Ante la crisis que amenaza al mundo por los elevados precios del petróleo, la única respuesta viable a largo plazo, aseguran los expertos, consiste en desarrollar la tecnología necesaria para aprovechar otras fuentes de energía. En México se trabaja desde hace años en ese sentido y el Instituto Politécnico Nacional y la UNAM son 2 de las universidades cuyos científicos están más comprometidos con esa tarea.
Entre ellos se encuentra la doctora Marina Elizabeth Rincón González, jefa del departamento de materiales solares del Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM, situado en Temixco, Mor., quien concuerda con lo dicho en la primera parte de este reportaje por el químico Luis Manuel Guerra: la fuente más abundante de energía para México —y para el mundo entero— es el Sol (ver La energía alternativa ya está aquí, primera de 2 partes, Contenido, Jun. 2008): —Ahora todo el mundo habla de biocombustibles, pero ni siquiera dedicando toda el área cultivable del planeta a producir las materias primas necesarias se lograría cubrir la demanda que habrá en los años venideros —explica—. En cambio, las celdas fotoelectroquímicas (distintas de las fotovoltaicas) como las que desarrollamos en el CIE constituyen una alternativa mucho más realista, con numerosas aplicaciones potenciales.
Energía en sándwiches
La idea de construir estos dispositivos —en los que la luz solar es transformada en energía eléctrica merced a procesos eletroquímicos— surgió en 1991, cuando los doctores Michael Grätzel y Brian O’Regan, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, discurrieron fabricar una especie de sándwich con 2 electrodos transparentes que emparedaban un electrolito líquido semiconductor teñido con óxido de titanio: —Las moléculas del semiconductor (sustancia capaz de conducir o no energía eléctrica, según la temperatura ambiente o la intensidad de la corriente a la que se le someta) son “diseñadas” mediante nanotecnología para que tengan una gran superficie, lo cual les permite absorber más tinte —explica Rincón—. Cuando esa tintura recibe la luz solar libera electrones, que atraviesan el semiconductor para viajar de un electrodo a otro. Su tránsito es, justamente, lo que produce energía eléctrica.
El electrolito nunca cambia de composición química, pues mediante un proceso llamado reducción-oxidación, los electrones emitidos en un extremo de la celda se recuperan en el otro.
A diferencia de las celdas fotovoltaicas o solares convencionales, no muy eficientes y cuya construcción es compleja y cara (se necesitan hasta 3 años para recuperar la inversión), las fotoelectroquímicas son más fáciles y baratas de fabricar: —Las primeras requieren de grandes aparatos para evaporar sólidos semiconductores y hacer que se depositen sobre láminas rígidas, que deben ser empalmadas con absoluta precisión —indica la investigadora—. En cambio, con las segundas, se pueden utilizar electrodos rígidos o flexibles y no se necesita vaporizar sólidos. Se estima que una vez que se produzcan industrialmente recuperar la inversión no tomará más de 6 meses.
Dar este paso, señala Rincón, depende de la resolución de algunas desventajas, como la degradación del tinte con la luz solar o la pérdida de electrolito por evaporación, lo cual exige que la celda tenga un sellado perfecto o bien, que el líquido pueda ser fácilmente reemplazado por el usuario: —También se pretende desarrollar electrolitos de polímeros sólidos (formados por grandes moléculas integradas, a su vez, por moléculas más pequeñas) o coloidales (viscosos), que no se evaporan —dice—. Igualmente se buscan nuevos tintes que absorban mejor la radiación solar y liberen más electrones.
Agua descompuesta
Aunque la electricidad obtenida con estas celdas puede utilizarse de manera directa, también es factible almacenarla para utilizarla más tarde: —Una posibilidad consiste en el uso de capacitores o baterías poco contaminantes y de alta eficiencia hechas con nuevos materiales desarrollados mediante nanotecnología —indica—. Sus primeras aplicaciones podrían ser dispositivos portátiles, como teléfonos celulares o reproductores de música, aunque cada uso exige especificaciones diferentes.
Otra alternativa es utilizar la electricidad para descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno, pues éste último sirve como combustible y es posible almacenarlo en tanques o bien, usarlo en celdas combustibles (parecidas a las baterías de los coches, pero que producen electricidad a partir de una fuente externa de carburante): —Las empleadas actualmente en algunos automóviles o en misiones espaciales utilizan hidrógeno obtenido mediante un proceso químico que exige un gran consumo de electricidad generada por fuentes convencionales, como plantas termoeléctricas o hidroeléctricas —explica Rincón—. Con las celdas fotoelectroquímicas se elimina ese inconveniente, pues el proceso de disociación es mucho más eficiente y utiliza únicamente energía solar.
A decir de la investigadora, el uso más extendido en México de las celdas será, justamente, la obtención de hidrógeno, aunque no sería su única aplicación práctica: —En el CIE trabajamos en el desarrollo de un sistema que permita utilizarlas para obtener metanol (una variedad de alcohol muy útil como combustible) a partir de los desechos orgánicos —indica.
El proceso inicia con la trituración de la basura para convertirla, mediante una reacción química llamada fotocatálisis —en el que también interviene la luz—, en residuos minerales, agua y bióxido de carbono (CO2): —Parece paradójico, porque este gas es muy contaminante, pero no sería liberado a la atmósfera, sino que se combinaría con hidrógeno obtenido, por supuesto, con energía solar, para formar metanol, que también puede utilizarse en celdas combustibles —explica Rincón—. México es puntero en la investigación de fuentes de energía alternativa: yo he sido réferi en proyectos del Departamento de Energía de Estados Unidos y las propuestas de los científicos de ese país no son superiores a las nuestras. Sólo hay que tener presente que el salto de la ciencia básica a las aplicaciones tecnológicas puede tomar años, así que nos conviene apretar el paso, para no quedarnos rezagados.
Esfuerzo y financiamiento
El investigador Gerardo Contreras Puente, de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del IPN, concuerda con la doctora Rincón en que el hidrógeno será muy usado en México dentro de unos años. Hoy, 180 investigadores del IPN trabajan en conjunto con más de 100 instituciones y empresas nacionales e internacionales para dar el salto de la ciencia pura a las aplicaciones en la vida cotidiana y no sólo en situaciones extraordinarias, como los vuelos espaciales, para los que la NASA ha utilizado celdas combustibles de hidrógeno en más de 150 ocasiones.
Quienes van a la vanguardia en este campo son los fabricantes de automóviles, que ya tienen prototipos que utilizan sólo hidrógeno como fuente de energía (mediante celdas combustibles) o bien, lo combinan con gasolina: —Ya hay algunos de estos modelos híbridos en el mercado —señala Contreras—, y una de las principales firmas alemanas se apresta a lanzar en pocos años uno que prescindirá por completo de la gasolina.
Otras posibles aplicaciones de las celdas combustibles de hidrógeno será en sistemas estacionarios capaces de generar hasta 10 megawatts, suficientes para alimentar hospitales, parques ecológicos, unidades habitacionales y algunos procesos industriales: —Aunque seguramente serán firmas trasnacionales las primeras en poner en el mercado estos dispositivos, en México tenemos científicos capaces de desarrollar la tecnología necesaria —expone el investigador—. Con esfuerzo y financiamiento, esta vez México no se quedará a la retaguardia.
Calor frío
Por su parte, el doctor Roberto Best y Brown, jefe del departamento de sistemas energéticos del CIE, explica que otra fuente de energía renovable es la térmica, que se puede utilizar de de manera directa, lo mismo para calentar agua que para procesos industriales, como el secado de madera, o bien para regular la temperatura de casas o invernaderos. Existen 2 clases de energía térmica: la solar, y la geotérmica, que se obtiene al extraer vapor y agua caliente del subsuelo. (La geotermia suele usarse para generar electricidad; en México, la CFE calcula obtener de esta manera 959.5 megawatts de los 38,436 que producirá en 2008).
Uno de los usos más curiosos de la energía térmica es la refrigeración. Si bien desde hace muchos años se conocen los ciclos termodinámicos que permiten usar el calor como fuente de enfriamiento, suelen consumir mucha energía eléctrica (es el caso de los refrigeradores) o bien, si, los aparatos utilizan luz solar suelen ser muy complejos y costosos.
El principio con el que funcionan ambos sistemas es sencillo: cuando un líquido se evapora, enfría aquello con lo que está en contacto (es por eso que si se pone alcohol sobre la piel se siente frío cuando se seca): —Los refrigeradores, por ejemplo, hacen circular un gas licuado por el evaporador (un circuito de tubos que recorren las paredes interiores del aparato); ahí, al evaporarse, el gas enfría el gabinete y el calor que absorbió se disipa en la parte posterior del electrodoméstico, denominada condensador —explica el doctor Best—. Luego, el gas es conducido a un compresor, que consume mucha energía para presurizarlo y tornarlo líquido de nuevo. Los aparatos de aire acondicionado funcionan de manera similar.
En los sistemas desarrollados por Best y su equipo se utiliza amoniaco en vez de los refrigerantes convencionales. Se tiene un evaporador y un condensador, pero no un compresor, pues en vez de comprimir el gas se disuelve en agua, lo cual consume mucha menos energía. Esa solución se pasa a un componente denominado generador, donde con calor solar se evapora el amoniaco y se separa del agua, lo cual extrae el calor del ambiente. Luego el ciclo se repite: —Mientras más insolación haya, más refrigeración se logra —explica el científico—. Eso resulta muy útil en regiones como Baja California, donde en verano la demanda de electricidad para aire acondicionado se dispara durante el verano.
Otra ventaja de este sistema, añade Best, es que al mismo tiempo se puede utilizar para calentar agua: —Aún no eliminamos por completo la necesidad de usar electricidad en alguna parte del proceso —acepta—, pero sí reducimos su consumo a sólo un tercio. El mayor problema que enfrentamos ahora los investigadores es la complejidad de los aparatos, que nos afanamos en simplificar, y los costos, que se abatirán una vez que se construyan en serie, tal como ocurrirá con todos los nuevos sistemas para obtener energía alternativa o renovable. Sólo es cuestión de tiempo.
