Tecnologías verdes: de la espuma y la arena.
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Tecnologías verdes: de la espuma y la arena

No hay que estar en un rascacielos de Dubái o tomar un trago en un hotel de hielo sueco, si de conseguir placeres humanos se trata. Basta caminar por una playa y sentir como se queman los pies sobre la arena, para inmediatamente refrescarlos en la espuma del oleaje. La mente se despeja y todo se olvida, todo, con esa delicia humana. Hasta se olvida, por ejemplo, que la arena y el mar son dos patrimonios mundanos que pueden alistarse para salvar el planeta.

En el empeño de obtener energías limpias, desde hace décadas los científicos han logrado inventar tecnologías capaces de convertir, para nuestro uso, la energía del sol, del viento, de la tierra reverberando en las entrañas de los volcanes, del vaivén de las olas… Han conseguido darle uso, al menos teórico, a casi todo lo que se mueve o puede hacerse mover.

Como nos recuerda Jorge Drexler en una de sus antológicas canciones de amor: “nada es más simple/ no hay otra norma/ nada se pierde/ todo se transforma”. Una filosofía que hiló, atiéndase bien, de un recordado beso de su amante; se hizo calor y luego movimiento; este, gota de sudor, que se convirtió en vapor y después viento…

Sin embargo, la poesía que contienen las ingenierías verdes no siempre ha encontrado la rima ideal para el almacenamiento de la energía obtenida.

En esencia, una pila, batería o acumulador es un dispositivo formado por una o más celdas electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en corriente eléctrica. Cada celda consta de un electrodo positivo (ánodo), un electrodo negativo (cátodo) y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, consintiendo que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función: alimentar un circuito eléctrico.

El principio de funcionamiento de un acumulador descansa básicamente en un proceso químico reversible llamado reducción-oxidación (redox), en el que uno de los componentes se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana electrones). En resumen, la magia del proceso está en que los componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que cambien su estado de oxidación y, a la vez, pueden retornar a su estado original adecuadamente.

Dicho de un tirón, se trata de que las baterías y pilas recargables cierren el circuito externo durante el proceso de descarga y apliquen una corriente externa durante la carga.

Sin embargo, el proceso de carga y descarga, este abre y cierra ingenioso, no se puede repetir indefinidamente debido a que los diferentes sistemas de almacenamiento que hoy existen van perdiendo la característica esencial de la reversibilidad.

Las más recientes tecnologías, las baterías de iones de litio (Li-Ion), permiten llegar a altas densidades de capacidad y no admiten descargas. Pero sufren mucho cuando esto último sucede, por lo que suelen llevar acoplada una circuitería adicional para conocer el estado de la batería y evitar así tanto la carga excesiva como la descarga completa.

A pesar de esa eficiencia, el litio no es una materia prima que abunde en la piel del globo terráqueo, por lo que es caro, motivo suficiente para que se haya despertado la suspicacia de posibles guerras por su posesión.

También las múltiples beligerancias que con plomo o con números han provocado los combustibles fósiles, han puesto a pensar a muchos en cómo encontrar alternativas no solo para la generación eléctrica, sino también para su almacenamiento. Feliz pero lamentablemente, esta urgencia ha resultado ser más decisiva para la investigación en nuevas tecnologías, que la propia necesidad de cambiar la matriz energética del ambientalmente renqueante planeta.

Mas quién sabe si, caminando por la orilla de la playa, fue que alguien gritó su eureka al pensar que en la arena hasta la vastedad y en el infinito mar, podría estar la anhelada solución para acopiar energía a granel y a borbotones.

De Finlandia al Sahara

Tecnologías verdes: de la espuma y la arena.
La nueva batería de arena podría contribuir a resolver el mayor problema de la energía verde: el almacenamiento. / polarnightenergy.fi

Los finlandeses saben bien el valor de un buen baño, sí; tal vez por eso inventaron el sauna, es decir, el rito de pasar un rato sudando antes de tomar una ducha, con la radiación de varios lapsos de transpiración y golpes de vapor que se producen arrojando agua sobre piedras calientes. El vapor, no hay duda, es el espíritu del sauna.

A fin de calentar las viviendas durante el crudo invierno finés y tomarse una relajante ducha caliente, dos jóvenes ingenieros del país nórdico, Markku Ylönen y Tommi Eronen, se catapultaron a inventar una revolucionaria batería de arena que podría resolver el mayor problema de la energía verde: el almacenamiento.

Para ello, en Kankaanpää, un pueblo de unos 12 000 habitantes al oeste de su geografía nacional, la compañía Polar Night Energy, creada por los dos curiosos, recientemente instaló la primera “batería de arena” comercial completamente operativa, que puede almacenar energía renovable durante meses, incluso asegurar el suministro continuo durante todo el año.

El nuevo diseño fue instalado en la planta generadora de Vatajankoski, la cual suministra electricidad al distrito circundante.

El principio es bien simple y es prácticamente el mismo proceso utilizado en los calentadores eléctricos. En este caso, el dispositivo utiliza arena de bajo grado, que es calentada con electricidad barata producida con energía solar o eólica. Las partículas arenosas almacenan el calor, que puede utilizarse luego para calentar hogares en invierno, cuando la energía es más cara.

Ni plomo, ni níquel, ni cadmio, ni litio. El ingenioso invento solo necesita unas 100 toneladas de toscos granos de la propia arena usada en la construcción, apiladas en un silo. A la vez, brinda respuesta también al desafío que impone el uso de más paneles solares o torres eólicas a las redes eléctricas. Si bien pueden estos incrementarse con relativa rapidez, la intermitencia es su lado flaco. ¿Acaso se pueden mantener las luces encendidas si el sol no brilla o no hay suficiente viento?

Conectar más recursos renovables también requiere agregar otras fuentes de energía para balancear la red eléctrica, ya que muy poca o demasiada potencia puede hacer que esta colapse. La respuesta a este conflicto es utilizar, a gran escala, baterías que almacenen y balanceen la energía a medida que la red se vuelve más verde.

Hoy, se sabe, la mayoría de las baterías son hechas con litio, pero ocupan un espacio considerable, son costosas y solo pueden lidiar con una cantidad limitada de potencia adicional.

“Cuando se produce un gran incremento de electricidad verde, lo que buscamos es almacenarla realmente rápido”, afirmó Markku Ylönen, uno de los inventores de la batería de arena.

Una corriente de aire caliente es recirculada en la arena, que pierde calor muy lentamente y es un medio muy efectivo para almacenarlo. Los ingenieros aseguran que su batería puede mantener la arena a unos 500°C durante meses.

Así, cuando los precios de la energía suben, la batería puede liberar aire a altas temperaturas para calentar el agua en el sistema de calefacción distrital, que a su vez caldea hogares, oficinas e incluso la piscina local.

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Infografía. / diarioecologia.com

Empero, la eficiencia del sistema cae vergonzosamente cuando se usa para suministrar electricidad a la red. Por ello, uno de los mayores desafíos ahora será escalar esta tecnología para obtener electricidad, además de calor.

Almacenar energía verde en forma calórica también puede ser una oportunidad para el sector industrial, donde el calor usado hoy en la producción de alimentos, bebidas, textiles o medicamentos proviene de la quema de combustibles fósiles.

Reconoce Pekka Passi, quien apostó por esta tecnología y es director de la planta generadora de Vatajankoski, que el invento puede parecer algo un poco loco, pero está seguro de que será un éxito.

De hecho, otros grupos de investigación, como el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos, también estudian el uso de baterías de arena.

Vale recordar que hay muchos lugares en el mundo, particularmente en climas fríos, donde la calefacción urbana es común. En lugar de hornos individuales en cada edificio –como predomina en Estados Unidos–, el calor se genera en una ubicación central y se distribuye a los hogares, fábricas y negocios a través de un sistema de tuberías y conductos subterráneos.

Quién sabe si un atolondrado científico –émulo del escritor cubano Héctor Zumbado, quien soñó literariamente que podía enlatarse la luz del sol– consiga un día convertir el Sahara en el acumulador universal.

Nueva batería de agua de mar

“Que se convierta el mundo en espuma y arena”, clamaba el cantautor Pedro Luis Ferrer. Y parece ser este el espíritu que engatusa a los más avezados ingenieros verdes.

Ahora, un equipo de científicos de la Universidad Marítima y Oceánica de la República de Corea ha desarrollado una ruta de síntesis, eficaz para producir un nuevo material anódico, codopado para baterías recargables de agua de mar.

El dopaje, según la biblia química, es una técnica utilizada para variar el número de electrones y huecos en semiconductores. El ánodo, recordemos de nuestras aulas, es un electrodo en el que se produce una reacción de oxidación: al perder electrones un material, incrementa su estado de oxidación.

Hablamos del nuevo descubrimiento de un proceso de plasma en líquido de un solo paso, para sintetizar un material anódico de carbono codopado con nitrógeno y azufre. Por ahora, este ha mostrado un gran potencial para las baterías de agua de mar.

La batería de ion de sodio (sodio-ion) es un tipo de acumulador recargable que utiliza, obviamente, iones de sodio. Es, a simple vista, una forma más barata de almacenar la energía que las comúnmente utilizadas baterías de iones de litio. A diferencia de las de sodio-azufre, las de iones de sodio se pueden hacer portátiles y pueden funcionar a temperatura ambiente (unos 25˚C).

Para los sesudos, un tipo especialmente prometedor de tecnología de baterías basadas en sodio son las de agua de mar (SWB), que utilizan ese elemento como cátodo. A pesar de sus numerosas aplicaciones potenciales, la comercialización de las SWB se ha visto obstaculizada por la falta de materiales anódicos de bajo costo, alto rendimiento y respetuosos con el medioambiente.

Los materiales tradicionales a base de carbono, por su parte, son una opción rentable. Como su rendimiento electroquímico es inferior, es necesario doparlos con múltiples elementos, como el nitrógeno y el azufre.

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Las recientes innovaciones para las baterías de agua de mar han hecho que estas superen a las de iones de litio, convirtiéndolas en una alternativa sostenible. / worldenergytrade.com

Aun así, prevalece el problema de que las rutas de síntesis conocidas actualmente para el codopaje son complejas, potencialmente peligrosas e, incluso, incapaces de producir niveles de dopaje aceptables.

Afortunadamente, los estudiosos coreanos han logrado superar esa complejidad de la síntesis y los problemas de seguridad causados por el precursor dopante dañino, mediante una nueva ruta de síntesis.

De tal suerte, desarrollaron el nuevo proceso de plasma en líquido de un solo paso para sintetizar material anódico.

El proceso consistió en preparar una mezcla de precursores que contenían carbono, nitrógeno y azufre, y descargar plasma en la solución, lo que dio como resultado un material con altos niveles de dopaje con dichos elementos químicos, con una columna vertebral estructural de negro de humo.

Según explicó Jun Kang, profesor asociado de la mencionada universidad, el material del ánodo codopado obtenido mostró un notable rendimiento electroquímico en los SWB, con una larga vida útil.

El ánodo de nitrógeno-azufre y carbono creado, permitió incluso que las baterías de agua de mar superaran a las de iones de litio, convirtiéndolas en una alternativa sostenible a la omnipresente tecnología de las baterías.

Las aplicaciones marítimas potenciales de las baterías de agua de mar son versátiles, ya que logran funcionar con seguridad mientras están completamente sumergidas. Pueden utilizarse, digamos, para suministrar energía de emergencia en centrales nucleares costeras o instalarse en boyas para ayudar a la navegación y la pesca. Pero, como explicó Kang, estas pueden ser más potentes si se utilizan junto con energías renovables como la solar para ser cargadas.

De manera que puede ser este el dispositivo de almacenamiento de energía más limpio, según sus autores. Superan, por ejemplo, a las baterías de plomo-ácido que se utilizan para suministrar energía a las boyas para la señalización de la navegación. Las baterías de plomo son débiles frente a la corrosión, por lo que su durabilidad es muy escasa.

Muchas boyas coreanas ya han comenzado su tránsito hacia el método de alimentación energética con baterías de agua de mar, cargadas con la radiación solar. También, según Kang, pueden instalarse como fuente de energía para los equipos de salvamento de los barcos de pasajeros. «No solo suministrarían una mayor densidad de energía que las baterías primarias convencionales –defendió el científico–. También permitirían un funcionamiento estable en el agua, aumentando así las probabilidades de supervivencia».

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