El proyecto cuenta con un presupuesto de US$2.4 millones para tres años, adjudicado por la Comisión Suiza para la Tecnología y la Innovación a científicos de IBM Research (NYSE: IBM); Airlight Energy, un proveedor de tecnología para el aprovechamiento de la energía solar; la Escuela Politécnica de Zurich (ETH Zurich), con su Cátedra de Carreras de Energía Renovable y la Interstate University of Applied Sciences Buchs NTB (Instituto de Microelectrónica y Nanotecnología, MNT) a fin de investigar y desarrollar un sistema térmico foto-voltaico de alta concentración y de bajo costo (High Concentration PhotoVoltaic Thermal, HCPVT).
Según un estudio realizado por la Asociación Europea de Energía Solar Termoeléctrica y Greenpeace International, técnicamente, con tan sólo el 2% de la energía solar del Desierto de Sahara se podría satisfacer la necesidad de electricidad del mundo*. Desafortunadamente, las tecnologías solares disponibles en el mercado en la actualidad son demasiado costosas y lentas para producir, requieren minerales de la Tierra que son un tanto escasos, y carecen de la eficiencia para que semejantes instalaciones masivas resulten prácticas.
El sistema HCPVT prototipo utiliza un gran disco parabólico, tapizado de una gran cantidad de facetas de espejos y conectado a un sistema de seguimiento solar. El sistema de seguimiento posiciona el disco en el mejor ángulo para captar los rayos solares, que se reflejan los espejos hacia varios receptores con refrigeración por fluido en micro-canales, con células foto-voltaicas de triple unión: cada célula de 1×1 cm puede convertir 200-250 vatios, en promedio, durante un día típico de ocho horas en una región soleada.
El receptor entero combina cientos de células y proporciona 25 kilowatts de potencia eléctrica. Las células foto-voltaicas se montan sobre capas micro-estructuradas que permiten la circulación de refrigerantes líquidos dentro de unas pocas decenas de micrómetros fuera de la célula para absorber el calor y alejarlo con 10 veces más eficacia que en la refrigeración pasiva por aire.
El refrigerante mantiene las células casi a la misma temperatura para una concentración solar equivalente a 2000 veces la radiación solar, y puede mantenerlas a temperaturas seguras hasta una concentración solar de 5000 veces.
La solución de enfriado directo con muy baja potencia de bombeo, se inspira en el sistema de circulación sanguínea con ramificación jerárquica del cuerpo humano y ya ha sido probado por científicos IBM en computadoras de alto rendimiento, entre ellas, Aquasar. Una demostración inicial del receptor multi-célula se desarrolló en una colaboración previa entre IBM y el Centro de Investigación en Nanotecnología de Egipto.
“Planeamos utilizar células foto-voltaicas de triple unión en un módulo enfriado por micro-canales que puede convertir directamente en energía eléctrica más de 30% de la radiación solar colectada y permitir la recuperación eficiente de un 50% adicional de calor residual,” comentó Bruno Michel, gerente de empaque térmico avanzado en IBM Research.“Creemos que podemos lograrlo con un diseño muy práctico hecho de concreto liviano de alta resistencia, que se utiliza para la construcción de puentes, y lentes primarias compuestas por espejos neumáticos de bajo costo: se trata de innovación frugal, pero sobre la base de décadas de experiencia en micro-tecnología.”
“El diseño del sistema es elegantemente simple,” señaló Andrea Pedretti, ejecutiva de tecnología en Airlight Energy. “Sustituimos el acero y cristal de alto costo por concreto de bajo costo y simples láminas metalizadas presurizadas. Los pequeños componentes de alta tecnología, en particular los refrigerantes de micro-canal y los moldes, pueden fabricarse en Suiza; y las etapas subsiguientes de construcción y montaje pueden completarse en la región donde se realice la instalación. De este modo, se llega a una situación beneficiosa para todos, en la que el sistema tiene un costo competitivo y se generan empleos en ambas regiones.”
Las lentes concentradoras solares serán desarrolladas por ETH Zurich. “Se aplicarán técnicas numéricas avanzadas de seguimiento de rayos para optimizar el diseño de la configuración óptica y alcanzar flujos solares uniformes que superen 2000 soles en la superficie de la célula fotovoltaica,” explicó Aldo Steinfeld, Profesor de ETH Zurich.
Con un diseño que permite una concentración tan alta a un costo radicalmente más bajo, los científicos que trabajan en el diseño creen que pueden lograr un costo por superficie de apertura inferior a US$250 por metro cuadrado, que es tres veces menor que el de sistemas comparables. El costo nivelado de energía será menos de 10 centavos por kilowatt hora (KWh). En comparación, las tarifas de alimentación de energía eléctrica en Alemania actualmente siguen superando los 25 centavos por KWh y el costo de producción en centrales de energía a carbón ronda los 5 a 10 centavos por KWh.
Desalinización del agua y aire fresco
Los actuales sistemas foto-voltaicos de concentración sólo colectan energía eléctrica y disipan la energía térmica a la atmósfera. Con el enfoque de empaque HCPVT, los científicos pueden eliminar los problemas de sobre-calentamiento de las células solares y al mismo tiempo dar un nuevo uso a la energía para la desalinización del agua y el enfriamiento por adsorción.
Para captar el calor de grado medio, los científicos e ingenieros de IBM están utilizando una tecnología avanzada que desarrollaron para computadoras de alto rendimiento enfriadas por agua, que incluyen Aquasar y SuperMUC. En el caso de estas dos computadoras, el agua se emplea para absorber el calor de los chips de procesador; ese calor luego se aprovecha para dar calefacción a las instalaciones.
“La microtecnología, tal como se la conoce en la fabricación de chips de computación, es crucial para permitir la transferencia térmica eficiente de la célula fotovoltaica al líquido de refrigeración,” señaló Andre Bernard, responsable del Instituto MNT de NTB Buchs. “Y utilizando formas innovadoras para la fabricación de estos dispositivos intercambiadores de calor, apuntamos a una producción eficiente en costos.”
En el sistema HCPVT, en lugar de calentar un edificio, el agua de 90° C se utilizará para calentar agua salada que luego pasa por un sistema de destilación de membranas porosas donde se vaporiza y desaliniza. Ese sistema puede proporcionar 30 a 40 litros de agua potable por metro cuadrado de superficie receptora por día, y seguir generando electricidad con un rendimiento de más de 25% o dos kilowatts horas por día, que es un poco menos de la mitad de la cantidad de agua que una persona promedio necesita a diario, según las Naciones Unidas**, pero una instalación grande podría proporcionar suficiente agua para una ciudad.
Es importante destacar que el sistema HCPVT también puede proporcionar aire acondicionado mediante un enfriador de adsorción de impulsión térmica. Un enfriador de adsorción es un dispositivo que convierte el calor en refrigeración a través de un ciclo térmico aplicado a un absorbente hecho de gel de sílice, por ejemplo. Los enfriadores de adsorción, con agua como fluido de operación, pueden reemplazar a los enfriadores por compresión, que sobrecargan las redes eléctricas en climas calientes y contienen fluidos de operación que dañan la capa de ozono.
Los científicos prevén que el sistema HCPVT proporcionará energía sustentable y agua potable a varias regiones del mundo, como el sur de Europa, África, la península arábiga, el sudoeste de los EEUU, Sudamérica y Australia. Los destinos turísticos remotos también son un mercado interesante, particularmente, los complejos ubicados en pequeñas islas, como Maldivas, Seychelles y Mauricio, ya que los sistemas convencionales requieren unidades separadas, con la consiguiente pérdida de eficiencia y un mayor costo asociado.
Un prototipo del sistema HCPVT actualmente está en fase de prueba en IBM Research – Zurich. Se construirán prototipos adicionales en Biasca y Rueschlikon (Suiza), en el marco de esta colaboración.
Ilustración: El Sol (fotografía de la NASA, con licencia de Wikimedia Commons).
