NeoFronteras

Promesas arriesgadas en energía solar

Área: Tecnología — martes, 5 de febrero de 2008

Recientemente se han lanzado promesas sobre sistemas de producción de energía basados en energía solar que prometen rendimientos muy altos, pero hay que tener cautelas al respecto.

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Foto de una formación de microantenas (ancho total: 57 micras). Foto: INL.

En los últimos años se ha invertido dinero en las energías renovables en vista del problema del calentamiento global y los precios altos del barril de petróleo. La eterna promesa ha sido y es la energía solar en sus múltiples manifestaciones. Fundamentalmente hay dos subtipos a la hora de obtener energía eléctrica del sol. Una es la energía fotovoltaica y la otra la solar térmica. En la primera se utilizan semiconductores y otras sustancias para la producción directa de energía solar y en la segunda se utiliza la luz del sol para calentar un fluido o un gas de un sistema termodinámico convencional que mueva un generador.
Los anuncios de grandes plusmarcas mundiales se suceden sin parar, pero no es oro todo lo que reluce. Ya disponemos de células solares fotovoltaicas multicapa con un rendimiento del 40%, pero su generalización no es sencilla.
Esas células fotovoltaicas de alto rendimiento usan elementos raros como el indio o el galio. No está claro que haya suficiente cantidad de estos elementos en la corteza terrestre para suministrar las demandas energéticas de la población mundial y una demanda alta haría aumentar aún más su precio. Incluso el convencional silicio, que un elemento abundantísimo en la corteza terrestre tiene un precio alto porque también se utiliza en la industria microelectrónica, que puede pagar un precio muy alto debido a su margen de beneficio.
Las células solares tardan años en proporcionar la energía que se necesitó en su construcción. Su amortización económica requiere más años. También hay que tener en cuenta que deben de estar a la intemperie soportando la lluvia el frío o el calor. Las células de silicio, que ya es una tecnología muy madura, tiene un rendimiento aceptable, tarda unos dos años en proporcionar la energía consumida en su construcción y los fabricantes las garantizan para 25 años.
En otros casos, y de momento, las cuentas están menos claras.
La mejor energía solar sería aquella que saliera barata, una fabricación sencilla susceptible producción en masa, un coste de instalación bajo y un rendimiento cuanto más alto mejor.
Al parecer, de momento, no podemos tener todas esas características. Los sistemas baratos de producir e instalar (tintes, polímeros, etc.) tienen rendimientos bajos y duran poco, mientras que los de alto rendimiento (células multicapa) son caros de producir e instalar (uso de concentradores, etc). Pero los anuncios de la solución perfecta aparecen en los medios. Fijémonos en dos de ellos. En un caso un inventor promete un rendimiento teórico del 60% y en otro unos investigadores de una universidad una “absorción” energética del 80%. Analicemos estos casos en detalle.

En el primer caso se trata de Lonnie Johnson, inventor conocido por haber comercializado una pistola de agua como juguete para niños y estar en posesión de más de 100 patentes. Sostiene que podría construir un sistema termoeléctrico con un rendimiento del 60%, pero tal sistema sólo existe en el papel y no ha publicado sus cálculos en ninguna revista científica con revisores. Además, para patentar un invento sólo hace falta pagar por él, aunque no funcione.
Su idea parece, sin embargo, factible. Se trata de usar un concentrador solar de espejos para calentar hasta los 600 grados (asumiremos que son centígrados y no fahrenheit, aunque la referencia usada no es buena) uno de los lados de un dispositivo denominado Johnson Thermoelectric Energy Converting System (o JTEC), mientras que el otro lado debe de estar a temperatura ambiente. Hasta aquí nada nuevo, como todos los que saben un poco de termodinámica, para poder extraer trabajo de un sistema térmico debe de haber dos focos a distinta temperatura. De este modo el calor pasa del foco caliente al frío, y, si somos habilidosos, obtenemos en el proceso energía libre susceptible de producir trabajo. Los motores de nuestros automóviles o una máquina de vapor funcionan mediante este principio. El rendimiento, o porcentaje de conversión energética, depende de la diferencia de temperatura, a mayor diferencia de temperatura mayor rendimiento. El máximo teórico posible (y por tanto inalcanzable en la práctica) viene dado por la máquina de Carnot, que es un modelo conceptual. El rendimiento de cualquier otra máquina térmica estará por debajo del rendimiento de la maquina de Carnot, incluyendo los motores de explosión interna de ciclo Otto (nuestros motores de gasolina) o ciclo Diesel. Los motores Sterling, que calientan un gas, y utilizados en algunos concentradores solares funcionan bajo el mismo principio, así como los concentradores que calientan un fluido.
El sistema de Johnson está restringido por los mismos principios termodinámicos pero no utiliza partes móviles. En él se calentaría hidrógeno a 600 grados y se le haría pasar a través de unos electrodos porosos gracias al gradiente de presión creado por el gradiente de temperatura (diferencia espacial en temperatura). La idea parece brillante porque no hay turbinas ni cilindros ni nada similar. El hidrógeno se mantiene en un ciclo cerrado y por su puesto no hay combinación con oxígeno ni nada parecido. Como es una máquina térmica, a mayor diferencia de temperatura mayor rendimiento. A 600 grados centígrados dice que se conseguiría un 60% de temperatura, pero para un foco caliente a 600 grados y uno frío a temperatura ambiente la máquina de Carnot rinde un 65%. La perfección del sistema debe de ser tremenda si pretende llegar tan cerca del máximo teórico. Naturalmente se podría aumentar la temperatura, cosa que es fácil de conseguir con concentradores solares, aumentando así el rendimiento. Todo depende que el sistema aguante más temperatura. Pero el máximo teórico no es, ni mucho menos, lo que se consigue en la realidad. De todos modos ya están montando los primeros prototipos a pequeña escala y temperatura baja.

La otra noticia que sale en los medios se basa en un desarrollo realizado por el grupo de Steven Novack en el Idaho National Laboratory. La idea se basa en la utilización de nanotecnología para la construcción de láminas que convierten la radiación infrarroja en electricidad.
Las ondas de radio, infrarrojas, visibles, ultravioletas, rayos X y rayos gamma componen el espectro electromagnético. Son ondas portadoras de un campo eléctrico y magnético que oscila en el tiempo y en el espacio. Esta cualidad ondulatoria se manifiesta más fácilmente a bajas frecuencias y longitudes de ondas largas (radio, infrarrojo) que a altas frecuencias (rayos X y gamma), donde las manifestaciones corpusculares de la mecánica cuántica son dominantes. Recordemos que la frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales.
Vemos la tele y escuchamos la radio porque una antena resuena con las ondas de radio. Al resonar se induce una pequeña carga eléctrica que produce una corriente eléctrica. Esta señal es luego amplificada mediante circuitos electrónicos y finalmente podemos ver el programa en la pantalla de la televisión. El tamaño de la antena debe de ser del orden de la longitud de onda que queremos recibir. Las antenas de los teléfonos celulares son más pequeñas porque operan a frecuencias mucho más altas a las cuales las longitudes de onda son cortas.
Este equipo de investigadores pensó que se podría hacer lo mismo en el infrarrojo si se contaran con antenas muy pequeñas. Han creado una lámina en la que consiguen imprimir formaciones de antenas minúsculas (ver foto) gracias al uso de la nanotecnología. Cada una tiene la forma de una pequeña espiral. En una pulgada cuadrada caben 10 millones de estas antenas. La ventaja es que están hechas de metal, es decir, es barato de producir.
En cuanto al rendimiento real no hay cifras en la nota de prensa y el trabajo no ha sido publicado aún en alguna revista importante. Aunque el trabajo sí ha sido presentado en un congreso llevándose un premio.
El grupo sostiene que su lámina puede absorber un 80% de la energía incidente. Pero absorber no es lo mismo que convertir. El investigator lo admite cuando dice: “At this point, these antennas are good at capturing energy, but they’re not very good at converting it.” En la nota de prensa no se proporciona el rendimiento.
Tampoco está claro el ancho de banda en el que opera. Quizás esa absorción se da sólo cuando incide radiación de una determinada frecuencia, decayendo rápidamente para las frecuencias adyacentes. Esto mismo ocurre con las células solares semiconductoras convencionales que alcanzan un rendimiento muy alto a determinadas frecuencias y bajo en las demás, de ahí la construcción de células multicapas en las que cada capa se especializa en una gama de frecuencias determinada. El problema se podría, en teoría, resolver adoptando la misma solución: varias capas superpuestas. Pero esto encarecería el producto. Además sólo opera en el infrarrojo por lo que se desaprovecha la gama visible y ultravioleta del sol. La solución sería utilizar conversores que pasen este tipo de radiación al espectro infrarrojo, pero esto también elevaría su precio. La utilidad más sorprendente estaría en su utilización durante al noche. El sistema produciría energía a partir de la radiación infrarroja emanada del suelo recalentado durante el día. En todo caso es una idea interesante.

Merece la pena investigar ambas ideas, porque nunca se sabe si al final efectivamente cumplirán sus objetivos proporcionando una solución real en energía solar. La falta de una publicación sería conocida que las respalde haría que NeoFronteras rechazara publicar algo al respecto en condiciones normales, porque las ruedas de prensa y la falta de publicaciones no son buenas consejeras en un mundo en el que no todo lo que reluce bajo el sol es oro.

Agradecimientos:
La dirección de esta web agradece a Jose Piñeiro y David B. la sugerencia del tema de este artículo.

Referencias:
Noticia en Popular Mechanics.
Idaho National Laboratory.
Calculadora de máquina de Carnot (en Kelvins).

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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8 Comentarios

  1. Humor:

    Dos millones la distancia de la Tierra del Sol es muy cerca para un planeta extrasolar descubierto últimamente, ¿no?
    Vamos a mí me sale más o menos 19 años luz calculando así a ojo.

  2. Jose Piñeiro:

    Ya me parecía demasiado bueno para ser cierto.
    Probablemente solo capture una banda bastante estrecha del infrarrojo. Y recordemos que el infrarrojo tiene bastante menos energía que la luz visible. Por tanto su rendimiento real cuando lo exponemos al sol puede ser inferior a las células actuales.
    No esta todo perdido. Puede ser un buen invento si resulta muy económico de producir y su vida útil es larga. Imaginemos los invernaderos de Almería cubiertos con este invento. Tendríamos lechugas y electricidad :-)

  3. NeoFronteras:

    El comentario astronómico está fuera lugar, probablemente su autor se ha equivocado. Si lo desea se podría cambiar de lugar.

  4. NeoFronteras:

    En realidad la tecnología del silicio está lo suficientemente madura como para ser rentable. En dos años se recupera la energía. Sólo hay que abaratarla. Si se cubre cada casa con paneles de este tipo el ahorro puede ser tremendo, sobre todo en años poco lluviosos como este.

  5. Manuel:

    El artículo, aunque interesante, contiene algunas inexactitudes. El uso de la tecnología fotovoltaica a gran escala podría empezar a ser competitivo muy pronto. El tiempo de retorno de la energía invertida para producir las placas de silicio es ya inferior a dos años, y en algunas tecnologías incluso menor de un año. La tecnología fotovoltaica puede alcanzar la “grid parity” (igualar el coste del KWh al precio de venta del KWh generado por medios convencionales) en muy pocos años (de hecho, ya está muy cerca con placas de concentración y en lugares de alta insolación).

    Tampoco es del todo cierto lo de la escasez de determinados oligoelementos, especialmente si se trata de células de concentración, que son precisamente las que mejores rendimientos obtienen, ya que la superficie de material que requieren es mucho menor.

    Otra tecnología fotovoltaica muy prometedora es la de la empresa Nanosolar, basada en una técnica similar a la impresión convencional que reduce extraordinariamente los costes por unidad de superficie, aunque con un rendimiento algo menor que el silicio. Está todavía en fase experimental, pero ya ha convencido a varios supermillonarios del Silicon Valley (Google incluido, según tengo entendido) para que inviertan en una megafábrica en California, así que la cosa parece ir en serio.

  6. NeoFronteras:

    No se entiende lo de las inexactitudes. El tiempo de retorno de dos años se menciona en el artículo (y en un comentario).
    La concentración en el uso de células de elementos raros es precisamente para compensar lo caras que son dichas células. Pero la concentración también encarece el producto final, ya que se necesitan sistemas mecánicos de guiado. Además, su rendimiento baja más que en los sistemas más pasivos cuando está nublado.
    En cuanto a nanotecnología hay dos tecnologías principalmente, una de alto rendimiento basada en puntos cuánticos y elementos raros que, de momento, es costosa y otro en tintes y nanocristales de óxido de titanio que es muy barata pero con bajo rendimiento. De momento no son tecnologías maduras. Esto significa simplemente que hay que investigar y desarrollar más.
    La más madura es la de silicio que, como usted dice, va a tener igual coste que la convencional pronto. Es más, si no fuera por la industria microelectrónica ya lo tendría. Bastaría con la construcción (¿financiadas por el estado?) de plantas productoras de silicio en bruto para que fuera una realidad.
    Pero miles y miles de Magavatios no son fáciles de conseguir.

  7. Manuel:

    Nanosolar parece pertenecer al primer grupo, y ellos afirman haber resuelto el problema del coste (hablan de precios de 1 dólar por Wp, alrededor de la cuarta parte del actual), aunque en este campo nunca puedes fiarte del todo, pues puede ser sólo una estrategia para atraer inversores. En tecnologías de vanguardia abundan los vendedores de humo.

    La influencia de la industria microelectrónica en el precio de la fotovoltaica es curiosa. Tradicionalmente, las células fotovoltaicas se fabricaban aprovechando los recortes de los lingotes empleados para producir circuitos integrados, por lo que el coste de la materia prima principal estaba, en cierto modo, externalizado, ya que se trataba más o menos de “reciclar basura”. Pero ahora, con la enorme demanda de placas fotovoltaicas, el volumen de desechos de la industria microelectrónica mundial resulta insuficiente para atender las necesidades de silicio grado fotovoltaico, lo que obliga a crear plantas propias de silicio y a incluir su coste en la cadena. Esta dinámica es lo que ha impedido una caída de precios significativa en los últimos años. No obstante, según el prestigioso instituto , esta escasez es transitoria y quedará resuelta pronto, con el consiguiente descenso en los precios.

    En cuanto a las células de concentración, es verdad que requieren sistemas complejos de guiado y células más caras por unidad de superficie, además de que necesitan irradiación solar directa (en cuanto hay nubes, su producción se reduce prácticamente a cero), pero alcanzan rendimientos de más del 30% con superficies de placa hasta 500 veces menores. Instaladas en lugares de alta insolación, pueden resultar extremadamente competitivas. Fabricar lentes anidólicas de plástico es varios órdenes de magnitud más barato que una superficie equivalente de células fotovoltaicas, incluso de las más caras.

    Tampoco hay que olvidar la concentración solar térmica con almacenamiento de energía en sal, de la que la planta de Sanlúcar de Barrameda es pionera. Esta tecnología, capaz de almacenar el calor solar con muy pocas pérdidas durante más de un día, podría resolver uno de los principales inconvenientes de la energía solar: su intermitencia.

    —-
    La palabra “inexactitudes” no ha sido una elección afortunada para un artículo tan completo y bien documentado. Quería decir simplemente que algunos aspectos merecían puntualizaciones.

  8. Manuel:

    Había un error en el enlace del mensaje anterior: es Prometheus. Este instituto es una de las fuentes más fiables y serias de información sobre la industria solar.

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