Científicos generan calor a más de 1.000°C con energía solar en lugar de combustibles fósiles

Actualizado: 05/07/2024

Los ingenieros están ideando una nueva solución de energía limpia: cargar cristales con energía solar a temperaturas de 1.000 grados Celsius, lo que podría convertirlos en un sustituto más ecológico de los procesos intensivos en carbono que se utilizan para fundir acero y cocer cemento.

Investigadores en Suiza han logrado un avance significativo en la generación de calor utilizando energía solar, alcanzando temperaturas superiores a los 1,000°C. Este descubrimiento podría revolucionar industrias intensivas en carbono, como la del acero y el cemento, proporcionando una alternativa limpia a los combustibles fósiles. El estudio, publicado el 15 de mayo en la revista Device, utiliza cuarzo sintético para atrapar la energía solar, demostrando el potencial de este método para proporcionar energía limpia a industrias que demandan altas temperaturas.

El Desafío de Descarbonizar la Energía

Según Emiliano Casati, autor principal del estudio y miembro de ETH Zurich, Suiza, «Para abordar el cambio climático, necesitamos descarbonizar la energía en general. La gente tiende a pensar solo en la electricidad como energía, pero de hecho, aproximadamente la mitad de la energía se usa en forma de calor«.

Industrias Clave y su Demanda Energética

Industrias como las del vidrio, acero, cemento y cerámica son fundamentales para la civilización moderna, necesarias para construir desde motores de automóviles hasta rascacielos. Sin embargo, la fabricación de estos materiales requiere temperaturas superiores a los 1,000°C y depende en gran medida de la quema de combustibles fósiles para generar calor. Estas industrias representan alrededor del 25% del consumo energético global.

Innovación en Receptores Solares

Desafíos Anteriores

Los investigadores han explorado alternativas de energía limpia utilizando receptores solares, que concentran y acumulan calor con miles de espejos que siguen al sol. Sin embargo, esta tecnología ha tenido dificultades para transferir la energía solar de manera eficiente a temperaturas superiores a los 1,000°C.

Solución Propuesta

Para mejorar la eficiencia de los receptores solares, Casati y su equipo recurrieron a materiales semitransparentes como el cuarzo, que pueden atrapar la luz solar mediante un fenómeno llamado efecto de trampa térmica. El equipo diseñó un dispositivo de trampa térmica uniendo una varilla de cuarzo sintético a un disco opaco de silicio que actúa como absorbente de energía.

Resultados del Experimento

Cuando el dispositivo fue expuesto a un flujo de energía equivalente a la luz de 136 soles, la placa absorbente alcanzó los 1,050°C, mientras que el otro extremo de la varilla de cuarzo se mantuvo a 600°C. «Investigaciones previas solo habían demostrado el efecto de trampa térmica hasta 170°C«, señala Casati. «Nuestra investigación mostró que la trampa térmica solar funciona no solo a bajas temperaturas, sino bien por encima de los 1,000°C. Esto es crucial para demostrar su potencial en aplicaciones industriales del mundo real«.

Modelos de Transferencia de Calor

El equipo también simuló la eficiencia de trampa térmica del cuarzo bajo diferentes condiciones utilizando un modelo de transferencia de calor. El modelo mostró que la trampa térmica logra la temperatura objetivo a concentraciones más bajas con el mismo rendimiento, o a mayor eficiencia térmica para igual concentración. Por ejemplo, un receptor de última generación (sin blindaje) tiene una eficiencia del 40% a 1,200°C con una concentración de 500 soles. Un receptor blindado con 300 mm de cuarzo alcanza una eficiencia del 70% a la misma temperatura y concentración. El receptor sin blindaje requiere al menos 1,000 soles de concentración para un rendimiento comparable.

Optimización y Nuevas Aplicaciones

Casati y sus colegas están optimizando el efecto de trampa térmica e investigando nuevas aplicaciones para el método. Hasta ahora, su investigación ha sido prometedora. Explorando otros materiales, como diferentes fluidos y gases, lograron alcanzar temperaturas aún más altas. El equipo también observó que la capacidad de estos materiales semitransparentes para absorber luz o radiación no se limita a la radiación solar.

La cuestión energética es fundamental para la supervivencia de nuestra sociedad. La energía solar está fácilmente disponible y la tecnología ya está aquí. Para realmente motivar la adopción industrial, necesitamos demostrar la viabilidad económica y las ventajas de esta tecnología a gran escala.

Emiliano Casati

Este avance promete no solo reducir la dependencia de los combustibles fósiles, sino también abrir nuevas posibilidades para la generación de energía limpia en industrias intensivas en carbono, marcando un paso crucial hacia un futuro más sostenible.

Más información: www.cell.com