NeoFronteras

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.

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).