Renovables prometedoras: del átomo al sol, sin olvidar la Tierra

El sexto informe del Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC), presentado el pasado verano, alertó acerca de la imposibilidad de cumplir con el promedio global de limitar el calentamiento global a 1.5 grados, firmado en el Acuerdo de París. Se prevé que los fenómenos extremos que ya sufre el mundo, como inundaciones y olas de calor, sean generalizados a partir de los dos grados, por lo que urge encontrar soluciones que mejoren la eficiencia energética, así como incrementar el uso de las energías renovables.

En este reto, la tecnología fotovoltaica es, como explica el reciente libro blanco publicado por el CSIC sobre la materia en su colección Desafíos, una energía relevante para lograr el cambio de paradigma hacia una sociedad descarbonizada, ya que se trata de una de las más eficientes para convertir la luz solar en energía eléctrica.

Las tendencias de investigación en este sector se centran en la búsqueda de nuevos materiales que superen las limitaciones de las habituales celdas de silicio de las placas fotovoltaicas. Mónica Lira-Cantú, del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología del CSIC (ICN2), analiza un mineral prometedor denominado perovskita.

“La perovskita es un nuevo material con propiedades estructurales y electrónicas que lo hacen más eficiente para absorber los matices del espectro de la luz solar. En nuestro grupo sintetizamos los nanomateriales, los manipulamos y los convertimos en tintas que se pueden imprimir. Con ellas fabricamos el dispositivo final, compuesto por diferentes materiales depositados en forma de capa fina”, explica Lira-Cantú. “Estas técnicas de impresión, de bajo coste y de fabricación a gran escala, han supuesto un cambio de paradigma en la fabricación de las celdas comerciales de silicio, cuyo coste es mucho mayor, ya que necesitan materiales monocristalinos de alta pureza obtenidos a altas temperaturas”.

En menos de una década, las celdas solares de perovskita han alcanzado ya un 25.8 % de eficiencia de conversión, un porcentaje muy similar a las comerciales de silicio, que actualmente están en un 26.1 %. Se espera que las primeras lleguen muy pronto al mercado para abrir nuevos nichos tecnológicos cuando se requiera, por ejemplo, menor peso, flexibilidad, portabilidad o diseños y colores innovadores.

Para ello, la tecnología deberá superar al menos dos grandes retos: reducir la presencia de plomo en los materiales constituyentes y aumentar su vida útil. “En el primer caso, trabajamos con nuevos nanomateriales basados en haluros de perovskita libres de plomo. En el segundo, desarrollamos diversos métodos para aumentar la duración de las celdas, como el uso de óxidos semiconductores más estables que actúen como capas transportadoras, o la ingeniería de defectos por medio de la funcionalización de la perovskita con aditivos orgánicos”, explica la investigadora del CSIC.

Entre los factores que pueden afectar a la eficiencia y longevidad se encuentran la existencia de defectos en el mineral, la sensibilidad térmica de los materiales o los relacionados con el encapsulamiento del dispositivo final. En todos estos casos, la inteligencia artificial puede servir para analizar los parámetros que más influyen en la estabilidad de las celdas solares. El equipo de Lira-Cantú participa, entre otros, en ProperPhotoMile, un proyecto que involucra a cinco países (España, Alemania, Suiza, Estados Unidos e Israel), con el objetivo de integrar la inteligencia artificial en la fabricación de celdas solares. “Utilizamos dispositivos reales para obtener datos fiables de los diferentes mecanismos de degradación que puedan predecir y mejorar su vida útil, la asignatura pendiente de esta tecnología”, destaca.

La Tierra como fuente de energía

Una de las energías renovables menos explotada es la geotérmica. El interior de la Tierra genera calor constantemente gracias a la descomposición de elementos radiactivos. El incremento de la temperatura aumenta con la profundidad siguiendo un gradiente geotérmico. Pero la Tierra no solo es fuente de calor. También es posible producir electricidad mediante un sistema análogo al de las centrales térmicas o nucleares.  La principal ventaja frente a otras renovables es que se trata de una energía continua, no fluctúa como la solar o la eólica.

“Si conseguimos circular agua a una profundidad a la que la temperatura sea superior a 100 °C, cuando el agua llega a la superficie, esta se evapora y puede mover turbinas que generen electricidad”, explica Victor Vilarrasa, investigador del CSIC en el Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA-CSIC) y uno de los mayores expertos en España en energía geotérmica. “Al perforar dos pozos a una temperatura en la que se superan los 100 °C, uno de extracción, por el que bombeamos agua caliente, y otro de inyección, en el que reinyectamos el agua enfriada, deberíamos ser capaces de producir electricidad. El problema es que las rocas que encontramos no siempre son permeables. En los granitos, el agua solo puede circular por las fracturas de forma limitada”, explica.

Una solución consiste en inyectar agua a alta presión para mover las fracturas y conseguir que se abran. Este sistema se conoce como sistema geotérmico mejorado, pero tiene como desventaja la generación de sismicidad inducida; es decir, la inyección a alta presión suele producir terremotos, lo que ha llevado a cancelar varios proyectos, como ocurrió en Basilea, Suiza, en 2006, y en Pohang, Corea del Sur, en 2017. “Los terremotos no solo ocurren durante la fase de inyección. Lo más desconcertante es que los de mayor magnitud acostumbran a suceder una vez se deja de inyectar, por eso estamos investigando sus causas y cómo limitar su magnitud”, añade.

A través de simulaciones, el equipo que dirige Vilarrasa ha demostrado que la circulación continuada de agua para extraer el calor a gran profundidad puede causar un aumento de sismicidad al cabo de varios años. “A diferencia de lo que ocurre en otras tecnologías, que inyectan fluidos a una profundidad de varios kilómetros, en este caso la sismicidad inducida no suele deberse al aumento de la presión de los fluidos. Lo que provoca este fenómeno es el enfriamiento de la roca en torno al pozo de inyección, así que los resultados sugieren limitar la vida útil de estos proyectos entre una y dos décadas”, indica el investigador del CSIC.

Aunque implica muchos retos técnicos, los expertos estiman que con la tecnología geotérmica de muy alta temperatura se podría producir hasta diez veces la energía eléctrica que se genera por cada pozo en la actualidad. “Es este elevado potencial de producción de energía libre de carbono lo que hace que esta tecnología resulte tan prometedora. En la actualidad, la mayoría de las plantas de producción existentes están en áreas volcánicas, como Islandia, donde prácticamente la totalidad de la energía proviene de la energía geotérmica. En España no se produce aún, pero hay regiones con mucho potencial. El sitio más sencillo serían las zonas volcánicas inactivas de las Islas Canarias. Y dentro de la Península también destacan La Garrotxa, el cabo de Gata, Cofrentes y Campo de Calatrava”, concluye.

El Sol es un gran reactor de fusión nuclear, un proceso que podría emularse en la Tierra para generar energía limpia. / NASA

Confinar el sol en una botella

Consultado sobre la tecnología más prometedora para la humanidad en una entrevista para la BBC en 2016, el físico británico Stephen Hawking eligió la fusión nuclear. Esta energía ilimitada, origen del brillo de las estrellas y del sol, es, de alguna forma, inversa a la fisión (división de átomos pesados), ya que se basa en la fusión de núcleos ligeros (hidrógeno, deuterio y tritio), lo que reduce la acumulación de residuos nucleares. La energía de fusión aparece, por tanto, como una oportunidad única para lograr energía limpia, segura e ilimitada, en un plazo razonable. 

La principal dificultad hacia el objetivo de la fusión radica en contener el plasma, un estado de la materia necesario para que los núcleos de hidrógeno alcancen los 150 millones de grados Celsius dentro del reactor y se unan, liberando enormes cantidades de energía. “Se trata de conseguir confinar el sol en la botella, un reto extraordinario. La enorme gravedad del astro rey permite la fusión, pero en el laboratorio hacen falta imanes muy potentes para simularla”, señala Teresa Puig, investigadora del Instituto de Ciencias de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC).

Los investigadores Teresa Puig y Xavier Obradors, del ICMAB, muestran cintas superconductoras. / Artur Martínez

El equipo de Teresa Puig trabaja en la obtención de materiales superconductores que ayuden a crear imanes de campos magnéticos ultraelevados en los reactores de fusión. “El progreso hacia el objetivo de la fusión dio un salto cuántico con el diseño en los años 60 en Rusia de las cámaras de vacío tokamak, como un sistema de confinamiento magnético del plasma”, explica. Su desarrollo condujo al diseño del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), un ambicioso proyecto internacional en el que colaboran 35 países y que está en fase de construcción en Cadarache, al sur de Francia. Pero recientemente se han descubierto unos nuevos materiales que han permitido el diseño de un tokamak más avanzado: los superconductores de alta temperatura, cuyos imanes pueden generar campos magnéticos de 20T (Teslas), en comparación con los 5T obtenidos con superconductores de baja temperatura en el ITER. El principal reto ahora es conseguir nanoestructuras artificiales más competitivas creadas con métodos químicos rentables y de alto rendimiento.

El equipo de investigadores del ICMAB-CSIC ha desarrollado un sistema de producción ultrarrápida de capas superconductoras a bajo coste y con grandes prestaciones que permitan la construcción de reactores de fusión más compactos. Esta tecnología es hasta 100 veces más rápida que los procesos actuales y el grupo ha sido contratado por una multinacional japonesa para que llegue al mercado esta tecnología novedosa. Además, dentro de la plataforma temática de energía del CSIC se está instalando un banco de pruebas de esta tecnología en el sincrotrón Alba de Barcelona.

“La energía de fusión tiene un potencial muy elevado y en los últimos años ha experimentado un gran avance. Las últimas estimaciones prevén que en 2030 se podría disponer de tecnología para la generación neta de energía de fusión para producir, junto con las energías fotovoltaica y eólica, el 100% de energía no fósil antes de 2050”, concluye Xavier Obradors, director del ICMAB y miembro del equipo.

Gema de la Asunción / CSIC Comunicación