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Energía solar ,grafeno ... y medio ambiente



Sin duda el grafeno será uno de los materiales de este siglo dado el fantástico cóctel de propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas que ofrece, y que según apuntan algunos investigadores, podría llegar a ser un digno sucesor del silicio en la construcción de circuitos integrados.

Pero según las conclusiones extraídas de un estudio realizado por el ICFO, parece que el grafeno también podría convertir la luz en electricidad.

El grafeno o alotropía de carbono, es un teselado hexagonal plano compuesto por átomos de carbono y enlaces covalentes, caracterizado por ser el primer material cristalino bidimensional de un solo átomo de grosor.

Las cualidades de este singular material de átomos empaquetados en una estructura de panal de abeja están maravillando a la comunidad internacional, acaparando tanto investigaciones en laboratorios de medio mundo como titulares sobre sus últimas aplicaciones en publicaciones especializadas.

En esta casa solar en Corrales (Nuevo México, Estados Unidos) un colector solar de placa plana proporciona energía para calentar agua bombeada por el molino. El agua se almacena en grandes bidones.

Energía solar, energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión .

Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones , que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.

La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2.

Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años.

La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.

2 TRANSFORMACIÓN NATURAL DE LA ENERGÍA SOLAR

La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos.

Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.

Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.




Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.

Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros.

Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor . La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversión de energía térmica oceánica (CETO), requieren enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir potencias del orden de megavatios.


3 RECOGIDA DIRECTA DE ENERGÍA SOLAR

Estas son las principales cualidades por las que ha suscitado tanto interés el grafeno. A pesar de su apariencia de película transparente, sorprende por su extremada flexibilidad –similar a la goma– y su resistencia comparable a la del acero.

De hecho, su sorprendente grosor de tan solo un solo átomo lo encumbra como el material más fino del mundo. Pero si a su grosor le sumamos su resistencia –al menos 200 veces más indemne a la rotura que el acero– y su extraordinaria densidad, obtenemos tres cualidades que junto con su condición de avanzado conductor de la electricidad y del calor, tenemos el sustituto idóneo del silicio y del cobre, respectivamente.

Por si fuera poco, además, mejora la resistencia a las altas temperaturas del diamante, lo que permite prescindir de los aceleradores de partículas kilométricos a la hora de realizar ciertos experimentos.

Aplicaciones tecnológicas recientes
Dada la expectación generada alrededor de este material, los avances tecnológicos y su diversificada oferta de aplicaciones se están intensificando en muy poco tiempo. Ya hablamos en un post anterior sobre el uso de este material para implantes en tejidos humanos.

Pero por si no eran pocas las aplicaciones del grafeno, una investigación liderada por el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona –ICFO– han descubierto una más junto con la colaboración de sus compañeros del MIT, el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros y la empresa Graphenea.

Según explican en un artículo publicado en la revisa Nature Physics, los responsables del estudio aseguran que este material es capaz de convertir un solo fotón absorbido en múltiples electrones calientes, demostrando la relación directamente proporcional entre la energía del fotón y el número de electrones creados. Mientras la mayoría de los materiales generan un solo electrón por cada fotón absorbido, en el caso del grafeno, cuanto mayor sea la energía del fotón, mayor será el número de electrones creados.

Dado que los electrones inducidos por la luz pueden conducir corriente, su capacidad de multiplicación es un ingrediente indispensable para generar luz con una pérdida energética considerablemente baja. Además, la combinación de absorción de banda ancha y la multiplicación del portador en caliente “permiten al grafeno convertir de forma eficiente la energía luminosa del espectro solar al completo en electricidad“, concluyen los responsables del estudio.

Energía solar pasiva

Los sistemas de calefacción solar activa incluyen equipos especiales que utilizan la energía del sol para calentar o enfriar estructuras existentes. Los sistemas pasivos implican diseños de estructuras que utilizan la energía solar para enfriar y calentar. Por ejemplo, en esta casa, un espacio solar sirve de colector en invierno cuando las persianas están abiertas y de refrigerador o nevera en verano cuando están cerradas. Muros gruesos de hormigón permiten oscilaciones de temperatura ya que absorben calor en invierno y aíslan en verano. Los depósitos de agua proporcionan una masa térmica para almacenar calor durante el día y liberarlo durante la noche.

La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos.

En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energía solar se convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio . Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración.

3.1 Colectores de placa plana

Calentamiento solar

Las placas colectoras utilizan la energía del Sol para calentar un fluido portador que, a su vez, proporciona calor utilizable en una casa. El fluido portador, agua en este caso, fluye a través de tuberías de cobre en el colector solar, durante el proceso absorbe algo de la energía solar. Después, se mueve hasta un intercambiador de calor donde calienta el agua que se utilizará en la casa. Por último, una bomba lleva de nuevo el fluido hacia el colector solar para repetir el ciclo.

En los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción . La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector.

Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia.


Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20° latitud S o 20° de latitud N.

Además de los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energía.


3.2 Colectores de concentración

Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de energía y de calor para cubrir las grandes necesidades industriales, los colectores de placa plana no suministran, en términos generales, fluidos con temperaturas bastante elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de calentamiento.

Como alternativa, se pueden utilizar colectores de concentración más complejos y costosos. Son dispositivos que reflejan y concentran la energía solar incidente sobre un zona receptora pequeña. Como resultado de esta concentración, la intensidad de la energía solar se incrementa y las temperaturas del receptor (llamado ‘blanco’) pueden acercarse a varios cientos, o incluso miles, de grados Celsius. Los concentradores deben moverse para seguir al Sol si se quiere que actúen con eficacia; los dispositivos utilizados para ello se llaman heliostatos.


3.3 Hornos solares

Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.


3.4 Receptores centrales

La generación centralizada de electricidad a partir de energía solar está en desarrollo. En el concepto de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores montados sobre heliostatos controlados por computadora reflejan y concentran los rayos del Sol sobre una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los ciclos convencionales de las plantas de energía y generar electricidad.


3.5 Enfriamiento solar

Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción . Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. Puesto que, en general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.


4 ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA


 

Células fotovoltaicas

En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.


Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho.

El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales.


5 ENERGÍA SOLAR EN EL ESPACIO

Un proyecto futurista propuesto para producir energía a gran escala propone situar módulos solares en órbita alrededor de la Tierra. En ellos la energía concentrada de la luz solar se convertiría en microondas que se emitirían hacia antenas terrestres para su conversión en energía eléctrica. Para producir tanta potencia como cinco plantas grandes de energía nuclear (de mil millones de vatios cada una), tendrían que ser ensamblados en órbita varios kilómetros cuadrados de colectores, con un peso de más de 4000 t; se necesitaría una antena en tierra de 8 m de diámetro. Se podrían construir sistemas más pequeños para islas remotas, pero la economía de escala supone ventajas para un único sistema de gran capacidad .


6 DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA SOLAR

Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los periodos de baja demanda debe almacenarse el sobrante de energía solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente.

Además de los sistemas sencillos de almacenamiento como el agua y la roca, se pueden usar, en particular en las aplicaciones de refrigeración, dispositivos más compactos que se basan en los cambios de fase característicos de las sales eutécticas (sales que se funden a bajas temperaturas). Los acumuladores pueden servir para almacenar el excedente de energía eléctrica producida por dispositivos eólicos o fotovoltaicos . Un concepto más global es la entrega del excedente de energía eléctrica a las redes existentes y el uso de éstas como fuentes suplementarias si la disponibilidad solar es insuficiente. Sin embargo, la economía y la fiabilidad de este proyecto plantea límites a esta alternativa.

Además de las células fotovoltaicas cristalinas de silicio o similares y de las células de polímeros hay otras aproximaciones que se están investigando.

Una de las aproximaciones típicas es usar células fotovoltaicas de pigmentos. En ellas se usa un material muy barato como semiconductor, en concreto óxido de titanio. Pero el óxido de titanio es un material extraordinariamente blando, de hecho es el compuesto que se usa en las pinturas blancas por todos lo lados (y mucho menos contaminante que los compuestos de plomo).

Pero algo que refleja casi toda la luz que le llega no parece ser un buen sistema de obtener energía. Para conseguir cambiar esto se usa una tinción que es la que absorbe los fotones de luz. Normalmente se usa en forma de disolución (hay recetas caseras en las que se usan pigmentos procedentes de moras y frutos similares) que hace las veces de electrolito. El rendimiento de estos sistemas es casi la mitad de las células de silicio (un 12% frente a un 20%), pero su precio es muy inferior.

Un problema que presentan estas células es que no son de estado sólido debido al uso de la disolución de pigmentos. La disolución puede filtrase, corroer los electrodos, el disolvente evaporarse o que se degrade la disolución. No parece que estas células se las puede hacer durar más de 18 meses. Por eso, desde hace un tiempo, se viene investigando en sistemas de estado sólido basados en pigmentos. Lo malo es que las soluciones secas presentan otro problema: su baja conductividad eléctrica que reduce aún más su rendimiento.

Ahora científicos de Northwestern University parecen haber dado con una solución al bajo rendimiento de las células secas de pigmentos.

Han conseguido una célula de este tipo que es de estado sólido y que tiene un rendimiento superior al 10%. En los últimos tiempos este grupo ha ido consiguiendo un 1% más de rendimiento cada mes.

La célula se basa en un compuesto de cesio, estaño y yodo (CsSnI2), un semiconductor de tipo p que reemplaza al típico electrolito. El óxido de titanio (semiconductor de tipo n) está en forma de nanopartículas que están recubiertas de pigmento. En el proceso de fabricación se usa un disolvente orgánico en el que hay CsSnI2. Luego se deja que el disolvente se evapore y que el compuesto de cesio recubra las partículas de dióxido de titanio sensibilizadas con pigmento.

Naturalmente queda investigación por hacer antes de que se comercialice algo así, pero esta tecnología es prometedora.

Por otro lado se sigue investigando en el uso del grafeno como célula fotovoltaica. Hasta ahora este material sólo permitía un ridículo rendimiento del 2,9% como máximo. Pero ahora un grupo de la Universidad de Florida ha conseguido elevarlo a un 8,6% .

 La marca se ha logrado gracias al tratamiento del grafeno con un compuesto de fluor denominado TFSA. Este dopado hace que el grafeno aumente su conductividad.

El dopaje permite ajustar el nivel de Fermi del grafeno (el potencial de energía de los electrones), lo que permite reducir la resistencia y aumentar el potencial eléctrico de la célula, lo que a su vez permite una mayor separación entre los electrones y huecos generados por la luz incidente.

A diferencia de otros dopantes, el TFSA es estable y sus efectos se prolongan en el tiempo.

La célula está basada en una unión Schottky entre el grafeno y silicio. Este tipo de uniones generalmente constan de una lámina metálica sobre un semiconductor, pero en 2011 se descubrió que el grafeno, al ser un semimetal, podía cumplir el papel de dicha lámina, siendo además flexible y transparente.

Estos investigadores opinan que si se logra alcanzar un 10% de rendimiento el sistema podría comercializarse. La idea es crear células de este tipo no sobre un soporte rígido como en este prototipo, sino sobre substratos flexibles, tales como polímeros y similares. Además, este tipo de células serían muy baratas.

Pero en este tiempo de investigación febril sobre células fotovoltaicas se han ido abaratando las células convencionales de silicio hasta alcanzar un precio menor a 1 dólar por vatio. La energía solar fotovoltaica empieza ser rentable incluso sin subvenciones.

Esto ha afectado la comercialización de nuevas ideas, como la de hoja artificial. En NeoFronteras ya vimos que un equipo del MIT había conseguido una célula que bajo la luz del sol convertía el agua en hidrógeno y oxígeno directamente sin necesidad de usar electrolisis. El almacenamiento de estos gases permitiría más tarde recuperar energía en forma de calor o electricidad. Además, lograba esto con materiales económicos. Aunque el rendimiento de este sistema es muy bajo su bajo precio le haría rentable.

Sin embargo, parece que la competencia de las células fotovoltaicas estándar ha hecho que la empresa que quería comercializar el sistema haya cambiado de idea.

Con este sistema catalítico se puede producir hidrógeno a 6,5 dólares el kilogramo, frente a los 7 dólares que cuesta ahora producir esa misma cantidad de gas con células de silicio comerciales y electrolisis. A partir de combustibles fósiles se puede conseguir un kilogramo de hidrógeno a un precio que está entre uno y dos dólares.

Bajo estos números la empresa (Sun Catalytix) ha decidido colocar la hoja artificial “en el refrigerador” hasta que la rentabilidad sea mayor.

Al parecer, el coste de la producción de hidrógeno fotovoltaico está dominado por el coste ingenieril de la infraestructura: producción masiva de materiales como marcos, substratos, protectores, etc. y no tanto por el coste de la fotocélula.

Sun Catalytix estudia de nuevo cómo desarrollar esta célula para mejorar su rendimiento o reducir los costos antes mencionados. Incluso planean estudiar efectuar grandes cambios sobre la idea, como usar polímeros, usar concentradores luminosos, etc.

Según argumentan los científicos, “era conocido que el grafeno era capaz de absorber un espectro muy grande de colores claros. Sin embargo, ahora sabemos que una vez que el material ha absorbido la luz, la eficiencia de conversión de energía es muy alta”. Ahora, el siguiente reto de los científicos será encontrar formas de extraer la corriente eléctrica y establecer medidas orientadas a mejorar la absorción del grafeno.

De conseguirlo, “podremos diseñar dispositivos de grafeno que detecten luz de manera más eficiente”, aseguran, dando lugar a células solares también más eficientes.
En la práctica, gracias a sus propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas, permitirá reducir costes, mantener a raya el calor y aumentar la eficiencia energética de los dispositivos electrónicos.

También podría mejorar el funcionamiento de los distintos dispositivos inalámbricos con soporte para la transferencia de clips de vídeo –entre otras aplicaciones– en cuestión de segundos y en conexiones de banda ancha.

El aumento de la vida útil de las baterías y la canalización del procesamiento interno de los ordenadores con procesadores de calibre cuántico, es otra de las posibilidades que ofrece este material. Pero quizá lo más significativo de sus propiedades sea su compatibilidad en campos como la medicina que se enfrenta al apremiante reto de la miniaturización, con la futura generación de nanosensores y la biodetección.

La molibdenita, un posible competidor
Pero no todo el monte es orégano, ya que uno de los principales inconvenientes a los que se enfrenta el grafeno es la producción a gran escala. En cambio, parece que ya hay alternativas que intentarán hacerle sombra, como la molibdenita.

Este material está siendo estudiado en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausanne con resultados satisfactorios hasta la fecha. Entre sus propiedades está la poder reproducir componentes electrónicos a nanoescala, además de resolver problemas como la oxidación de las piezas, la pérdida de energía y la inestabilidad de rendimiento en los dispositivos.

Mientras tanto, seguiremos esperando las conclusiones de los estudios que están ya en marcha, para seguir sorprendiéndonos con las fantásticas prestaciones que un material como el grafeno puede ofrecer en esta carrera de fondo por el desarrollo de dispositivos cada vez más potentes y eficientes, con un menor consumo de energía.

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