Almacenamiento químico de energía solar térmica

La implementación de la energía solar no va a ser posible sin dispositivos de almacenamiento de energía adecuados. De entre ellos los denominados combustibles solares térmicos, que son capaces de almacenar directamente la energía solar en forma química, son una de las alternativas más atractivas para un futuro a medio y largo plazo. Un estudio teórico reciente predice la posibilidad de que los compuestos resultantes de la unión de una molécula orgánica (azobenceno) con nanotubos de carbono puedan solucionar los déficits en densidad de energía, estabilidad y ciclabilidad de los combustibles desarrollados hasta la fecha lo que, de confirmarse experimentalmente, puede disparar el interés en este campo y hacer realidad lo que hasta ahora sólo eran lejanas promesas.

 Autor: [R. Díaz – IMDEA Energía]

 La generación de electricidad a partir de fuentes renovables como la energía solar es intrínsecamente intermitente (ciclos día-noche), por lo que requiere sistemas de almacenamiento de la energía que permitan un mejor ajuste entre la producción y la demanda. Entre las numerosas tecnologías de almacenamiento de energía posibles, el almacenamiento directo de la energía solar en forma química es una de las más atractivas, ya que permitiría disponer de una forma limpia, duradera y transportable de almacenar energía.

El principio básico de funcionamiento de un combustible solar térmico está esquematizado en la Figura 1. Se trata de que una molécula fotosensible, por efecto de la absorción de luz solar, pase a un estado excitado del que sólo se desexcite al aplicar un estímulo. Ya durante la década de los 70 y los 80 se estudiaron reacciones de fotoisomerización, pero ninguna de ellas superó los estudios fundamentales iniciales principalmente debido a la degradación del combustible que impedía reutilizarlo después de unos pocos ciclos. El desarrollo del fulvaleno de tetracarbonil-dirutenio superó este hándicap,1 pero el uso de un metal poco abundante y caro como el rutenio y la poca densidad de energía volumétrica del compuesto han impedido su uso a gran escala, mientras los esfuerzos para mejorar este compuesto realizados hasta la fecha han resultado infructuosos.

 

Figura 1. Esquema simplificado del proceso químico de almacenamiento de energía en un combustible solar térmico2.

 Esta situación, según un estudio teórico recientemente publicado,2 podría empezar a cambiar pronto. En este estudio se proponen como posibles combustibles solares térmicos compuestos resultante de la unión covalente de una molécula orgánica (en concreto un azobenceno) con nanotubos de carbono. Los azobencenos son moléculas fotosensibles que isomerizan de forma muy reversible entre sus formas cis y trans por absorción y emisión de radiación. Ya habían sido estudiados como posibles combustibles solares térmicos, siendo la relativamente pequeña barrera de desexcitación su principal hándicap, ya que la vida media de su estado excitado es del orden de horas o minutos.

 Lo que los cálculos teóricos desarrollados sugieren es que el empaquetamiento de estos azobencenos sobre los nanotubos de carbono, con la consiguiente disminución de simetría del sistema, la corta separación intermolecular con las consiguientes interacciones de van der Waals entre azobencenos contiguos, y la orientación fija de los azobencenos, consigue aumentar a la vez ΔH y Ea gracias a la mayor estabilización de la configuración trans respecto a la cis. Eso a su vez resulta en una predicción teórica de tiempos de vida media del estado fotoexcitado mayores de un año.

 Si a esto le unimos que este denso empaquetamiento de los azobencenos sobre los nanotubos de carbono resulta en predicciones teóricas de densidades de energía volumétricas de 690 Wh/L, comparables a las baterías de ión litio, que la temperatura del calor liberado se predice que esté en el orden de los 620 K y que la eficiencia total pueda llegar al 7.2%, la realización experimental de estas predicciones teóricas pasa a ser una temática del máximo interés para todo aquél interesado en el desarrollo de combustibles solares térmicos y de sistemas de almacenamiento de energía en general.

 Más información

 (1) Phillippopoulos, C.; Economou, D.; Economou, C.; Marangozis, I. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1983, 22, 627-633.

 (2) Kolpak, A. M.; Grossman, J. Nano Letters 2011, DOI: 10.1021/nl201357n

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