El almacenamiento de la energía solar

Investigadores, ingenieros y empresas del sector de las renovables en la actualidad, continúan desarrollando tecnologías basadas en energía solar con el objetivo de garantizar una máxima eficiencia y fiabilidad técnica a un coste asequible para el mercado en la producción de electricidad. Aunque el sol transmite en una hora más energía a la tierra que lo que actualmente consumen los seres humanos en todo un año, existe una serie de obstáculos e ineficiencias que impiden alcanzar tan solo una fracción de este potencial, un sueño que parece seguir siendo lejano.

El más importante de estos obstáculos es evidente por sí mismo. Durante períodos de nubosidad intensa o en la noche, cuando la demanda de energía alcanza su punto máximo, la producción de los paneles solares se reduce a cero. Es esta intermitencia, por no hablar de la todavía reducida eficiencia de las células solares fotovoltaicas, la que mantiene el elevado coste de la energía solar y empuja a la mayoría de la inversión renovable hacia alternativas más baratas, como la eólica.

Los modernos avances en el campo de la energía solar térmica y la energía solar concentrada (CSP) han ofrecido una serie de soluciones al problema de la intermitencia solar, algunas de las cuales están ya en funcionamiento. Estas soluciones implican diversos medios de almacenamiento de la energía solar durante el día, permitiendo posteriormente acceder a ella por la noche para una producción eléctrica constante.

A través de una serie de prometedoras tecnologías, las grandes instalaciones solares térmicas pueden alcanzar la condición de carga base (24 horas). Los alentadores aspectos económicos del almacenamiento de la energía solar térmica, ha empujado a desarrollar tecnologías de vanguardia que permiten la generación de energía solar a gran escala, a pesar de la caída de precios de las células fotovoltaicas. Por el momento, son dos los métodos de almacenamiento que han sido señalados particularmente como prometedores en el futuro de la energía solar.

1. Almacenamiento de energía por sales fundidas:

Dada su importancia para la viabilidad de la energía solar, el almacenamiento ha sido un área de investigación clave durante las últimas décadas. Una gran parte del trabajo se ha invertido en el desarrollo de baterías de almacenamiento de energía fotovoltaica, pero el costo y la ineficiencia de las mismas hace que esta opción sea poco práctica para las operaciones a gran escala. Sin embargo, las centrales termosolares aprovechan la energía del sol para producir calor, que es mucho más fácil de almacenar de manera eficiente. Para ello se necesita las sustancias adecuadas para almacenar el calor (en temperaturas extremadamente altas) y transferirse de nuevo en el proceso de generación de energía cuando sea necesario.

La sal, con su fácil disponibilidad, un perfil de seguridad favorable y formidables características de retención del calor (las sales fundidas tan sólo pierden el 7% de la energía almacenada), la hacen un candidato ideal. La primera planta termosolar del mundo con almacenamiento de energía por sales fundidas es Andasol-1, una central térmica solar de colectores cilindro-parabólicos que comenzó a operar en la provincia española de Granada en noviembre de 2008.

Los trabajos de generación durante el día en la planta se producen cuando la luz incide en espejos cilindro-parabólicos que reflejan el calor en tubos llenos de aceite, que se calienta a 400°C antes de ser utilizado para aumentar la temperatura del agua y crear vapor para accionar una turbina. Pero la planta tiene además la capacidad adicional de enviar el aceite térmico a un intercambiador de calor, donde es transferido a las sales fundidas para su almacenamiento. La sal calentada puede a continuación ser enviada de vuelta al intercambiador de calor, para transferir su temperatura de nuevo al aceite para accionar la turbina.

El método de almacenamiento de energía solar por sales fundidas implementado en Andasol-1, permitió a la planta generar electricidad para un extra de siete horas y media durante la noche o en períodos nublados. Aunque la suma total de su producción eléctrica no llegó a ser de 24 horas, fue sin duda lo suficiente como para aumentar su producción anual de 117.000 MWh a 178.000 MWh, ayudando a reducir el coste de la energía producida.

No obstante, España alcanzó el difícil objetivo de crear una planta termosolar de producción eléctrica durante las 24 horas del día algunos años más tarde, cuando la compañía Torresol Energy inauguró en mayo de 2011 la planta Gemasolar de 19,9 MW, situada en Fuentes de Andalucía, Sevilla. La propia capacidad de almacenamiento de Gemasolar permite extender su tiempo de funcionamiento en ausencia de radiación solar de hasta 15 horas, lo que permite un amplio suministro eléctrico cuando el sol no está disponible y la demanda aumenta.

2. Fotosíntesis artificial:

El proceso natural de la fotosíntesis es una de las más ingeniosas técnicas de recolección de energía de la naturaleza. Durante millones de años, las plantas han estado convirtiendo el agua, la luz solar y el dióxido de carbono en energía química, con oxígeno vital como único subproducto. Los ingenieros ahora están tomando inspiración de la naturaleza para desarrollar diversas formas de fotosíntesis artificial, una innovación que podría proporcionar otro medio para almacenar energía solar para su uso posterior. El principio básico detrás del método implica el uso de la energía del sol para dividir el agua en sus partes constituyentes, almacenando hidrógeno para ser utilizado como un combustible y liberando oxígeno a la atmósfera.

Pero la división de las moléculas de agua no es tarea sencilla; se requiere de un catalizador para reaccionar a los fotones del sol y poner en marcha el proceso. En este sentido los ingenieros del Energy Frontier Research Center de la Universidad de Carolina del Norte, están liderando uno de los proyectos más importantes del mundo en este campo. Concretamente, están desarrollando un método que toma cuatro electrones de dos moléculas de agua, las traslada a otro lugar, produce hidrógeno y mantiene éste separado del oxígeno. Las técnicas para diseñar moléculas capaces de hacer esto supone un gran desafío que los bioingenieros están empezando a superar.

El equipo de investigación consiguió resolver el problema con el uso de DSPECs (células de fotoelectrosíntesis sensibilizadas por colorante), que contienen una molécula y una nanopartícula. La molécula es un catalizador ensamblado que absorbe la luz solar y comienza la separación de los electrones desde el agua. La nanopartícula, que está recubierta con dióxido de titanio, lleva rápidamente los electrones lejos del agua, dejándolos liberados para producir hidrógeno, el cual podría ser utilizado como combustible para vehículos o almacenarse en pilas de combustible para producir electricidad.

El proceso, que puede utilizar una variedad de materiales catalíticos, incluyendo el dióxido de titanio, así como el óxido de manganeso y cobalto, crea un enfoque molecular para el almacenamiento de energía que, si puede ser demostrado como estable y eficiente, generará un verdadero cambio del paradigma para la energía solar. La fotosíntesis artificial, que de acuerdo con el equipo de la Universidad de Carolina del Norte puede ser implementada utilizando las tecnologías existentes, necesita simplemente ser demostrada fuera del laboratorio, aunque este punto necesitará años antes de producirse.