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El excedente de energía fotovoltaica puede producir hidrógeno

Alrededor de las energías renovables, hay toda una serie de actores que las hacen avanzar, pero puede ser que el papel de los investigadores sea el menos conocido.

Dedicar horas y esfuerzo a obtener mejores rendimientos, a descubrir nuevos materiales, a plantear nuevos sistemas y procedimientos, son tareas apasionantes que se desarrollan de forma anónima en un laboratorio. El Dr. en Físicas Joan Ramon Morante ha comenzado una nueva etapa en el Instituto de Investigación de la Energía de Catalunya (IREC), un organismo creado para contribuir en el objetivo de hacer un futuro energéticamente más sostenible. El almacenamiento, la transformación y la eficiencia de las renovables son, entre otros objetivos, objeto de sus trabajos de investigación.

Ya hace muchos años que han aparecido las renovables. ¿ Creen que han completado las expectativas que han generado en su inicio ?

No, por dos motivos. Uno es económico: la industria mundial más importante es la de la energía y las mayores inversiones en energía se encuentra en el sector de los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas. Su principal esfuerzo radica en la mejora de los sistemas de extracción y explotación. Si se ha hecho un gaseoducto entre África y Europa, y en el norte de África quedan aproximadamente 40 años de reservas de gas, las empresas que han invertido tienen 40 años para amortizar esa inversión. Por tanto, desde el punto de vista empresarial, es necesario seguir consumiendo combustible fósil. 
El segundo motivo es que las energías renovables están limitadas de momento por los costes, que resultan más elevados si no se reciben subvenciones, y por el almacenamento, que es un asunto del que se habla poco, pero que hace inviable su aplicación a gran escala si no se resuelve primero.

¿ Cómo está la situación de la investigación de la innovación en el sector de las renovables ?
La fotovoltaica es muy prometedora. El reto está en innovar en este sector para poder producir energía en abundancia y más barata. Además, se ha de satisfacer otra condición: abaratar las infraestructuras. Se habla por ejemplo de introducir el hidrógeno en el sector del transorte, pero el coste de ubicar un suministrador de hidrógeno en cada gasolinera sería hoy en día inasumible por la sociedad.

¿ Qué papel tiene el Instituto de Investigación de Energía de Catalunya ?
El IREC pertenece a la red de investigación de la Generalitat de Cataluna, que agrupa a una treintena de institutos de variada temática. Este instituto, que se dedica a la energía, se ha creado a finales de julio de 2008, pero prácticamente no ha comenzado a caminar todavía. Aunque somos muy jóvenes, ya estamos involucrados en diferentes proyectos importantes.


¿ Os relacionáis con centros de fuera ?
En cada una de nuestras actividades estamos en contacto con otros centros de referncia, tanto de Estados Unidos como de Japón, como de Europa.

¿Está previsto crear un centro de investigación europeo ?
Efectivamente, la Unión Europea ha aprobado una iniciativa del presidente Barroso de crear un Instituto Europeo de Tecnología, un poco a semejanza del conocido MIT, el Instituto Tecnológico de Massachusets, pero con la diferencia de que no habrá un centro formal de laboratorios, sino unas oficinas. Por cierto, Sant Cugat se ha presentado para acogerlas, pero finalmente se ubicarán en Budapest. Ahora está abierla la convocatoria para la creación de diversas líneas, y una de ellas será la energía. Por tanto, es necesario presentar una propuesta que coordine diferentes laboratorios.

Ya entrando en las cuestiones propias de la investigación, ¿ en qué punto se encuentra la investigación para aumentar el rendimiento de las células fotovoltaicas ?
En energía fotovoltaica hay tres generaciones: la primera es la estandard, es decir, el silicio monocristalino, la segunda es la capa fina, y la tercera consiste en la aplicación de la nanotecnología o de estructuras que combinan diferentes materiales. Teórica y experiementalmente, el límite mínimode la eficiencia de célula solar se encuentra alrededor del 30%.  Para que se entienda: tengo un espectro solar con fotones que van desde el ultravioleta al infrarojo y toda la energía se distribuye entre estas frecuencias. pero si quiero convertir el máximo de esta energía en elecricidad, y dispongo de un material semiconductor que tiene una banda prohibida, pues no podré a aprovechar toda la energía. El material que absorbe más frecuencias es el arseniruo de galio, que ofrece una eficiencia probada en laboratorio del 28%, lo más cercano al teórico 30%.

¿ Entonces nos encontramos cerca de límite?
La idea científica es ir más allá. El arseniuro de galio es caro y poco abundante. Por tanto, la industria ha desarrollado el silicio. A pesar de que es el material más abundante de la tierra, su producción no es suficiente porque es necesario someterlo a diferentes procedimientos caros y complejos para purificarlo. Su eficiencia es mucho más baja, en el ámbito experiental se sitúa sobre el 20%.  Y eso,en monocristalino. En policristalino o amorfo, la cifra cae.

A pesar de que el silicio es uno de los elementos más abundantes de la Tierra, su producción no es suficiente. lLa industria electrónica necesita mucha cantidad y montar fábricas para purificarlo cuesta dinero y dificultades. A partir de una primera capa de silicio amorfo o de CIS (cobre, indio y selenio)a, o bien de teluro de cadmio, se han obtenido resultados muy esperanzadores. Con costes relativamente bajos, se estan alcanzando una eficiencia en módulos del 17%, y se preve llegar más lejos. A pesar de todo, estos resultados quedan muy lejos del 30%. Con la combinación de varios materiales que capte cada uno de ellos diferentes partes del espectro solar, se puede llegar a cubrir todo el espectro solar y no perder fotones. Se aplicaría nanotecnología a este tipo de sistemas. Así se podría alcanzar rendimientos del 30 al 35%.

Esto implicará nuevos sistemas de fabricación. ¿ Cómo está la investigación en este campo?
Todavía está empezando. Se quiere descubrir con qué materiales habrá que trabajar, y cómo se combinan a bajo coste. Lo ideal será pasar por nanomateriaíles  que permitan técnicas de disposición de capas de esta nanopartíulas. Sería como aplicar una capa de pintura sobre un material. Como la comunidad científica no ha establecido aún cuáles son los mejores materialesy la mejor combinación, las tecnologías de fabricación todavía están verdes.

Lo que está claro es que el futuro para por la nanotecnología.
Sí. Y el motivo es que con las nanotecnologías se puede controlar y conocer cómo se absorben los fotones y cómo generan parejas electrón-hueco; y también cómo se separan sin recombinarse, uno de los problemas más difíciles de controlar y evitar a gran escala. Así pues, las nanotecnologías abren una gran perspectiva y actulmente los grandes programas de investigación van en esta dirección con el obtjetivo de alcanzar rendimientos del 40%.

Como decía al principio, otro gran reto es el almacenamiento de la  energía.

Cuando se habla de almacenar energía casi todo el mundo se imagina baterías de litio, en sus distintas modalidaddes, como alternativa. Lo cierto es que con el coche elećtrico, el reto es mejorar las baterías para que tengan menor peso y mayor capacidad. El problema es que si queremos algo que almacene la energía, probablemente tendrá que ser bajo una forma química, debe llegar un momento en que esa forma química se pueda transformar en energía eléctrica.

Bueno, si yo quiero un coche eléctrico con una gran aceleración, la batería tiene que generar un alta densidad. Las baterías actuales tienen limitaciones para poder extraer carga de forma rápida. Est oafecta mucho a la degradación de los materiales en cuanto a los electrodos, porque debe pasar por ellos una alta densidad de corriente, lo que afecta a la cantidad de ciclos útiles de los materiales.

Es una de las aproximaciones a los problemas del almacenaje, pero hay fórmulas electroquímicas -algunas descubiertas hace ya mucho, olvidadadas y que ahora están resurgiendo- que son muy prometedoras.

¿ Por qué no hacer una batería en la que los componentes que reaccionan sean inyectados de forma progresiva ? Hay baterías redox de flujo continuo en las que lo único que se necesita son dos depósitos de electrolitos. para producir corriente, se va inyectando, mediante bobas, flujo del íquido iónico, que intercambia carga a través de una membrana y se puede extraer corriente. Hay ejemplos de estas baterías redox en las que se han podido almacenar megavatios.

Y el hidrógeno, ¿ qué papel tiene ?
En Barcelona, donde existe el autobús de pila de hidrógeno, es muy conocida la llamada pila de combustible. Como su nombre indica, es una pila en la que el reactante químico llega a los electrodos y produce una reacción en la que los protones cierran el circuito a través de la pila, y los electrones van por el circuito exterior, de manera que va a reaccionar al otro electrodo. Es decir, siempre hay el mismo esquema eletroquímico, una membrana que sólo conduce protónicamente, Por lo tanto, los electrones deben viajar por el circuito exterior. En en caso del autobús, el combustible que se envía al electrodo es el hidrógeno, la reacción en el electrodo produce el electrón-protón, y el electrón cierra el circuito con una corriente que se emplea para activar un motor eléctrico.

Cualquier proceso electroquímico puede ser reversible. Por ejemplo, si yo tengo una produción de energía renovable -eólica o fotovoltaica-, puedo emplear los excedentes de electricidad para descomponer agua y producir hidrógeno. Eso sería lo que se llama un electrolizador sólido, que tienen eficiencias muy altas, del 80%. Este hidrógeno puede almacenarse  y se podría utilizar para producir corriente cuando hiciera falta. Esta es una de las líneas de investigación sobre el almacenamiento que se trabaja en el laboratorio, y que parece indicar que se podría producir hidrógeno a partir de las energías renovables.

Fuente: Tecnodebats, publicación del Colegio de Ingenieros Técnicos industriales de Barcelona. Diciembre 2009.