales, al norte de España. Fotografía: Nacho Bueno Gil/The Guardian

Pasando serpenteando por las mesetas de color ocre del parque natural de las Bardenas Reales en el norte de España, Roel Grooten me dio un codazo para que quitara el pie del acelerador.

El automóvil siguió avanzando a toda velocidad por el tramo abierto de la carretera, y su velocidad disminuyó solo ligeramente. “Sigue adelante”, dijo Grooten, el ingeniero principal de la compañía automovilística holandesa Lightyear, mientras atravesábamos el paisaje lunar. “Lo que sientes no es nada que te detenga. Sientes la aerodinámica, sientes la baja resistencia a la rodadura de los neumáticos, de los rodamientos y del motor”.

Es a este diseño aerodinámico al que la compañía le da crédito por permitirle abrirse camino en un espacio que la mayoría de los fabricantes de automóviles pasaron por alto durante mucho tiempo. Ya en noviembre, la compañía comenzará la entrega de lo que describe como el "primer automóvil solar del mundo listo para la producción": el Lightyear 0, un sedán de 250.000 € (215.000 £) envuelto en 5 metros cuadrados de paneles solares curvos que recargan la batería eléctrica mientras el coche está en marcha o estacionado al aire libre.

“Si tuviéramos la misma cantidad de energía que recolectamos en estos paneles en cualquier otro automóvil que necesite tres veces esta cantidad de energía para funcionar, sería inútil, según Grooten. “Tienes que construir este automóvil desde cero, para que sea lo más eficiente posible, para que sea factible”.

En condiciones óptimas, los paneles solares pueden aumentar hasta 71 km la autonomía de 624 kilómetros que tiene el coche en cada recarga, según la empresa. Las pruebas realizadas por Lightyear sugieren que las personas con un viaje diario de menos de 35 kilómetros podrían conducir durante dos meses en los Países Bajos sin necesidad de conectarse, mientras que las personas en climas más soleados como Portugal o España podrían hacerlo hasta siete meses.

En condiciones óptimas, los paneles solares pueden aportar hasta 71 km en cada recarga (624 km). Fotografía: Nacho Bueno Gil/The Guardian

Pero aún está por verse si la apuesta de la compañía por la energía solar dará sus frutos, dijo Jim Saker, profesor emérito de la Universidad de Loughborough y presidente del Instituto de la Industria del Motor.

“Tienes que pagar una gran cantidad de dinero y tener paneles solares pegados en el automóvil por solo 71 km adicionales. El signo de interrogación en este momento es el hecho de que, en realidad, ¿realmente vale la pena? El concepto real no es malo. Es solo si la tecnología es realmente viable para que sea económicamente sostenible para cualquiera que quiera hacer esto”.

Las ventas del Lightyear 0 probablemente se limitarían a un puñado de usuarios pioneros, agregó. “Pero en realidad, no es una propuesta comercial en este momento”.

Otros cuestionaron la idea de que se promocione un automóvil como un bálsamo para la crisis climática cada vez más profunda. “La forma más sostenible de acercarse a la propiedad de un automóvil es evitarlo por completo, si es que puede”, dijo Vera O’Riordan, estudiante de doctorado que se especializa en vías y políticas bajas en carbono para el transporte de pasajeros en el University College Cork de Irlanda.

Si bien los vehículos eléctricos pueden tener un papel limitado en las áreas rurales que carecen de transporte público, citó investigaciones que sugieren que estos vehículos a menudo se venden a hogares de altos ingresos en áreas urbanas. “Entonces, debe hacerse la pregunta: ¿está sirviendo este transporte individualizado, muy ineficiente, muy dañino e inductor del tráfico en áreas urbanas donde de otro modo podría ser perfectamente resuelto por el transporte público,  caminar o andar en bicicleta?”

Lex Hoefsloot, el director ejecutivo de Lightyear, de 31 años, se hace eco, quizás sorprendentemente, de la necesidad de alejarse de los automóviles para hacer frente a la emergencia climática, y ha recaudado alrededor de 150 millones de euros en inversiones para ponerlo en marcha.

“Sería genial, estoy totalmente de acuerdo”, dijo. “Pero creo que no vamos a cambiar demasiado nuestras vidas. Tal vez, cuando estemos realmente en pánico dentro de 20 años, podríamos hacerlo. Pero mientras tanto, tenemos que solucionar eso”.

Desde 2016, la compañía ha defendido la energía solar como una parte clave de esta solución alternativa, imaginando automóviles solares capaces de funcionar con energía limpia y acelerando la transición para alejarse de los combustibles fósiles contaminantes. “La gente decía que no era posible, principalmente debido a la cantidad limitada de energía solar que se podía obtener en un automóvil”, dijo Hoefsloot.

Roel Grooten, el ingeniero principal, explica los controles del automóvil. Fotografía: Nacho Bueno Gil/The Guardian

Su propia experiencia, sin embargo, sugería lo contrario. El Lightyear 0, un elegante vehículo con tracción en las cuatro ruedas, tiene su origen en una caja sobre ruedas achaparrada que transportaba a cuatro estudiantes universitarios con cascos a través del interior de Australia para ganar en su clase en el desafío solar mundial de 2013.

“Si funciona en Australia, entonces funciona en todas partes. Esa fue la idea”, dijo Hoefsloot, quien fundó Lightyear con otros cuatro miembros del equipo del desafío solar. “Al principio, debo admitir que hubo dudas sobre si deberíamos dedicarnos a la fabricación completa de automóviles, porque todos sabemos que no es lo más fácil. Pero no había nadie más por ahí que estuviera realmente dispuesto o haciendo algo similar”.

En los últimos años, ha habido un gran interés en integrar paneles solares en los automóviles: Mercedes-Benz reveló recientemente planes para equipar un próximo automóvil eléctrico con paneles solares en el techo, mientras que Toyota a veces ha ofrecido paneles solares de capacidad limitada como complemento a su Prius híbrido.

El próximo año, Sono Motors, con sede en Múnich, planea lanzar un automóvil familiar asistido por energía solar de 28.500 €, mientras que la startup Aptera Motors, con sede en California, dijo en 2020 que los pedidos anticipados de su futurista vehículo eléctrico solar de tres ruedas se agotaron en menos de 24 horas. 

Cuando faltan meses para que comience la producción del Lightyear 0, aún quedan problemas por resolver, desde un volante rígido hasta el zumbido que a veces llena el automóvil cuando se activa el aire acondicionado.

Una vez que está en el automóvil, hay pocas cosas en la experiencia de conducción que se sientan diferentes de otros automóviles eléctricos: "Ese es un gran cumplido, eso es lo que buscamos", me dice un miembro del personal, excepto por algunos recordatorios sobre la constante alimentación por goteo de la energía solar. Una pantalla muestra exactamente qué células se están alimentando del sol en un momento dado, mientras que otra cuantifica cuánta energía solar se está absorbiendo.

Los paneles de la carrocería del automóvil están hechos de fibra de carbono reciclada. Fotografía: Nacho Bueno Gil/The Guardian

En un esfuerzo por utilizar la mayor cantidad posible de esta energía solar, el diseño azotado por el viento evita los espejos laterales para cámaras y funciona con motores eléctricos livianos metidos en sus ruedas. Los paneles de la carrocería están hechos de fibra de carbono reciclada y los interiores están hechos de cuero vegetal elaborado a base de plantas con telas hechas de botellas recicladas de tereftalato de polietileno.

La prueba de funcionamiento de 20 minutos es probablemente la única vez que me sentaré al volante del Lightyear 0. Con su alto precio, idealmente pagado por aquellos que tienen un espacio de estacionamiento al aire libre para maximizar la ganancia del automóvil del sol, no es un coche para las masas.

En cambio, la compañía prevé la producción, que ofrecerá hasta 946 vehículos para su entrega en Europa y el Reino Unido, como una especie de comienzo. “Esta es una pequeña escala para demostrar al mundo que podemos producir un automóvil”, dijo Telian Franken, líder del equipo de prototipos.

A partir de ahí, la compañía cambiará su enfoque a un segundo automóvil eléctrico asistido por energía solar que pretende vender por alrededor de 30.000 € a partir de 2025. "Estamos tratando de marcar la diferencia, no para el millonario que puede permitirse un vehículo de 250.000 €, sino para llegar al punto en que la persona media pueda desconectarse de la red: obtenga un vehículo sostenible confiable que supere a cualquier oferta económica que pueda obtener en ese momento”, dijo Franken, citando el Toyota Corolla o Honda Accord como ejemplos. “Eso es lo que estamos tratando de superar, y reemplazar, porque no es sostenible”.

Traducción y adaptación de artículo publicado en The Guardian por Ashifa Kassam el 25 de junio de 2022. Enlace al artículo original.

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Celulas solares de perovskita fabricadas en el Grupo de Semiconductores Avanzados del Instituto Universitario de Materiales Avanzados de la Universidad Jaume I. GAS-INAM-UJI , Author provided

La energía solar fotovoltaica, que consiste en la captación de la energía solar para ser convertida en electricidad, ha experimentado una gran revolución en las dos últimas décadas con el empleo masivo de un material llamado perovskita.

Actualmente estamos en la cuarta generación de células solares; así es como se denominan los dispositivos o placas solares en del campo científico.

La primera generación de células solares está basada en silicio cristalino o policristalino, con una eficiencia máxima del 22 %.

En las de segunda generación se emplean las llamadas células de capa fina, basadas en elementos como el selenio, zinc, galio, indio, cadmio y estaño.

En las de tercera generación se utilizaron por primera vez materiales nanométricos para captar radiación solar. En ella se usan compuestos orgánicos absorbedores de luz (células solares de colorante) junto con las células solares poliméricas en las se emplean polímeros conductores.

La cuarta generación se caracteriza por las células solares basadas en perovskita.

El auge de las perovskitas

El empleo masivo de este material comenzó en 2009 en Japón cuando un grupo de investigadores de la Universidad de Tokio empleó una perovskita como material absorbedor de luz. Ya en el primer experimento, los científicos obtuvieron una buena eficiencia de conversión de luz solar a electricidad, de un 3,8 %. Aunque el valor es bajo, para una primera prueba es más que aceptable.

A pesar del gran resultado inicial, comprobaron que la estabilidad era muy baja. No obstante, aquel fue solo el inicio de una loca carrera hacia lo que es hoy en día una prometedora realidad. En algo más de una década, se ha alcanzado una eficiencia de conversión del 25,5 %.

Este material ha avanzado en tan solo trece años lo que el silicio tardó cincuenta años en recorrer. Se ha mejorado mucho su estabilidad frente a agentes externos como la humedad y el oxígeno, y la perovskita ya no se degrada en horas. No obstante, todavía falta mejorar el encapsulado final de las células solares para asegurar un larga vida útil del producto final.

Paneles solares de perovskita. Stanford ENERGY / Mark Shwartz / Wikimedia Commons, CC BY

Estructura y composición

Las perovskitas son materiales con estructura química ABX₃, donde A es un catión orgánico voluminoso como el metilamonio o inorgánico como el cesio, B es un elemento metálico como el plomo o el estaño y X es un elemento halogenado, siendo bromo y cloro los más habituales.

La perovskita nos ha permitido disminuir costes de fabricación. Su síntesis es sencilla y muy rápida, y además se emplean materiales abundantes y baratos. No es necesario emplear temperaturas elevadas de procesado como ocurre en las células solares de silicio y en las de capa fina (primera y segunda generación de células solares).

Todas estas características de síntesis permiten que la fabricación de un panel solar de perovskita sea mucho más económica que un panel solar de silicio.

Además, son materiales multifuncionales, absorben luz y son capaces de transportar tanto electrones como huecos. Son muy agradecidos, ya que con pequeñas modificaciones de síntesis se pueden modificar sus propiedades fácilmente. A todo esto hay que añadir los grandes esfuerzos que se están realizando para que sean estables y duraderas.

Pieza clave del cambio energético

La perovskita es un material barato y, como en su proceso de fabricación no es necesario emplear altas temperaturas, es posible fabricar las células solares incluso sobre substratos flexibles.

Al ser nanomateriales con gran capacidad para absorber la radicación solar, los dispositivos finales son ligeros y semitransparentes, ya que no es necesaria una capa gruesa de material. Y debido a la alta eficiencia de conversión energética, incluso en condiciones lumínicas bajas pueden llegar a ser empleadas como ventanas inteligentes en arquitectura y en interiores para suministrar electricidad a los dispositivos móviles que tanto empleamos actualmente, como son los teléfonos inteligentes, portátiles, etc.

Y por si todo esto fuera poco, la perovskita aun nos ha sorprendido una vez más. No solo se presenta como un sustituto del silicio, sino también como un aliado. Al unir ambos materiales se ha podido alcanzar una eficiencia de conversión del 29,15 % y más de 300 horas de funcionamiento, muy cerca del límite teórico que es de un 33 %.

Esta combinación permite aumentar la eficiencia, ya que cada material absorbe ondas de luz a diferentes longitudes; el silicio absorbe en el rojo y en el infrarrojo y la perovskita mayoritariamente en el verde, azul y ultravioleta. Por eso, su combinación hace que se aproveche prácticamente toda la radiación solar que llega a la Tierra desde el Sol.

Actualmente los paneles solares comerciales, que cada vez se ven más en los tejados de nuestras casas, están basados en silicio cristalino o arseniuro de galio, que tienen un precio elevado. Siguen predominando estos materiales porque el escalado industrial de las células solares de perovskita (para la producción de paneles solares) todavía no está desarrollado plenamente.

No obstante, las células solares de perovskita van a desempeñar un papel crucial en el necesario cambio energético al que se enfrenta actualmente la sociedad.

Fuente:  Eva Mª Barea Berzosa Profesora de Física, Universitat Jaume I