El desarrollo de la vida moderna requiere como insumo básico los llamados vectores de energía, que son los combustibles y la electricidad; estos, pese a ser indispensables para el funcionamiento de autos, aviones, focos o computadoras, por ejemplo, en su actual forma de producción y uso, son altamente contaminantes, indica el doctor Claudio Alejandro Estrada Gasca, responsable técnico del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar (LACYQS).
LACYQS instalaciones, foto cortesía del doctor Claudio Estrada Gasca
Las fuentes primarias y dominantes generadoras de dichos vectores energéticos son el petróleo, el gas, el carbón, e incluso la leña. Sin embargo, existen otras fuentes productoras de esta energía moderna (electricidad y combustibles) que son limpias y renovables, como la energía solar, la energía del agua (hidroeléctrica), la energía del viento (eólica) o la bioenergía.
La actual civilización tiene el reto de transitar hacia la producción no contaminante de energía moderna, explica el doctor en ciencias de la ingeniería mecánica, egresado de la Universidad Estatal de Nuevo México en Estados Unidos y, desde hace 30 años, miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), actualmente nivel III, e investigador del Instituto de Energías Renovables de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Claudio Estrada Gasca.
Por qué transitar hacia la energía solar
Dr. Claudio Estrada Gasca."El problema del incremento en el precio de la gasolina en México se superpone al alza del petróleo a nivel mundial, por ello el costo de nuestros combustibles está sujeto al mercado internacional. No obstante, si produjéramos combustibles similares a la gasolina, como el hidrógeno, a partir de agua y con energía solar concentrada, no dependeríamos tanto de los hidrocarburos, sino de una fuente que está disponible todos los días, como es el sol. El empleo masivo de energéticos sostenibles beneficiaría la economía del país, dándole seguridad a los precios de los energéticos y garantizando su abasto".
Aun cuando México es una nación petrolera, es conveniente saber que mucho más que petróleo, tenemos sol en abundancia y calidad. Por lo tanto, su aprovechamiento permitiría crear energía moderna suficiente y, con ello, resolver muchos de los problemas que se tienen actualmente. Si bien los combustibles fósiles seguirán utilizándose por varias décadas más, probablemente hasta finales de este siglo, lo ideal es que su uso se vaya restringiendo y paralelamente se desarrollen e implanten nuevas tecnologías limpias de energía que generen electricidad y combustibles sostenibles, manifiesta el doctor Claudio Estrada, responsable también de la sede de la UNAM en Tucson, Arizona, Estados Unidos.
"Si no aprovechamos al máximo nuestros recursos energéticos renovables, estaremos limitando nuestro desarrollo futuro y será una irresponsabilidad de los centros de investigación mexicanos no contribuir al desarrollo de estas tecnologías limpias, y desde luego del gobierno federal, no apoyar estos esfuerzos que la comunidad científica está demandando".
Objetivo del LACYQS
Una de las problemáticas que tienen las fuentes renovables de energía es su baja densidad y su almacenamiento. Esto en contraste con los hidrocarburos y la energía nuclear que son de alta densidad y cuyo almacenamiento es intrínseco a la fuente. Por ello, una de las tecnologías de energías renovables más promisorias es la tecnología de concentración solar para producción de electricidad y combustibles solares.
Justo con la idea de contribuir al desarrollo de tecnología limpia para la producción de los vectores energéticos con energía solar concentrada es que surge LACYQS: el Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar. LACYQS es un laboratorio de infraestructura que se logró establecer como un proyecto estratégico de la UNAM, la Universidad de Sonora (Unison) y el apoyo financiero del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), gracias a la participación de un grupo importante de académicos y trabajadores de varias instituciones de México y el extranjero.
"Entre los objetivos iniciales del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar, además de establecer y consolidar una red de grupos de investigación dedicada a la concentración solar, generar conocimiento científico y tecnológico, así como formar recursos humanos en el tema, estaba el diseño, la construcción y la operación de tres instalaciones que nosotros denominamos mayores, a saber, un horno solar de alto flujo radiativo, campo de pruebas de heliostatos y una planta fotocatalítica para el tratamiento de aguas contaminadas", refirió el investigador.
Horno solar de alto flujo radiativo
El horno solar al que el doctor Claudio Estrada y su equipo denominaron HoSIER (Horno Solar del IER, en referencia al lugar donde está ubicado, en el Instituto de Energías Renovables de la UNAM), es un horno solar de alto flujo radiativo 30 kilowatts térmicos de capacidad energética, constituido por un heliostato de 81 metros cuadrados y por 409 espejos de primera superficie que conforman al concentrador. Tan solo el diseño óptico de este gran instrumento constituye un hito, algo muy novedoso, explicó el especialista.
Heliostato o helióstato es un conjunto de espejos montados sobre una estructura que les permite moverse sobre dos ejes normalmente en montura altazimutal (altura y azimut o acimut), esto permite que con los movimientos apropiados se mantenga en todo momento el reflejo de la radiación solar que incide sobre él, dirigido hacia una pequeña superficie. |
"Se trata de un sistema óptico desarrollado en conjunto con el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), es como un gran telescopio que recibe la luz del sol en un conjunto de espejos planos montados sobre una estructura de seguimiento al sol llamado heliostato, de 81 metros cuadrados, y la redirige a un concentrador formado por 409 espejos hexagonales esféricos que reflejan dicha luz y la concentran en la zona focal del sistema óptico. Es decir que a través de este horno, el heliostato sigue al sol como un girasol y la radiación reflejada al concentrador da como resultado concentraciones del orden de los 18 mil soles. Es increíble que toda esa energía proveniente de la estrella más cercana a la Tierra se capture en un área de 36 metros cuadrados (apertura del concentrador) y se concentre en el espacio aproximado de una esfera de 10 centímetros de diámetro (zona focal)".
Lo anterior hace de este horno un instrumento realmente notable y único en el mundo, por ser el que mayores niveles de concentración solar ha logrado. Pues si bien hay otros similares, el más grande está en Francia (Odeillo) y aun cuando su potencia térmica es de un megawatt, sus concentraciones reportadas son de aproximadamente cuatro mil soles nada más. De ahí que este instrumento mexicano, hecho por mexicanos, brinde capacidades de experimentación únicas en el mundo, comenta orgulloso el doctor Claudio Estrada.
Ahora, el HoSIER ha dado pie a la creación del laboratorio de termoquímica de alta temperatura donde hasta el momento ya se han desarrollado y probado varios reactores químicos para síntesis de nuevos materiales y producción de combustibles solares gaseosos y sólidos.
Campo Experimental de Tecnología de Torre
El segundo gran equipamiento del LACYQS es el campo de pruebas de heliostatos que ahora se ha transformado en el Campo Experimental de Tecnología de Torre Central (Cetoc). Este es el primer campo de heliostatos con receptores calorimétricos en América Latina, porque a decir del también físico, egresado de la Facultad de Ciencias de la UNAM, Claudio Estrada Gasca, no existe otro grupo en América Latina trabajando actualmente en algo similar con tecnología propia.
Originalmente el LACYQS iba a adquirir los heliostatos, instalarlos, probarlos y desarrollar tecnologías de caracterización y prueba. Sin embargo, las empresas productoras internacionales no se los vendieron, así que científicos y tecnólogos del LACYQS se dieron a la tarea de reforzar sus capacidades y desarrollarlos, logrando diseños propios y la vinculación con diversas empresas. Este Campo Experimental de Tecnología de Torre Central se encuentra en la Universidad de Sonora, en Hermosillo, institución que lo está operando, refirió el investigador."Nuestros heliostatos son tecnología mexicana que, a su vez, hemos vinculado con empresas mexicanas como Pirámide, Sogo o Barmex. También hemos hecho proyectos derivados o spin-off, es decir, compañías que adquieren desarrollos tecnológicos hechos en el LACYQS, o cuando nuestros estudiantes forman su propia empresa para producir y dar servicios a la industria, derivados de la tecnología de concentración solar".
La tercera gran instalación, misma que contó con el apoyo del Conacyt, consiste en una planta solar para el tratamiento fotocatalítico de aguas residuales, en la que por medio de tecnología y procesos avanzados de oxidación, se degradan materiales orgánicos para limpiar y desinfectar el agua, librándola de los contaminantes. Adicionalmente, se han desarrollado sistemas para estudiar y evaluar dispositivos de concentración fotovoltaica.
Logros a la fecha
Aparte de dotar al país de una infraestructura básica donde se ha desarrollado tecnología mexicana enfocada en la concentración solar y de formar recursos humanos especializados, el LACYQS ha logrado la síntesis de nuevos materiales como óxidos de tungsteno para la fabricación de materiales optoelectrónicos, filtros solares y carburos de silicio o carburos de zirconio para el desarrollo de materiales resistentes a altas temperaturas.
Discos parabólicos, foto pág. de internet, cortesía del doctor Claudio Estrada Gasca."El tungsteno se funde a tres mil 400 grados Kelvin aproximadamente y en el HoSIER hemos logrado fundirlo, constatando las temperaturas tan altas que se pueden alcanzar en esta instalación, usando solo energía solar concentrada. Estamos muy vinculados con nuevos desarrollos científicos y tecnológicos", asevera el coordinador del LACYQS.
Centros de investigación, como el Centro de Tecnología Avanzada (Ciateq), se han acercado al LACYQS para por ejemplo hacer pirólisis, la cual es la descomposición de compuestos químicos mediante calor. "Las familias tiran las cáscaras de fruta a la basura, pero al introducir ese tipo de desechos en un reactor se puede producir hidrógeno y monóxido de carbono, combinación que genera un gas de síntesis, es decir, un combustible gaseoso tan bueno como el gas natural o incluso mejor porque tiene hidrógeno y eventualmente podría comercializarse".
El investigador Claudio Estrada Gasca recalca que de todas las fuentes energéticas que existen, fósiles y no fósiles, la más abundante en el planeta es la energía solar y cuando México desarrolle más tecnología sobre concentración solar capaz de proveer al país de energía y combustibles alternos, el problema de contaminación ambiental generada por hidrocarburos se abatirá de forma importante.
"Existen grandes esfuerzos a nivel internacional para el uso colectivo y a mediano plazo de la tecnología de concentración solar. Por ello, aunque los combustibles fósiles seguirán siendo dominantes, a nivel mundial esta transición hacia fuentes limpias de energía y sostenibilidad ha comenzado y México no puede quedar rezagado".
