Los cinco grandes desafíos de la energía térmica para enfrentar la crisis climática
“Existe una desconexión significativa
entre la investigación actual en ciencias térmicas y lo que se necesita para
una descarbonización profunda”, señalan tres especialistas que llaman a mejorar
nuestra capacidad para transportar, almacenar y utilizar de manera eficiente la
energía térmica.
Por Roberto Andrés para Sustentartv
El 90 % del uso de energía del
mundo implica la generación o manipulación de calor, por lo que un papel
indispensable para evitar un aumento superior a los 2° C en la temperatura
promedio global será el de mejorar nuestra capacidad para transportar, almacenar
y utilizar de manera eficiente la energía térmica.
Sin embargo, según los ingenieros
Asegun Henry, Ravi Prasher y Arun Majumdar, “aunque existe esta necesidad
crítica, también existe una desconexión significativa entre la investigación
actual en ciencias térmicas y lo que se necesita para una descarbonización
profunda”. Por esta razón proponen “cinco grandes desafíos de la ciencia
térmica y la ingeniería que creemos que podrían tener un impacto significativo
en las emisiones globales de gases de efecto invernadero”.
Asegun Henry, del Departamento
de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Ravi
Prasher, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de
California, y Arun Majumdar, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Universidad de Stanford, dieron a conocer sus opiniones a través de un artículo
titulado Five thermal energy grand challenges for decarbonization y publicado
el pasado 10 de agosto en Nature Energy.
Sistemas de almacenamiento
térmico
A medida que ha aumentado la
penetración de la electricidad solar y eólica, su intermitencia ha acelerado la
necesidad de almacenamiento de bajo costo. Sin embargo, las tecnologías
actuales, como la hidroelectricidad de bombeo, están geográficamente limitadas
y las baterías de iones de litio son demasiado caras. Resolver este problema
permitiría la descarbonización completa de la red reduciendo las emisiones en
un 25 %.
El desafío es la gran
penalización de eficiencia asociada con la segunda ley de la termodinámica al
convertir el calor en electricidad. Sin embargo, la ventaja es su potencial de
bajo costo en la escala de gigavatios. El sistema de almacenamiento térmico
puede hacer uso de materiales abundantes y de bajo costo impuros o reciclados.
Descarbonización de procesos industriales
Las emisiones en el sector
industrial comprenden más del 15 %, la mayoría asociadas con el suministro de
calor a temperaturas de 100 a 1000° C. Cada industria plantea sus propios
desafíos, pero las más importantes son las de cemento, acero, aluminio e
hidrógeno, responsables del 10 %, 4 %, 1 % y 1 % de las emisiones,
respectivamente.
Con el costo rápidamente
decreciente de la electricidad renovable e hidrógeno molecular (H2)
potencialmente libre de gases, ahora es factible descarbonizar el sector
industrial utilizando calentadores resistivos o quemadores de H2. Los procesos se
pueden rediseñar para que utilicen energía renovable intermitente de bajo costo,
mientras el calor se relocaliza solo donde sea necesario y se desarrollan
nuevos procesos para la compensación termodinámica. Sin embargo, aún quedan
importantes desafíos científicos y de ingeniería.
Sistemas de refrigeración y bombeo de calor
El potencial de calentamiento
global de los hidrofluorocarbonos (HFC), utilizados como refrigerantes, es más
de 2000 veces mayor que el del CO2. Con la creciente demanda de aire
acondicionado y electrificación de la calefacción mediante bombas de calor, se
espera que la inevitable fuga de HFC podría convertirse en una fracción notable
(10-40 %) del calentamiento global para 2050.
Por lo tanto, se necesitan
sistemas de enfriamiento asequibles y escalables de alta eficiencia energética
que utilicen refrigerantes que no sean tóxicos ni inflamables y que tengan un
potencial de calentamiento no peor que el CO2. Sin embargo, actualmente no
existen soluciones viables que cumplan con todos estos requisitos.
Transmisión de calor a larga distancia
La calefacción de agua y
espacio en edificios residenciales y comerciales se entregan por debajo de los 60°
C. Comprenden un 8 % del consumo de energía primaria en Estados Unidos y son
responsables de más del 6 % de las emisiones de este país. Esto podría ser
proporcionado por el calor residual de las centrales eléctricas, pero no
podemos transportar grandes cantidades de calor a grandes distancias.
Es un problema de densidad de
potencia, ya que el objetivo es transportar calor a gran escala de megavatios
utilizando equipos y materiales mínimos, de modo que sea rentable como una
línea de energía eléctrica. No existe un límite superior fundamental en la
conductividad térmica y el descubrimiento de un superconductor térmico
permitiría la transmisión a larga distancia.
Envolventes de construcción de conductancia variable
En el entorno construido, los
requisitos de temperatura, humedad y calidad del aire interior son bien
conocidos y no cambian durante el día, pero las temperaturas y condiciones
exteriores pueden variar significativamente. Sin embargo, a veces puede ser
prudente aprovechar el entorno externo para el entorno construido.
Activar de forma inteligente
la modificación de la conductancia térmica de las envolventes de edificios
utilizando dispositivos térmicos no lineales permitiría que las paredes fueran
aislantes en un día caluroso, pero si la temperatura desciende por la noche las
paredes podrían cambiar a ser conductoras para permitir que el calor escape
permitiendo el enfriamiento.
Un estudio reciente mostró que
la envolvente de un edificio puede generar ahorros de energía del 7 % al 42 %
en diferentes ciudades de Estados Unidos, lo que tendría un gran impacto en la
reducción de las emisiones.
Según Henry, Prasher y Majumdar “parece inconcebible que podamos lograr una descarbonización profunda sin avances tecnológicos en ciencia e ingeniería térmica. Sin embargo, la ciencia y la ingeniería térmicas no han recibido tanta atención por parte de la comunidad investigadora y las organizaciones de financiación. Aquí, hemos resaltado cinco desafíos únicos en este ámbito que, si se abordan adecuadamente, pueden potencialmente producir reducciones a escala de gigatoneladas en las emisiones de gases de efecto invernadero. Dado que la energía y el clima son uno de los desafíos definitorios del siglo XXI, esperamos que esto sirva como un llamamiento intelectual y un llamado a la acción para la comunidad de investigación y desarrollo en general”.
