Características del sistema molecular de almacenamiento de energía solar térmica
El sistema está diseñado para almacenar energía solar en forma líquida y, al conectarlo a un generador termoeléctrico de chip ultrafino, el equipo ha demostrado ahora que puede generar electricidad, un avance que, en su opinión, sienta las bases de la electrónica autocargable que utiliza energía solar a demanda.
La conversión eficiente de la energía solar y las soluciones de almacenamiento de energía solar son fundamentales para el desarrollo de una sociedad sostenible. Las tecnologías para convertir la energía solar en calor y electricidad están siendo ampliamente utilizadas. Los conceptos más comunes de conversión de energía solar son la conversión de energía solar en eléctrica (energía fotovoltaica) y la conversión de energía solar en térmica (sistema de calentamiento solar de agua).
La tecnología fotovoltaica más común se basa en células solares de silicio monocristalino. La eficiencia máxima de las células solares fotovoltaicas monocristalinas se estima en 32% debido a las pérdidas espectrales, mientras que las eficiencias típicas de los módulos actuales superan los 20%. En cambio, los sistemas solares de calentamiento de agua (SWH) suelen tener una eficiencia (calentamiento solar) de 20-80%. Más información sobre la energía fotovoltaica monocristalina en policristalino frente a monocristalino artículo.
Recientemente, un equipo de investigadores de Suecia y China ha desarrollado un sistema energético del que se dice que es capaz de almacenar energía solar como energía química hasta 18 años y hacer que el sistema combinado de calentamiento solar de agua y almacenamiento de energía solar sea eficiente hasta 80%. Y lo que es más importante, este sistema de almacenamiento de energía también puede integrarse en productos electrónicos como auriculares, relojes inteligentes y teléfonos mediante un chip ultrafino a modo de generador. El equipo de científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) ha estado trabajando en el almacenamiento directo de la energía solar en los enlaces químicos de los productos químicos orgánicos y ha desarrollado el sistema molecular de almacenamiento de energía térmica solar.
El sistema, cuyo concepto ya se demostró en 2013, almacena la energía solar como energía química potencial en la fotoisomerización de enlaces químicos, lo que permite almacenar la energía solar en un medio líquido que no solo puede liberar la energía del sol a demanda, sino también transportarla. Científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) se han asociado recientemente con investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai para llevar este sistema de almacenamiento de energía solar un paso más allá, combinándolo con un generador termoeléctrico compacto para convertir la energía solar en electricidad. Los experimentos han demostrado que puede generar electricidad a demanda.
Qué es un sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular
Los sistemas de almacenamiento de energía solar térmica molecular almacenan la energía solar como energía química latente en fotoisomerización en enlaces químicos con moléculas especialmente diseñadas de carbono, hidrógeno y nitrógeno en su núcleo. Al entrar en contacto con la luz solar, los átomos de la molécula se reorganizan para cambiar su forma y convertirla en isómeros ricos en energía que pueden almacenarse en forma líquida.
Diagrama esquemático del sistema de almacenamiento de calor solar molecular de norbornadieno-tetracicloalcano
En un sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular, la molécula madre se expone a los fotones solares y se convierte así en fotoisómeros de alta energía, que son cinéticamente estables; al mismo tiempo, puede isomerizarse de nuevo a la molécula madre mediante activación térmica o utilizando un catalizador y liberar calor.
Por ejemplo, el sistema molecular de almacenamiento de energía térmica solar basado en norbornadieno-tetracicloalcano, los científicos exponen un hidrocarburo llamado norbornadieno a la luz, que cambia sus enlaces químicos, convirtiéndolo en un tetracicloalcano, la energía solar se almacena en los enlaces químicos como energía química latente en el proceso.
Cambiar la temperatura del tetracicloalcano o exponerlo a un catalizador tiene un efecto inverso, liberando energía en forma de calor. El sistema presenta una densidad de almacenamiento de energía de hasta 966 kJ kg-1 y un tiempo de almacenamiento superior a varios meses.
El sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular puede almacenar energía solar en forma líquida
Tras la investigación, los requisitos de un sistema molecular eficiente de almacenamiento de energía solar térmica pueden resumirse en:
(1) El compuesto original debe absorber la mayor parte del espectro solar;
(2) Los fotoisómeros no competirán para absorber la luz solar;
(3) El rendimiento cuántico de la fotorreacción debe ser 100%;
(4) La densidad de energía almacenada debe ser superior a 300 kJ kg -1;
(5) Los fotoisómeros deben permanecer estables durante mucho tiempo
(6) Todas las reacciones deben realizarse cuantitativamente, por ejemplo para permitir múltiples ciclos de almacenamiento-liberación de energía solar.
Sistema solar híbrido
Basándose en el sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han propuesto un sistema solar híbrido compuesto por un sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular (MOST) y un sistema de calentamiento solar de agua (SWH), que permite explotar los fotones de sub-bandgap que no pueden aprovechar los sistemas de almacenamiento de energía solar térmica molecular.
Este sistema solar híbrido puede utilizar eficazmente los fotones de baja energía de un sistema de calentamiento solar de agua (SWH) y almacenar fotones de alta energía en forma de energía química en un sistema de almacenamiento de energía térmica solar molecular (MOST). Al almacenar parte de la energía solar mediante un sistema de norbornadieno-tetracicloalcano (NBD-QC), se puede añadir almacenamiento de energía a largo plazo y suministro de energía a demanda a los sistemas de calentamiento solar de agua (SWH) de baja o media temperatura existentes.
El colector superior se utiliza para la conversión de energía solar térmica molecular (MOST); el colector inferior se utiliza para el sistema de calentamiento solar de agua (SWH).
Para demostrar el efecto de incorporar al SWH un almacenamiento de energía basado en la térmica solar molecular, los investigadores diseñaron un dispositivo híbrido de microfluidos. La instalación híbrida consta de dos capas, SWH en la capa inferior (gris oscuro) y térmica solar molecular en la capa superior (gris claro).
La sección térmica solar molecular superior consiste en un chip microfluídico de sílice fundida; permite que los fotones de alta energía del espectro solar conviertan fotoquímicamente el norbornadieno (NBD) en tetracicloalcano (QC).
Como se muestra, los fotones con energías inferiores al punto de inicio de absorción del norbornadieno (NBD) atraviesan eficazmente las capas superiores del dispositivo, y se utilizan para calentar el agua en el colector inferior, que consiste en una celda de flujo impresa en 3D cubierta con una lámina de vidrio de cuarzo.
Las dimensiones frontales del dispositivo son ≈ 2 por 2 cm.
(a) El solapamiento espectral de las soluciones utilizadas para NBD 1 y 2 y el espectro solar en el rango visible (1,5 AM);La línea roja representa la transmitancia de la térmica solar molecular, (la línea de puntos corresponde a 1, la línea continua a 2). (b) Estructuras químicas de los compuestos 1 y 2.
Mientras tanto, para seguir evaluando el rendimiento del norbornadieno, el compuesto más prometedor ( 2 ) se sometió a pruebas cíclicas (fotoisomerización y posterior inversión térmica) en solución a 60 °C.
El compuesto (2) se sometió a 127 ciclos con una degradación insignificante, lo que demuestra una excelente robustez. Además, las pruebas cíclicas se realizaron en condiciones ambientales (sin desgasificación), lo que dio lugar a una degradación de 0,2% por ciclo de conversión, lo que sugiere que se requiere un entorno libre de oxígeno para una degradación insignificante.
En la prueba de ciclos, la reacción térmica se realizó a 60 °C después de la fotoconversión, para un total de 127 ciclos. En el camino se muestra la absorción normalizada (au) de la solución de 2 después de cada medio ciclo de inversión térmica y fotoisomerización. En el recuadro se muestran detalles de la absorción normalizada (au) para los ciclos 81 a 86.
"Esta tecnología significa que podemos almacenar energía solar en enlaces químicos y liberar la energía en forma de calor cuando sea necesario", explica el jefe del equipo. "Los sistemas solares híbridos combinan el almacenamiento de energía química con paneles solares calentados por agua que pueden convertir más del 80 por ciento de la luz solar entrante".
Características y retos del sistema molecular de almacenamiento de energía solar térmica
Dado que una parte de la energía de un sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular se almacena en enlaces químicos, existe la posibilidad de un almacenamiento muy estable a largo plazo, limitado por el tamaño de la capacidad de almacenamiento. Esta energía puede transportarse y suministrarse en cantidades muy precisas y con un alto grado de fiabilidad.
Mientras tanto, el rendimiento técnico demostrado por el sistema experimental es de 397 kJ kg-1 = 110 W h kg-1 (compuesto actual: norbornadieno), ligeramente inferior a los 140 W h kg-1 de la batería de litio-hierro-fosfato de BYD, una de las más avanzadas del mundo. 10 principales fabricantes de baterías de ión litioel potencial es de 966 kJ kg-1 = 268 W h kg-1 (norbornadieno no sustituido),
Es muy competitiva con la densidad energética de las modernas baterías de iones de litio, lo que sugiere que puede ser una tecnología viable en cualquier aplicación que utilice la energía de las baterías para el calentamiento resistivo. También supera la entalpía de fusión de los materiales de cambio de fase más comunes (por ejemplo, 200-270 kJ kg-1 para la parafina).
Por lo tanto, el sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular también es competitivo desde el punto de vista de la densidad de energía pesada. Además, el sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular exhibe una fuerte reciclabilidad, como se ha descrito anteriormente, en la prueba de ciclos (fotoisomerización y posterior inversión térmica), el compuesto (2) se sometió a 127 ciclos con una degradación insignificante, mostrando una excelente robustez.
Cualquier futura aplicación a mayor escala de la tecnología termosolar molecular se enfrenta a dos retos principales, que juntos conforman una hoja de ruta de I+D a largo plazo. El primer reto que hay que superar para seguir desarrollando esta tecnología de almacenamiento termoquímico puede ser la toxicidad del disolvente. Reducir la toxicidad o eliminar los disolventes abriría más aplicaciones potenciales, como los aparatos de cocina portátiles que pueden cargarse con el sol y cocinar cuando éste se pone.
En segundo lugar, como cualquier tecnología nueva, la tecnología termosolar molecular también se enfrenta al reto de su elevado coste. Antes de que un sistema de este tipo pueda competir con otras tecnologías solares renovables en aplicaciones de energía a granel, es necesario reducir los costes mediante la producción a gran escala de los productos químicos constituyentes.
Futuras aplicaciones y desarrollo
El sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular funciona absorbiendo fotones y almacenando energía en un estado metaestable de fotoisomerización, su energía capturada puede almacenarse en este estado líquido hasta 18 años, antes de que un catalizador especialmente diseñado restaure la molécula a su forma original y libere la energía en forma de calor.
El equipo de la Universidad Tecnológica de Chalmers colabora ahora con científicos de la Universidad Jiaotong de Shanghai (China), que utilizan un generador termoeléctrico compacto para convertir el calor en electricidad.
Según el investigador de la Universidad Tecnológica de Chalmers, "un generador es un chip ultrafino que puede integrarse en componentes electrónicos como auriculares, relojes inteligentes y teléfonos. Hasta ahora sólo hemos producido una pequeña cantidad de electricidad, pero los nuevos resultados demuestran que el concepto funciona, y parece muy prometedor". Ilustración conceptual de un sistema molecular de almacenamiento de energía solar térmica para cargar dispositivos móviles
La salida de corriente de la prueba de concepto es de hasta 0,1 nW (la salida de potencia por unidad de volumen es de hasta 1,3 W m-3), que puede ser muy pequeña, pero los científicos ven un gran potencial en su sistema de almacenamiento de energía solar térmica molecular, que puede almacenar un solo Resolver el problema intermitente de la energía solar durante meses o años y utilizarla bajo demanda.
Catedrático de Química e Ingeniería Química de Chalmers y director del estudio, declaró: "Se trata de una forma totalmente nueva de generar electricidad a partir del sol. Significa que podemos utilizar el sol para generar electricidad con independencia del tiempo, la hora, la estación o la situación geográfica. Es un sistema cerrado que puede funcionar sin emisiones de CO2".
Una vez demostrado que el sistema puede utilizarse para generar electricidad, el equipo se centra en mejorar su rendimiento mientras trabaja en una solución comercial asequible para cargar aparatos y calentar viviendas. Además, el sistema también puede utilizarse en sistemas de control térmico de satélites.
Romper las barreras a la comercialización en el competitivo espacio solar será un reto importante y difícil, pero dada la naturaleza innovadora de la tecnología solar y la actual tendencia mundial hacia la eliminación progresiva de los combustibles fósiles, es probable que se produzcan avances.
