La investigación e ingeniería en energía solar

Impacto, alcance, desarrollos, contexto regional y nacional, así como el fortalecimiento que esta área aporta al CIO en general

Fecha: 30 de Septiembre de 2020

Manuel Peña | Hacemos ciencia para ti | Visto 1547 veces

Cuando leemos o escuchamos el término “Energía”, se nos viene a la mente numerosas definiciones complicadas y/o conceptos abstractos de nuestra educación básica. El término “Energía” más ampliamente aceptado se refiere simple y llanamente a la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. La unidad de medida para cuantificarla es el Joule (J), en honor al físico inglés James Prescott Joule, y en el Sistema Internacional de Unidades tiene su equivalencia con el Watt · segundo (W · s). Entonces, la energía se puede manifestar de diferentes maneras, dependiendo el cambio o el trabajo que se quiera provocar. Por ejemplo, la energía mecánica, que tiene como objetivo relacionar el trabajo necesario para provocar el movimiento de un objeto. La energía eléctrica, que está relacionada con una diferencia de potencial entre dos puntos y se relaciona con la corriente eléctrica. O la energía térmica, que se asocia con la cantidad de energía que pasa de un cuerpo caliente a un cuerpo frío en forma de calor. Estos son solo algunos ejemplos cotidianos de nuestra interacción con la energía. Existe sin embargo otro tipo de energía que nos debería resultar bastante cotidiana, especialmente a los que vivimos en el planeta tierra, y con ello me refiero a la Energía Solar. Si nos basamos en la definición que hemos mencionado anteriormente, la energía solar podría definirse como la capacidad que tiene el sol para realizar trabajo. ¡Y vaya que el sol realiza trabajo! Pensemos en todas las implicaciones que tiene el sol para la vida del planeta. El sol nos proporciona calor (energía térmica), nos proporciona iluminación (energía electromagnética), nos proporciona alimento mediante el aprovechamiento de la luz solar de las plantas (energía bioquímica) y más. Resulta además que conforme ha avanzado el entendimiento de nuestro astro rey, hemos aprendido a sacarle un mayor provecho, he aquí algunos ejemplos:

En la actualidad, la mayoría de la población está familiarizada con lo que es un panel fotovoltaico. Estos son cada vez más comunes en techos de viviendas y comercios. Sin embargo, pocos saben que la primera celda fotovoltaica que se construyó data de 1883, ¡hace más de 130 años! todo esto gracias a Charles Fritts, quien recubrió una lámina de oro con selenio, un material semiconductor, lo que permitía generar electricidad con una eficiencia de tan solo el 1%. Hoy en día la tecnología solar fotovoltaica basada en silicio (con una eficiencia que ronda el 16-20%) pareciera haber alcanzado su madurez en el mercado nacional e internacional, con ejemplos como Bhadla Solar Park en Rajasthan, India, la mayor planta fotovoltaica del mundo, con una capacidad instalada de 2,245 MW; se estiman que se utilizaron cerca de 8 millones de paneles fotovoltaicos en un área de 57 km2 , ¡casi 20 mil campos de fútbol! (https://www.nsenergybusiness.com/projects/bhadla-solar-park-rajasthan/).

Además, la energía solar fotovoltaica ha logrado convertirse en una tecnología capaz de proveer control y regulación de la red eléctrica auxiliar a escala comercial, despejando así toda la incertidumbre que se ha generado en nuestro país el tema de inclusión de las energías renovables en la política de confiabilidad de la red eléctrica nacional (https://www.globenewswire.com/news-release/2020/08/20/2081321/0/en/FirstSolar-Power-Plant-in-Chile-is-World-s-First-to-Deliver-Grid-Services.html).

Por otro lado, la energía solar como fuente de calor es algo con lo que históricamente el ser humano ha estado familiarizado. Se cree incluso por algunas tablillas de arcilla halladas en vestiARTÍCULO gios arqueológicos, que uno de los primeros usos de la energía solar de concentración se dio por allá por los años 2000 A.C, en los que las sacerdotisas de Mesopotamia encendían el fuego sagrado de los altares mediante el uso de espejos curvos de oro pulido. Sea esto cierto o no, lo que es cierto es que gracias al avance del conocimiento humano el uso del calor solar va más allá del uso ceremonial o del mero confort térmico. Es posible aprovechar ese calor del sol (energía solar térmica) para solventar procesos térmicos del hogar y la industria. Sistemas de captación solar, como los calentadores solares, nos proveen de agua caliente para uso sanitario sin tener que recurrir al uso de calderas de gas. En la industria el uso de sistemas de con centración solar permite alcanzar mayores temperaturas con las cuales se puede solventar procesos de la industria alimenticia, farmacéutica, textil, automotriz entre otras (https://inventivepower. com.mx/solucion-en-energia-solar/proyectos-instalados/). Un concentrador solar es un sistema optomecatrónico que re-direcciona la luz solar hacia un receptor con el fin de aumentar la densidad de energía (muy similar a como funciona una lupa). Este tipo de dispositivos concentradores de radiación solar se pueden utilizar para procesos de calor en la industria, así como para plantas de generación de energía eléctrica. Un ejemplo de ello es la planta de Noor Complex Solar Power Plant, en Marruecos. Esta planta tiene una capacidad instalada de 580 MW y proporciona energía eléctrica a cerca de ¡1 millón de habitantes! (https://www. ecohz.com/renewable-energy-solutions/powerplants/noor-solar-power-in-morocco/). Solo por mencionar un dato, la eficiencia de conversión de energía solar térmica supera el 70%. Es por esto que los sistemas termosolares se posicionan cada vez más como una alternativa muy prometedora para solventar nuestras necesidades de calor y electricidad. Además, existen sistemas híbridos que mediante el uso de celdas fotovoltaicas y disipadores de calor generan electricidad y calor al mismo tiempo aumentando la eficiencia global del sistema hasta en un 85% (https://www.pv-magazine.com/2020/07/16/cpv-solar-thermal-system-delivering-lcoe-of-0-03-kwh/). Si lo ponemos en términos monetarios, aumentar la eficiencia de conversión de energía solar a térmico-eléctrica, conlleva a aprovechar mejor la fuente primaria de energía (el sol), con lo cual a mayor aprovechamiento, menor costo nivelado de energía tendrá la tecnología solar.

Noor Complex Solar Power Plant, en Marruecos

Como es de apreciar, la ciencia y el desarrollo de sistemas que aprovechen la energía solar en beneficio de la sociedad es un proceso gradual que ha ocurrido gracias a la investigación de numerosas áreas del conocimiento científico. El Grupo de Investigación e Ingeniería en Energía Solar (GIIE-Sol) de la Unidad Aguascalientes del CIO trabaja en la investigación, desarrollo e innovación (I+D+I) de sistemas termosolares y fotovoltaicos para mejorar su competitividad y proveer soluciones a necesidades de calor y electricidad en la sociedad y la industria. En términos generales, se pueden definir 7 áreas claves dentro del actuar del GIIE-Sol:

  • 1. Evaluación del recurso solar.
  • 2. Diseño óptico y mecánico.
  • 3. Optimización de componentes.
  • 4. Instrumentación y control.
  • 5. Pruebas ópticas, térmicas y eléctricas.
  • 6. Sistemas inteligentes.
  • 7. Aplicaciones termosolares y fotovoltaicas.

Cada una de estas áreas, genera grandes retos técnicos que a su vez proveen enormes áreas de oportunidad para la región y el país. México, al estar posicionado en el llamado “cinturón solar” (Latitud: 23.5 ºN), es uno de los países más privilegiados del mundo en términos de irradiancia solar. Se estima que únicamente para la región semi-árida del Bajío se tiene una irradiancia solar promedio de 5.5 kWh/m2 , y las zonas desérticas del norte del país de ¡hasta 6 kWh/m2 !, muy superior a otras regiones de Europa que aprovechan mejor su poco recurso solar. Si bien la energía solar es sumamente abundante en nuestro país, existen todavía pocos esfuerzos a nivel nacional con sistemas industriales que aprovechen este privilegio. En particular, quisiera ahondar en las aplicaciones termosolares y fotovoltaicas que se desarrollan en el GIIE-Sol del CIO y que representan un esfuerzo complementario con la comunidad científica por aprovechar más y mejor la energía que nos provee el sol en nuestro país.

El desarrollo de sensores inteligentes como medio para la cuantificación de la irradiancia solar mediante metodologías de visión artificial presenta enormes ventajas con respecto a los radiómetros tradicionales: su bajo costo y su capacidad de programación permiten identificar la dinámica del cielo; y con ello, predecir el comportamiento de la irradiancia solar en horizontes cortos de tiempo “Nowcasting”. Este proyecto es un esfuerzo multidisciplinario e interinstitucional en donde participan: el CIO con sus unidades Aguascalientes y León, el CentroGeo y el IG-UNAM.

Derivado de la madurez alcanzada ya por las celdas de silicio, se siguen investigando materiales semiconductores alternativos que proporcionen una mayor eficiencia de conversión de energía (electromagnética-eléctrica). Existen ya celdas de uso comercial (aunque limitado), basadas en la unión de múltiples capas de distintos materiales semiconductores (como una especie de sandwich de semiconductores), llamadas celdas Tandem o de Multi-unión. Estas capas aprovechan ciertas longitudes de onda del espectro electromagnético para convertir la luz solar en energía eléctrica con una eficiencia de hasta 40% (http://suncoreus.com/ cpv-technologies/cpv/). Si bien requieren de elementos ópticos para aprovechar mejor la radiación solar, y esto las hace costosas comparadas contra los otros tipos de celdas mencionadas, son una alternativa prometedora que el GIIE-Sol investiga para reducir costos y volverla comercialmente competitiva (Proyecto liderado por el Dr. Arturo Díaz).

Sistema de predicción de Irradiancia Solar en horizontes cortos de tiempo “Nowcasting”

Sistema de seguimiento solar para celdas multi-unión de alta concentración

El desarrollo de sistemas de concentración solar que permitan alcanzar temperaturas medias de operación (100-300 ºC) para atender necesidades de la industria (calor solar de proceso) es un tema de gran interés para el GIIE-Sol. Es por ello que se han realizado esfuerzos de vinculación con la industria local, en particular con la empresa Inventive Power® (de capital 100% nacional), que permita mejorar el rendimiento y la robustez de estos sistemas y con ello alcanzar las temperaturas de operación requeridas para los procesos térmicos industriales (Proyecto liderado por el Dr. Manuel Peña).

Dos proyectos muy interesantes con los que cuenta el GIIE-Sol son la obtención de combustibles solares (H2 , CO, metano, etc.) usando energía solar concentrada y el uso de energía solar para llevar a cabo la purificación de agua. Al respecto, se han obtenido los recursos por parte del CONACYT para diseñar y construir prototipos en los cuales, puedan llevarse a cabo pruebas experimentales, con la finalidad mejorar el desempeño de este tipo de sistemas, hasta conseguir grados de madurez tecnológica que permitan su posible patentamiento o transferencia de tecnología. (Proyecto liderado por el Dr. Carlos Pineda).

Concentrador desarrollado por la empresa Inventive Power® con apoyo del GIIE-Sol

Reactor termoquímico



Sistema Solar para la Potabilización de Agua

Dentro del GIIE-Sol también se integran investigadoras posdoctorantes como la Dra. Nancy Gpe. González Canché, quien realiza investigación orientada hacia el desarrollo de recubrimientos absorbedores solares, a partir de materiales sustentables. Su estancia la realiza dentro del marco del programa Estancias Posdoctorales para Mujeres Mexicanas Indígenas en Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas.

Como se puede apreciar, el GIIE-Sol busca incidir de manera positiva en la atención de oportunidades para el aprovechamiento de la energía solar. La misión del grupo es la de generar I+D+I que permita solventar los grandes retos sociales e industriales en materia energética, posicionado al CIO como un referente nacional e internacional, acorde al enorme potencial solar del país; migrando en el esfuerzo hacia un país más sustentable, democratizando el acceso a la energía renovable, todo esto con ciencia y tecnología nacional por el bien de la sociedad.

Síntesis de materiales base carbón a partir de residuos agroindustriales.