Aplicación de la energía solar térmica. Combustibles solares y procesos industriales

POR:Mauricio Alvarado|ILUSTRACIÓN:Oldemar
Conoce sobre la energía termosolar aplicada en la producción de los combustibles solares.

Si existe una tecnología integral de energía limpia, con la capacidad de equiparar en producción, almacenamiento y distribución a la tan extendida industria del petróleo y el carbón, en el transcurso de una década más o menos, esa sería la termosolar, debido al nuevo potencial que se ha encontrado en la producción de hidrógeno y el gas de síntesis, los llamados combustibles solares. Así lo refieren diversos especialistas en el ramo de las renovables, como el presidente de la Asociación Europea de Energía Termosolar (Estela, por sus siglas en inglés), en su ponencia de la XI Cumbre Internacional de Concentración Solar Termoeléctrica: “Los mercados termosolares florecerán en 2018, pues el costo por kilowatt/hora durante 2017 ha estado por debajo de los 6 céntimos de euro”.

Más aun, el interés en esta tecnología de reactores solares de alta concentración se ha incrementado, gracias a que ésta hace posible el proceso de los ciclos termoquímicos del agua para la obtención sustentable de estos combustibles solares; los cuales podrían, en unos años, alcanzar un auge comercial a una escala tan grande, que se podría hablar de una revolución energética dentro de algunos años. Esto, porque ofrecen una ventaja que ningún otro vector de energía renovable puede hacer. Así lo refirió el Instituto Tecnológico de California (CalTech) en su estudio “Combustibles Solares 2016”: “[Los reactores solares] ofrecerán la misma cantidad y calidad de combustible a los usuarios finales sin modificar la infraestructura global actual”. Esto quiere decir que no cambiará el modus operandi de los consumidores.

Energía termosolar y de concentración

Esta tecnología fue desarrollada y comercializada desde principios del siglo XX, sobre el encuadre de la termodinámica de vapor y los generadores. Más tarde, su uso se fue dividendo según el tipo de colectores, empezando por los de:

  • Baja temperatura (hasta 100 °C): Usados principalmente por termotanques tubulares para tareas caseras, ya fuera como calentadores de agua o albercas, así como en ciertas instalaciones para cocción de alimentos o destilación de agua en comunidades rurales.
  • Media temperatura (máx. 600 °C): Mercado de empresas que, mediante discos parabólicos, deshidratan frutas, pescados o granos; también usados para procesos de pasteurización, tareas de refrigeración solar o, incluso, en el proceso básico de la generación de biomasa.
  • Alta temperatura (hasta de 3,000 °C) Aquí entramos en el tema de la energía solar de concentración a niveles de planta industrial. No obstante, aunque su descubrimiento se hizo a la par que la fotovoltaica, no fue sino hasta los años 80 cuando la ciencia aplicada la tomó en cuenta para la producción de energía eléctrica a nivel de megavatios por decenas, sin que llegara a abastecer la demanda de una comunidad formalmente.

Así, a diferencia de otras tecnologías de “flujo”, como el viento, la luz solar o el agua, cuya fuerza de generación se debe consumir casi en el momento de ser transformada, la energía termosolar se reconoce como una de las más eficientes porque es la única gestionable, es decir, que tiene una vida de almacenamiento más larga que otras renovables para consumos a mediano plazo. Así lo señala la Universidad Politécnica de Zúrich, líder en la investigación de los procesos termoquímicos: “La producción de combustibles solares a partir de la energía solar concentrada [CSP por sus siglas en inglés] se ha vuelto fundamental para la producción de energía libre de gases contaminantes, porque tiene excelentes propiedades para su almacenamiento y con aplicaciones positivas, como la de los combustibles solares y los procesos de reciclaje de CO2”.

En la actualidad, la energía termosolar a gran escala se alcanza por medio de espejos o lentes de CSP, la cual puede generar incluso gigavatios de electricidad, gracias al creciente desarrollo de las centrales solares. Estas plantas se ubican en zonas de alto impacto, como desiertos, en donde los colectores se despliegan sobre un área que puede abarcar varios kilómetros cuadrados, todos apuntando sus espejos directamente en un mismo punto: la torre central, en la que se puede guardar agua, junto con otros materiales, para la generación de vapor, y producir energía termoeléctrica. Es posible también darle otro uso, que sigue despertando interés comercial, y colocar una cámara de reacción donde se puedan disociar las moléculas de agua para obtener hidrógeno.

Así, las tendencias hacia esta tecnología se han incrementado conforme avanzan las investigaciones de los procesos termoquímicos para obtención de combustibles sintéticos limpios. Destacan, especialmente, el hidrógeno solar y el gas de síntesis (syngas, como se denomina en inglés), como los energéticos que podrían ser los más empleados en el futuro. En su estudio “Concentrating Solar Power: Solar Energy on Demand”, el profesor Atsushi Tsutsumi, del Instituto Americano de Ingeniería Química, AiChe Academy, dice lo siguiente: “La descomposición termoquímica del agua por reacciones cíclicas es uno de los métodos más prometedores para producir hidrógeno, [el cual] podría abrir un nuevo mercado de energía limpia, haciendo que la llamada ‘economía del hidrógeno’ llegue mucho antes de lo previsto”. Una propuesta muy reciente, si fechamos las primeras investigaciones de interés comercial en hace apenas 10 años; esto, porque el proceso de producción de hidrógeno involucra la disociación de agua a altas temperaturas para obtener estos combustibles capaces de igualar en funciones a los hidrocarburos (como la gasolina o el queroseno), con la diferencia de que no emiten gases de efecto invernadero en su reacción.

“Así, en aproximadamente tres años, y logrando que la inversión privada se convenza del potencial de estos combustibles, podríamos producir hidrógeno a gran escala. Mientras tanto, estamos logrando que el costo del kilojoule de hidrógeno se equipare con el de la gasolina convencional.”

La economía del hidrógeno

El concepto surgió durante la crisis petrolera de 1973, cuando los gobiernos comenzaron a buscar otras fuentes de energía; pero no fue sino hasta finales de los años 90, al surgir los primeros informes y estudios sobre el calentamiento global (derivado de la quema de combustibles fósiles) y la necesidad de decarbonización mundial, cuando se volvió al tema de este elemento como digno sustituto de la gasolina.

“Unos años más tarde”, señala Jeremy Rifkin en su libro, La economía del hidrógeno 2002 (ed. Paidós), “con los estudios sobre el pico de petróleo para 2020, el enfoque de este modelo económico, considerado casi una teoría, cambió, y fue retomado con fuerza por todos los países desarrollados”. Y ahora, gracias a la nueva propuesta de producirlo con energía limpia y como un hidrocarburo que no emite ninguna clase de gas contaminante, sin involucrar en el proceso ningún agente contaminante, ni en la obtención ni en los materiales, sino sólo a partir de la energía termosolar de concentración, es que las investigaciones se llevaron a la práctica. Así lo señaló, en su reporte “High-Efficiency Solar Thermochemical Reactor for Hydrogen Production 2017”, el Departamento de Energía de Estados Unidos: “Este elemento es un combustible excelente porque puede ser almacenado indefinidamente y tiene una mayor densidad de energía que los combustibles líquidos tradicionales”. Sobre este argumento se han detonado inversiones a futuro por parte de gobiernos o corporaciones de toda clase de giros, con especial acento en la oportunidad implícita para cualquier nación que invierta en centrales solares termoquímicas: la verdadera autonomía energética, es decir, que las naciones dejen de depender de aquéllas que tienen reservas de petróleo.

En el plano comercial, se pueden citar casos como el de la industria automotriz, la cual está concentrada en lanzar ya sus modelos de combustión de hidrógeno. La empresa Linde Gas, en su exposición “Infraestructura del hidrógeno: el camino al futuro”, lo reportó así durante la Séptima Convención Mundial en Tecnología del Hidrógeno 2017: “Con Toyota, Hyundai BMW y Honda acelerando la producción en serie de autos H2 para 2020, se deben hacer grandes inversiones para instaurar una infraestructura de hidrogeneras capaces de hacer frente a la propagación masiva de esta clase de autos”.

Lo mismo sucede con las aerolíneas y el desarrollo en biocombustibles para turbinas, o en el sector agrícola, donde el H2 se usa como vector para fertilizantes. Ésta es una carrera que lleva menos de 10 años en desarrollo, pero que, para 2030, podrá competir contra los combustibles fósiles a partir de una competencia limpia.

Gas de síntesis… syngas

Gracias al calor limpio de la energía solar concentrada, se puede obtener este combustible, capaz de convertirse en un hidrocarburo sintético eficiente por medio de la fermentación o los ciclos termoquímicos; y es altamente competitivo en precio y manejo. El gas de síntesis es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. Así lo enuncia la agencia Sun to Liquid, en su proyecto “H2020”, del año 2016: “[…] respecto de este hidrocarburo solar, es que puede ser procesado en forma de líquido para reemplazar las tareas del gas de carbón, el queroseno, la gasolina y el metanol, incluso para generar electricidad o cumplir tareas de calefacción”. Así también, el proceso de gasificación sintética se presenta como una alternativa para evitar el controvertido fracking del subsuelo, causante de la erosión.

México termosolar

Si el desarrollo de los combustibles solares en el mundo tiene relativamente poco tiempo, para Latinoamérica son escasos los proyectos que se llevan a cabo en ese campo. De hecho, es México quien hace la investigación más formal en cuanto a los procesos termoquímicos para la obtención de hidrógeno solar de bajo costo, esto a través del Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (CeMie-Sol). “Nuestros estudios, por ahora, se centran en lograr que el proceso químico de hidrógeno sintético se alcance a partir de la energía solar concentrada, usando no más de los 1,000 grados [Celsius]. Esto, para lograr que el costo de producción de hidrógeno limpio sea lo más competitivo posible”, explica el doctor Hernando Romero Paredes, director del proyecto y jefe del Área de Ingeniería en Recursos Energéticos de la UAM, y pionero en este campo tan prometedor.

Por ahora, sus estudios, en los que se han involucrado diversas instituciones, como el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cimav) y el Instituto de Energías Renovables de la UNAM, entre otras, están en la fase de investigación de materiales eficientes y de bajo costo para, más adelante, alcanzar la creación de una planta piloto con reactor solar. “Claro que nuestro proyecto entra en el concepto de la economía del hidrógeno, lo que yo llamaría más acertadamente: la era del hidrógeno, porque éste será el combustible más usado en el futuro”.

Por lo pronto, en Sonora se está terminando la primera torre central de energía termosolar de concentración, que servirá como herramienta básica para la investigación de los ciclos termoquímicos del hidrógeno y el gas de síntesis en México. “Así, en aproximadamente tres años, y logrando que la inversión privada se convenza del potencial de estos combustibles, podríamos producir hidrógeno a gran escala. Mientras tanto, estamos logrando que el costo del kilojoule de hidrógeno se equipare con el de la gasolina convencional. Tenemos el tiempo a favor con respecto del petróleo y su capacidad para satisfacer la demanda actual, la cual se reducirá considerablemente en el transcurso de 20 años”.

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