Adiós a las placas solares: los revolucionarios paneles para convertir el calor en electricidad con una eficiencia récord

Los expertos en energía fotovoltaica llevan años trabajando en mejorar la eficiencia de los paneles solares, con materiales capaces de disparar su rendimiento hasta un 190% más. Sin embargo, el gran reto pendiente que plantean las renovables, que ya producen el 60% de la energía que se consume en España, es su intermitencia y las dificultades para su almacenamiento. Aunque hay momentos del día en los que el excedente de energía de las renovables lleva la electricidad a precios mínimos, la imposibilidad de almacenar ese sobrante de electricidad de forma duradera y efectiva supone un enorme desperdicio.

La gran esperanza para tener una red eléctrica basada 100% en energías renovables está puesta en soluciones como las baterías térmicas hechas con piedras o arena y en las basadas en la energía termofotovoltaica (TFV), como la desarrollada por un equipo del Instituto de la Energía Solar y la Universidad Politécnica de Madrid. Ese mismo principio, almacenar cualquier tipo de energía excedente en forma de calor para luego convertirla de nuevo en electricidad, es lo que impulsa Heat2Power, empresa fundada por un equipo multidisciplinar de la Universidad de Michigan (EEUU).

"A medida que aumentamos el porcentaje de energías renovables en la red para alcanzar los objetivos de descarbonización, necesitamos costes más bajos y una mayor duración del almacenamiento de energía, ya que la producción de energía solar y eólica no siempre coincide con el momento en que se utiliza", explica Andrej Lenert, profesor asociado de ingeniería química de la Universidad de Michigan y cofundador de Heat2Power. ¿Su solución? Unas células termofotovoltaicas de última generación capaces de superar todos los récords de eficiencia en la conversión del calor en electricidad.

Cómo funciona

Las células TFV son similares a los paneles solares que todos conocemos, pero tienen una importante diferencia. Aunque tanto unos como otros convierten la radiación electromagnética de la luz en electricidad, las termofotovoltaicas se han diseñado para utilizar únicamente los fotones infrarrojos, de menor energía, en lugar de los fotones de luz visible. Así, a diferencia de las placas instaladas en los tejados, las TFV se instalan lo más cerca posible de fuentes de calor de más de 1.000 ºC.

La clave de todo es que el calor es la forma más barata que existe de almacenar energía. Y ahora que hay momentos en los que se desperdician los excedentes de energía solar y eólica, se hace necesario almacenarla durante más tiempo y de manera más eficiente.

"Es una forma de batería, pero muy pasiva", explica Stephen Forrest, autor principal un artículo publicado en la revista especializada Joule y cofundador de Heat2Power. "No hay que extraer litio como con las pilas electroquímicas, lo que significa que no hay que competir con el mercado de vehículos eléctricos. A diferencia del bombeo de agua para el almacenamiento de energía hidroeléctrica, se puede colocar en cualquier sitio y no se necesita una fuente de agua cercana".

Por contra, la termofotovoltaica puede aprovechar muchas fuentes de alta temperatura para producir electricidad barata a demanda y a diversas escalas, desde la energía sobrante de grandes parques eólicos y solares hasta el calor residual de industrias y centros de datos. Combinados con soluciones de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura (TES), los paneles TFV permitirían tener una red totalmente renovable.

Puente de aire

Para mejora la eficiencia de estas células y acercarse a su límite teórico, los responsables de Heat2Power han apostado por un sistema de puente aéreo, que mejora sensiblemente las propiedades de anteriores paneles. El dispositivo TFV, desarrollado en el Centro de Nanofabricación Lurie de la Universidad de Michigan, ha logrado un 44% de eficiencia, aunque sus responsables no descartan seguir mejorándolo para superar el 50%.

Estos paneles se han diseñado para revestir los grandes contenedores de los TES, donde un bloque de material calentado a alta temperatura es el encargado de emitir los fotones térmicos. Para superar los 1.000 ºC, se hace pasar la electricidad procedente de aerogeneradores o placas solares a través de una resistencia, pero también se puede aprovechar el exceso de calor de la producción de acero, vidrio, hormigón o incluso de los sistemas de refrigeración de los centros de datos.

Una enorme batería térmica hecha con arena: el ingenioso invento para dar calefacción y luz barata a ciudades enteras

"En esencia, utilizar la electricidad para calentar algo es un método muy sencillo y barato de almacenar energía en comparación con las baterías de iones de litio. Permite acceder a muchos materiales distintos para utilizarlos como medio de almacenamiento en baterías térmicas", explica Lenert.

Hasta hace poco, el 41% de conversión era el máximo de eficiencia logrado por células TFV, pero para llegar a esa cifra necesitaban una temperatura altísima, en algunos casos superior a los 2.000 grados. Para mejorar la eficiencia a temperaturas inferiores, los ingenieros de Heat2Power han optimizado el material semiconductor para que capte más fotones y, por tanto, consiga más energía.

Para superar las tecnologías existentes, el equipo de la Universidad de Michigan construyó una fina capa de aire en la célula termofotovoltaica y añadió un reflector de oro. Así se forma el llamado puente de aire, una cavidad que ayuda a 'atrapar' más fotones y a enviar los no aprovechados de vuelta al material de almacenamiento de calor. De esta manera, hay una nueva oportunidad de que la célula capte esos fotones térmicos que en otro caso se perderían sin remedio.

Hay un gran potencial de mejora, ya que según otro estudio se pueden apilar dos puentes de aire para mejorar aún más el diseño, aumentando tanto el rango de fotones convertidos en electricidad como el de temperatura útil para las baterías de calor. De momento, el dispositivo tiene una eficiencia de conversión de energía del 44% a 1.435 °C, superando el 37% logrado por diseños anteriores con temperaturas inferiores a 1.600 ºC.

"Somos pioneros en el primer generador de energía de estado sólido con una eficiencia calorífica superior al 44% y un claro camino hacia más del 50%", afirma Forrest en un comunicado de prensa. El siguiente paso es completar el desarrollo de un producto de demostración en los próximos dos años, con la mira puesta en suministrar energía a usuarios industriales a precios bajísimos. "Es emocionante ver cómo algo que hemos desarrollado en el laboratorio se ajusta a las necesidades de los clientes y se utiliza para algo beneficioso para la sociedad", concluye Lenert.