Estudio describe cinco grandes desafíos de la energía térmica para descarbonizar la economía mundial

Casi todo el uso de energía en el mundo implica calor, desde la fabricación de acero hasta la refrigeración de alimentos. La descarbonización profunda sin avances en la ciencia e ingeniería térmicas parece inconcebible. Tres líderes en el área destacan cinco temas importantes para explorar.

POR MARK GOLDEN

La energía solar y eólica son una parte importante para resolver el problema del cambio climático, pero estas tecnologías renovables por sí solas probablemente nunca proporcionarán la energía para muchos procesos industriales, como la fabricación de acero.
Aproximadamente el 90 por ciento del uso de energía del mundo implica la generación o manipulación de calor, incluido el enfriamiento de edificios y alimentos. Mantener las economías modernas y mejorar la vida en las economías en desarrollo mientras mitigamos el cambio climático requerirá cinco avances importantes en la forma en que convertimos, almacenamos y transmitimos la energía térmica, según un nuevo artículo en Nature Energy de la Universidad de Stanford, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. .

"Las tecnologías renovables modernas son la fuente de electricidad más económica que tenemos hoy, pero la energía solar y eólica son intermitentes y representan un pequeño porcentaje de la energía del mundo", dijo Arun Majumdar, uno de los tres coautores y profesor de mecánica de Stanford. Ingenieria. "Necesitamos aumentar este porcentaje, pero también debemos descarbonizar el calor y usar el calor para almacenar electricidad de la energía solar y eólica".

El análisis subraya la urgente necesidad de investigar y desarrollar avances tecnológicos térmicos que potencialmente podrían reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en al menos una gigatonelada, que es aproximadamente el 3 por ciento de las emisiones anuales de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía a nivel mundial.

"Nosotros, como especie, nos estamos poniendo en peligro con la infraestructura que hemos construido para mejorar nuestra calidad de vida", dijo el coautor Asegun Henry, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Hay algunos casos en la historia en los que científicos e ingenieros se han unido y logrado algo muy notable en períodos de tiempo muy cortos. Este debe ser uno de esos momentos ".

Calor como almacenamiento de energía

Un desafío importante en la ingeniería térmica es almacenar el exceso de energía eólica y solar como energía térmica durante varios días y luego convertirlo nuevamente en electricidad cuando sea necesario. La descarbonización completa de la electricidad reduciría las emisiones globales de GEI creadas por el hombre en aproximadamente una cuarta parte. Obtener el 70 por ciento o más de nuestra electricidad de fuentes renovables intermitentes requerirá adiciones masivas de almacenamiento de electricidad. La expansión de la tecnología actual más común, el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, está limitada por la geografía, y las baterías de iones de litio son demasiado caras para almacenar el exceso de energía renovable durante varios días.

“La ventaja clave del almacenamiento de energía térmica es su potencial de bajo costo a gran escala”, dijo el coautor Ravi Prasher, director de laboratorio asociado de tecnologías energéticas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

"Si bien es relativamente fácil convertir la electricidad en calor", explicó Prasher, "el desafío clave para el almacenamiento de energía térmica es la gran penalización de la eficiencia al convertir el calor en electricidad".

Varias tecnologías de almacenamiento de energía térmica a gran escala aún se encuentran en desarrollo temprano, por lo que se deben continuar explorando tecnologías competidoras que utilizan otros materiales y mecanismos de almacenamiento térmico, concluyen los investigadores.

"Aunque la eficiencia del viaje de ida y vuelta puede ser solo del 50 al 60 por ciento, el costo podría estar dentro del rango necesario de menos de $ 10 por kilovatio-hora", dijo Majumdar, quien también es codirector del Instituto Precourt de Energía de Stanford. .

Industria y refrigeración

Otro gran desafío es generar el calor extremo necesario en los procesos industriales, como la fabricación de cemento, acero, aluminio e hidrógeno. Las emisiones de GEI en el sector industrial comprenden más del 15 por ciento de las emisiones globales, la mayoría de las cuales están asociadas con el suministro de calor a temperaturas de 100 a 1000 grados Celsius (212 a 1832 grados Fahrenheit).

Con el costo rápidamente decreciente de la electricidad renovable y el hidrógeno potencialmente libre de GEI, el sector industrial podría descarbonizarse utilizando calentadores resistivos o cámaras de combustión de hidrógeno, según el análisis. Sin embargo, aún quedan importantes desafíos científicos y de ingeniería. Para la electricidad renovable intermitente, es necesario desarrollar hornos económicos de almacenamiento a alta temperatura o de bajo factor de capacidad.

Un tercer gran desafío está en el lado opuesto del espectro térmico del calor: la refrigeración. El objetivo es inventar refrigerantes tanto para alimentos como para aire acondicionado sin la fuga actual de hidrofluorocarbonos, un conjunto de gases de efecto invernadero extremadamente potentes. Los nuevos refrigerantes exitosos deben ser no inflamables, no tóxicos y asequibles, así como también ser soluciones integrables para los sistemas actuales, dijo Majumdar.

"Con el aumento de la refrigeración y el enfriamiento en las economías emergentes, este es un gran desafío", dijo Henry.

En muchas economías en desarrollo, la creciente demanda de aire acondicionado se trata de reducir la humedad tanto como la temperatura, por lo que los nuevos refrigerantes también tendrán que lograr esto, dijo Prasher. Alternativamente, se podrían desarrollar nuevas tecnologías para desacoplar la deshumidificación del enfriamiento.

Edificios y transporte de calor

El calentamiento del agua y el espacio en edificios residenciales y comerciales son responsables de más del 6 por ciento de las emisiones de GEI de EE. UU. Se necesitan nuevos materiales de construcción que puedan conducir el calor y bloquearlo, a pedido, para reducir la energía de calefacción y refrigeración. La capacidad de controlar la conductancia térmica en la carcasa de un edificio podría ahorrar entre el 10 y el 40 por ciento de las emisiones de GEI, por lo que esto representa otro desafío digno de abordar, dicen los investigadores.

Por último, un desafío particularmente grande es desarrollar la capacidad de transmitir calor a largas distancias con poca pérdida de energía. Esto se logra hoy con vapor, pero eso no está a la escala o distancia necesaria. El objetivo aquí es desarrollar el calor equivalente de una línea de energía eléctrica, un método eficaz para transportar calor a gran escala de megavatios utilizando equipos y materiales mínimos. El descubrimiento de un superconductor térmico podría permitir esto, pero la practicidad de implementar uno a gran escala no está clara. Otra posible vía de investigación, según los investigadores, es descubrir nuevos fluidos bombeables con reacciones químicas reversibles para transmitir energía en forma química, en lugar de térmica.

"La descarbonización profunda sin avances en la ciencia e ingeniería térmicas parece inconcebible, pero la atención de los investigadores y donantes no ha reflejado eso", dijo Majumdar. "Esperamos que este análisis sea un llamado a la acción para la comunidad de I + D en general".

Arun Majumdar también es profesor de ciencia de fotones en SLAC National Accelerator Laboratory.

Para leer todas las historias sobre la ciencia de Stanford, suscríbase al Stanford Science Digest quincenal.

Fuente: https://news.stanford.edu/