Nano para la generación, conversión y almacenamiento de Energía – Por M. Mei

La aplicación y la investigación en Nanotecnología forman parte de la actualidad científica como así también los sistemas de producción y almacenamiento de energía. El experto en la materia Arnaldo Visintin describe los  avances.

Por Mariana Mei.

Los sistemas de producción y almacenamiento de energía, en especial aquellas energías limpias y renovables como la energía solar, o basadas en el Hidrógeno, además de tecnologías que ayuden a reducir el consumo energético a través del desarrollo de nuevos aislantes térmicos más eficientes están en gran parte  basados en nanomateriales. Ejemplo de esto es  el aumento de la eficiencia de los paneles  y placas solares mediante nanomateriales especializados en la captura y almacenamiento de energía solar.

La Nanotecnología se distingue por su carácter transversal con aplicaciones en medioambiente, el sector energético, la medicina,  la electrónica, la exploración espacial, la construcción, la agricultura, y la cosmética. Gran cantidad de sectores productivos apuestan a su desarrollo, Charles M. Vest’s (ex-Presidente del MIT (Massachusetts Institute of Technology)  manifestó que la  nanotecnología dará origen a la revolución industrial del siglo XXI.

Asimismo, el doctor Visintin asegura que la batería de ion Li es un sistema de almacenamiento de energía eléctrica lo que permite generar grandes expectativas como fuente de potencia. Por su capacidad de almacenamiento de energía gravimétrica como volumétrica superior a los sistemas convencionales como las baterías Plomo, Níquel/metal hidruro, entre otras. El especialista detalla: “Estas características han impulsado su utilización como fuente de energía de artefactos portátiles y automóviles eléctricos, lo que supone una apertura mucho mayor en el mercado. Con el fin de aprovechar localmente los grandes reservorios de litio que existen en el territorio nacional es fundamental incursionar en la investigación sobre tecnología de baterías de litio, para dar valor agregado a nuestras materias primas y poder realizar la sustitución de importaciones. Los desarrollos en baterías de litio a nivel internacional  fueron enormes en los últimos años. Desde 1993 no han cesado las investigaciones hasta la actualidad constituyendo así el ítem que más dinero utilizó en investigación  La autonomía de los autos que utilizan baterías de litio para su propulsión es un índice comprobable¨.

Con respecto a la autonomía que permiten lograr en autos eléctricos, las baterías de fosfato de hierro-litio llegan a los 150 kilómetros, en tanto que las de óxido de litio-manganeso-cobalto (desarrolladas por el Argonne National Laboratory de EE.UU.) alcanzan los 300 kilómetros. Se espera que las de litio-azufre lleguen a los 400 o 500 kilómetros e, hipotéticamente, las futuras baterías de litio-aire estén en condiciones de superar los 800 kilómetros.

El uso de la nanotecnología según cada energía

La nanotecnología puede ayudar notablemente a evitar grandes crisis energéticas a nivel mundial por eso gran cantidad de países apuestan a su desarrollo con el propósito de hallar soluciones. A través de la miniaturización y del uso de partículas ultra pequeñas, esta disciplina busca resolver muchos problemas o desafíos de la vida cotidiana. Los investigadores afirman que el sector energético se verá altamente beneficiado por la utilización de este tipo de tecnología aplicada a las diferentes fuentes de energía.

En energía solar, el uso de nanopartículas se aplica en la fabricación de células solares. Las propiedades electrónicas y ópticas únicas de las nanoestructuras, reducen los costos de fabricación y se pueden alcanzar niveles elevados de eficiencia.

Por otra parte las nanotecnologías abren el camino a numerosas nuevas formas de bombillas como  la matriz de polímero con nanoingeniería utilizada en un nuevo estilo de bombilla que se encuentra en proceso de investigación. Las bombillas producen una luz blanca, similar a la solar, y son resistentes a roturas.

En materia de energía eólica, las nanotecnologías se pueden utilizar para aumentar la electricidad generada por turbinas eólicas. Por ejemplo, un epoxi con nanotubos de carbono se utiliza para que las aspas de las turbinas sean más resistentes. También se consigue reducir el peso de las aspas mediante el uso de epoxi relleno de nanotubos.

Otro desarrollo  en el área consiste en la utilización de nanomateriales para capturar dióxido de carbono.  A su vez  está comenzando a emplearse en la confección de nanomateriales. Recientemente, el CO2, y la reacción que a éste presentan ciertos compuestos químicos de diseño se ha empleado para crear un material microporoso fluorescente con más luminiscencia que los actuales OLED (una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan, a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos).De este modo, el dióxido de carbono es cada vez más un activo económico para la industria.

Investigación en primer plano

En Argentina, existe una importante cantidad de laboratorios abocados al estudio de tecnologías de litio a partir del año 2011 cuando el gobierno nacional  solicito al Ministerio de Ciencia y Tecnología tratar el tema. Los proyectos de producción de material activo a escala piloto para baterías de litio en YTEC ( YPF –CONICET )  en el orden de los  kilos, el paso previo para dominar la escala industrial y arrancar con la fabricación de las baterías de litio en el país y los convenios entre la Universidad Nacional  de La Plata  (INIFTA),  la  Comisión de Energía Atómica ( Centro Atómico Constituyentes), Universidad  Nacional  de Córdoba ( FAMAF). También Con  centros asociados como la Universidad de Catamarca y el Centro Atómico Bariloche. Asimismo, INQUIMAE (UBA) investiga  un método de extracción de litio de salmueras utilizando la energía solar. Visintin destaca que entre sus ventajas, destacan el bajo costo energético; la rapidez del proceso que se realiza por electrólisis –pocas horas, frente a los cerca de ocho meses que insume el método tradicional de evaporación de las salmueras–; el uso de energía limpia –no consume agua ni utiliza sustancias químicas–; y la obtención de un producto de alto valor agregado –el cloruro de litio, de alta pureza, grado batería–  y baterías de Litio-aire. Sintetiza: ¨Existen grupos de trabajo que están  investigando en Mar del Plata y en La provincia de Jujuy con muy buenos aportes del Ministerio de Ciencia y tecnología y la provincia  de Jujuy   con importante inversión en este campo¨.

El uso de fuentes de energía basadas en recursos renovables ya ha sido ampliamente reconocido como la alternativa más viable en pos de resolver los problemas asociados con la combustión térmica convencional, tales como su ineficiencia operacional, el agotamiento de las reservas de los combustibles fósiles y el aumento de la contaminación ambiental. Visintin postula :¨La incorporación masiva en el sector productivo local de sistemas de generación de electricidad por métodos alternativos no contaminantes, tales como convertidores solares fotovoltaicos o turbinas eólicas, contribuirá a reducir la demanda de combustibles derivados del petróleo, preservar el medio ambiente y mejorar la calidad de vida¨. Por sus características de funcionamiento intermitente estos sistemas deben complementarse con dispositivos electroquímicos de acumulación de electricidad, como baterías recargables avanzadas o sistemas de almacenamiento de hidrógeno. Visintin finaliza: ¨La tecnologías de hidrógeno seguramente jugarán en el mediano plazo un papel prioritario en una sociedad que utilice energía sin carbono¨.

Panorama energético-ACCESORIO

De acuerdo a la visión del experto, la solución a la demanda energética de nuestro país es la combinación de todas las energías, incluso la nuclear. Y es que los 439 reactores que funcionan en la actualidad tienen una capacidad de 370 gigawatts y contribuyen con el 15 por ciento de toda la energía. Esta tecnología demanda un costo elevado, directamente proporcional al tipo de reactor utilizado.
Resume: “La energía nuclear utiliza uranio como combustible, y hay unos 5,5 millones de toneladas de reserva a un costo de extracción de unos 130 dólares por kilogramo. Si se usan unas 66.500 toneladas anuales de uranio, resta combustible para unos 80 años más”.
Sin embargo, aún  no hay solución al problema de las cenizas radiactivas acumuladas durante los últimos 50 años y las que se generan día a día. Además, las plantas son posibles blancos para atentados terroristas y han demostrado no ser inmunes a accidentes que siempre acarrean terribles consecuencias, como la catástrofe de Chernobyl de 1986 y Fukushima en 2011.
Así también es pertinente analizar la biomasa que fue la primera fuente de energía de la humanidad y hasta el siglo XX la más abundante. Aún hoy es la segunda en importancia después de la energía fósil. Estos recursos pueden ser usados mediante su combustión directa o su transformación en combustible -biogás, bioalcohol, etcétera. El costo es comparable al del combustible fósil. La capacidad depende de la tierra y el agua disponibles, y la eficiencia de la fotosíntesis, así como del almacenamiento de la energía solar como enlace químico. Esto le reporta ventajas respecto a otras fuentes de energía renovables.

En tanto, la  generación de energía eólica creció en los últimos años. El investigador justifica: “En enero de 2008 la capacidad instalada fue de 94 GW, y si continúa con un crecimiento del 21 por ciento según está previsto, será el triple en los próximos 6 años”, aclaró el investigador. Los costos de instalación – turbinas y líneas de transmisión- la constituyen competitiva con el carbón en pequeñas escalas, y no necesita combustible. Pero al depender de una circunstancia intermitente, como el viento, no se pueden cargar las redes eléctricas con más del 20 por ciento del total de la potencia¨.

Por último, la energía solar constituye una fuente inagotable  y despierta  gran interés en muchos países del mundo. Las plantas, para realizar el proceso de fotosíntesis, sólo aprovechan el 1 por ciento de la radiación del área expuesta a la energía del sol. Hoy los paneles solares comerciales llegan a convertir del 12 al 18 por ciento de esa energía en electricidad (algunos llegan al 20 por ciento).
En suma, esta industria creció y se abarataron los costos durante los últimos años. Es aquí donde se pueden  apreciar los usos de la nanotecnología ya que las horas de oscuridad hacen que esta energía deba estar sujeta a algún tipo de almacenamiento en baterías. Las de mayor densidad de energía son las baterías de litio.
De acuerdo a un estudio realizado y publicado por un portal dedicado a la investigación y el desarrollo de energía solar, se estima que las celdas solares hechas de silicón tendrán un papel fundamental en las fuentes de energía renovables del futuro. No obstante, hasta el momento las celdas fotovoltaicas alcanzan un máximo de eficiencia normalmente del 20%, que aunque las hace viables para muchas aplicaciones, resulta todavía costoso para la generación de energía en gran escala. Las celdas solares típicas están hechas de cristales de silicón ultrapuros, y las láminas de silicón requieren cerca de 100 micrómetros de espesor para absorber la mayoría de la luz solar, lo que permite atrapar la luz con arreglos de nanocables fabricados de láminas de silicón con sólo ocho micrómetros de espesor.

En consecuencia, es posible afirmar que nanotecnología y energía conforman  una sociedad necesaria con resultados óptimos para la planificación estratégica de los recursos y la producción cada vez mayor de energía.

Nota publicada en Mi club tecnológico www.miclubtecnologico.com.ar