La búsqueda de energía sostenible lleva a descubrimientos no convencionales

El consumo global de energía está aumentando a un ritmo acelerado. En 2023, este crecimiento fue del 2,2%, en comparación con un promedio anual del 1,5% entre 2010 y 2019.

Este ritmo más rápido de consumo de energía es impulsado principalmente por China, que, con +6,6%, fue el doble de su promedio 2010-2019. Otros contribuyentes incluyen India, Irán, Brasil, los Emiratos Árabes Unidos, Argelia, Vietnam e Indonesia. En contraste, el consumo de energía disminuyó en Japón, Corea del Sur, Sudáfrica y la UE, y se mantuvo estable en EE. UU.

En general, el consumo global de energía ha aumentado aproximadamente un tercio desde el 2000. Actualmente se estima en 580 millones de terajulios, y se proyecta que este consumo energético anual alcance los 740 millones de terajulios para 2040.

Sin embargo, lo más preocupante es que la gran mayoría de esta energía —83%— proviene de combustibles fósiles, siendo el petróleo la mayor fuente de energía, seguido por el carbón y el gas natural, que emiten enormes cantidades de CO₂ a la atmósfera.

Esto requiere una necesidad urgente de innovar en energía verde. Mientras se espera que la energía renovable crezca, este aumento es apenas del 4 por ciento, llevándola al 6 % del uso de energía primaria global.

Así, en este contexto de necesidad global de transformar el sistema energético, la energía solar ha surgido como un posible factor de cambio. Esto se debe a que la energía generada por el sol tiene el potencial de alimentar a todo el mundo y más.

La Tierra necesita solo un par de horas de energía solar para proporcionar al mundo entero la energía que necesita durante un año completo. 

También es la fuente de energía renovable más limpia y abundante disponible. Además, ofrece la ventaja de descarbonizar, reducir los costos energéticos, tener un impacto ambiental mucho menor y proporcionar mayor acceso y seguridad energética.

Por supuesto, existen varios desafíos asociados con la captura de energía solar; de lo contrario, ya la estaríamos utilizando extensamente. Además del desafío principal de la intermitencia solar, ya que el sol no brilla todo el día, hay desafíos adicionales relacionados con la ubicación, las soluciones de almacenamiento y la tecnología necesaria para aprovechar esta energía.

En cuanto a la captura de energía solar, existen varias formas de captar la radiación solar y convertirla en energía. 

Un método es utilizar energía solar activa, que implica el uso de dispositivos eléctricos o mecánicos para convertir la energía solar en otra forma de energía de manera activa. Esto se logra mediante fotovoltaica (PV) o energía solar concentrada (CSP).

En la PV, la luz solar se convierte en electricidad mediante materiales semiconductores que presentan el efecto fotovoltaico. La tecnología PV es más conocida como paneles solares, que son un conjunto de celdas solares, cada una con un semiconductor que genera una corriente eléctrica al absorber la luz solar.

En la CSP, lentes y espejos concentran la luz solar de una gran área en una mucho más pequeña para generar electricidad. Los hornos solares, que incluyen diferentes tipos, como torres de energía solar y canales parabólicos, son un ejemplo de energía solar concentrada.

Otro método es utilizar energía solar pasiva, que no emplea dispositivos externos sino que aprovecha el clima local. Por ejemplo, diseñar un edificio para recibir la cantidad deseada de luz solar y construir edificios con aislamiento térmico son ejemplos de este método. Otros ejemplos incluyen techos fríos y techos verdes.

Sin embargo, esta no es la última técnica para utilizar la energía solar. Dado su enorme potencial, los investigadores siempre están explorando nuevas formas de capturar la energía solar y convertirla en energía útil, así como de hacerla rentable y más eficiente para que realmente sea útil en nuestra vida diaria. 

Generación de electricidad solar a partir de teléfonos y automóviles  

Investigadores de la Universidad de Oxford realizaron recientemente un desarrollo interesante en el campo de la tecnología de energía solar. Con esta tecnología, la electricidad solar puede ser generada a partir de las superficies de automóviles y teléfonos móviles.

Fuente: Oxford University

Sí, lo escuchó bien: en lugar de instalar filas y filas de paneles solares basados en silicio, se puede generar cada vez más electricidad solar simplemente a través de objetos cotidianos.

Esta innovación es posible gracias a un nuevo material generador de energía recubierto en las superficies de estos objetos. El material absorbente de luz es lo suficientemente delgado y flexible como para aplicarse a casi cualquier superficie. Este enfoque revolucionario implica apilar varias capas absorbentes de luz en una sola celda solar. 

Para ello, científicos del Departamento de Física de la Universidad de Oxford desarrollaron una técnica que les permitió aprovechar un rango más amplio del espectro luminoso, generando más energía a partir de la misma cantidad de luz solar.

El material, perovskita de película delgada, también ha sido certificado de forma independiente por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón, con una eficiencia energética superior al 27 %. Estas cifras igualan el rendimiento de la fotovoltaica de silicio, que son materiales generadores de energía tradicionales de una sola capa.

Según los investigadores, después de solo cinco años de experimentos usando el enfoque de unión múltiple o apilamiento, han incrementado la eficiencia de conversión de energía en aproximadamente un 21 %. Esto significa que, partiendo de una eficiencia inicial de alrededor del 6 %, ahora pueden convertir más del 22 % de la energía de la luz solar.

Con el material ya acercándose a los límites de lo que las fotovoltaicas de una sola capa de hoy pueden lograr, el Dr Shuaifeng Hu, investigador postdoctoral en Oxford, dijo:

“(Su técnica) podría permitir que los dispositivos fotovoltaicos alcancen eficiencias mucho mayores, superando el 45 % (en el futuro).”

Además de la eficiencia energética, la versatilidad del material es otro factor crucial. El material es ultra delgado, con poco más de un micrón (0,001 mm) de espesor, lo que lo hace casi 150 veces más delgado que una oblea de silicio. Las obleas de silicio generalmente tienen un grosor entre 0,5 mm y 400 micrones (0,4 mm), mientras que el rango de 2 a 25 micrones se utiliza para propósitos científicos específicos.

Esta delgadez del nuevo material significa que puede aplicarse no solo a cualquier objeto y edificio comunes, sino esencialmente a casi cualquier superficie, a diferencia de las fotovoltaicas existentes.

Al usar los nuevos materiales para recubrimiento, el Dr Junke Wang señaló:

“(Han) demostrado que podemos replicar y superar al silicio mientras también ganamos flexibilidad. Esto es importante porque promete más energía solar sin la necesidad de tantos paneles basados en silicio o granjas solares especialmente construidas.”

Se espera que este nuevo enfoque convierta a la energía solar en la forma más sostenible de energía renovable y reduzca aún más el costo, que ya ha disminuido hasta en un 90 % en los últimos 14 años.

Según el World Economic Forum, en 2010, el costo promedio mundial sin subsidios para generar un megavatio hora de electricidad a partir de fotovoltaicas solares era de 378 $, lo que descendió a solo 68 $ en 2019. La energía solar ahora es más barata que el carbón y la energía nuclear y casi tan eficiente económicamente como la eólica terrestre. Mientras que la energía eólica también ha visto una disminución de costos en este período, la nuclear y el carbón han aumentado o registrado una ligera caída.

Ahora, innovaciones como la perovskita de película delgada prometen ahorros de costos adicionales al reducir la necesidad de paneles de silicio y granjas solares diseñadas específicamente.

Según los investigadores, esta última innovación puede convertirse en una industria propia para fabricar materiales y generar energía solar de forma barata y sostenible utilizando objetos existentes. 

‘Hoja Artificial’ para producir combustible limpio

Los científicos no solo están haciendo posible generar electricidad solar de forma barata usando objetos cotidianos, sino que también están reconfigurando la fotosíntesis y, a su vez, revolucionando la forma en que generamos combustibles limpios.

En 2019, investigadores de la Universidad de Cambridge establecieron un nuevo referente cuando lograron una hoja artificial que crea gas de síntesis simplemente usando luz solar, dióxido de carbono y agua. 

Fuente: Cambridge University

El gas de síntesis es un gas derivado de combustibles fósiles, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, y se utiliza para crear plásticos, productos farmacéuticos, combustibles y fertilizantes. Dado que estamos acostumbrados a producir productos que consumimos a diario, es crucial que encontremos formas de “producirlo de manera sostenible.”

Así surge la hoja artificial, un dispositivo neutro en carbono alimentado por luz solar que no libera CO₂ a la atmósfera. Además, a pesar de funcionar con luz solar, la hoja artificial sigue operando eficientemente en días nublados y con nubosidad. 

Inspirados en la fotosíntesis, proceso natural mediante el cual las plantas usan la energía luminosa del sol para convertir dióxido de carbono y agua en alimento, los investigadores combinaron dos absorbentes de luz en la hoja artificial con un catalizador de cobalto. Cuando se sumerge en agua, uno de los absorbentes produce oxígeno con la ayuda del catalizador, mientras que el otro lleva a cabo la reacción química, reduciendo agua y CO₂ en hidrógeno y monóxido de carbono, que forman gas de síntesis.

Debido a que los absorbentes de luz funcionan incluso con niveles bajos de luz solar, esta tecnología puede usarse todo el día y en cualquier parte del mundo.

Aunque se han desarrollado otros dispositivos de hoja artificial, los investigadores de Cambridge señalaron que solo producen hidrógeno, a diferencia de su propio dispositivo, que puede producir gas de síntesis gracias a la combinación de materiales y catalizadores que emplearon.

El material utilizado para el catalizador molecular fue cobalto, que es de menor costo, abundante y mejor para producir monóxido de carbono que otros catalizadores como el platino o la plata.

Mientras tanto, sus absorbentes de luz fueron fabricados con perovskita en lugar de silicio o materiales sensibilizados por tintes. Los absorbentes de luz de perovskita proporcionaron un alto fotovoltaje y corriente eléctrica para impulsar la reacción química, que redujo CO₂ a CO.

El siguiente paso después del gas de síntesis es desarrollar un combustible líquido sostenible como sustituto de la gasolina. En lugar de producir gas de síntesis y luego convertirlo en combustible líquido, el estudio busca crear el combustible líquido directamente a partir de dióxido de carbono y agua.

Con la electricidad solo capaz de satisfacer una fracción de la demanda energética global total, la gasolina sintética puede ser un desarrollo vital, dijo el autor principal, el profesor Erwin Reisner del Departamento de Química de Cambridge, señalando la “gran demanda de combustibles líquidos para impulsar el transporte pesado, el transporte marítimo y la aviación de manera sostenible”.

En los últimos años, Reisner ha estado trabajando con su grupo para desarrollar una nueva hoja artificial que pueda producir inmediatamente etanol y propanol limpios sin producir primero gas de síntesis. Esto se ha logrado desarrollando un catalizador a base de cobre y paladio.

El primer autor del artículo, el Dr. Motiar Rahaman, dijo:

“(Poder) producir un combustible líquido práctico solo usando la energía del Sol” (hace de esto) un avance emocionante que abre nuevas vías en nuestro trabajo.

Por ahora, el dispositivo es solo una prueba de concepto. Los investigadores están trabajando para optimizar las hojas para absorber mejor la luz solar, refinar el catalizador para convertir más luz solar en combustible y, en última instancia, hacer que el dispositivo sea escalable para producir grandes volúmenes de combustible.

El profesor Reisner fue en realidad premiado con una Cátedra de Tecnologías Emergentes de la Royal Academy of Engineering a principios de este año. El premio de £2,5 millones permitirá a su equipo facilitar la transición del laboratorio al mercado de las tecnologías químicas solares.

Mientras el equipo de Reisner trabaja en escalar su producto, Yimin Wu, profesor de ingeniería en la Universidad de Waterloo, publicó otro artículo alrededor del mismo tiempo que la investigación del gas de síntesis. Este artículo también creó una ‘hoja artificial’ que convierte de forma económica el CO₂ nocivo en un combustible alternativo útil.

Nuevamente, inspirado en el proceso de la fotosíntesis, la hoja artificial produjo metanol y oxígeno, a diferencia de la hoja natural, que produce glucosa y oxígeno. 

El ingrediente clave aquí fue óxido cuproso, un polvo rojo optimizado, que fue diseñado para tener partículas con ocho caras. Fue el resultado de añadir acetato de cobre, glucosa, dodecil sulfato de sodio y hidróxido de sodio a agua calentada a una temperatura específica. 

Cuando se mezcla con agua y se expone a CO₂, actúa como desencadenante de otra reacción química, produciendo oxígeno y convirtiendo CO₂ en metanol. Se utilizó un simulador solar para emitir luz blanca. A medida que la solución se calentaba, la reacción recogía metanol, que se evaporaba.

Puntos cuánticos para crear ventanas solares de doble panel

Otro desarrollo en este campo ha sido puntos cuánticos, que son pequeñas partículas semiconductoras de entre 2 y 10 nanómetros. Su pequeño tamaño les confiere propiedades electrónicas y ópticas únicas, haciéndolos versátiles.

En una investigación en el Laboratorio Nacional Los Alamos, los puntos cuánticos fueron incorporados en el vidrio de ventanas para generar electricidad. Estos ‘puntos cuánticos de diseño’ absorben la luz solar y la convierten en energía sin afectar la transparencia de las ventanas. 

Esta innovación permite esencialmente que edificios enteros se conviertan en generadores de energía solar sin necesidad de paneles solares tradicionales, que son costosos y ocupan mucho espacio.

Fuente: Los Alamos National Laboratory

Según el investigador principal Victor Klimov, las ventanas de doble panel basadas en puntos cuánticos ofrecen un enfoque novedoso para reducir costos gracias al fuerte rendimiento que se puede lograr con estos “materiales de bajo costo y procesables en solución”.

Este nuevo método no reemplaza la tecnología PV actual. Los colectores de luz solar efectivos se añaden simplemente a los paneles solares existentes. También pueden integrarse como ventanas semitransparentes en la arquitectura de un edificio.

Mientras que los paneles fotovoltaicos actuales alcanzan una eficiencia de alrededor del 25 %, los puntos cuánticos ofrecen el potencial de superar esto mediante la multiplicación de portadores.

Un panel solar fotovoltaico típico absorbe un fotón de luz y libera un electrón, que se convierte en energía. Sin embargo, mediante la multiplicación de portadores e incorporando iones de manganeso magnéticos, los paneles solares basados en puntos cuánticos producen más de dos electrones por cada fotón que absorben.

Sin embargo, en el núcleo de este avance técnico está la “división del espectro solar”, que separa el procesamiento de fotones solares de alta y baja energía. 

Esto se logró incorporando iones de manganeso en los puntos cuánticos para servir como impurezas altamente emisivas. Cuando los puntos cuánticos absorben luz, las impurezas se activan, lo que lleva a que los iones de manganeso emitan luz a energías por debajo del inicio de absorción de los puntos cuánticos.

Ahora, para transformar una ventana en un colector de luz solar lumínico en tándem, los investigadores depositan una capa de puntos cuánticos dopados con manganeso altamente emisivo sobre la superficie del panel de vidrio frontal. Mientras tanto, se depositó una capa de puntos cuánticos con seleniuro de cobre e indio en la superficie del panel trasero.

De esta manera, la capa frontal absorbe las porciones azul visible y ultravioleta del espectro solar, mientras que la capa inferior captura el resto. Una vez absorbidos, los puntos cuánticos reemiten fotones a una longitud de onda mayor. La luz reemitida se guía mediante reflexión interna total hacia los bordes del vidrio de la ventana, donde las células solares integradas recogen la luz y la convierten en electricidad.

Además, el equipo de Klimov también está explorando cómo los puntos cuánticos pueden usarse para producir amoníaco, que representa más del 2 % del uso energético global. En esta aplicación particular, están usando puntos cuánticos y luz solar para generar “electrones libres” en lugar de luz mediante fotoemisión. 

Ahora, veamos dos grandes empresas en el sector de la energía solar.

#1. NextEra Energy

Conocida ampliamente como líder en el sector de energía renovable, NextEra Energy (NEE ) reportó un ingreso neto de 552 millones de dólares y un ingreso ajustado de 865 millones de dólares en el segundo trimestre de 2024.

Añadieron 3 GW a su capacidad de energía renovable, incluidos desarrollos solares significativos, proyectando una trayectoria de ganancias ascendente hasta 2027 con expectativas de que las ganancias ajustadas por acción aumenten anualmente.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) se especializa en la fabricación de paneles solares y en la prestación de servicios integrales de plantas de energía fotovoltaica. Su uso innovador de la tecnología de semiconductores de película delgada los distingue en la industria solar.

Financieramente, First Solar reportó ingresos de 3,56 mil millones de dólares y un ingreso neto de 1,02 mil millones de dólares en el último año fiscal. Su enfoque en tecnología sostenible y la expansión internacional del mercado subraya su posición estratégica en el sector solar.​

Conclusión

Estas últimas innovaciones representan un gran e importante paso adelante en la realización del potencial completo de la energía solar. La energía solar es un recurso limpio y renovable que ofrece una alternativa poderosa a los combustibles fósiles, que contaminan el medio ambiente.

Con la demanda global de energía prevista para aumentar en el próximo año y la energía solar sostenible disponible en abundancia, es imperativo utilizar esta fuente ilimitada de energía limpia. Sin embargo, la energía solar actualmente representa un porcentaje realmente bajo (único) de la generación total mundial de electricidad de todas las fuentes. Esto subraya la necesidad urgente de investigación, desarrollo y colaboración continuas entre gobiernos y organizaciones para impulsar realmente el uso de la energía solar y alimentar a todo el mundo.

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