Casi todo el uso de energía del mundo implica calor, desde la fabricación de acero hasta la refrigeración de alimentos. La descarbonización profunda sin avances en la ciencia e ingeniería térmica parece inconcebible. Tres líderes en el área destacan cinco temas importantes para explorar.
La energía solar y eólica son una parte importante de la solución del problema del cambio climático, pero estas tecnologías renovables por sí solas probablemente nunca proporcionarán la energía para muchos procesos industriales, como la fabricación de acero.
Aproximadamente el 90% del uso de energía en el mundo implica la generación o manipulación de calor, incluyendo la refrigeración de edificios y alimentos.
Mantener las economías modernas y mejorar la vida en las economías en desarrollo, al tiempo que se mitiga el cambio climático, requerirá cinco grandes avances en la forma en que convertimos, almacenamos y transmitimos la energía térmica, según un nuevo artículo en Nature Energy de la Universidad de Stanford, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
“Las modernas tecnologías renovables son la fuente de electricidad más barata que tenemos hoy en día, pero la energía solar y eólica son intermitentes y representan un pequeño porcentaje de la energía mundial”, dijo Arun Majumdar, uno de los tres coautores y profesor de ingeniería mecánica de Stanford.
“Necesitamos aumentar este porcentaje, pero también debemos descarbonizar el calor y usar el calor para almacenar la electricidad de la energía solar y eólica”.
El análisis subraya la necesidad urgente de investigar y desarrollar avances en la tecnología térmica que potencialmente podrían reducir las emisiones de gases de efecto invernadero por lo menos en una gigatonelada, lo que representa alrededor del 3% de las emisiones anuales de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía a nivel mundial.
“Nosotros como especie estamos poniéndonos en peligro con la infraestructura que hemos erigido para mejorar nuestra calidad de vida”, dijo el coautor Asegun Henry, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Hay unos pocos casos en la historia en los que científicos e ingenieros se han unido y han logrado algo muy notable en muy poco tiempo. Este debe ser uno de esos momentos”.
El calor como almacenamiento de energía
Uno de los principales desafíos de la ingeniería térmica es almacenar el exceso de energía eólica y solar en forma de energía térmica durante varios días y luego convertirla de nuevo en electricidad cuando sea necesario.
La descarbonización total de la electricidad reduciría las emisiones de GEI mundiales producidas por el hombre en aproximadamente una cuarta parte. Obtener el 70% o más de nuestra electricidad a partir de energías renovables intermitentes requerirá adiciones masivas de almacenamiento de electricidad. La expansión de la tecnología actual más común, el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, está limitada por la geografía, y las baterías de iones de litio son demasiado caras para almacenar el exceso de energía renovable durante varios días.
“La ventaja clave para el almacenamiento de energía térmica es su potencial de bajo costo a gran escala”, dijo el co-autor Ravi Prasher, director asociado de laboratorio para tecnologías de energía en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
“Aunque es relativamente fácil convertir la electricidad en calor”, explicó Prasher, “el desafío clave para el almacenamiento de energía térmica es la gran penalización de la eficiencia al convertir el calor de nuevo en electricidad”.
Varias tecnologías de almacenamiento de energía térmica a gran escala se encuentran todavía en una fase temprana de desarrollo, por lo que hay que seguir explorando tecnologías competitivas que utilicen otros materiales y mecanismos de almacenamiento térmico, concluyen los investigadores.
“Aunque la eficiencia de ida y vuelta puede ser sólo del 50 al 60%, el costo podría estar dentro del rango necesario de menos de 10 dólares por kilovatio hora”, dijo Majumdar, quien también es co-director del Instituto Precourt de Energía de Stanford.
Industria y refrigeración
Otro gran desafío es generar el calor extremo necesario para los procesos industriales, como la fabricación de cemento, acero, aluminio e hidrógeno. Las emisiones de GEI en el sector industrial comprenden más del 15% de las emisiones globales, la mayoría de las cuales están asociadas con la provisión de calor a temperaturas de 100 a 1.000 grados centígrados.
Con la rápida disminución del costo de la electricidad renovable y el hidrógeno potencialmente libre de gases de efecto invernadero, el sector industrial podría descarbonizarse mediante el uso de calentadores resistivos o cámaras de combustión de hidrógeno, según el análisis. Sin embargo, aún quedan por resolver importantes problemas de ciencia e ingeniería. Para la electricidad renovable intermitente, es necesario desarrollar hornos baratos de almacenamiento a alta temperatura o de bajo factor de capacidad.
Un tercer gran desafío está en el lado opuesto del espectro térmico del calor: la refrigeración. El objetivo es inventar refrigerantes tanto para alimentos como para el aire acondicionado sin las actuales fugas de hidrofluorocarbonos, un conjunto de gases de efecto invernadero extremadamente potentes. Los nuevos refrigerantes que tengan éxito deben ser no inflamables, no tóxicos y asequibles, así como preferiblemente soluciones de sustitución de los sistemas actuales, dijo Majumdar.
“Con el aumento de la refrigeración y el enfriamiento en las economías emergentes, este es un gran desafío”, dijo Henry.
En muchas economías en desarrollo, la creciente demanda de aire acondicionado tiene que ver con la reducción de la humedad tanto como de la temperatura, por lo que los nuevos refrigerantes tendrán que lograr esto también, dijo Prasher. Alternativamente, se podrían desarrollar nuevas tecnologías para separar la deshumidificación del enfriamiento.
Edificios y transporte de calor
El calentamiento del espacio y del agua en los edificios residenciales y comerciales es responsable de más del 6% de las emisiones de GEI de los Estados Unidos. Se necesitan nuevos materiales de construcción que puedan conducir el calor y bloquearlo – bajo demanda – para reducir la energía para la calefacción y la refrigeración. La capacidad de controlar la conductividad térmica en el revestimiento de un edificio podría ahorrar entre el 10 y el 40% de las emisiones de GEI, por lo que esto representa otro desafío digno de ser abordado, dicen los investigadores.
Por último, un desafío particularmente grande es desarrollar la capacidad de transmitir el calor a largas distancias con poca pérdida de energía. Esto se logra con el vapor hoy en día, pero no a la escala o distancia necesaria. El objetivo aquí es desarrollar el equivalente en calor de una línea de energía eléctrica – un método eficaz para transportar el calor a gran escala de megavatios utilizando un mínimo de equipo y materiales.
El descubrimiento de un superconductor térmico podría permitir esto, pero la practicidad de desplegar uno a gran escala no está clara. Otra posible vía de investigación, según los investigadores, es descubrir nuevos fluidos bombeables con reacciones químicas reversibles para transmitir energía en forma química, en lugar de térmica.
“La descarbonización profunda sin avances en la ciencia y la ingeniería térmica parece inconcebible, pero la atención de los investigadores y los financiadores no ha reflejado eso”, dijo Majumdar. “Esperamos que este análisis sea una llamada a la acción para la comunidad de I+D más amplia”.
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