Cómo las universidades nos ayudan a ir a la energía solar

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La energía renovable está creciendo. Hasta ahora en 2018, el porcentaje de 70 de la capacidad de potencia global neta era renovable, de acuerdo con el informe de estado global 2018 de REN21. Una quinta parte de la energía mundial ya proviene de fuentes renovables, una cifra que solo está aumentando.

En esta transición, la energía solar se destaca como una de las fuentes de energía renovable más prometedoras y de más rápido crecimiento.

En este artículo, hacemos una crónica del crecimiento de la energía solar y destacamos los esfuerzos de investigadores universitarios de todo el mundo que trabajan para desarrollar nuevas tecnologías solares.

Una industria floreciente

A medida que el mundo transita hacia la energía sostenible, las figuras solares estarán en el centro de la revolución renovable como una de las principales fuentes de energía que utilizaremos para impulsar el planeta.

Ya, la energía solar ha experimentado un crecimiento notable en la última década. Al final de 2017, la potencia solar operativa total en el mundo alcanzó 405 gigavatios, 89 porcentaje se instaló en los últimos años de 7.

Aunque un conjunto de tarifas en paneles solares importados recientemente impuesto por la administración Trump amenaza con frenar la producción de energía solar de los EE. UU. durante los próximos años, no hay ralentización de la revolución solar.

El cincuenta y cinco por ciento de las nuevas instalaciones de energía renovable en 2018 en todo el mundo eran paneles solares fotovoltaicos, más que las adiciones de combustibles fósiles y combinados nucleares. China lidera el paquete, habiendo instalado 52.8 gigawatts en 2017 - más de la mitad de la nueva capacidad solar agregada el año pasado. En el primer trimestre de 2018, 55 por ciento de todos electricidad (que incluye combustibles fósiles, fuentes de energía renovables y nucleares) agregado en los EE. UU. era solar.

El mercado alcista parece sugerir que Elon Musk pudo haber tenido razón cuando dijo que La energía solar será la fuente de energía más grande del mundo. por 2031.

Pero aún queda trabajo por hacer para que la energía solar pueda alcanzar su máximo potencial. Las universidades de todo el mundo están contribuyendo de manera significativa al esfuerzo por pasar a la energía solar, ya sea apoyando investigaciones innovadoras, desarrollando tecnologías solares o instalando energía solar en el campus.

Stanford: batería a base de agua para almacenar energía solar y eólica

Los investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado una batería a base de agua de bajo costo que podría ser utilizado para almacenar energía solar y eólica, proporcionando potencialmente una solución a uno de los obstáculos más importantes para la transición total a la energía renovable.

Han desarrollado un pequeño prototipo que mide solo tres pulgadas de alto y genera solo un modesto 20 de miliwatt horas de electricidad, pero confían en que pueden escalar su modelo hasta un sistema de grado industrial.

La batería de manganeso-hidrógeno funciona a partir de una reacción química entre el agua y el sulfato de manganeso, una sal industrial barata y abundante. La reacción se desarrolló en el laboratorio de Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del periódico.

"Lo que hemos hecho es arrojar una sal especial al agua, dejar caer un electrodo y crear una reacción química reversible que almacena los electrones en forma de gas hidrógeno", dijo Cui en un comunicado.

Cuando la energía se alimenta a la batería, los electrones reaccionan con el sulfato de manganeso en el agua, dejando que el dióxido de manganeso se adhiera a los electrodos. Este proceso produce gas de hidrógeno cargado eléctricamente, que puede convertirse nuevamente en electricidad.

La transición a la energía solar y eólica requerirá cambios significativos en la forma en que la energía se almacena y se dispersa. Estas dos fuentes de energía son altamente variables. Es decir, el sol no siempre brilla y el viento no siempre sopla.

Esto pone una carga en la red de energía. Si hay un aumento en la demanda cuando el sol no brilla, las empresas de servicios públicos deben tener una forma de enviar cantidades significativas de energía en poco tiempo. Por lo general, las empresas de servicios públicos tendrán las denominadas plantas de energía "despachables" que pueden encenderse en minutos para producir energía rápida. Esta estrategia es efectiva, pero las centrales eléctricas generalmente dependen de combustibles fósiles, por lo que no es exactamente consciente del clima.

El almacenamiento de energía eólica y solar para su uso durante las horas pico en baterías de alta capacidad ofrece una alternativa limpia. Considere esta opción un fondo de día lluvioso para servicios públicos. Cuando la demanda es alta y el sol está bajo, los servicios públicos simplemente pueden extraer de la energía almacenada en las baterías.

El desafío es crear una batería que sea confiable y de bajo costo. Las baterías recargables de iones de litio, como las de su teléfono y computadora portátil, usan materiales raros y, por lo tanto, son demasiado costosas de usar a gran escala.

"Otras tecnologías de baterías recargables son fácilmente más de cinco veces más de ese costo durante el tiempo de vida", dijo Cui en un comunicado.

La nueva batería, compuesta de materiales baratos y abundantes, puede ser la solución.

Yale, Princeton, Lincoln y NASA: energía solar a partir de algas

Mucho antes de la invención de los paneles solares, las algas ya estaban aprovechando la energía del sol. Las algas, como todos los organismos fotosintéticos, se han optimizado biológicamente para la absorción de luz durante miles de millones de años de evolución.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Yale, la Universidad de Princeton, la Universidad Lincoln y la NASA ha descubierto cómo aprovechar las capacidades fotosintéticas de las algas para mejorar el rendimiento de paneles solares orgánicos.

La investigación fue liderada por André Taylor, profesor asociado de ingeniería química y ambiental en Yale, quien dirige la universidad Laboratorio de Materiales y Dispositivos Transformativos.

Cuando la luz solar incide en una célula solar orgánica, los electrones de las "capas activas" recogen energía y comienzan a mover la energía a través del núcleo del panel solar.

Los materiales utilizados para crear la capa activa son muy raros y costosos. Este hecho ha presentado un problema para los desarrolladores de paneles solares.

Pero, los investigadores encontraron que se puede utilizar una abundante especie de algas conocida como "diatomea", o "joyas del mar", para mejorar el rendimiento de la capa activa.

Dispersaron las diatomeas a través de la capa activa de la célula solar, reduciendo efectivamente la cantidad de material necesario para la capa activa mientras se mantienen los mismos niveles de producción eléctrica.

"Pudimos ver cuál era la concentración correcta y la cantidad de este material que necesitábamos colocar en nuestras células solares para obtener mejoras", dijo Lyndsey McMillon-Brown, estudiante de doctorado en el laboratorio de Taylor y autora principal del estudio. una declaración. "Es realmente beneficioso porque los materiales de capa activa que utilizamos son caros y muy raros".

A medida que continúan desarrollando su tecnología, los investigadores están experimentando con diferentes cepas de algas con la esperanza de optimizar el rendimiento de su panel solar.

"Esperamos que este trabajo arroje más luz sobre la oportunidad de utilizar biomimetismo o diseños bioinspirados para resolver problemas de ingeniería", dijo McMillon-Brown.

"La naturaleza ha desarrollado muchas soluciones que se pueden usar para abordar muchos de nuestros problemas de ingeniería, solo tenemos que aprender a adaptarlos y aplicarlos".

Estado de Michigan - paneles solares transparentes

Un grupo de ingenieros de la Universidad Estatal de Michigan sostiene que los paneles solares transparentes, que parecen idénticos a una pizarra de vidrio, podrían revolucionar la generación de energía.

En 2014, investigadores de MSU desarrolló un nuevo tipo de concentrador solar que es capaz de recoger la luz invisible del sol y convertirla en energía utilizable. Los paneles son completamente transparentes, por lo que se pueden colocar sobre una amplia variedad de superficies de vidrio, desde ventanas hasta teléfonos celulares.

In un documento más reciente, los científicos informaron que la tecnología, una vez optimizada, podría abrir innumerables oportunidades nuevas para la recolección de energía solar.

"Las células solares altamente transparentes representan la ola del futuro para nuevas aplicaciones solares" Richard Lunt, dijo el profesor asociado Johansen Crosby Endowed de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales en MSU, en un comunicado.

"Analizamos su potencial y mostramos que al capturar solo luz invisible, estos dispositivos pueden proporcionar un potencial de generación de electricidad similar al de la energía solar en la azotea al tiempo que brindan una funcionalidad adicional para mejorar la eficiencia de los edificios, automóviles y dispositivos electrónicos móviles".

Los investigadores señalan que hay un estimado de 5 mil millones a 7 mil millones de metros cuadrados de superficie de vidrio en los EE. UU. Si todo ese vidrio estuviera cubierto por paneles solares transparentes, podríamos extraer 40 por ciento de la demanda de energía de EE. UU. Solo de esa fuente.

El potencial estimado de los paneles solares opacos en la azotea también es de un 40 por ciento. Los investigadores sugieren que las células transparentes podrían usarse junto con paneles solares en la azotea.

"La implementación complementaria de ambas tecnologías", dijo Lunt en un comunicado, "podría acercarnos al 100 por ciento de nuestra demanda si también mejoramos el almacenamiento de energía".

Por el momento, las células solares transparentes son mucho menos eficientes que los paneles solares tradicionales. Están registrando eficiencias por encima del porcentaje de 5, en comparación con un porcentaje aproximado de 15 a 18 para la mayoría de los paneles solares tradicionales.

Sin embargo, Lunt dijo que podrían ser al menos tan eficientes como los paneles solares tradicionales con más desarrollo. Hizo hincapié en que los paneles solares transparentes siguen siendo una tecnología muy nueva y, en este momento, solo representan aproximadamente un tercio de su potencial global realista.

"Para eso estamos trabajando", dijo Lunt en un comunicado.

“Las aplicaciones solares tradicionales se han investigado activamente durante más de cinco décadas, pero solo hemos estado trabajando en estas células solares altamente transparentes durante aproximadamente cinco años. En última instancia, esta tecnología es una ruta prometedora para la adopción solar extendida y de bajo costo en superficies pequeñas y grandes que antes eran inaccesibles.

Universidad de Maryland: una "casa como un juego de piezas" sostenible

Un equipo de estudiantes de la Universidad de Maryland colocado primero en los Estados Unidos y segundo en el mundo en el Decatlón 2017 del Departamento de Energía de EE. UU., por su entrada de un prototipo de casa con energía solar y energía solar, denominada Tecnología de clima adaptable resistente (reACT).

El decatlón es una competencia internacional anual que desafía a los equipos de todo el mundo para diseñar una casa de energía solar de tamaño completo.

El prototipo diseñado por el equipo de UMD se describe como una "casa como un conjunto de piezas". Está compuesto por cinco módulos adaptables centrados alrededor de un patio interior.

El patio funciona como el punto focal de la casa. Sirve tanto como un cómodo solárium como un amplio colector solar para precalentar el aire y el agua.

La casa también incluye un interior con paneles con sistemas de vida separados de su estructura, lo que brinda a los propietarios la capacidad de adaptar la casa a sus necesidades y deseos. Opera con total autosuficiencia e incluye sistemas que capturan desechos, agua y energía.

 

Los investigadores dijeron que el ReACT fue diseñado para estar en completa armonía con la naturaleza.

"Se buscaron soluciones de diseño integrales y holísticas en tantos lugares como fue posible para construir un hogar en armonía con la naturaleza donde no se desperdicia nada orgánico", dijo Chris Cestello Hinojosa, director asistente de comunicaciones y relaciones externas de la Escuela de Arquitectura, Planificación. y Conservación.

"Basamos nuestro diseño en la filosofía de Biophilia y regeneración; eso es encontrar un uso para el producto 'desperdiciado' de un proceso que puede servir como un recurso para otro ".

UC–Irvine, Caltech & Carnegie Institution for Science: obtienen energía eólica y solar de EE. UU.

Un estudio conjunto realizado por investigadores de la Universidad de California-Irvine, el Instituto de Tecnología de California y la Institución Carnegie para la Ciencia encontró que con grandes inversiones, EE. UU. podría fuente confiable de 80 por ciento de su demanda de electricidad del viento y la energía solar solo.

La investigación ayuda a disipar las preocupaciones de que la energía solar y eólica son demasiado poco confiables porque dependen del clima, que es variable por naturaleza.

"El sol se pone y el viento no siempre sopla" Steven Davis, un profesor asociado de ciencias del sistema terrestre en la UCI y coautor del estudio, dijo en un comunicado. "Si queremos un sistema de energía confiable basado en estos recursos, ¿cómo lidiamos con sus cambios diarios y estacionales?"

Los investigadores analizaron los años 36 (1980-2015) de los datos meteorológicos de EE. UU. Por hora en un esfuerzo por comprender qué tan significativa la variabilidad del sol y el viento afectaría la fiabilidad de esas dos fuentes.

"El porcentaje de 80 se reduce a la variabilidad natural del sol y el viento", dijo Davis. "Si queremos obtener más del 80 por ciento de nuestra energía de esas dos fuentes, la cantidad requerida de almacenamiento de energía o la capacidad de generación de energía solar y eólica aumenta marcadamente".

Para alcanzar la marca de porcentaje 80, EE. UU. Tendría que hacer inversiones sustanciales en todos los aspectos de la energía solar y eólica para poder capturar energía pero, lo que es más importante, tener reservas lo suficientemente grandes como para resistir las variaciones climáticas.

"El análisis supone que construiríamos muchos paneles solares y turbinas eólicas para aprovechar esos recursos", dijo Davis.

"Pero llegar al 80 por ciento también requeriría aumentos sustanciales en el almacenamiento de energía o en nuestra capacidad para cambiar la electricidad en todo el país a través de líneas de transmisión".

Esta inversión incluiría la construcción de una red o instalaciones de transmisión a escala continental que podrían almacenar hasta 12 horas de energía para toda la nación. Un proyecto de este tipo podría costar cientos de miles de millones de dólares, si no billones, en dólares de hoy, pero la disminución de los precios podría hacerlo más factible en el futuro.

Es menos probable que obtengamos 100 por ciento de nuestra energía de la energía eólica y solar. Los costos aumentan bruscamente más allá del umbral de porcentaje de 80. Eso requeriría construir el doble de paneles solares y turbinas de viento o tener varias semanas de almacenamiento.

Esto sugiere que necesitaremos complementar la energía solar y eólica con otras fuentes de energía, que podrían incluir opciones renovables, como la energía hidroeléctrica o fuentes limpias y no renovables como la nuclear.

Sin embargo, los resultados del estudio son un buen augurio para el futuro de la energía renovable.

"El hecho de que podamos obtener 80 por ciento de nuestra energía solo de energía eólica y solar es realmente alentador", dijo Davis en un comunicado.

"Hace cinco años, muchas personas dudaban de que estos recursos pudieran representar más del 20 o 30 por ciento".

¿A dónde nos lleva esto?

Claramente todavía hay una gran cantidad de trabajo por hacer. A partir de ahora, estamos trabajando hacia atrás en la lucha contra el cambio climático. Ya hemos agotado nuestros recursos naturales para el año, y los efectos del cambio climático se están convirtiendo cada vez más claro y más peligroso.

Sin embargo, los avances significativos en energía solar pueden ofrecer una salida, o al menos una forma de hacer una transición viable a la energía renovable en los próximos años. En 2017, solo el 1.3 por ciento de la energía de EE. UU. fue obtenido del solar. Con la inversión continua y el desarrollo de tecnologías solares, ese número seguramente aumentará en los próximos años.

Llegar allí será imposible sin los esfuerzos pioneros de los investigadores universitarios de todo el mundo.

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