Solar nocturna: cómo los diodos termoradiativos podrían eliminar pronto la necesidad de baterías

Una de las fuentes de energía más abundantes y naturales que tenemos es la energía solar. Cada día, el sol se levanta y nos brinda su luz, ofreciéndonos calor y electricidad.

Incluso las áreas aisladas, remotas y rurales pueden aprovechar esta fuente de energía, dado que la mayoría de los lugares del planeta reciben luz solar en cierta medida. No se necesita ni siquiera una gran parte de esta fuente inagotable; menos del 10 % de la energía solar es suficiente para ayudarnos a satisfacer la demanda energética global.

Como fuente de energía renovable, no genera emisiones nocivas de gases de efecto invernadero y es perfectamente compatible con la red eléctrica y las baterías.

El uso de la luz solar no es totalmente nuevo. Los humanos utilizaban la luz del sol ya en el siglo VII a.C. para encender fuego reflejando los rayos solares sobre objetos brillantes.

Sin embargo, los avances tecnológicos han hecho que capturar la luz solar para generar electricidad y luego almacenarla para su uso posterior sea altamente eficiente.

Las tecnologías solares capturan la radiación electromagnética, que es la luz emitida por el sol, y la convierten en formas útiles de energía. Los dos principales tipos de tecnologías solares son la fotovoltaica (PV), utilizada en paneles solares, y la energía solar termo‑eléctrica concentrada (CSP).

Los paneles solares son actualmente el medio más popular para producir electricidad a partir de la energía solar. Los paneles PV tienen una vida útil de 20‑25 años, y requieren un mantenimiento mínimo una vez instalados, aparte de una limpieza periódica.

Generalmente fabricados con un material semiconductor como el silicio, cuando el material se expone a los fotones de la luz solar, libera electrones y produce una carga eléctrica. Esa carga genera una corriente eléctrica, que es captada por los paneles solares y luego un inversor la convierte en corriente alterna (CA), que se utiliza para alimentar sus dispositivos.

El efecto fotovoltaico (PV) se descubrió en realidad hace décadas, en 1839, cuando el físico francés Edmond Becquerel experimentaba con una celda hecha de electrodos metálicos en una solución conductora y observó que la celda generaba más electricidad al estar expuesta a la luz.

Luego, en 1954, la tecnología PV nació con el desarrollo de la celda PV de silicio, que podía absorber y convertir la energía del sol en energía para hacer funcionar los equipos eléctricos cotidianos.

Hoy, los sistemas de energía solar están integrados no solo en hogares y empresas, sino que se han convertido en una parte importante de la combinación de fuentes de energía renovable para proporcionar suministro eléctrico.

La energía solar realmente tiene el potencial de reducir significativamente la electricidad, generar energía de respaldo al combinarla con almacenamiento, contribuir a una red eléctrica resiliente, operar tanto a pequeña como a gran escala con una eficiencia similar, y crear empleos e impulsar el crecimiento económico.

Mientras tanto, en términos de costo, además de los evidentes costos de hardware, existen también costos blandos como permisos, financiamiento e instalación de sistemas solares, junto con otros gastos operativos de dichas compañías, que afectan el precio de la energía solar.

Aunque la energía solar tiene enormes beneficios, el desafío sigue siendo la intermitencia. La cantidad de luz solar disponible, después de todo, varía según la hora, la ubicación y la estación.

Por ejemplo, la fotovoltaica genera energía principalmente a mitad del día, cuando el sol está más brillante. Si bien los sistemas de almacenamiento más eficientes y fiables nos han permitido usar esta fuente de energía durante todo el día, incluso cuando el sol se ha puesto o está nublado, los investigadores están buscando alternativas mejores.

En 2022, investigadores de la Universidad de New South Wales (UNSW) lograron un gran avance en este campo, lo que les permitió producir electricidad a partir de la energía solar incluso durante la noche. Esta tecnología ahora se está llevando al espacio.

Energía Solar Nocturna

Así que, hace dos años, en mayo, un equipo de UNSW logró este gran avance en la tecnología de energía renovable al producir electricidad a partir de la energía solar durante la noche.

El equipo de investigadores de la School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) produjo electricidad a partir del calor emitido por la Tierra como luz infrarroja (IL), de manera similar a cómo se enfría por la noche al irradiar al espacio.

Para ello, el equipo creó un dispositivo semiconductor llamado diodo termoradiativo. Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite que la corriente fluya en una dirección mientras la restringe en la otra. Convierten corriente alterna (CA) en corriente continua pulsante (CC).

Un diodo termoradiativo (TRD), por su parte, produce electricidad al emitir IL. Puede generar energía a partir de cualquier superficie cálida y, por lo tanto, tiene la capacidad de proporcionar energía solar durante la noche. El diodo termoradiativo del equipo se fabricó con materiales utilizados en gafas de visión nocturna (NV) para generar electricidad a partir de la luz infrarroja emitida.

En cuanto a la capacidad de potencia, era muy pequeña, 100 000 veces menor que la suministrada por un panel solar. A pesar de ello, los investigadores creían que el resultado podría mejorarse en el futuro. Según el líder del equipo, el Profesor Asociado Ned Ekins-Daukes:

Hemos realizado una demostración inequívoca de energía eléctrica a partir de un diodo termoradiativo.

Explicó que, al usar cámaras de imágenes térmicas, podemos ver la cantidad de radiación durante la noche. Sin embargo, esto solo ocurre en el infrarrojo (radiación electromagnética con longitudes de onda entre 760 nm y 100 000 nm) y no en la longitud de onda visible (entre 380 y 780 nanómetros). Así, el equipo creó un dispositivo “que puede generar energía eléctrica a partir de la emisión de radiación térmica infrarroja”.

En última instancia, el proceso sigue aprovechando la energía solar, dijo el Profesor Ekins-Daukes. Durante el día, la luz solar golpea nuestro planeta, calentándolo. Esa misma energía se irradia de vuelta al vasto y frío espacio exterior por la noche en forma de luz infrarroja. El concepto de diodo radiante aprovecha este proceso, que el equipo ha demostrado que genera electricidad.

Siempre que hay un flujo de energía, podemos convertirlo entre diferentes formas.

– Profesor líder del equipo Ekins-Daukes

Así como desarrollamos el proceso artificial de la fotovoltaica para la conversión directa de la luz solar en electricidad, de manera similar, con el proceso termo‑radiativo, la energía que fluye en el infrarrojo desde una Tierra cálida se ha desviado hacia el universo frío.

Además, al igual que una celda solar puede producir electricidad al absorber la luz solar, el diodo termoradiativo produce electricidad al emitir luz infrarroja hacia un entorno más frío.

En ambos casos, la diferencia de temperatura es lo que nos permite generar electricidad.

– La coautora del artículo, Dra. Phoebe Pearce

Lo que antes era un proceso teórico se logró prácticamente por el equipo para confirmar que en el futuro se pueden fabricar dispositivos especializados y mucho más eficientes que capturen la energía a una escala mucho mayor.

El Prof. Ekins-Daukes comparó la nueva investigación con la de los ingenieros de Bell Labs cuando mostraron la primera celda solar de silicio práctica, que solo tenía alrededor del 2 % de eficiencia. Hemos recorrido un largo camino desde entonces, y ahora podemos convertir aproximadamente el 23 % de la luz del sol en electricidad.

Según el coautor Dr. Michael Nielsen:

Incluso si la comercialización de estas tecnologías aún está lejos, estar al principio de una idea en evolución es un lugar tan emocionante para estar como investigador.

Esta nueva tecnología, según los investigadores, puede encontrar muchas aplicaciones en el futuro, incluyendo alimentar dispositivos biónicos como corazones artificiales que actualmente usan baterías que deben reemplazarse regularmente. Por lo tanto, su tecnología novedosa podría eliminar la necesidad de baterías en ciertos dispositivos o ayudar a recargarlas.

Hasta ahora, sin embargo, el diodo radiante solo ha podido generar “una potencia relativamente muy baja”. Ha sido un desafío detectar la potencia, y aún queda aproximadamente una década de trabajo de investigación universitaria antes de que la industria lo adopte. Pero en teoría, es posible que la tecnología “finalmente produzca alrededor de 1/10 de la potencia de una celda solar”.

Después de la “demostración inequívoca de energía eléctrica”, el equipo comenzó a trabajar con un nuevo material que es más fácil de fabricar, y así, escalar.

Al mismo tiempo, el equipo está trabajando en aplicar su tecnología a naves espaciales como satélites. Los satélites alimentados por energía solar no son una novedad; de hecho, se demostraron por primera vez en 1958.

Alimentados por celdas solares, estas naves espaciales dependen de baterías durante las condiciones de eclipse. Por lo tanto, los investigadores de UNSW están ahora aplicando la tecnología para generar energía para satélites mientras orbitan en la oscuridad.

La tecnología, que se utilizó por primera vez en el espacio, ahora se ha usado para producir enormes cantidades de electricidad a partir de la energía solar para nuestros hogares, y de manera similar, el Prof. Ekins-Daukes pretende “llevar el diodo radiante al espacio dentro de los próximos dos años”.

Haga clic aquí para aprender por qué el aumento del uso de la energía solar marca el comienzo de la era solar.

El Cambio hacia la Energía Solar Limpia & Abundante

Debido a que los paneles solares necesitan luz solar para generar energía y, por lo tanto, no pueden funcionar por la noche, se ha realizado mucha investigación y desarrollo para encontrar soluciones a este problema.

Una de las formas en que se ha abordado es el almacenamiento en baterías, que se utiliza para almacenar la energía excedente producida. Esa energía almacenada puede usarse cuando se quiera, por la noche y en días nublados. Productos como Tesla (TSLA ) Powerwall o Generac PWRcell ofrecen una alternativa. Estos bancos de baterías actúan como fuentes de electricidad fuera de la red durante cortes de energía.

Otra forma es la medición neta. Aquí, tener acceso a un programa de recompra solar le permite usar la red eléctrica local como su batería. Para obtener créditos en la factura, debe enviar la energía excedente generada por sus paneles solares durante el día de vuelta a la red. Los créditos obtenidos se aplicarán a su factura eléctrica para cubrir el consumo de energía nocturna.

Los investigadores incluso han creado paneles solares que capturan electricidad del cielo nocturno. Por ejemplo, las celdas anti-solares funcionan al revés de los paneles solares durante el día. Luego, existen paneles impulsados por fricción que convierten el movimiento en energía y aprovechan la radiación de superficies cálidas.

Recientemente, científicos de la Universidad de Stanford diseñaron un nuevo tipo de panel solar para producir electricidad por la noche. Para ello, integraron un generador termoeléctrico en las celdas solares convencionales. No solo puede ofrecer generación continua de energía, sino que también mejora la eficiencia durante el día.

Luego está la startup californiana Reflect Orbital, que ha compartido su plan de vender luz solar por la noche. Para lograrlo, planea usar una constelación de satélites equipados con espejos de mylar, que orbitarán a 370 millas sobre la superficie. Reflejarán la luz solar sobre los paneles solares en la superficie de la Tierra.

Creemos que la luz solar es el nuevo petróleo, y el espacio está listo para apoyar la infraestructura energética.

– Co-fundador de Reflect Orbital, Ben Nowack, en X (anteriormente Twitter)

Si observamos los números, entre las fuentes de energía limpia, la solar está ciertamente liderando. 2023 fue en realidad un año récord para esta fuente de energía, ya que el mundo instaló 447 GW de nueva capacidad solar, un asombroso 78 % de toda la nueva capacidad renovable añadida. Con un aumento del 87 % respecto al año anterior, el mercado solar global registró una tasa de crecimiento que no se había visto desde 2010.

La mayor parte de este crecimiento fue impulsada por China, que es el mayor mercado solar del mundo. Añadió 253 GW de nueva capacidad solar fotovoltaica, un aumento del 167 %, y fue responsable del 57 % de la capacidad instalada global el año pasado.

Este “crecimiento inesperado” en la energía solar total, según la Perspectiva del Mercado Global de Energía Solar 2024-2028, se debió a un colapso masivo de precios de aproximadamente el 50 % de los módulos. Esta caída se ha producido debido a un aumento sustancial de la capacidad de fabricación global de PV, lo que resultó en sobrecapacidad.

Además de que los pedidos de años anteriores se instalaron finalmente en 2023, individuos, empresas y gobiernos se han volcado a la energía solar como una solución fiable y rentable a los altos precios de la energía.

Gracias a una mayor disponibilidad de productos, mejoras de costos y los numerosos beneficios que brinda la tecnología, el informe anticipa “un crecimiento sustancial de la demanda de energía solar fotovoltaica en los próximos años”.

Empresas que Impulsan el Sector de la Energía Solar

Ahora, echemos un vistazo a algunos nombres destacados que han tomado rutas alternativas para generar energía.

Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) es una de esas compañías que opera parques eólicos y plantas de energía solar para proporcionar energía limpia y renovable, mientras Ormat Technologies (ORA ) se centra en la generación de energía geotérmica. Heliogen es otro nombre en este espacio, y utiliza IA y tecnología avanzada de espejos para concentrar la luz solar y generar electricidad. Enphase Energy (ENPH ) y Piedmont Lithium (ELVR ), por su parte, lideran el campo del almacenamiento de energía.

#1. Bloom Energy

Esta empresa está utilizando tecnología de celdas de combustible de óxido sólido para generar electricidad fiable y eficiente. Al usar sus servidores de energía para generación in situ, Bloom Energy (BE ) ofrece una alternativa más limpia a la generación de energía tradicional y reduce la dependencia de la red.

Al momento de escribir, las acciones de BE cotizan a $10.80, con una caída del 26.82 % en lo que va del año, y una capitalización de mercado de $2.465 mil millones. Bloom Energy tiene un EPS (TTM) de -1.30 y un P/E (TTM) de -8.31. Para el segundo trimestre de 2024, la compañía informó $335.8 millones en ingresos, lo que representa un aumento del 11.5 % interanual. El margen bruto del trimestre fue del 20.4 %, mientras que su pérdida operativa ascendió a $23.1 millones. Bloom Energy también emitió notas verdes convertibles al 3 % durante ese período para fortalecer su balance.

Además, la compañía se asoció con el líder de IA CoreWeave (CRWV ) para alimentar el centro de datos de alto rendimiento propiedad de Chirisa Technology Parks. Las celdas de combustible de Bloom también alimentarán los centros de datos AWS de Silicon Valley Power de 20 MW. Según el CEO de Bloom, KR Sridhar:

Ahora se comprende ampliamente que la demanda de electricidad se espera que supere con creces la oferta disponible a través de la red. Esto le presenta a Bloom una gran oportunidad. Estamos viendo altos niveles de interés comercial en nuestros productos y soluciones. Continuamos ejecutando bien, avanzando nuestra tecnología y ampliando nuestro equipo para el crecimiento futuro.

#2. NextEra Energy

Con un enfoque en solar, eólica y almacenamiento de baterías, NextEra se ha convertido en uno de los mayores productores de energía renovable. Las acciones de la compañía de energía eléctrica e infraestructura energética cotizan actualmente a $83.85, con un aumento del 38.05 % en lo que va del año, lo que sitúa la capitalización de mercado de NextEra en $172.27 mil millones. Su EPS (TTM) es 3.67 y su P/E (TTM) es 22.85.

Para el segundo trimestre de 2024, la compañía informó una utilidad neta GAAP de $1.622 mil millones mientras añadía más de 3,000 MW de nuevos proyectos de energía renovable y almacenamiento a su cartera. Hace un par de meses, mientras tanto, su subsidiaria NextEra Energy (NEE ) Resources, junto con Entergy, anunció un acuerdo de desarrollo conjunto para acelerar la creación de hasta 4.5 GW de nueva generación solar y proyectos de almacenamiento de energía.

Conclusión

El sol es un recurso de energía inagotable y, cuando se combina con tecnologías eficientes y avanzadas, ofrece un gran potencial para satisfacer la creciente demanda energética global y abordar el problema del cambio climático.

Como líder emergente de la actual transición global hacia la energía limpia, la industria solar ha visto una gran cantidad de inversiones, superando a todas las demás tecnologías de generación combinadas el año pasado y su desarrollo. Todo esto ha llevado a numerosos avances en la tecnología solar, como celdas solares con seguimiento solar, celdas solares imprimibles, ventanas fotovoltaicas y, por supuesto, generación de energía solar nocturna, lo que puede ayudar a impulsar la energía solar hacia convertirse en la solución energética a largo plazo para las generaciones futuras.

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