NeoFronteras

Avances en tecnología de generación eléctrica

Área: Tecnología — miércoles, 3 de octubre de 2012

Un par de resultados hacen vislumbrar que pronto nos podremos desconectar de la red eléctrica y de las compañías que la abastecen.

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Esquema de heterounión de silicio cristalino y amorfo que en célula fotovoltaica tiene un rendimiento del 21%. Fuente: EPFL.

Las sondas espaciales Voyager están ya cruzando los límites del Sistema Solar después de más de tres décadas de viaje. Se mueven por inercia y los pequeños sistemas de orientación gastan poco a poco el combustible. Además, muchos de los instrumentos están apagados porque el generador eléctrico de radioisótopos hace tiempo que no puede abastecerlos a todos.
Estos generadores se basan en un isótopo de plutonio que está caliente por su propia desintegración radiactiva, pero al cabo de todo este tiempo ya se ha desintegrado una parte apreciable y ya no produce tan calor como al principio. Gracias a la diferencia de temperatura (la termodinámica no puede ser eludida) entre esas pastillas de plutonio y el frío espacio exterior unos pares termoeléctricos producen electricidad. La eficiencia de esos pares termoeléctricos es muy baja, por eso no se utilizan para producir corriente a partir de fuentes de calor. Los mejores sistemas termoeléctricos actuales tienen una eficiencia de un 5% a un 7%.
Pero las centrales térmicas o nuestros automóviles tampoco son muy eficientes y emiten mucha energía en forma de calor que no se aprovecha. Si hubiera un sistema termoeléctrico de alta eficiencia podríamos ahorrarnos muchos euros, energía y emisiones. Ténganse por ejemplo en cuenta que un 40% de la energía de la gasolina termina perdiéndose en forma de calor por el tubo de escape.
Pues bien, después de 50 años de investigaciones parece que por fin se está cerca de esa meta de un sistema termoeléctrico realmente rentable. Investigadores de Northwestern University han conseguido un rendimiento del 20% en un prototipo de sistema termoeléctrico.
Para entender lo que han logrado conviene recordar antes unos pocos conceptos sobre el calor en los sólidos. El calor se puede transmitir a través de un sólido por conducción gracias a dos objetos: electrones y fonones. Los primeros se pueden mover libremente por un metal y es la razón por la cual no es muy conveniente tocar la cuchara de metal que se ha dejado en la sartén durante demasiado tiempo. El metal conduce muy bien el calor y uno termina quemándose en ese escenario. Si en lugar de una cuchara metal usamos una cuchara de cerámica comprobaremos que también se calentará. A través de la estructura cristalina se pueden mover cuantos de oscilaciones de la red a los que llamamos fonones (cuasipartícula) que también transportan el calor. Un cristal, como los cristales de una cerámica, también transporta el calor. Naturalmente las aleaciones metálicas también tienen cristales en su interior, así que conducen el calor gracias a los dos mecanismos.
Un amorfo, que es un material sin estructura cristalina, como por ejemplo el vidrio de las ventanas, será un mal conductor del calor, sobre todo si no es metálico (hay amorfos metálicos, pero esa es otra historia). Una cuchara de madera o de plástico la podremos dejar en la cazuela sin que nos queme al tocarla.
El problema que existe en los generadores termoeléctricos es que hay que conseguir aunar las características de los fonones y los electrones si queremos mejorar el rendimiento, los primeros para la parte térmica y los segundos para conducir la electricidad. Se trata de evitar que el calor emigre rápidamente al exterior con facilidad, pero favoreciendo la generación de corriente eléctrica. Esto se puede conseguir desacoplando los electrones de los fonones, o lo que es lo mismo, dejando a los electrones que fluyan para producir electricidad mientras que se impide que se pierdan fonones. Pero llevarlo a la práctica no es fácil. Estos científicos han realizado esta meta distribuyendo el flujo en tres diferentes longitudes de onda de fonones, lo que permite que los electrones pasen mientras que los fonones están atrapados en distintas capas.
Además de las aplicaciones obvias en automóviles, generadores, calderas, etc., también se podrían usar en sistemas fotovoltaicos por concentración en el que una célula fotovoltaica de alta eficiencia cede el calor residual a una célula termoeléctrica. De este modo se podría aprovechar gran parte del espectro, incluso la parte infrarroja.

Por otro lado, científicos de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne han conseguido una célula solar híbrida de silicio que ha batido la marca de rendimiento con un 21,4%. Este rendimiento significa que una familia podría obtener toda su electricidad para su casa unifamiliar con unos paneles solares de 2500 dólares. Este resultado se publica en IEEE Journal of Photovoltaics.
Aunque se han conseguido rendimientos más altos con células especiales, suelen estar basados en materiales caros y en métodos de fabricación complejos que elevan mucho su precio. Por esta razón normalmente se piensa en el uso de sistemas concentración que encarecen la instalación. Las mejores células monocristalinas de silicio tienen un rendimiento del 18-19%.
Esta nueva célula está hecha de silicio, que es barato y cuya manufactura se conoce muy bien. El mayor rendimiento se obtiene gracias a la aplicación de dos capas (de una centésima de micra de grosor) de silicio amorfo en ambas caras de una oblea de silicio monocristalino. Esta tecnología de heterounión mejora la captación de la luz por parte de la célula y, por tanto, su rendimiento. La medición a circuito abierto arroja 726 mV de voltaje, que también es una marca en su categoría. Un cambio de substrato permitió a estos investigadores incluso superar el 22% de eficiencia. Además sólo se necesitará unos pocos años para comercializar estos avances. En tres o cinco años esperan producir un metro cuadrado de células a un costo de 100 dólares. Esa superficie produciría de 200 a 300 kWh de electricidad en un año.

Cada día estamos más cerca de poder desacoplarnos de la red eléctrica y de las compañías que producen electricidad.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3931

Fuentes y referencias:
New Scientist.
Artículo original.
Nota de prensa.

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

  1. Pocosé:

    Ademas, un miniaereo generador,unas buenas baterías y o un compresor reversible, luz led, electrodomésticos eficientes, conciencia de ahorro energético. Y las unifamiliares diciendo “Hasta nunca ENDESA”.

  2. lluís:

    Había leído en alguna parte lo de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, pero aquí está más claro.O al menos lo entiendo mejor.
    ¡ que gran día sería ese en el que pudiéramos desahacernos,desconectarnos, desacoplarnos, o más sencillamente mandar a hacer puñetas a las compañias que producen electricidad y sus crípticos recibos de la luz!.

  3. pvl:

    La verdad, estoy ya un poco cansado de leer noticias como estás que nunca llegan a materializarse: para los conspiranoicos la respuesta siempre es que “el poder” en sus múltiples modalidades(que viene a ser la versión moderna del demonio medieval, en el que todo el mundo creía pese a que nadie lo vió jamas)lo impide para mantener sus oscuros intereses. Sin embargo, la realidad demuestra ser bastante más simple y prosaica:obtener nuevas fuentes de energía útil, tanto en cantidad como en calidad, de la naturaleza es realmente muy complicado y por tanto muy costoso.

  4. lluís:

    Por cierto la cuchara de cerámica también está hecha de electrones (como toda la materia ordinaria),supongo que si se calienta por las vibraciones de la red cristalina, o fonones, es porque los electrones de la cerámica están ligados y no circulan libremente,como sí lo hacen en la cuchara de metal.

  5. NeoFronteras:

    Esta es la evolución del precio en dólares por vatio instalado de paneles solares:

    https://c479107.ssl.cf2.rackcdn.com/files/11654/area14mp/2zdh9bz2-1339562655.jpg

    Así que sí hay mejoras e innovación. A no ser que no se quieran ver.

  6. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Un metal tiene una banda de conducción y por tanto algunos electrones pueden circular libremente. Si están ligados a sus respectivos átomos no pueden transmitir gran cosa, como en un dieléctrico (aislante) así ocurre, el calor se transmite por fonones.
    Los fonones siempre están, sólo que en una sustancia cristalina (mono o poli) se transmiten mejor porque el medio está ordenado. Un metal también tiene estructura cristalina y por él circulan fonones.

  7. tomás:

    Los oscuros intereses del negro petróleo no existen. No hay intención alguna de agotar hasta la última gota de petróleo y luego de carbón, al menos si no se consigue algo más barato. No me tengo por conspiranoico, pero está probado que las compañías petrolíferas pagan para que científicos poco honestos idioticen a quien puedan para que no se les relacione con manipulaciones mediáticas y políticas. Eso es un hecho tan cierto como el depósito de residuos tóxicos en países pobres. Quizá el ministro de medio ambiente de alguno de esos países me tache de eso que no creo ser, pero seguro que cobra por mirar para otro lado.
    Es posible que generar la misma energía en un parque eólico sea más caro que quemar petróleo, pero nos estamos jugando la vida de las generaciones futuras. Y el petróleo no puede durar siempre.

  8. lluís:

    El comentario de tomás (7)me conduce, como “electrón libre” que soy,a la siguiente “banda de reflexión”: Va siendo hora de que nos libremos de la drogodependencia del petróleo de los paises islámicos (y simpatizantes, con petróleo).La libertad en occidente, cada vez más amenazada por la intransigencia religiosa, especialmente la islámica (aunque no le hacen ascos otras religiones del “Libro”)saldría ganando.Esta es una razón(hay más desde luego) para que se siga investigando en energías alejadas del ” maná oscuro”.¡que lleguen pronto!.

  9. pvl:

    Para aclarar un poco más mi pubto de vista:
    Yo estoy a favor de que se subvencione con dinero público la investigación de nuevas formas de energía: desde el ITER a la que se comenta en el art. Con lo que estoy completamente en desacuerdo es que se subvencione la generación y consumo de cualquier tipo de energía, simplemente porque se les ponga un adjetivo cualquiera: renovable, verde,limpia, etc, que en la mayoría de los casos lo único que hacen es esconder que hoy por hoy no son rentables.
    Y las razones que me llevan a esa postura son muy simples de entender: por ejemplo me parece genial que con dinero público se subvencione la investigación que ha dado lugar a internet. Pero me parecería una aberración que se subvencionara su uso como forma de extenderlo: Internet se usa porque ha demostrado ser útil y rentable, tanto para “productores” como para usuarios.
    Que yo sepa, por ejemplo nadie financia el uso de iphones y se venden como churros, supongo que porque satisfacen a sus usuarios.

  10. pikolero:

    Ojalá llegue el soñado día de la autosuficiencia energética, pero mucho me temo que antes de que pasen esos cinco años vamos a ver cosas horribles.

    El reajuste lo estamos viendo día a día en las gasolineras desde el crack de lehman con la desaparición del crecimiento a crédito de estos años. Mientras tanto, en ningun medio de comunicación ni en los informativos nadie habla de peak oil. Y debería ser casi el único tema de conversaicón.

    Hay tabú informativo, y eso solo ya es motivo suficiente para ponerse en el peor de los escenarios.

  11. César:

    (9) Vas a tener que poner otro ejemplo de subvención, internet no nació subvencionada, sólo fué una necesidad para comunicarse en un laboratorio (CERN).

    Esa “necesidad” fue la que permitió la mayoría de los “avances” en el siglo pasado, hoy en dia sin embargo, priman más otros conceptos, y esos avances están en su mayoría “congelados” o en “stand by” por intereses, económicos, políticos o incluso de copyright.

  12. Maya:

    Pvl, no te canses.., no somos conspiranoicos los que creemos que hay oscuros intereses.., sencillamente los hay.
    Ya en tiempos de Marco Polo, los comerciantes que traían de Oriente telas, especias o lo que fuere, inventaban cruentos asaltos en los caminos para encarecer los productos. El hombre desgraciadamente no solo no ha cambiado, sino que inventa cada día trucos nuevos para sacarle provecho a los que “se dejan”.

  13. matrushko:

    Vivo para ver ese GRAN PASO para el Hombre…

  14. Aitorito:

    Queridos ilusos de lo verde. Os creéis que cuando seamos auto-suficientes no vamos a pagar? Ja ja ja. Los ayuntamientos y comunidades autónomas se sacaran unas tasas de debajo de la manga para poder tener placas solares, etc etc.

    Lo mismo con los coches, subiran un 400% el impuesto de circulación.

    Sois de un ingenuo….

  15. pvl:

    Hombre César si Internet se creó en un laboratorio financiado con dinero público como es el CERN, no veo en qué se diferencia en lo sustancial de cualquier subvención pública, que a los efectos de lo que estoy comentando es consiste simplemente en que el dinero que se recauda a los contribuyentes vía impuestos se destina a algún fin, en este caso a pagar a los investigadores del CERN que en definitiva inventaron Internet o al menos la www.

  16. tomás:

    Muy de acuerdo Aitorito.
    El proceso es el siguiente:
    -Hola, Chori, -dice Listo-. ¿Qué tenemos para hoy?
    -Pues que no sé de donde sacar para pagar a esos guardapolvos, digo guardaespaldas, ¡huy, cómo asocio! Y es que están macizos de verdad. Y cómo corren. ¡Voy tan deprisa que me dejé el reflexivo! ¡Ya sé! Preguntaré a la consejera de cultura, que sabe cantidubi.
    -Buitri, cariño, ¿de donde podemos sacar una gansa que merezca la pena?
    -En ello estaba. El Sol, el viento, el agua y hasta el… ¿como se dice?… ¡el sotasuelo! o algo así, son de todos ¿no? Pues que paguen. Si toman el sol, que paguen, si beben agua, que paguen, si respiran, que paguen… Algo me dejo, algo me dejo…
    ¡Mecachis! Pero no pasa nada, ya se me ocurrirá. Voy a decírselo al hacendoso para que la meta, perdón, lo meta, ¿en qué estaría yo pensando? en las presupuestas del ejercicio. ¡Qué lío!

    Pues más o menos.

  17. Miguel Ángel:

    Al hilo de los mensajes de Maya (y su bonita refencia histórica) y de Aitorito, comentar que a nivel social no hemos avanzado mucho desde las antiguas Grecia y Roma. En algunos aspectos, incluso hemos empeorado: en la Edad Media había que pagar un 10% (diezmo) de impuestos, hoy puedes pagar un 45% si tu sueldo anda en torno a los 3500 euros al mes…esperemos que no nos acaben poniendo un impuesto a los que tenemos dos ojos por disfrute excesivo del paisaje, pero no lo tengo tan claro.

    Lo que si que tengo claro es que cuidar el planeta merece la pena y que en esta tarea no cabe rendirse:

    “Si supiera que le mundo se caba mañana, yo, hoy todavía plantaría un árbol” Martin Luther King

  18. tomás:

    Amigo Miguel Ángel:
    No conocía esa cita, pero estoy seguro de que tu lo harías y muchos de los que por esta página estamos, también. Es el afán por continuar el deber autoimpuesto, con esperanza o sin ella.
    Un gran abrazo.

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