15.11: Fuentes de Energía Renovables - Energía Solar
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Las fuentes de energía ideales son aquellas que no contaminan y nunca se agotan. Tales fuentes se denominan comúnmente recursos de energía renovable. Existen varios recursos prácticos de energía renovable que se discuten brevemente en esta sección. El sol es la última fuente de energía renovable y la energía solar se discute primero.
La energía solar es la mejor: cuando brilla el sol
Sunshine se acerca a cumplir con los criterios de una fuente de energía ideal, incluida la disponibilidad generalizada, un suministro ilimitado y el costo cero hasta el punto de recolección. La utilización de la energía solar no causa contaminación del aire, el calor o el agua. El sol es intenso y está ampliamente disponible en muchas partes del mundo. Si fuera posible recolectar energía solar con una eficiencia de recolección del 10%, aproximadamente una décima parte del área de Arizona sería suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de Estados Unidos, y con una eficiencia de recolección del 30%, solo bastaría aproximadamente una trigésima parte del área de ese estado generalmente soleado. Pero, ten en cuenta que tal área sigue siendo enorme y las implicaciones de cubrirla con colectores solares serían profundas.
Hay varias formas en las que se puede utilizar la energía solar. El más simple de estos es para calefacción, y las casas calentadas por energía solar y los calentadores solares de agua se han desarrollado y utilizado con éxito. A un nivel algo más sofisticado, se han desarrollado calderas solares que se ubican en torres y reciben luz solar concentrada de una matriz de espejos parabólicos, generando así vapor para producir electricidad (ver Figura 15.5). Hace algunos años incluso se hizo una seria propuesta para utilizar colectores solares en órbita terrestre y convertir la energía en un haz de radiación de microondas enfocado en un receptor en la superficie de la Tierra. Visiones de esta viga que se desvía de su punto de puntería o aves desventuradas o incluso aviones que se descarrian hacia ella y que es cocinada instantáneamente por un horno de microondas extraterrestre han impedido que este plan llegue a buen término. La generación fotosintética de biomasa es otra forma de utilizar la energía solar como se discutió en una sección posterior de este capítulo.
Aparte de los edificios de baja calidad y el calentamiento de agua, la forma más prometedora de utilizar la energía solar es mediante su conversión directa a electricidad en células fotovoltaicas (ver Figura 15.14). Originalmente solo una curiosidad de laboratorio, estos dispositivos se convirtieron en fuentes prácticas de electricidad para satélites y vehículos espaciales donde su alto costo era de poca preocupación. Pero a lo largo de los años se han vuelto más eficientes y más baratos, y ahora es común ver matrices de estas células utilizadas para alimentar procesadores de datos y dispositivos de señalización en ubicaciones remotas. Y algunas casas incluso tienen bancos de células fotovoltaicas.
Las células fotovoltaicas dependen de las propiedades electrónicas especiales de los átomos de silicio que contienen bajos niveles de otros elementos. La celda consta de dos capas de silicio, una capa donadora que está dopada con aproximadamente 1 parte por millón de átomos de arsénico y una capa aceptora dopada con aproximadamente 1 parte por millón de boro. Examen de los símbolos de Lewis de estos tres elementos,
muestra que la sustitución de un átomo de arsénico con sus 5 electrones de valencia por un átomo de silicio con sus 4 electrones de valencia en la capa donadora da un sitio con un exceso de 1 electrón mientras que la sustitución de un átomo de boro con solo 3 electrones por un átomo de silicio en la capa aceptora da un “agujero” de sitio que es deficiente en un electrón. La superficie de una capa donadora en contacto con una capa aceptora contiene electrones que son atraídos hacia la capa aceptora. Cuando la luz brilla en esta área, la energía de los fotones de luz puede empujar estos electrones de nuevo a la capa donante, desde la cual pueden pasar a través de un circuito externo de regreso a la capa aceptora. Este flujo de electrones constituye una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía.
Las células fotovoltaicas actuales son alrededor del 12-15% eficientes en la conversión de la energía solar radiante en electricidad a un costo significativamente mayor que el de la electricidad generada en las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Sin embargo, continuamente se están haciendo avances en la tecnología de células solares y se puede anticipar que las eficiencias seguirán aumentando a medida que disminuyan los costos. La principal desventaja obvia de la energía solar es que no funciona en la oscuridad, y las condiciones atmosféricas variables afectan su producción. La flexibilidad en las redes eléctricas permite tales fuentes intermitentes para hasta un 15% de la energía sin usar dispositivos especiales para el almacenamiento de energía. Además, existen medios para almacenar energía, como por ejemplo por agua supercrítica de alta temperatura/alta presión almacenada bajo tierra profunda o energía mecánica almacenada en la rotación extremadamente rápida de los volantes.
Una opción de almacenamiento de energía muy atractiva para la energía solar dado el creciente uso de celdas de combustible es el gas hidrógeno. Electrólisis de agua que contiene una solución de electrolito (comúnmente KOH)
\[\ce{2H2O + electrical energy \rightarrow 2H2 (g) + O2 (g)}\]
con electricidad generada por energía solar proporciona hidrógeno elemental y oxígeno, que son exactamente los combustibles utilizados por las celdas de combustible. Los electrolitos disponibles comercialmente son 55-75% eficientes en la conversión de electricidad en hidrógeno y oxígeno. La eficiencia general de este proceso puede incrementarse significativamente mediante el desarrollo de medios directos para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía de los fotones de luz.