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El uso del Hidrógeno en los motores Diésel

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Debido a la gran dependencia de la sociedad actual del petróleo y a otros combustibles fósiles para todo tipo de productos, y al consumo a gran escala de éstos como combustible principal para el transporte y generación de electricidad; se han producido graves alteraciones en el medio ambiente e incluso en la economía mundial. 

A causa de estos efectos sobre el medio ambiente, y el cada vez más cercano pico o agotamiento del petróleo, se hace necesario que tanto científicos como ingenieros investiguemos nuevas fuentes de energía renovables y alternativas.

Una de ellas es el hidrógeno que, aunque aún está en fase de desarrollo, es uno de los vectores energéticos del futuro. Entre sus principales ventajas está su gran abundancia en el planeta, siempre combinado con otros elementos. Asimismo, mediante procesos como la electrólisis es relativamente fácil su generación, obteniéndose con energías renovables de manera muy limpia.

Es posible utilizar al hidrógeno como almacén de los excedentes de energía eléctrica en los momentos de menor consumo.  Por ese motivo desde IDEOJ apostamos por el hidrógeno dentro de nuestra filosofía de potenciar el uso de energías renovables y no contaminantes.

Dentro de los motores, una de las tecnologías que se deberán adaptar son los motores de combustión dual interna, en los que muchas empresas ya están invirtiendo. Muchas razones hacen pensar en la combustión de hidrógeno e hidrocarburos de manera conjunta en el motor como una solución factible. Una de ellas es el alto poder calorífico del hidrógeno, que puede desplazar una fracción de combustible fósil, además de poder contribuir potencialmente en la reducción de emisiones de dichos motores.

Inyección de Hidrógeno: La mejora de los motores actuales

Dependiendo del porcentaje, se consiguen importantes reducciones de las emisiones, sobretodo de los humos, hidrocarburos, monóxido y dióxido de carbono. A cantidades del 65 al 85% de hidrógeno se producen los mejores resultados, en que descienden drásticamente todas las emisiones (incluso NOx) y aumenta el rendimiento térmico de forma muy acentuada.

Aunque esto en laboratorio parece una realidad muy cercana, en la actualidad existe un bajo rendimiento en la producción de hidrógeno mediante energías renovables, lo que dificulta obtener cantidades suficientes como para desplazar tal fracción de carburante.  Por eso, nuestros esfuerzos van dirigidos a hacer realidad el uso de nuestros conocimientos y experiencia en el sector de las energías renovables, para impulsar los motores diésel con inyección de hidrógeno.

Las emisiones NOx, se presentan como una posible desventaja. Estas emisiones, sin embargo, se pueden reducir mediante diferentes técnicas. Los métodos considerados adecuados para la reducción de este tipo de contaminantes son principalmente cuatro:

  • La introducción de terceras substancias como dietiléter
  • El reajuste de los componentes electrónicos de inyección de carburante al motor
  • La recirculación de los gases de escape
  • La reducción catalítica selectiva, este último considerado uno con los resultados más positivos.

El sistema se presenta recomendable de cara a un futuro próximo, en el que haya un endurecimiento de las leyes contra emisiones.  También si se producen suficientes avances en tecnologías electrolíticas como para obtener cantidades importantes de hidrógeno a rendimientos apropiados. Proyecto en el que estamos trabajando para su uso directo en camiones y autobuses.

Aplicaciones Actuales de H2 en Transporte

Estamos desarrollando una tecnología que hace posible la utilización de hidrógeno en sistemas de transporte abarcando de forma específica el uso en camiones y autobuses. Para ambos casos hemos encontrado aplicaciones tanto en vehículos de tamaño menor, como en los de gran tamaño.   

De la información que hemos recolectado en nuestras investigaciones, es posible concluir que, en la utilización de hidrógeno en transporte, se dan las siguientes tendencias:

El uso de hidrógeno en transporte se da con dos distintas aplicaciones: la conversión a electricidad con celdas de combustión hidrógeno o la inyección directa a motores de combustión interna.

Existen unos pocos casos de uso en combustión interna, en donde el hidrógeno se quema al interior del motor de igual forma que la gasolina. En estos casos se trata de reconversión de vehículos más que un diseño dedicado. Sin embargo, la mayoría de los casos son de uso de hidrógeno en celdas de combustible para producir electricidad que alimente motores eléctricos de propulsión de manera conjunta con baterías.  

Circuitos cerrados y transporte público

A nivel global, se estudia la aplicación de hidrógeno en movilidad utilizando una estación de reabastecimiento para funcionar, visto de otra forma se requiere el funcionamiento de equipos dentro de un circuito cerrado tal como redes de transporte público. Los casos estudiados corresponden de forma mayoritaria a la utilización de hidrógeno en buses de transporte público, con una aplicación en tren, una en equipo de logística en una planta productiva y otros casos en uso mixto en donde también se genera electricidad la que se inyecta a la red.

El hidrógeno se utiliza en la mayoría de los casos en la alimentación a celdas de combustible para luego utilizar la electricidad generada en motores eléctricos, pudiendo acompañarse con baterías o utilizarse de forma directa. Existe también el caso de utilización en motores de combustión interna, en el que además se compara el rendimiento de estos versus el uso de hidrógeno en celdas de combustible las que poseen una eficiencia mayor. Por último, existen casos, en Argentina específicamente, en los que el hidrógeno se mezcla con gas natural para alimentar motores de combustión interna.

En relación a las estaciones de reabastecimiento estas son construidas por empresas que tienen una larga trayectoria en el trabajo con gases industriales. Dentro de las estaciones existen 3 tipos en base a cómo se obtiene el hidrógeno: aquellas con producción in situ, aquellas con abastecimiento por camiones y el último tipo corresponde a una mezcla de los anteriores.

Como vemos, el uso del Hidrógeno en los motores diésel se nos presenta como una alternativa real a los clásicos motores que siguen fomentando el uso del petróleo. Nuestras investigaciones, siempre a la vanguardia de las tecnologías sostenibles, apuestan por el uso del Hidrógeno.

Nanohilos Semiconductores

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Un nanohilo es un alambre con un diámetro del orden de un nanometro. Pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros y de una longitud libre. A estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son importantes por lo que también se les denomina “hilos cuánticos”. Existen muchos tipos diferentes de nanohilos, incluyendo hilos metálicos, semiconductores y aisladores. Los nanohilos moleculares están compuestos de unidades moleculares repetitivas ya sean orgánicas o inorgánicas.

Nanotubos para optolectrónica

La relación entre la longitud y el ancho es casi infinita, hasta de varias micras, por ello, podemos describirlos como materiales unidimensionales. Los nanohilos tienen muchas propiedades interesantes que no se han visto en materiales tridimensionales, no afectados por efecto de borde. Con esta morfología filiforme, si el material que los conforma es semiconductor conseguiremos un confinamiento de carga que circulara sobre todo en la dirección longitudinal que actuará como un hilo eléctrico.

Las características peculiares de este confinamiento cuántico exhibidas por ciertos nanohilos como los nanotubos de carbono se manifiestan a sí mismas en valores discretos de la conductancia eléctrica. Estos valores discretos surgen de una restricción de la mecánica cuántica en el número de electrones que pueden viajar a través del hilo en escala nanométrica. Estos valores discretos son referidos frecuentemente como el cuanto de la conductancia y son valores enteros. Hay muchas aplicaciones donde los nanohilos pueden llegar a ser importantes: en electrónica, optoelectrónica y dispositivos nano electromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconexiones metálicas en dispositivos de nanoescala cuántica, como emisores de campo y como contactos o terminales para los nanosensores biomoleculares.

Prof. Andrew Watt está llevando a cabo una investigación en relación a los nanotubos y la optoelectrónica. Este proyecto involucrará la síntesis de aleaciones de metales para nanotubos mediante el  procesamiento de película delgada en una gran variedad de substratos, la conductividad y la movilidad. Todas estas características son medidas junto con la caracterización físico-química: XRD, SEM, XPS, TEM. Por otro lado, los nanohilos semiconductores son los protagonistas de diversas líneas de investigación sobre futuras generaciones de dispositivos del mundo electrónico en nanoescala. Son considerados como uno de los elementos básicos para desarrollar aplicaciones de nanotecnología. Es importante que tengan una alta relación superficie-volumen donde ciertas propiedades pueden cambiar.

Una de las formas más baratas de obtener nanohilos la encontramos en los sistemas térmicos. Colocando un metal, óxido de zinc por ejemplo, sobre un sustrato y calentando este último, estaremos actuando sobre el primero de tal manera que se alargue y obtengamos un nanohilo con una “gota” de metal en la punta. También podemos colocar un polvo en el interior de un horno e introducir gas dentro. Esto provocará que el polvo se vaya evaporando y al golpear con el gas se formen nanohilos. Introduciendo en los nanohilos zonas de dopaje selectivo con átomos donadores o aceptores de carga, podemos conseguir la creación de unios PN de semiconductores dopados para que circulen por ellos cargas negativas y semiconductores dopados para que sean cargas positivas las que transmitan la corriente, o lo que es lo mismo, creamos en los hilos diodos en la nanoescala. La creación de un diodo es el paso previo a la creación de un transmisor: se alternan en un mismo hilo capas con distinto dopaje o de diferentes materiales semiconductores, aislantes  y metales. Los nanohilos  presentan propiedades optolectrónicas.  

De este modo y gracias a que la técnica actual permite seleccionar la localización en la que se quiere ir generando los nanohilos y tener un control casi absoluto del depósito de capas atómicas de diferentes materiales sobre ellos, podemos crear dispositivos electrónicos u optoelectrónicos con una alta densidad de transistores, diodos o LED y por lo tanto circuitos complejos o paneles lumínicos que ocupen muy poco espacioEl menor espacio implica también un menor consumo energético y un aumento de las prestaciones. En este sentido, los nanohilos semiconductores se han venido utilizando tanto para la creación de nanodispositivos electronicos y optoelectronicos como para sensores o para la creación de generadores de energía y células solares de alto rendimiento.

Las uniones PN y PIN en nanohilos hacen que estos puedan usarse en células solares de alto rendimiento, impulsando las nuevas energías renovablesUna de las aplicaciones “estrella” de los nanohilos semiconductores de óxido de zinc es su capacidad para ser empleados como nanogeneradores. 

Con un desarrollo adecuado, los nanogeneradores funcionarán convirtiendo la energía mecánica del movimiento del cuerpo, la contracción de los músculos o el flujo del agua, en electricidad. Científicos del Memorial Sloan-Kettering Cancer Centre de Nueva Cork anunciaron en 2001 la creación de un nanogenerador molecular diseñado para combatir el cáncer. Su funcionamiento se basa en que, una vez en el cuerpo humano, se introduce en las células tumorales. Aquí libera una serie de partículas atómicas que destruirían las células enfermas sin afectar a las sanas. 

Con otro tipo de nanohilos obtenemos otras aplicaciones. Empleando nitruro de galio para el crecimiento de nanohilos podríamos obtener diodos emisores de luz, nanoláseres ultravioletas de corta longitud de onda y sensores bioquímicos especiales. 

La optoelectrónica simplemente se dedica a todo objeto que esté relacionado con la luz, como por ejemplo los teléfonos móviles, aparatos electrónicos, etc. y es en este campo donde estamos enfocando nuestras investigaciones para crear dispositivos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

Prof. Andrew Watt

Baterías de estado sólido: Una prometedora revolución

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Son numerosas las investigaciones enfocadas hacia la búsqueda de nuevos conductores iónicos, electroquímicamente estables, que posibiliten un mejor funcionamiento de las baterías recargables. Las baterías que contienen electrolitos orgánicos son más económicas y fáciles de fabricar; sin embargo, otras aplicaciones que necesitan de una temperatura de funcionamiento extrema, pueden beneficiarse de la introducción de materiales que muestren una conducción rápida.

Baterías recargables de ion-litio

Los electrolitos sólidos inorgánicos ofrecen ventajas y desventajas importantes con respecto a los electrolitos líquidos y poliméricos. Por soportar temperaturas elevadas se pueden utilizar en baterías de estado sólido, además son materiales conductores de iones individuales, lo que significa que solamente los iones Li+ tienen una movilidad apreciable, mientras que los aniones y otros cationes forman un esqueleto rígido.

El hecho de eliminar el gradiente de concentración aniónica a través del electrolito, puede ayudar a suprimir las reacciones adversas, o reacciones de descomposición, que puede sufrir el electrolito. Sin embargo, se hace necesario seguir investigando, con el fin de conseguir minimizar, por ejemplo, el producto de la resistividad del electrolito y de su espesor, de forma que a través del electrolito sólido tenga lugar un transporte rápido de iones Li+.

Algunas de las baterías recargables de ion-litio que han comenzado ya a aparecer en el mercado están compuestas de cátodos de LiCoO2, electrolitos poliméricos y ánodos de grafito altamente densificados. Presentan además una superficie pequeña para minimizar los fenómenos de pasivación que también les afectan. Pueden recargarse hasta 2500 veces, y gracias a su bajo precio, constituyen la mejor alternativa en el mercado de la electrónica de consumo.

No obstante, las baterías de ion-litio muestran aún importantes defectos debidos a su frágil estructura, entre éstos pueden citarse: que requieren un circuito de seguridad para mantener los límites de voltaje máximo y mínimo, se degradan con el tiempo, debiéndose almacenar en lugar frío al 40 % de su carga, muestran capacidad de descarga moderada, son más caras que otro tipo de baterías. Por último cabe indicar, que forman parte de una tecnología que se encuentra actualmente en estudio progresivo.

Algunas de las investigaciones llevadas a cabo hoy en día, están centradas en la preparación y estudio de ortofosfatos nanoestructurados y compuestos relacionados, que son susceptibles de presentar conducción iónica rápida, lo que permite poder estudiar su potencial de utilización como electrolitos sólidos.

Investigaciones realizadas sobre ortofosfatos no nanoestructurados, encuentran que los valores de conductividad medidos en el interior de los granos constitutivos de esos materiales, son mucho más altos que los que se miden en la frontera existente entre los granos. La investigación desarrollada, está impulsada por el deseo de encontrar materiales con propiedades y características mejoradas, en base a su posterior aplicación en nuevas baterías de estado sólido.

Hoy en día, son numerosos los artículos científicos en los que se buscan y se estudian tipos estructurales diferentes o nuevas composiciones, con el fin de encontrar nuevos electrolitos sólidos de iones rápidos. Para conseguir esos objetivos, se ensayan rutas de síntesis avanzadas, que permitan influir en la microestructura de los compuestos preparados y conseguir una orientación favorable de las fronteras de grano, de modo que la presencia de dichas fronteras afecte lo menos posible a su conductividad.

Investigaciones recientes que abordan temas de este tipo, se enfocan hacia la preparación de materiales electródicos nanoparticulados y/o nanoestructurados, persiguiendo esencialmente dos objetivos, el primero, intentar mejorar la conductividad intra e inter granular, y el segundo, poder fabricar electrolitos composites de utilidad en baterías de estado sólido. De esta manera, el método de spray pirolisis permite, por ejemplo, obtener materiales nanoestructurados con morfología esférica, estrecha distribución de tamaño de partícula y homogeneidad composicional.

El enfoque actual de la investigación en electrolitos sólidos  y numerosas publicaciones relativas a la investigación y al desarrollo tecnológico de las baterías de ion litio, siguen centrando su atención, en estudios que permitan una mejora del uso de los electrolitos poliméricos, de los geles y de los electrolitos composites. Aunque son aún los electrolitos líquidos los que se siguen utilizando en la mayoría de estudios electroquímicos rutinarios. Sin embargo, sólo un porcentaje mínimo de contribuciones abordan el potencial de utilización de los electrolitos cerámicos.

Ciertamente, las baterías que contienen electrolitos orgánicos son más baratas, más fáciles de fabricar y, sí se controla la capa de interfase electrolito-sólido formada y las interfases electrolito-electrodo, se logra una buena ciclabilidad. El consumidor de baterías de ion litio es probable que continúe utilizando los electrolitos orgánicos.

Sin embargo, otras aplicaciones que requieren una temperatura extrema de funcionamiento −alta o baja−, máxima vida útil, descarga insignificante y contactos extremadamente delgados, pueden beneficiarse de la introducción de electrolitos cerámicos. Algunos grupos de investigación abordan la síntesis de electrodos laminares, utilizando electrolitos cerámicos y vidrios en conjunción con electrolitos líquidos o poliméricos. El compuesto Li3PO4 embebido ha sido utilizado como separador de membranas o como cátodo en fibras, asimismo, también litio metálico embebido en vidrios se ha utilizado como material para ánodos.

Por otra parte, la mayoría de las investigaciones realizadas actualmente en electrolitos cerámicos, distan mucho de una inmediata aplicación práctica de estos materiales. Faltan estudios que evalúen la estabilidad electroquímica de muchos de los electrolitos sintetizados e informes de diferentes técnicas de fabricación, que pongan énfasis en el espesor óptimo que ha de tener la capa del electrolito.

Del mismo modo, se hace necesario analizar, sí la introducción de electrolitos cerámicos o vidrios en las capas de un polímero, puede eliminar la formación de dendritas, inhibir las reacciones químicas de disolución que tienen lugar en los electrodos de las baterías y, sí debido a una mejor difusión en electrodos composites, se reducen los gradientes de concentración.

Finalmente, puede también resultar interesante en el futuro, estudiar sí la introducción de  materiales  nanoestructurados en electrolitos poliméricos, para dar origen a un electrolito composite, puede resultar de utilidad en las baterías de estado sólido.

Mejorar el funcionamiento de las baterías de estado sólido, la preparación y el estudio de electrolitos poliméricos, a los que se ha añadido materiales  nanoestructurados, y la introducción de electrolitos cerámicos y vidrios, en las capas de un electrolito polimérico, son algunos de los retos que se plantean hoy en día los investigadores.

Prof. Mauro Pasta

Baterías de iones de sodio

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El medio ambiente y la energía son unas de las principales áreas de preocupación del siglo XXI. El cambio climático asociado al aumento del CO2 en la atmósfera y el agotamiento de los recursos fósiles, además de la dependencia hacia países productores de petróleo políticamente no estables, hace necesario un cambio hacia un modelo energético basado en fuentes renovables.

Nuevas Baterías de Almacenamiento

A pesar del aumento de instalaciones con fuentes de energía renovable, principalmente eólica y fotovoltaica, la intermitencia e imposibilidad de gestión dificulta su uso frente al resto y por tanto para dar el salto definitivo hacia las redes eléctricas del futuro es necesario el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía apropiados.

Los sistemas de almacenamiento electroquímico, como las baterías, se presentan como la mejor solución. Sin embargo, hay algunas dificultades técnicas en términos de eficiencia, vida útil y coste de las tecnologías de almacenamiento actuales que explican por qué el almacenamiento de energía no se ha aplicado de forma generalizada.

Actualmente, las baterías de iones de litio (Li-ion), las cuales han conquistado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles, se han convertido en el principal candidato como fuente energética en la próxima generación de vehículos eléctricos e híbridos. Éstas proporcionan la mayor densidad energética de todas tecnologías actuales de baterías recargables; sin embargo, su elevado coste, la escasez de Li y las limitaciones técnicas (extremadamente sensibles a elevadas temperaturas, sobrecarga, presión interna acumulada, y la intolerancia a la descarga total) son los principales inconvenientes para su uso en el almacenamiento de energía.

En este contexto, las baterías de iones de sodio (Na-ion), a pesar de tener una menor densidad energética, poseen las ventajas suficientes para liderar la próxima generación de baterías para aplicaciones estacionarias dentro de las Smart Grids, en las cuales las limitaciones volumétricas son menores y el coste se convierte en el parámetro crítico. El sodio es abundante y está a continuación del litio en la tabla periódica, por tanto cabe esperar similitudes en términos de tecnología y rendimiento, y superiores a otras tecnologías actualmente en uso como las de Pb-ácido.

Las baterías de Na-ion son especialmente atractivas, ya que se puede utilizar las mismas infraestructuras industriales (misma tecnología de producción) que para las de Li-ion y por tanto minimizar el coste de la transferencia tecnológica. Otra reducción inmediata del coste es la posibilidad de utilizar una lámina de aluminio como colector de corriente tanto en el ánodo como en el cátodo en lugar de cobre (corrosión del aluminio en Li-ion).

Aún quedan muchos retos por resolver, especialmente en lo que se refiere a la vida útil y la seguridad a nivel de prototipo pre-industrial, los resultados actuales muestran que nos encontramos ante una tecnología competitiva a cualquiera de las existentes en términos de rendimiento y coste, que contribuirá a facilitar la gestión energética de las redes eléctricas del futuro.

Perspectiva general de las baterías de sodio-ion

Durante la década de los 80, el desarrollo de las baterías de Na-ion ha sido paralelo a las de Li-ion, pero debido al mejor ratio densidad/volumen ha sido esta última la que ha dominado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles desde 1990. Sin embargo, para aplicaciones estacionarias donde la densidad energética no es el parámetro más importante, la tecnología de Na-ion parece ser una muy excelente opción de futuro, con un coste estimado de <0.1 €/Wh en 2020 (50% inferior a Li-ion) y con la posibilidad de almacenar varios MWh en volúmenes reducidos (3 veces inferior a la tecnología Pb-acido).

Electrodos positivos para baterías de sodio-ion

En los últimos años, muchos materiales han sido propuestos como posibles cátodos para baterías de Na-ion, aunque los más prometedores y en los cuales se están centrando más esfuerzos son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.

Entre estos materiales se encuentran los óxidos laminares y los compuestos polianiónicos, basados estos últimos en fosfatos, pirofosfatos, fluorofosfatos, sulfatos,etc.; que ofrecen una gran versatilidad para el desarrollo de nuevos materiales catódicos para baterías de Na-ion. Pero veamos en qué consiste el Azul de Prusia.

Uno de los materiales que más está captando la atención últimamente es el conocido como Azul de Prusia, AM[M´(CN)6] (A = metal alcalino, M = M´= generalmente Fe). Entre sus ventajas, cabe destacar su facilidad de síntesis, su naturaleza amigable con el medio ambiente y su estructura 3D y modulable, que facilita la intercalación de iones. Entre sus inconvenientes, mencionar una baja eficiencia coulómbica debido al colapso que suele producirse en su estructura a lo largo del ciclado. Actualmente se está trabajando en la prueba de concepto de una batería completa tal y como se ha demostrado en el Azul de Prusia.

Electrodos negativos para baterías de sodio-ion

La identificación de un ánodo con un voltaje adecuado, una gran capacidad reversible y una elevada estabilidad es necesaria para el desarrollo de las baterías de Na-ion. A pesar de llevarse a cabo una gran variedad de estudios, actualmente y desde un punto de vista industrial y futuras aplicaciones, solo el carbón desordenado se ha contemplado como un material anódico prometedor para baterías de Na-ion.

Los carbones desordenados son los materiales anódicos más estudiados y proporcionan una capacidad reversible de ~ 300 mAh g-1 a ~ 0.1 V. Si a sus excelentes prestaciones se le añade el hecho que son materiales de bajo coste (<1 € / kg) hacen de ellos uno de los materiales más atractivos para ánodos en baterías de Na-ion.

Por otra parte, también se está investigando en las Carbodiimidas y en las baterías de sodio-ion en medio acuoso. Uno de los enfoques más prometedores para la reducción de costes en baterías de Na-ion es el uso de electrolitos acuosos, y que además presentan una movilidad iónica más elevada y una mayor seguridad que los electrolitos orgánicos convencionales, aunque la ventana de voltaje es más pequeña.

Gracias a la variedad de ventajas que posee en términos de coste, y disponibilidad, conjuntamente con las prometedoras mejoras en cuanto a rendimiento, durabilidad y seguridad, hacen de la tecnología de Na-ion una clara opción de futuro para el almacenamiento de energía en Smart Grids. En este aspecto estamos trabajando, y por ello, los prometedores resultados obtenidos hasta el momento, hacen pensar que esto es posible.

Prof. Mauro Pasta

Almacenamiento – Nuevo electrodo híbrido

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El constante aumento del consumo de energía, principalmente basado en combustibles fósiles, está causando un aumento alarmante de las emisiones de CO2, causando un gran impacto en el cambio climático. La alternativa podría ser la utilización de fuentes de energía renovables, pero su intermitencia dificulta su uso.

Los sistemas de almacenamiento electroquímico en general, y las baterías en particular, se presentan como la mejor solución a este inconveniente. Investigadores estan trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para su uso en baterías, y de esta manera proporcionar al mercado una prometedora tecnología como alternativa a las baterías de litio ion para el almacenamiento en Smart Grids de bajo coste con un mejor ciclo de vida.

Nuevas baterías de almacenamiento

El creciente despliegue de fuentes de energía renovables como la energía solar y eólica requiere un aumento proporcional de la capacidad de almacenamiento de energía para integrarlas en la red eléctrica. La combinación de estas fuentes con la red energética es especialmente difícil debido a la gran y rápida variabilidad en su producción. Los picos intermitentes o gotas de potencia deben ser suavizados para duraciones tan cortas como unos segundos, mientras que el equilibrio de carga es necesario para contrarrestar las fluctuaciones diurnas.

Por ello, se hace necesario un almacenamiento económico de energía que tenga una respuesta rápida, una vida útil prolongada, una alta potencia y una alta eficiencia energética, que puedan distribuirse a través de la red para permitir una amplia penetración de energía solar, eólica y otras fuentes de energía variables.

Las tecnologías convencionales de almacenamiento de energía luchan para satisfacer las necesidades de la red. Prácticamente, toda la capacidad de almacenamiento de energía actualmente en la red es proporcionada por la energía hidroeléctrica bombeada, que requiere una inmensa inversión de capital, depende de la localización y sufre una baja eficiencia energética. El almacenamiento de energía de aire comprimido también depende del sitio y debe ser soportado por una planta de combustión de combustibles fósiles. Los volantes mecánicos ofrecen alta potencia y eficiencia, pero son demasiado caros.

Por otro lado, varias tecnologías de baterías han visto un despliegue limitado en la red. Las células ácidas con plomo son las menos costosas, pero tienen una profundidad de descarga, duración del ciclo y eficiencia limitada. Las baterías de sodio-azufre, sodio-haluro metálico y flujo redox funcionan sólo a bajas tasas y tienen una baja eficiencia energética. Así mismo, las baterías de iones de litio y níquel / hidruro metálico usadas en vehículos eléctricos son actualmente demasiado costosas para su uso en escalas más grandes.

En los últimos años, muchos materiales han sido propuestos como posibles cátodos para baterías de Na-ion, aunque los más prometedores y en los cuales se están centrando más esfuerzos en el CICe son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.

Hemos explorado una variedad de nuevas químicas acuosas de baterías de álcali-ión. Estos son potencialmente ventajosos debido a la seguridad, alta conductividad iónica y bajo coste de los electrolitos acuosos. Se han explorado las baterías acuosas de iones de litio que utilizan materiales catódicos adoptados a partir de células de electrólito orgánico comercializadas, pero en general han mostrado una vida útil limitada. Se ha demostrado que las células acuosas de sodio que utilizan un cátodo Na x MnO2 y un ánodo capacitivo de carbono ofrecen una larga duración del ciclo, pero tienen una capacidad de velocidad limitada. Estas tecnologías acuosas se han limitado principalmente por el desarrollo de materiales de ánodo que tienen el potencial correcto y que son químicamente estables al electrolito deseado.

Recientemente, hemos desarrollado una familia de materiales de nanopartículas de estructura abierta con la estructura cristalina de Prusia Azul. Estos materiales tienen una estructura cristalina de estructura abierta que contiene grandes sitios intersticiales que permiten la rápida inserción y extracción de Na + y / o K + con muy poca deformación cristalográfica. Por ejemplo, el hexacianoferrato de cobre (CuHCF) reacciona con K + mediante una reacción de inserción monofásica.

Los electrodos CuHCF son prometedores para aplicaciones de almacenamiento de energía a escala de red debido a su ciclo de vida ultra-largo (83% de retención de capacidad después de 40.000 ciclos), alta potencia (67% de capacidad a 80C), alta eficiencia energética y potencialmente un costo muy bajo.

Un ánodo para funcionar en el mismo electrolito que el cátodo CuHCF debe ser químicamente estable en soluciones ácidas y tener preferiblemente un potencial cercano a -0,1 V frente al electrodo estándar de hidrógeno (SHE), el límite termodinámico para la descomposición de agua A este pH. Además, un ánodo útil debe tener una vida útil de ciclo muy larga y una capacidad de alta velocidad para adaptarse a las propiedades notables del cátodo CuHCF. Además de K +, CuHCF también puede reaccionar con iones alcalinos, tales como Li + y Na +, por lo que un ánodo capaz de reaccionar con cualquiera de estos iones podría ser utilizado. Una opción intuitiva sería otro análogo de Azul Prusiano con un potencial de reacción cerca del SHE. Sin embargo, la reducción del azul de Prusia a la sal de Everitt tiene un potencial demasiado alto (0,45 V frente a SHE) y otros análogos de Azul Prusiano que contienen hexacanomanganato y hexacicocromato electroquímicamente activos son químicamente inestables.

La nueva clase de ánodos que son compatibles con nuestros materiales CuHCF tiene una estructura abierta en electrolitos acuosos. Estos ánodos se basan en un electrodo híbrido que funciona mediante un nuevo concepto fundamental; Es decir, combinando un material de electrodo (polipirrol, PPy), que es capaz de una reacción faradaica a un potencial fijo con un electrodo capacitivo (carbón activado, AC), se puede controlar el potencial de todo el electrodo.

Fundamentalmente diferente de los electrodos tradicionales de batería y capacitivos, nuestro nuevo electrodo híbrido tiene la capacidad de alta velocidad de un ultra-condensador, pero con el potencial bien definido de un electrodo de batería. Este electrodo híbrido tiene un atractivo potencial de circuito abierto (OCP), sintonizable a -0,2 V frente a SHE, un perfil de carga / descarga poco profundo y baja autodescarga.

Además, demostramos que una célula completa con este ánodo híbrido y un cátodo CuHCF proporciona un rendimiento que es prometedor para aplicaciones de almacenamiento estacionario a gran escala, tales como alta potencia y eficiencia energética, y una vida útil de miles de ciclos.

Prof. Mauro Pasta

Descubre la Energía Azul y su gran potencial

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La Energía Azul o energía osmótica es la energía que se obtiene por la diferencia de salinidad entre el agua de mar y el agua de río. Este tipo de energía tiene un gran potencial para convertirse en una fuente de energía limpia renovable, contribuyendo así a la lucha contra el calentamiento global y el agotamiento de las energías tradicionales.

¿Qué es y cómo se obtiene la Energía Azul?

La Energía Azul usa la cantidad de energía que se libera cuando el agua dulce entra en contacto con el agua de mar. La diferencia de salinidad entre estas dos clases de agua, crea una fuente de energía limpia renovable. El proceso consiste en la permeación del agua con baja salinidad a otra con mayor concentración de sal, ya que, mientras mayor sea la diferencia salina entre ambas soluciones, mayor será la cantidad de energía producida.

Las primeras investigaciones sobre este tipo de energía osmótica se la debemos al científico norteamericano Sidney Loeb. Este científico desarrolló en los años 50 un procedimiento de obtención de agua potable por efecto de la ósmosis, empleando para ello una membrana sintética, agua de mar y altas presiones.

Algunos años más tarde, Loeb introdujo en su investigación la utilización de un tanque con dos cámaras separadas por una membrana semipermeable. En una de las cámaras se almacenaba el agua salada, y en la otra el agua dulce. La sal del agua de mar hacía que el agua dulce atravesase la membrana, generando un incremento de la presión del lado del agua de mar. Este aumento de presión, equivalente a una columna de agua de 120 metros, lo usó para mover una turbina y generar así electricidad.

Partiendo de dicho descubrimiento, en la actualidad existen dos líneas de investigación, una que se basa en la tecnología de Loeb, y otra que busca el efecto de electrodiálisis inversa.

Basándose en el prototipo de Loeb, funciona desde el año 2009 en Tofte (Noruega) una planta de energía azul experimental. En esta planta se prueba e investiga el uso de diferentes tipos de membranas y diseños. Así mismo, el Instituto Lumière Matière de Lyon, ha desarrollado un dispositivo experimental que se supone mil veces más eficiente que cualquier otro sistema.

Por otro lado, línea de investigación de Dr. Mauro Pasta se centra en la creación de un dispositivo al que llama Batería de Entropía.

La entropía como forma de generar electricidad

Todo sistema contiene entropía, es decir, una cierta medida de desorden. En un sistema cerrado la entropía tiende a aumentar según el segundo principio de la Termodinámica. Basándonos en esta premisa, si tomamos un vaso de agua pura y un cristal de sal por separado, cada uno de ellos contiene menos entropía que si los mezclamos. Una vez mezclados, para volver a separarlos tenemos que usar energía.

Si se necesita energía para separar el agua de la sal, también se puede obtener energía al mezclar el agua con la sal. De ahí surge la investigación sobre la generación de electricidad gracias a la diferencia entre la salinidad del agua dulce y el agua de mar.

La ventaja de la investigación de Dr. Mauro Pasta en comparación con los prototipos de membranas señalados anteriormente, es que, por el momento, las membranas son frágiles y la implementación de dichos sistemas supone una gran inversión. Mientras que la creación de una batería de entropía es muy simple. Se basa en dos electrodos sumergidos en un líquido que contiene iones, es decir, un electrolito. La interacción de los iones del agua dulce con el agua salada, da como lugar a una concentración de agua salada tal, que llega un momento en el que los electrodos no pueden contener más iones. Al alcanzar esta fase, es cuando podemos producir energía eléctrica.

Esta investigación, se ha centrado en el uso del dióxido de manganeso como electrodo positivo, ya que, no es perjudicial para el medio ambiente. Por otro lado, el electrodo negativo, que hasta ahora hemos usado, es de plata, con el que hemos obtenido muy buenos resultados. El único obstáculo para desarrollar el proyecto es que la utilización de electrodos de plata puede encarecer el proceso.

Por este motivo, Mauro Pasta continua investigando en la misma línea, para desarrollar el funcionamiento de la batería de entropía. Ya que, los estudios han demostrado que se puede alcanzar un 74% de eficiencia en la extracción de energía, usando este tipo de batería.

Tanto es así, que el potencial energético que se puede llegar a obtener es de 2TW, lo que viene a significar el 13% del total de energía consumida en todo el Planeta.

Prof. Mauro Pasta

Sistema de Gestión y Control de Flota

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Hemos desarrollado un Sistema de Gestión y Control de Flota (SGCF) con el objetivo de mejorar la eficiencia de los servicios de transporte y la seguridad de los conductores y pasajeros. Este sistema permite tener acceso, en tiempo real, a información relevante para facilitar la toma de decisiones ante posibles problemas en ruta.

¿Cómo funciona el SGCF?

El SGCF es un sistema diseñado para gestionar a través de un portal web todas las áreas que componen una empresa de transportes. En el momento en que accedemos a la web organizativa, tenemos a nuestra disposición toda la información relativa a: Activos, Recursos Humanos, Servicios, Mantenimiento, Prevención de riesgo, Compras, Ventas, Inventario, Contabilidad, Finanzas, Calidad, y Resultados de Auditorias. 

El funcionamiento del SGCF se basa en la instalación de dispositivos electrónicos automatizados. Éstos envían información en tiempo real, por medio de comunicación remota inalámbrica a los servidores web, mediante aplicaciones desarrolladas a tal fin. Además, este sistema permite también la integración con otros sistemas de información, ampliando así su eficacia.

El Sistema de Gestión y Control de Flota consta de tres sistemas principales relacionados entre sí: por un lado el Sistema de Control de Ruta (SCR), por otro el Sistema de Planificación de Recursos Empresariales (ERP) y por último el Sistema de Gestión y Reportes (SGR).

Cuando accedemos al portal web organizativo por medio de nuestro usuario y clave personal, el sistema nos permite interactuar con la información en función de nuestro cargo y rol en la empresa. Es decir, el acceso que tenemos a la información está en consonancia con nuestra área de trabajo y cargo.

El SGCF nos ofrece una completa área de trabajo donde se reúnen todos los aspectos de la empresa, ya sean burocráticos, técnicos o prácticos. Desde el sistema de gestión podemos controlar la disponibilidad de los conductores, llevando un control de los períodos de vacaciones y licencias, y al mismo tiempo, reunir todos los requisitos documentales como contratos, seguros, etc.

Por otro lado, nos ofrece la posibilidad de soporte en línea para solicitudes, seguimiento de incidentes, al cual tienen acceso todos los usuarios autorizados. Esto permite una mejor comunicación entre todos los miembros de la empresa, lo que significa una mejora en la gestión de los recursos humanos y en la planificación empresarial. Pero veamos detalladamente la estructura del SGCF.

Estructura del SGCF

En primer lugar tenemos el SCR, o Sistema de Control de Recorridos. Este sistema se apoya en la instalación de dispositivos electrónico en el vehículo, el cual nos reporta la información relativa a: localización, velocidad, cantidad de pasajeros, conductor asignado al vehículo y ruta planificada.

El SCR nos permite hacer un seguimiento en tiempo real de todos los detalles señalados anteriormente. Con dicha información tenemos la posibilidad de ejecutar las acciones que sean necesarias para el buen funcionamiento del servicio, como por ejemplo: programar los servicios, verificar la realización de los mismos y generar estados de pago.

En segundo lugar, el ERP o Sistema de Planificación de Recursos Empresariales, nos da la información sobre cualquier otro departamento de la empresa que no cubre el SCR.

Y en tercer lugar, el Sistema de Gestión y Reportes, permite crear reportes gráficos para todas las áreas de trabajo. Los reportes nos darán información clara y detallada sobre incidentes, velocidades, ocupación, documentos, sustancias peligrosas, exámenes médicos, etc. Y todo ello en formatos gráficos estándares como  Excel, Pdf o Csv.

Todos estos elementos ayudarán a la prevención de riesgos, ya que tendremos el control sobre todas las áreas y departamentos de la empresa de una forma clara y visual.

Los retos globales

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Crecí en una pequeña ciudad en el sur de Alemania. Era un pueblo típico alemán, pero se encuentra lo suficientemente cerca de una ciudad grande, así que crecí con algunas personas de origen inmigrante. Nos encontramos en el club de fútbol, en la escuela o simplemente jugando en el barrio. Una vez me invitaron a ir a la casa de un amigo cuyos padres tenían raíces turcas. Creo que tenía 10 años. Me llevó a una calle donde vivían sólo los inmigrantes. Su casa por dentro era muy agradable. Vimos algunas películas VHS (sí, soy muy viejo) y sus padres nos dieron algunos dulces turcos para comer. La comida turca es impresionante. Recuerdo sus padres eran un poco nervioso; me trataron tan bien que de hecho me sentí como alguien especial. Nos sentamos en la alfombra en lugar de sillas y jugamos algunas cosas. Después de un rato, di gracias a mi amigo y sus padres por la invitación y fui a mi casa. Esta fue mi primera experiencia intercultural que puedo recordar. En los próximos años tendré muchos más, y realmente nunca pensé mucho acerca de ellas. Yo no era un chico que vio “diferencias”.  

Hay un movimiento de intolerancia y racismo en todo el mundo. ¡¿Hola?! No puedo creer que hay gente por ahí que no conoce gente impresionante de otros países o culturas? ¿Qué pasa con los niños, por lo menos? Nunca han visto Star Trek? Los retos grandes solo se pueden resolver con un esfuerzo global. El cambio climático es el mejor ejemplo, pero también aliviar la lucha por recursos y asegurando estabilidad social requieren que diferentes naciones trabajen hacia los mismos objetivos. No debería importar si una casa está al otro lado de una frontera; las fronteras no son reales, son imaginarias. Una frontera no siente y no sufre, entonces no es real. 

Atentamente,

Un ciudadano del mundo

Esto está dedicado a mi esposa e hijos.

Mix optimo de fuentes de energia

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Las investigaciones realizadas en la energía no es consistente y con frecuencia no se ajusta a una norma común para la comparación. Los cálculos se hacen sobre todo sin tener en cuenta los llamados “factores externos”, volumen (tamaño), diferentes costos de capital o subvenciones existentes y recortes de impuestos. Por otra parte, la mayoría de las veces una única fuente de energía se compara con otras fuentes, sin tener en cuenta una posible combinación de energías. Por último, pero no menos importante, sea cual sea la combinación energética más conveniente depende en gran parte de la región. En algunas regiones, la energía geotérmica funciona muy bien y en otros, solar o eólica se prefiere. Cualquier intento de generalizar las posibles soluciones de la energía no es una forma ideal para hacer frente a este complejo tema.

Es importante ponerse de acuerdo sobre las normas de la industria para los cálculos. Esta podría ser la base para definir el mix energético ideal para cada región o incluso de cada ciudad.

Muchos académicos y profesionales, aunque con opiniones muy diferentes en otros detalles, están de acuerdo en que una solución de energía limpia viable y escalable que puede satisfacer todas las energías de la tierra necesita ahora y en el futuro es la energía solar. Algunos proponen utilizar los desiertos del mundo y otros incluyen instalaciones de paneles descentralizados. Uno de los problemas es la relativamente alta inversión que se requeriría para generar y transportar energía solar al consumidor final. Otro reto para la generación de energía local y el almacenamiento es que muchos países no cuentan con una infraestructura de red inteligente de dos vías.

Imran y Kockar (2013) proporcionan una comparación de los diseños que prevalecen de los mercados mayoristas de electricidad en América del Norte y Europa. Algunas de las diferencias incluyen el diseño emergente para los países europeos, que considera un enfoque abierto con múltiples intercambios de energía (bilateral) con organizaciones esencialmente independientes. El diseño de Estados Unidos se combina predominantemente en una sola entidad. A raíz de esta comparación, puede haber indicios de que la separación de explotación de la red de generadores de energía en un mercado liberal parece ser el enfoque moderno. Las redes públicas todavía podrían ser instalados y mantenidos por varias empresas privadas a través de un proceso de licitación y concesión de licencias. Sin embargo, los generadores de energía locales deben competir en un mercado de materias primas abierta pero con directrices claras.

Kammen (2014) indica que cada región y país tiene su propia legislación y reglamentos para incentivar las inversiones en energía limpia. En California, es una obligación; en Alemania, hay tarifas especiales, y así sucesivamente. Ese tipo de políticas parecen haber tenido resultados positivos. Pero en realidad no es claro si fue la política o el uso simple y eficiente de la tecnología solar. Se sabe que las compañías de petróleo y gas han recibido muchos más beneficios fiscales y subsidios en comparación con la mayoría de los proyectos de energía limpia. De acuerdo con Kammen (2014), para impulsar la industria de energía limpia, se necesitan empresas grandes y pequeñas. Se necesitan grandes empresas de economías de escala en la producción, y las pequeñas empresas para la innovación. Kammen (2014) también propone la integración de la generación de energía de una manera descentralizada, convirtiendo edificios en una red de generadores de energía, mientras incentivar el uso de vehículos eléctricos.

El exceso de capacidades y flexibilidad del suministro y de la demanda

Según Green y Staffel (2016), los siguientes problemas están relacionados con el mercado de la energía: Suministro siempre debe ser suficiente para satisfacer la demanda; si no es suficiente para unos pocos segundos, el sistema colapsa. Sólo unas pocas tecnologías de almacenamiento son viables, pero se necesita más investigación.

Las estrategias para hacer frente a estos retos incluyen la construcción de más capacidad que se necesita y mantener las fuentes de energía de reserva, que se pueden utilizar para suministrar energía en caso de que se requiere (Green y Staffell, 2016). La construcción de más capacidad introduce el riesgo asociado a las inversiones.

Una posible solución sería utilizar el exceso de energía en horas no pico para ciertas aplicaciones alternativas de demanda flexible. Una demanda flexible podría ser estaciones de carga de autos eléctricos o de almacenamiento en edificios. Cuando no se requiere electricidad en el mercado eléctrico principal, o cuando los precios son demasiado bajos, generadores de energía podrían usar ese tipo de acuerdos para suministrar energía para usos alternativos que utilizan almacenamiento distribuido.

Una red inteligente de infraestructura

La infraestructura de electricidad en la mayoría de los países parece no tener las características tecnológicas que harían posible tener una cierta flexibilidad en la generación y distribución de energía sin tener que ponerse de acuerdo sobre los excesos de capacidad considerables y modos de transporte largos. La infraestructura parece estar diseñado con un enfoque de generación y distribución de energía centralizada.

Un enfoque más descentralizado proporcionaría una mayor seguridad del mercado. Un enfoque descentralizado para la creación de energía podría ser una preocupación para las empresas de servicios públicos desde una perspectiva de negocios, pero la instalación local de sistemas de energía sería muy fragmentado y por lo tanto competitivo y probablemente más eficaz en la prestación de mejores precios y calidad. Además, más personas pueden consumir más energía cuando los precios caen. La auto-generación de energía podría ayudar a los hogares a suavizar los cambios bruscos en los precios de la electricidad.

Instalaciones solares locales son mucho más fáciles de manejar.

Según Navigant Research, se espera que la capacidad microrred global va a crecer de 1,4 GW en 2015 a 7.6 GW en 2024 en un escenario de base.

Un estudio de Stauffer (2015) concluye que el despliegue de la energía solar descentralizada a escala requiere equipo costoso y el desarrollo de tecnologías críticas, que se traduce en costo neto añadido para los consumidores. Sin embargo, este estudio no tuvo en cuenta la disminución de las capacidades necesarias y el aumento de los proveedores de instalación que pueden tener efectos positivos debido a la competencia en un mercado liberalizado.

Las políticas relacionadas con instalaciones microrred incluiría toma de la red pública operativo para aplicaciones de redes inteligentes que permiten un flujo bidireccional de energía eléctrica. Una red pública óptima sería permitir que cualquier generador de energía puede no solamente inyectar electricidad, sino también sacar la electricidad cuando sea necesario.

Desarrollo solar a gran escala

Desertec propone la utilización de regiones desérticas para generar teóricamente toda la energía requerida en el mundo. El siguiente mapa muestra el mundo de color de acuerdo con la incidencia solar directa (DNI), que es una indicación de la potencial salida máxima que puede ser generada por el tamaño físico requerido para la generación de energía solar.

Seba (2009) establece que el 1% del tamaño de las tierras desérticas de Estados Unidos (desierto de Mojave) sería suficiente para alimentar todo los EE.UU..  Parte de las regiones desérticas de Chile sería suficiente para alimentar muchas partes de América del Sur. España, Turquía y el Sahara de África serían candidatos para alimentar ambos continentes (CleanTechnica 2011, Seba 2009, Breyer y Knies 2009, Schillings, et al.). Básicamente en todas partes del mundo, hay tierra desierto con no más de 3000 km de distancia (Breyer y Knies, 2009; Seba 2009). Con nuevas líneas de transporte de redes inteligentes sería suficiente para llegar a cualquier región. “Los desiertos del mundo reciben más energía abajo del sol en seis horas que la humanidad usa en un año” (Desertec 2009, Scientific American 2013). El potencial global de concentrar cantidades de energía solar es aproximadamente de 3.000.000 TWh /  año, un número considerablemente mayor que la actual producción mundial de electricidad de 23.322 TWh / año (AIE, 2015). Una gran parte de esta fuente de energía renovable se concentra en los desiertos de la tierra.

Los efectos de transición

Las compañías de petróleo y gas pueden tener dificultades para competir en la industria de energía limpia. A modo de ejemplo, podemos mencionar Shell y BP. Los dos gigantes del petróleo entraron en la industria de energía limpia, especialmente la solar, con una gran inversión en la cadena de suministro. Por último, ambas compañías fracasaron y fueron forzados a salir. Miller (2013) menciona en su investigación que las razones del fracaso incluyeron de no tener expertos solares en el equipo de dirección ejecutiva, así como la falta de velocidad en la curva de aprendizaje para tener éxito.

El mercado es enorme ya que se requiere una gran cantidad de nuevas inversiones en infraestructura para la transición a la energía renovable. El riesgo asociado a estas inversiones dependerá en parte de las políticas públicas mencionadas anteriormente. Mientras que el enfoque descentralizado probablemente podría ser competitivo, el desarrollo de energía solar a gran escala probablemente requeriría una participación más activa de los gobiernos para asegurar los pagos de proyectos y mitigar el riesgo. Un buen enfoque podría ser el lanzamiento de proyectos en diferentes regiones, a partir de las regiones con más alta incidencia solar (DNI). Esos proyectos podrían alimentar a los mercados locales primero y luego, paso a paso, la exportación a otros países.

Grafeno: el futuro de las células solares?

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El Grafeno tiene la característica de poseer una excelente conductividad, esto unido a su transparencia lo convierten en el elemento que puede transformar el futuro de la energía solar. Prof. Andrew Watt’s investigaciones con el Grafeno, confirman que la próxima generación de paneles solares será más eficiente, duradera y económica, si utilizamos este nanocrystal como electrodo conductor en las aplicaciones fotovoltaicas.

¿Qué es exactamente el grafeno?

El Grafeno es una sustancia compuesta por carbono, en el cual los átomos están dispuestos de forma hexagonal. Su estructura es similar al grafito, pero su densidad es la misma que la de una fibra de carbono, siendo hasta cinco veces más ligero que el aluminio. Debido a que su grosor es tan delgado como un átomo de carbono, a este nanomaterial se le considera 2D. Por otro lado, a pesar de su fino grosor es hasta doscientas veces más fuerte que el acero. Debemos añadir a las características del grafeno que es un gran conductor de calor y electricidad, y además es transparente, impermeable y flexible.
Pero veamos cuáles son las propiedades más destacadas del grafeno:

  • Es hasta 100 veces más duro que el Acero y el Diamante
  • Es transparente
  • Es elástico y muy flexible
  • Tiene la capacidad de auto-enfriarse
  • Alta conductividad térmica y eléctrica
  • Reacciona químicamente al mezclarlo con otras sustancias
  • Es muy ligero
  • Genera electricidad en contacto con la luz
  • Se puede modificar químicamente
  • Se autorepara, es decir, cuando una lámina de grafeno sufre un daño, los átomos de carbono más cercanos se encargan de reparar el problema
  • Absorbe residuos radiactivos

Todas estas características han hecho que muchos investigadores se interesen por él como alternativa para diferentes aplicaciones. Puede ser usado como componente en aparatos electrónicos, en cables de alta velocidad, en superbaterías eléctricas, en pantallas táctiles flexibles, en cámaras fotográficas más sensibles, etc.

Por ello, la aplicación del grafeno para su uso en células solares está a la vanguardia de la investigación en tecnología fotovoltaica.

Electrodos de grafeno para células solares

Andrew Watt, experto en nanomateriales, ha elaborado una investigación para producir grafeno sintético. Para ello, usamos la deposición de vapor químico, de esta manera, conseguiremos variaciones en el estado y morfología de su superficie para adaptarlo mejor a su uso en células solares.

El único obstáculo del grafeno, es que de momento, presenta una menor eficiencia en la conversión de energía y una vida útil más corta que las células solares de silicio cristalino. Por eso, el objetivo de nuestro proyecto es explorar la posibilidad de alterar el estado del grafeno químicamente para mejorar sus niveles de eficiencia. Lo que buscamos es sintetizar nanocristales inorgánicos mediante una solución química.

Nuestro método para la fabricación de nanoestructuras semiconductoras sobre el grafeno, a través de un proceso de ingeniería de interfaz, conserva las propiedades estructurales y eléctricas del grafeno. Esto hace que sea un reemplazo viable en diversas configuraciones de los dispositivos fotovoltaicos, lo que abre una amplia gama de oportunidades para el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos flexibles. Por otra parte, esta estructura también se puede aplicar a una variedad de dispositivos nanoelectrónicos, tales como LED.

En resumen, Watt ha elaborado el diseño de células solares híbridos orgánicos / inorgánicos que ofrecen una gama de características atractivas, incluyendo eficiencias de conversión mejoradas. Actualmente esta investigando otros sistemas fotovoltaicos flexibles de grafeno con electrodos basados ​​y una solución procesable, con el objetivo de lograr el rendimiento del dispositivo comparable o superior a las de sus contrapartes convencionales.

Por otra parte, es importante destacar que no somos los únicos interesados en el grafeno. Se están realizando diferentes estudios e investigaciones que demuestran que incluso añadiendo una pequeña cantidad de grafeno a una célula solar, esto hace que el rendimiento de la misma aumente hasta tres veces en comparación con el tipo de células convencionales.

También algunos fabricantes y proveedores de materiales 2D están colaborando con empresas de tecnología solar en investigaciones sobre el uso del grafeno. Lo que se pretende conseguir es desarrollar células solares sensibilizadas con grafeno mejorado. La ventaja es que la fabricación de las células solares de película delgada implica un bajo coste. Además de su baja inversión, también tiene muchas otras ventajas de implementación.

Prof. Andrew Watt