La carrera por desarrollar tecnologías de energía renovable



A principios del siglo XX, cuando las redes eléctricas comenzaron a transformar la vida cotidiana, un defensor poco probable de la energía renovable expresó su preocupación por la quema de combustibles fósiles. Thomas Edison expresó consternación por el uso de la combustión en lugar de los recursos renovables en una entrevista de 1910 para la antología de Elbert Hubbard, "Pequeños viajes a las casas de los grandes".

"Este ardiente esquema de energía me enferma pensar: es un desperdicio", dijo Edison. "Verá, tenemos que usar fuerzas naturales y obtener todo nuestro poder. El sol es una forma de energía, y los vientos y las mareas son manifestaciones de energía. ¿Los usamos? ¡Oh no! Quemamos madera y carbón porque los inquilinos queman la cerca delantera como combustible. "

Más de un siglo después, alrededor del 80% del consumo mundial de energía aún proviene de la quema de combustibles fósiles. A medida que el impacto del cambio climático en el medio ambiente se vuelve cada vez más dramático, existe una sensación de urgencia creciente para que los investigadores e ingenieros desarrollen soluciones de energía renovable. escalable.

"Incluso hace 100 años, Edison entendió que no podíamos reemplazar la combustión con una sola alternativa", agrega Reshma Rao PhD & # 39; 19, un becario postdoctoral del Laboratorio de Energía Electroquímica del MIT que incluyó la cita de & Edison en su tesis doctoral. "Tenemos que buscar diferentes soluciones que puedan variar con el tiempo y geográficamente dependiendo de la disponibilidad de recursos".

Rao es uno de los muchos investigadores en el departamento de ingeniería mecánica del MIT que han entrado en la carrera para desarrollar tecnologías para convertir y almacenar energía de fuentes renovables como el viento, las olas, solar y termal.

Aprovechando la energía de las olas

Cuando se trata de energía renovable, las olas tienen otros recursos maltratados de dos maneras. En primer lugar, a diferencia de la energía solar, las ondas proporcionan una fuente constante de energía a cualquier hora del día. En segundo lugar, las olas proporcionan una densidad de energía mucho mayor que el viento debido a la mayor masa de agua.

A pesar de estas ventajas, la cosecha de energía de las olas aún está en pañales. A diferencia del viento y la energía solar, no hay consenso en el campo de la hidrodinámica de las olas sobre cómo capturar y convertir eficientemente la energía de las olas. Dick K.P. Yue, profesor de ingeniería Philip J. Solondz, espera cambiar eso.

"Mi grupo ha estado buscando nuevos paradigmas", dice Yue. "En lugar de jugar con pequeñas mejoras, queremos desarrollar una nueva forma de pensar sobre el problema de la energía de las olas".

Un aspecto de este paradigma es determinar la geometría óptima de los convertidores de potencia de onda (WEC). La estudiante graduada Emma Edwards ha desarrollado una metodología sistemática para determinar el tipo de forma que deberían tener los WEC.

"Si podemos optimizar la forma de los WEC para maximizar la energía extraíble, la energía de las olas podría estar muy cerca de convertirse en una fuente de energía renovable económicamente viable", dice Edwards.

Otro aspecto del paradigma de la onda de energía en el que Yue está trabajando es encontrar la configuración óptima para los WEC en el agua. Grgur Tokić PhD & # 39; 16, un ex alumno del MIT y actual becario postdoctoral que trabaja en el grupo Yue, está creando un archivo para configuraciones WEC óptimas en grandes bahías, en lugar de como dispositivos independientes.

Antes de ser colocados en el agua, los WEC se adaptan a su entorno particular. Este acuerdo involucra consideraciones tales como la frecuencia de onda pronosticada y la dirección del viento predominante. Según Tokić y Yue, si los WEC se configuran en una matriz, este ajuste podría ocurrir en tiempo real, maximizando el potencial de recuperación de energía.

En una red, los WEC "centinela" podrían recopilar mediciones en el aire, como la amplitud, la frecuencia y la dirección. Utilizando la reconstrucción y el pronóstico de las olas, estos WEC podrían comunicar de forma inalámbrica la información de la condición a los otros WEC en la matriz, lo que les permite sintonizar minuto a minuto en respuesta a las condiciones. olas actuales

"Si un conjunto de WEC puede sintonizarse lo suficientemente rápido como para configurarse de manera óptima para su entorno actual, ahora estamos hablando de negocios serios", dice Yue. "El cambio a arreglos de discos abre el camino a avances significativos y permite obtener dispositivos no interactivos aislados varias veces".

Al examinar el tamaño y la configuración óptimos de los WEC utilizando métodos teóricos y computacionales, el grupo de Yue espera desarrollar marcos que cambien el juego para aprovechar el poder de las olas.

Acelerar el descubrimiento de la energía fotovoltaica.

La cantidad de energía solar que llega a la superficie de la Tierra ofrece una perspectiva atractiva en la búsqueda de energía renovable. Cada hora, el sol entrega alrededor de 430 quintillones de julios de energía a la Tierra. Este es el equivalente a un año de consumo global de energía por parte de los humanos.

Tonio Buonassisi, profesor de ingeniería mecánica, ha dedicado toda su carrera al desarrollo de tecnologías que aprovechan esta energía y la convierten en electricidad utilizable. Pero el tiempo, dice, es esencial. "Cuando se considera a qué nos enfrentamos en términos de cambio climático, se hace cada vez más claro que nos estamos quedando sin tiempo", dijo.

Para que la energía solar tenga un impacto significativo, según Buonassisi, los investigadores deben desarrollar materiales de células solares que sean eficientes, escalables, rentables y confiables. Estas cuatro variables representan un desafío para los ingenieros: en lugar de desarrollar un material que satisfaga solo uno de estos factores, deben crear uno que marque las cuatro casillas y que pueda llevarse al mercado lo más rápido posible. "Si se necesitan 75 años para obtener una célula solar que haga todas estas cosas en el mercado, eso no nos ayudará a resolver este problema. Tenemos que llevarlo al mercado en los próximos cinco años", agrega Buonassisi.

Para acelerar el descubrimiento y las pruebas de nuevos materiales, el equipo de Buonassisi ha desarrollado un proceso que utiliza una combinación de aprendizaje automático y experimentación de alto rendimiento, un tipo de experimentación que permite filtrar una gran cantidad de materiales al mismo tiempo. El resultado es un aumento de 10 veces en la velocidad de descubrimiento y análisis de nuevos materiales de células solares.

"El aprendizaje automático es nuestra herramienta de navegación", dice Buonassisi. "Puede haber un cuello de botella en el ciclo de aprendizaje para que podamos revisar los candidatos materiales y encontrar uno que satisfaga las cuatro variables".

Shijing Sun, un investigador del grupo Buonassisi, utilizó una combinación de aprendizaje automático y experimentos de alto rendimiento para evaluar y probar rápidamente las células solares de perovskita.

"Estamos utilizando el aprendizaje automático para acelerar el descubrimiento de materiales y hemos desarrollado un algoritmo que nos dirige al siguiente punto de muestreo y guía nuestra próxima experiencia", dice Sun. Anteriormente, tomaba de tres a cinco horas clasificar un conjunto de materiales de células solares. El algoritmo de aprendizaje automático puede clasificar los materiales en solo cinco minutos.

Usando este método, Sun y Buonassisi produjeron 96 composiciones probadas. Entre estos, dos materiales de perovskita son prometedores y se probarán más a fondo.

Utilizando el aprendizaje automático como herramienta de diseño inverso, el equipo de investigación espera evaluar miles de compuestos que podrían conducir al desarrollo de un material para la adopción a gran escala de la conversión. de energía solar. "Si, en los próximos cinco años, podemos desarrollar este material utilizando el conjunto de herramientas de productividad que hemos desarrollado, puede ayudarnos a asegurar el mejor futuro posible" , agrega Buonassisi.

Nuevos materiales para atrapar el calor.

Mientras que el equipo de Buonassisi se enfoca en desarrollar soluciones que conviertan directamente la energía solar en electricidad, investigadores como Gang Chen y Carl Richard Soderberg, profesor de ingeniería energética, están trabajando en tecnologías que conviertan luz solar en calor La energía térmica del calor se utiliza para suministrar electricidad.

"Durante 20 años, he estado trabajando en materiales que convierten el calor en electricidad", dice Chen. Aunque gran parte de esta investigación material es a escala nanométrica, Chen y su equipo en el Grupo de Nanoingeniería no son ajenos a los sistemas experimentales a gran escala. Anteriormente construyeron un sistema de recepción a gran escala que utilizaba energía solar térmica concentrada (CSP).

En el CSP, la luz solar se usa para calentar un fluido térmico, como aceite o sal fundida. Este fluido se usa para generar electricidad haciendo funcionar un motor, como una turbina de vapor, o se almacena para su uso posterior.

Durante un proyecto de cuatro años financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, el equipo de Chen construyó un receptor CSP en el Centro de Investigación e Ingeniería Bates del MIT en Middleton, Massachusetts. Desarrollaron el receptor solar de aerogel térmico, apodado STAR.

El sistema se basaba en espejos conocidos como reflectores Fresnel para dirigir la luz solar a tuberías que contenían fluido térmico. Típicamente, para que el fluido atrape efectivamente el calor generado por esta luz solar reflejada, debe encerrarse en un tubo de vacío costoso. Sin embargo, en STAR, el equipo de Chen usó un aerogel transparente que puede atrapar el calor a temperaturas increíblemente altas, eliminando así la necesidad de costosos recintos de vacío. Si bien permite que pase más del 95% de la luz solar entrante, el aerogel conserva sus propiedades aislantes, evitando que el calor se escape del receptor.

Además de ser más eficientes que los receptores de vacío tradicionales, los receptores de aerogel han habilitado nuevas configuraciones para los reflectores solares CSP. Los espejos reflectantes eran más planos y compactos que los receptores parabólicos convencionales, lo que ahorraba material.

"El costo lo es todo con las aplicaciones de energía, por lo que el hecho de que STAR fuera más barato que la mayoría de los receptores de energía térmica, además de ser más eficiente, fue importante", agrega Svetlana Boriskina, investigadora en activo. en el equipo de Chen.

Después de la conclusión del proyecto en 2018, Chen y Wang continuaron su colaboración para explorar aplicaciones solares térmicas para el material de aerogel utilizado en STAR. Recientemente usaron el aerogel en un dispositivo que contenía material absorbente de calor. Colocado en un techo del campus del MIT, el material absorbente de calor, que estaba cubierto con una capa de aerogel, alcanzó una temperatura sorprendentemente alta de 220 grados centígrados. La temperatura del aire exterior, en comparación, fue de 0 ° C. A diferencia de STAR, este nuevo sistema no requiere reflectores Fresnel para dirigir la luz solar hacia el material térmico.

"Nuestro último trabajo con el aerogel permite la concentración de la luz solar sin enfocar la óptica para aprovechar la energía térmica", dice Chen. "Si no utiliza la óptica de enfoque, puede desarrollar un sistema que sea más fácil de usar y más barato que los receptores tradicionales".

El sistema de aerogel podría desarrollarse aún más en un sistema que alimenta los sistemas de calefacción y refrigeración en los hogares.

Resolver problema de almacenamiento

Si bien los receptores CSP como STAR ofrecen cierta capacidad de almacenamiento de energía, existe una tendencia a desarrollar sistemas de almacenamiento de energía más robustos para tecnologías renovables. Almacenar energía para su uso posterior cuando los recursos no proporcionan un flujo constante de energía, por ejemplo, cuando el sol está nublado o cuando hay poca o ninguna eólica: será crucial para la adopción de energía renovable en la red. . Para resolver este problema, los investigadores están desarrollando nuevas tecnologías de almacenamiento.

Asegun Henry, profesor de desarrollo profesional de Robert N. Noyce, quien, al igual que Chen desarrolló tecnologías CSP, creó un nuevo sistema de almacenamiento que se ha denominado "el sol en una caja". Usando dos depósitos, el exceso de energía puede almacenarse en una fusión de silicio de fusión en caliente. Cuando se necesita este exceso de energía, las células fotovoltaicas montadas pueden activarse en su lugar para convertir la luz blanca de silicio en electricidad.

"Es una batería real que puede funcionar con cualquier tipo de conversión de energía", agrega Henry.

Mientras tanto, Betar Gallant, profesor de desarrollo profesional de ABS, está explorando formas de mejorar la densidad de energía de las baterías electroquímicas mediante el diseño de materiales de almacenamiento nuevos, más rentables y versátiles para almacenar energía producida de manera limpia. En lugar de desarrollar estos materiales utilizando metales extraídos por la minería que consume energía, su objetivo es construir baterías utilizando materiales más abundantes en la tierra.

"Idealmente, queremos crear una batería que pueda igualar el suministro irregular de energía solar o eólica que alcanza su punto máximo en diferentes momentos sin degradarse, como lo hacen las baterías actuales", dice Gallant.

Además de trabajar en baterías de iones de litio, como Gallant, Yang Shao-Horn, W.M., el profesor Keck de Energía y su compañero posdoctoral Reshma Rao están desarrollando tecnologías que pueden convertir directamente las energías renovables en combustibles.

"Si queremos almacenar energía en una escala más allá de las baterías de iones de litio, debemos utilizar abundantes recursos", dice Rao. En su tecnología electroquímica, Rao y Shao-Horn utilizan uno de los recursos más abundantes: el agua líquida.

Con la ayuda de un catalizador activo y electrodos, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno en una serie de reacciones químicas. El hidrógeno se convierte en un portador de energía y puede almacenarse para su uso posterior en una celda de combustible. Para convertir la energía almacenada en hidrógeno nuevamente en electricidad, las reacciones se invierten. El único subproducto de esta reacción es el agua.

"Si podemos obtener y almacenar hidrógeno de manera sostenible, básicamente podemos electrificar nuestra economía utilizando energía renovable como el viento, las olas o la energía solar", dice Rao.

Rao ha desglosado todas las reacciones básicas que tienen lugar en este proceso. Además de centrarse en la interfaz electrodo-electrolito involucrada, está desarrollando catalizadores de nueva generación para impulsar estas reacciones.

"Este trabajo está al borde de la comprensión fundamental de los sitios activos que catalizan la división del agua para combustibles a base de hidrógeno de la energía solar y eólica para descarbonizar el transporte y la industria" , agrega Shao-Horn.

Asegurando un futuro sostenible

Aunque la transición de una red alimentada principalmente por combustibles fósiles a una red alimentada por energía renovable parece ser una tarea hercúlea, ha habido desarrollos prometedores en la última década. Un informe publicado antes de la Cumbre Mundial de Acción Climática de las Naciones Unidas en septiembre mostró que, con $ 2.6 trillones en inversión, la conversión de energía renovable se ha cuadruplicado desde 2010.

En una declaración después de la publicación del informe, Inger Andersen, directora ejecutiva del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, destacó la correlación entre invertir en energía renovable y asegurar un futuro sostenible para la humanidad. "Está claro que debemos acelerar rápidamente el ritmo del cambio global hacia las energías renovables si queremos cumplir con los objetivos internacionales de clima y desarrollo", dijo Andersen.

Ninguna tecnología de conversión o almacenamiento será responsable de cambiar de combustibles fósiles a energías renovables. Esto requerirá un tapiz de soluciones complementarias de investigadores aquí en el MIT y en todo el mundo.

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