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LOS CINCO GRANDES DESAFÍOS DE LA ENERGÍA TÉRMICA PARA ENFRENTAR LA CRISIS CLIMÁTICA

29 de Agosto del 2020 | 2 min lectura| escritores
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“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”.

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