Más cerca de poder usar energía solar para altos hornos

17 mayo 2024

En vez de quemar combustibles fósiles para fundir acero y producir cemento, investigadores de ETH Zurich persiguen usar el calor del sol como energía limpia para industrias con uso intensivo de carbono.

El estudio de prueba de concepto, publicado en la revista Device, utiliza cuarzo sintético para atrapar la energía solar a temperaturas superiores a 1.000 °C.

“Para abordar el cambio climático, necesitamos descarbonizar la energía en general”, dice en un comunicado el autor correspondiente Emiliano Casati de ETH Zurich, Suiza. “La gente tiende a pensar en la electricidad sólo como energía, pero en realidad, aproximadamente la mitad de la energía se utiliza en forma de calor”.

El vidrio, el acero, el cemento y la cerámica están en el corazón mismo de la civilización moderna y son esenciales para construir de todo, desde motores de automóviles hasta rascacielos. Sin embargo, la fabricación de estos materiales exige temperaturas superiores a los 1.000 °C y depende en gran medida de la quema de combustibles fósiles para obtener calor. Estas industrias representan alrededor del 25% del consumo mundial de energía. Los investigadores han explorado una alternativa de energía limpia utilizando receptores solares, que concentran y generan calor con miles de espejos que siguen el sol. Sin embargo, esta tecnología tiene dificultades para transferir energía solar de manera eficiente por encima de los 1.000°C.

Para aumentar la eficiencia de los receptores solares, Casati recurrió a materiales semitransparentes como el cuarzo, que pueden atrapar la luz solar, un fenómeno llamado efecto de trampa térmica.

El equipo diseñó un dispositivo de captura térmica uniendo una varilla de cuarzo sintético a un disco de silicio opaco como absorbente de energía. Cuando expusieron el dispositivo a un flujo de energía equivalente a la luz proveniente de 136 soles, la placa absorbente alcanzó los 1.050°C, mientras que el otro extremo de la varilla de cuarzo permaneció a 600°C.

“Investigaciones anteriores sólo han logrado demostrar el efecto de trampa térmica hasta 170°C”, dice Casati. “Nuestra investigación demostró que la captura solar térmica funciona no sólo a bajas temperaturas, sino también muy por encima de los 1.000°C. Esto es crucial para mostrar su potencial para aplicaciones industriales del mundo real”.

Utilizando un modelo de transferencia de calor, el equipo también simuló la eficiencia de captura térmica del cuarzo en diferentes condiciones. El modelo demostró que la captura térmica alcanza la temperatura objetivo en concentraciones más bajas con el mismo rendimiento, o con una eficiencia térmica más alta para la misma concentración. Por ejemplo, un receptor de última generación (sin blindaje) tiene una eficiencia del 40% a 1.200°C, con una concentración de 500 soles. El receptor blindado con 300 mm de cuarzo consigue un 70% de eficiencia a la misma temperatura y concentración. El receptor sin blindaje requiere al menos 1.000 soles de concentración para un rendimiento comparable.

Casati y sus colegas ahora están optimizando el efecto de captura térmica e investigando nuevas aplicaciones para el método. Hasta ahora, su investigación ha sido prometedora. Al explorar otros materiales, como diferentes fluidos y gases, pudieron alcanzar temperaturas aún más altas. El equipo también observó que la capacidad de estos materiales semitransparentes para absorber luz o radiación no se limita a la radiación solar.

“La cuestión energética es una piedra angular para la supervivencia de nuestra sociedad”, afirma Casati. “La energía solar está disponible y la tecnología ya está aquí. Para motivar realmente la adopción de la industria, necesitamos demostrar la viabilidad económica y las ventajas de esta tecnología a escala”.

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