Las energías renovables, que ya producen más del 50% de la energía que se consume en España, tienen dos enormes retos por delante: solucionar su intermitencia dependiente de las condiciones climatológicas y su almacenamiento. En los últimos años han surgido novedades tecnológicas como el ingenioso sistema español para que las placas solares generen hasta un 80% más de energía a lo largo del año y hay momentos del día en los que el excedente de energía de las renovables lleva la energía a precios mínimos. Sin embargo, la dificultad de almacenar ese sobrante (más allá de algunas baterías diseñadas ex profeso para esa función) hace que esa situación no termine de reflejarse en la factura de la luz de forma permanente.

Cada vez se hace más evidente la necesidad de contar con sistemas de almacenamiento eficientes que sean capaces de garantizar que la energía esté disponible en todo momento, también cuando no hay sol o la demanda aumentea. Ya existen prototipos de paneles solares capaces no sólo de generar, sino también de almacenar energía, pero su rendimiento es insuficiente, sobre todo porque no consiguen reducir las altas temperaturas y por su escasa durabilidad.

Por su parte, las baterías dependen de materiales costosos, escasos y que afectan al medioambiente. Por eso son necesarias soluciones como la que acaban de presentar investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), la Universidad de Cambridge y la Universidad Tecnológica de Chalmers de Suecia.

En un artículo publicado en la revista Joule, el equipo internacional de científicos dirigido por Kasper Moth-Poulsen —y con representación española— detalla la investigación que ha dado como resultado el primer dispositivo híbrido que puede sustituir a las placas solares convencionales. Para ello combina una célula solar de silicio con un innovador sistema denominado MOST, siglas en inglés de "sistemas moleculares de almacenamiento de energía solar térmica".

Este avance, pendiente todavía de mejoras en su eficiencia y escalabilidad, puede suponer toda una revolución en el sector fotovoltaico, ya que en un futuro haría innecesarias las baterías externas, integrando generación y almacenamiento de energía térmica en un único dispositivo.

Cómo funciona

En primer lugar, los investigadores realizaron un certero diagnóstico de los problemas que afectan a los paneles solares actuales. "La eficiencia de los sistemas fotovoltaicos disminuye entre un 10% y un 25% debido al calentamiento, lo que requiere más superficie de terreno, y las actuales tecnologías de almacenamiento, como las baterías, se basan en materiales de origen insostenible", señalan en su estudio. Estas dependen de materiales caros, escasos y contaminantes, como el litio, el cobalto o el níquel.

La investigación se centró en desarrollar un dispositivo capaz de cumplir con los dos objetivos, enfriar las células fotovoltaicas y almacenar energía de forma eficiente. Así fue como desarrollaron MOST, un sistema microfluídico cerrado de energía capaz de aunar ambas capacidades.

Está basado en moléculas orgánicas diseñadas específicamente para ese fin, que contienen materiales comunes como el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno. Cuando reciben luz solar, las moléculas se transforman para convertirse en un isómero rico en energía. Las nuevas moléculas están formadas por los mismos átomos, pero dispuestos juntos de manera diferente, de forma que funcionan como filtro óptico (bloqueando los fotones que causan el calentamiento) y pueden almacenarse en forma de energía química para su uso posterior cuando sea necesario, por ejemplo, por la noche o en invierno. 

El sistema, desarrollado en el marco de los proyectos PHOTHERM del ERC y FET-PROACT MOST de la Unión Europea, lleva varios años en desarrollo, en los que el equipo liderado por Karl Moth-Poulsen ha perfeccionado cada elemento hasta el punto de que ahora es capaz de almacenar energía hasta 18 años. Para ello han desarrollado un catalizador diseñado para liberar la energía almacenada en forma de calor, además de devolver a la molécula a su forma original, para que vuelva a realizar el proceso. La energía puede utilizarse directamente en un sistema de calefacción, o ser convertida de nuevo en electricidad gracias a un diminuto generador termoeléctrico.

Experimentos en Barcelona

A lo largo de la investigación, los científicos también han trabajado en mejorar la eficiencia energética del sistema. Las pruebas experimentales se llevaron a cabo tanto en el laboratorio como en el exterior, orientando el dispositivo manualmente hacia el sol entre las 9 de la mañana y las 3 de la tarde de un día otoñal de noviembre de 2022 en Barcelona, cuando la célula alcanzó una temperatura de unos 39 °C.

Fue entonces cuando se comprobó cómo el dispositivo marcó una eficiencia récord de almacenamiento de energía solar térmica del 2,3%. En cuanto al filtro óptico generado por MOST, consiguió reducir la temperatura de la placa fotovoltaica hasta 8 ºC, lo que aumentó su eficiencia en un 12,6%. "El sistema híbrido demostró una eficiencia de utilización solar del 14,9%, lo que subraya su potencial para lograr eficiencias aún mayores en futuros sistemas avanzados de energía solar fotovoltaica híbrida", concluyen en el artículo publicado en Joule.

Además, los experimentos también han demostrado que el sistema MOST dura más de 1.000 ciclos de carga y descarga con una degradación mínima, lo que permitiría su funcionamiento de forma continua durante meses. "A pesar de las posibilidades de optimización, este avance supone un gran paso adelante hacia una tecnología de almacenamiento de energía de larga duración que complemente los sistemas fotovoltaicos", afirman los investigadores.