Energía
Soluciones de Almacenamiento de Energía Solar: Eficiencia Incrementada en “Más de una Orden de Magnitud” en un Avance de Conversión
“La capacidad mundial para generar electricidad renovable se está expandiendo más rápido que en cualquier momento de las últimas tres décadas,” dijo la Agencia Internacional de Energía en un informe publicado a principios de este año.
Este crecimiento, según la organización intergubernamental autónoma con sede en París, ofrece “una oportunidad real de lograr” el objetivo de triplicar la capacidad global, que se estableció en la conferencia climática COP28, para finales de esta década.
La capacidad renovable ha crecido significativamente durante la última década, con la energía solar desempeñando un papel importante en ello. En 2023, las fuentes renovables produjeron el 30 % de la electricidad mundial, y la energía solar fotovoltaica representó tres cuartas partes de las nuevas adiciones a la capacidad renovable mundial.
Esto tiene sentido, dado que el costo de la energía solar sigue disminuyendo, volviéndose más barato que el carbón. Además de ofrecer beneficios económicos como la certeza de costos a largo plazo, la energía solar también aumenta la resiliencia y reduce las emisiones de carbono.
Sin embargo, a pesar de estos beneficios y del hecho de que el 50 % del consumo final de energía global se utiliza para calefacción, el uso de la energía solar sigue siendo bajo en comparación con las fuentes de energía fósil.
Esto se debe a que la energía solar tiene limitaciones únicas, incluida su indisponibilidad durante la noche, mientras que el consumo máximo de energía tiende a ocurrir por la tarde. Además, el cambio climático afecta tanto su demanda como su suministro.
“Necesitamos pensar en cómo el cambio climático impactará el sistema energético en su conjunto porque, desafortunadamente, ningún sistema de generación eléctrica es inmune a los efectos del cambio climático.”
– Romany Webb, subdirectora del Sabin Center for Climate Change Law en la Columbia Climate School
En lo que respecta al impacto climático, las olas de calor más frecuentes hacen que los paneles solares sean menos eficientes, mientras que la mayor demanda de refrigeración sobrecarga la red y afecta negativamente al sistema. Se ha demostrado que los huracanes disminuyen la generación fotovoltaica entre un 18 % y un 60 %, mientras que los ciclones tropicales pueden reducir la radiación solar en un 80 %. El clima extremo, como los peligros de viento, puede dañar aún más la infraestructura de energía solar.
Todas estas limitaciones significan que el almacenamiento eficiente de energía solar puede abrir una gran cantidad de posibilidades.
Las soluciones de almacenamiento efectivas permiten almacenar el exceso de energía para su uso durante los picos cuando el sol se pone. De este modo, las cargas eléctricas pueden equilibrarse según la demanda y la oferta, permitiendo un flujo de energía constante.
El almacenamiento de energía solar también brinda protección durante eventos disruptivos como incendios forestales, cuando la red eléctrica se vuelve vulnerable a apagones.
Entonces, ¿cuáles son estas soluciones de almacenamiento? Bueno, generalmente se dividen en tres categorías principales: baterías, mecánicas y térmicas. Entre ellas, las baterías, especialmente las de iones de litio, son la forma más común y rentable de almacenar energía solar.
Sin embargo, los investigadores están constantemente desarrollando nuevas innovaciones. Un enfoque completamente nuevo para cosechar y almacenar energía solar de manera más eficiente implica el uso de estrategias de sensibilización poco exploradas.
Recolección y Almacenamiento de Energía Solar Más Eficientes
Para abordar el problema principal del uso limitado de energía solar a nivel mundial —la intermitencia de su disponibilidad directa— investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y la Universidad de Siegen han desarrollado sistemas moleculares para almacenar energía solar.
En contraste con los sistemas tradicionales de almacenamiento térmico de energía, que almacenan energía solo por períodos cortos, los sistemas moleculares de almacenamiento de energía solar pueden almacenarla durante un período prolongado, de varias semanas a meses. Esto se debe a que la energía solar se almacena aquí en forma de enlaces químicos.
El funcionamiento de los sistemas moleculares de almacenamiento de energía solar consiste en que moléculas especializadas o fotoswitches primero absorben la energía solar y luego la liberan como calor bajo demanda.
Incluso este sistema no está exento de desafíos. El problema clave al excitar fotoswitches es el compromiso entre la absorción eficiente de la luz solar y la capacidad de almacenamiento de energía. Esto limita el rendimiento general de los sistemas moleculares de almacenamiento de energía solar.
Por lo tanto, el equipo de investigación de Mainz y Siegen realizó un estudio para superar este problema mediante un nuevo enfoque.
La nueva clase de fotoswitches se introdujo inicialmente en Siegen y mostró un potencial de almacenamiento de energía increíble en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio.
La química de baterías más utilizada, estas baterías incluyen una o varias celdas de iones de litio además de una placa de circuito. Una celda de iones de litio tiene electrodos, un ánodo, un cátodo, un electrolito que conduce la electricidad, colectores de corriente y un separador. Un fotoswitch, por su parte, es una molécula que cambia su geometría estructural y sus propiedades químicas cuando se expone a radiación electromagnética.
El fotoswitch novedoso, aunque posee un potencial de almacenamiento de energía excepcional, su funcionalidad estaba limitada a la activación por luz ultravioleta (UV). La luz UV tiene longitudes de onda de 10 a 400 nanómetros y constituye solo una pequeña parte del espectro solar.
Así, el estudio más reciente propuso una técnica de recolección de luz indirecta. Esta es similar a cómo funciona la recolección de luz en la fotosíntesis. Aquí, se incorpora un segundo compuesto, que es un sensibilizador que muestra excelentes cualidades de absorción de luz visible. Según el profesor Christoph Kerzig del Departamento de Química de la JGU, quien lideró el estudio junto con el estudiante de doctorado Till Zähringer:
“En este enfoque, el sensibilizador absorbe la luz y posteriormente transfiere energía al fotoswitch, que no puede ser excitado directamente bajo estas condiciones.”
Con este nuevo enfoque, los equipos de investigación han mejorado la eficiencia del almacenamiento de energía solar en más de una orden de magnitud. Este gran avance en la conversión de energía abre aplicaciones potenciales tanto para soluciones de calefacción doméstica como para almacenamiento de energía a gran escala.
El equipo de investigación con sede en Mainz también realizó análisis espectroscópicos exhaustivos para explorar el sistema complejo y comprender el mecanismo subyacente.
Obtener una comprensión detallada de cómo funciona el sistema ayudará a “impulsar sustancialmente el límite de recolección de luz,” dijo el primer autor Zähringer, añadiendo que también podría mejorar la eficiencia de conversión de la luz en energía química almacenada.
En condiciones operativas, cada fotón absorbido puede desencadenar un proceso de formación de enlaces químicos. Esto rara vez se observa en reacciones fotoquímicas debido a varios canales de pérdida de energía.
Los investigadores validaron con éxito la solidez de la practicidad del sistema al ciclar repetidamente entre los estados de almacenamiento y liberación de energía utilizando luz solar, resaltando el potencial del sistema para aplicaciones del mundo real.
Desarrollos Recientes en la Recolección y Almacenamiento de Energía Solar
Dado el gran papel que la energía solar desempeña en la combinación de energía renovable, ha sido el foco creciente entre investigadores, empresas e iniciativas gubernamentales, que intentan comprender más a fondo su funcionamiento y desarrollar mejores soluciones para cosechar la energía y su almacenamiento.
Nueva investigación de la Universidad Estatal de Carolina del Norte se ha centrado en proporcionar una comprensión más profunda de lo que ocurre en células orgánicas cuando la luz solar se convierte en electricidad. Para visualizar las interfaces donde la energía luminosa se convierte en cargas eléctricas, los investigadores desarrollaron un método novedoso, microscopía de sonda de escaneo, y lo utilizaron para mejorar la eficiencia de las células solares.
Fabricadas con materiales poliméricos basados en carbono, las células solares orgánicas tienen el potencial de usarse en aplicaciones solares flexibles y ligeras, así como en aplicaciones de ventanas semitransparentes o totalmente transparentes, pero no son tan eficientes como las tecnologías solares de perovskita o silicio al convertir la luz en electricidad.
Esto se debe a que estas células están compuestas por una mezcla de dos materiales; uno de ellos cosecha electrones (donante) pero luego debe interactuar con el segundo para transferirlos (aceptor), y las interfaces entre ambos son responsables de una pérdida de voltaje, lo que limita la eficiencia de las células solares orgánicas.
El estudio más reciente encontró que tanto la diferencia de energía entre los materiales donantes y aceptores constituyentes, como el desorden energético a lo largo de las interfaces, impulsan la pérdida de voltaje.
Según el coautor Aram Amassian, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, seleccionar materiales con mínimos desfases energéticos reduce las pérdidas de voltaje. Los parámetros de solvente y procesamiento que disminuyen el desorden interfacial pueden reducir aún más las pérdidas de energía.
Otro estudio reciente asumió la tarea de estimar de manera fiable la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía domésticos para obtener una idea del futuro despliegue de sistemas fotovoltaicos residenciales efectivos.
Para ello, los investigadores introdujeron una técnica escalable de estimación de capacidad, que implica tres pasos clave: determinar cuándo un sistema de almacenamiento está a plena capacidad y cuándo está vacío, y calcular la capacidad entre estos dos estados.
Luego se utilizó para medir 21 sistemas basados en baterías de iones de litio en hogares privados en Alemania durante ocho años. El análisis reveló que, en promedio, los sistemas perdieron entre un 2 % y un 3 % de su capacidad anualmente.
Cabe destacar que el método puede ser utilizado por fabricantes y empresas de energía solar para estimar la capacidad de sus sistemas de almacenamiento de energía. Además, los investigadores publicaron un extenso conjunto de datos, que comprende 14 mil millones de puntos de datos de más de 100 años, que pueden usarse para realizar estudios adicionales o entrenar modelos computacionales.
A principios de este año, en junio, los investigadores también desarrollaron un sistema innovador de recolección de luz que puede “absorber una gran cantidad de energía luminosa en una capa delgada”, muy similar a los sistemas naturales de recolección de luz.
Al tener una estructura de banda similar a la de los semiconductores inorgánicos, puede absorber luz pancromáticamente a lo largo de todo el rango visible, mientras que el uso de altos coeficientes de absorción de colorantes orgánicos le permite absorber mucha energía.
El sistema tiene cuatro colorantes merocianina diferentes que están plegados y apilados muy cerca, lo que permite un transporte de energía ultra rápido y eficiente dentro de él. Se ha descubierto que el sistema puede convertir el 38 % de la luz irradiada en energía.
Para un almacenamiento eficiente de la energía solar y la reducción de la pérdida de conversión, investigadores de todo el mundo también se reunieron a principios de este año para estudiar la dinámica de la transformación foto- y electroquímica con el fin de diseñar una molécula más adecuada para las funciones deseadas.
Los investigadores están estudiando el norbornadieno para esto, que es un isómero de hidrocarburo con dos anillos moleculares y, cuando se expone a luz UV, se convierte en un cuadridiciclano mucho más tensionado.
Dado que la densidad de energía pura del sistema norbornadieno‑cuadridiciclano es comparable a la de una batería de iones de litio, si su conversión inversa puede controlarse de manera fiable, se podría lograr un módulo solar eficiente que también sea adecuado para almacenar electricidad.
Enfocarse en moléculas de hidrocarburos ofrece un método rentable que no requiere metales raros y puede reciclarse o disponerse fácilmente. Todos estos desarrollos recientes en el sector son una prueba del creciente enfoque en aumentar la adopción de energía solar en todo el mundo.
Empresas Posicionadas para Beneficiarse del Avance
Ahora, analizaremos dos de los nombres más destacados que pueden beneficiarse o ofrecer dicho sistema molecular de almacenamiento de energía solar. Estos dos nombres son NextEra Energy, Inc. (NEE ) y Enphase Energy, Inc. (ENPH ), ambos son empresas con sede en EE. UU. y están activamente involucradas en energía renovable.
1. NextEra Energy (NEE )
Conocida por sus inversiones en tecnologías de energía renovable, NextEra Energy puede beneficiarse de dicha tecnología en términos de eficiencia de almacenamiento.
Con una capitalización de mercado de 161 mil millones de dólares, las acciones de NextEra se cotizan actualmente a 78,37 $, con un aumento de más del 29 % este año hasta la fecha. La compañía tiene un BPA (TTM) de 3,37 y una relación P/E (TTM) de 23,24, mientras paga un rendimiento de dividendo del 2,63 %.
(NEE )
La empresa de infraestructura energética recientemente informó los resultados financieros del 3T24, revelando que su ingreso neto aumentó a 1,85 mil millones de dólares, comparado con 1,29 mil millones en el 3T de 2023. Las ganancias ajustadas por acción, mientras tanto, aumentaron un 10 % interanual. Estos resultados, según su CEO John Ketchum, muestran “un desempeño financiero y operativo sólido y continuo”.
Mientras tanto, Florida Power & Light Company (FPL), propiedad de NextEra Energy, tuvo un ingreso neto de 1,29 mil millones de dólares, mientras sus gastos de capital fueron de 2 mil millones, y el capital regulatorio empleado aumentó un 9,5 % interanual. Al hablar de sus clientes de Florida afectados por los huracanes Helene y Milton, Ketchum señaló que las “inversiones de FPL en reforzamiento y tecnología de red inteligente evitaron cientos de miles de apagones.”
Ahora, NextEra Energy Resources, por segundo trimestre consecutivo, añadió alrededor de 3 gigavatios de nuevos proyectos de renovables y almacenamiento a su cartera. También anunció acuerdos con dos clientes Fortune 50 para el desarrollo de proyectos de renovables y almacenamiento, sumando hasta 10,5 gigavatios hasta 2030.
“El continuo sólido desempeño de nuestros negocios y nuestra escala, experiencia y tecnología nos permitirá capitalizar la oportunidad que la creciente demanda de energía está trayendo a nuestro sector.”
– Ketchum, CEO de NextEra Energy
La semana pasada, la principal empresa de energía limpia celebró un acuerdo para vender unidades de capital por valor de 1,5 mil millones de dólares a importantes instituciones financieras, incluyendo Goldman Sachs, J.P. Morgan y Mizuho. Los fondos se utilizarán para inversiones en proyectos de energía y potencia relacionados con IA y para pagar sus obligaciones pendientes de papel comercial.
A medida que la fiebre de la IA genera una mayor demanda de energía de los centros de datos de IA y la compañía se centra en expandir su negocio de energía renovable, NextEra Energy también está realizando estudios y manteniendo conversaciones con reguladores federales sobre la reactivación de la planta nuclear Duane Arnold en Iowa.
2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )
Especializada en inversores solares y almacenamiento, Enphase Energy también podría expandirse para incluir almacenamiento molecular innovador si resulta comercialmente viable, mejorando la resiliencia y eficiencia energética para sus consumidores.
Con una capitalización de mercado de 11,8 mil millones de dólares, las acciones de Enphase se cotizan actualmente a 87,46 $, con una caída del 33,87 % este año. La compañía tiene un BPA (TTM) de 0,44 y una relación P/E (TTM) de 198,82. Para el 3T 2024, la empresa global de tecnología energética reportó ingresos de 380,9 millones de dólares y un margen bruto no GAAP del 48,1 %. Durante este período, Enphase envió más de 1,73 millones de microinversores y 172,9 MWh de baterías.
(ENPH )
El principal proveedor mundial de sistemas solares y de baterías basados en microinversores, sin embargo, terminó el trimestre con 161,6 millones de dólares en flujo de caja libre, mientras que el efectivo, equivalentes de efectivo y valores negociables ascendían a 1,77 mil millones de dólares.
Durante este período, Enphase lanzó un software basado en IA para optimizar el uso de energía integrando la previsión solar y de consumo con las tarifas eléctricas, con el fin de ayudar a los consumidores a maximizar el ahorro.
En octubre, la compañía comenzó a enviar microinversores IQ8™ para respaldar paneles solares más nuevos y de alta potencia en países seleccionados, amplió su apoyo a los programas de servicios de red (o plantas de energía virtuales) en estados seleccionados de EE. UU., y lanzó microinversores IQ8X con la garantía residencial estándar más larga de 25 años en Australia.
En los dos meses anteriores, lanzó su Sistema Enphase Energy más potente hasta la fecha, anunció una solución para ampliar los sistemas solares de medición neta de energía (NEM) heredados en California sin penalizaciones, lanzó conectores NACS para cargadores eléctricos IQ, y envió microinversores IQ8 para respaldar módulos solares más nuevos y de alta potencia en países seleccionados de toda Europa. También introdujo IQ Energy Management para habilitar el soporte de tarifas eléctricas dinámicas y la integración de cargadores de vehículos eléctricos y bombas de calor de terceros en los Países Bajos.
La compañía ahora se está preparando para el lanzamiento del cargador EV IQ® de segunda generación, la batería IQ de 3 fases con respaldo y el kit solar de balcón IQ® para el mercado europeo, mientras que su sistema energético de cuarta generación, que incluye el Collar de Medidor IQ®, la batería IQ de 10 kWh y el Combiner IQ® mejorado, debutará en EE. UU. a principios del próximo año.
En general, las ventas de Enphase en Europa cayeron un 15 % respecto al 2T debido a “un mayor debilitamiento de la demanda europea”, mientras que la normalización del inventario hizo que sus ingresos en EE. UU. aumentaran un 43 % de manera secuencial.
Conclusión
En medio del impulso global hacia la energía renovable, la energía solar se ha convertido en un actor destacado al ofrecer una solución limpia y abundante. Sin embargo, su adopción a nivel mundial se ve afectada por el costo, la necesidad de soluciones más eficientes y la falta de infraestructura, entre otros factores.
Los avances recientes, que van desde el almacenamiento solar molecular hasta innovaciones en células solares orgánicas, ofrecen un gran potencial para hacer la energía solar más eficiente, ayudar a satisfacer la demanda mundial de energía, incluso en condiciones adversas, y allanar el camino hacia un futuro sostenible.
Haga clic aquí para obtener una lista de las principales acciones de energía solar.
