Recargar todos esos aparatos cuesta. Reemplazar las costosas baterías que los activan, también.

Los sistemas de generación de energía renovable, particularmente los paneles solares, han sido efectivos complementando el abastecimiento eléctrico, pero tienen sus limitaciones: una, cuando nos movemos a un espacio interior, lejos de los rayos solares y, la otra, cuando es de noche.

Pero, ahora, dos investigaciones independientes han desarrollado opciones que podrían resolver nuestras necesidades energéticas futuras.

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Por una parte, científicos en China y Suecia crearon celdas solares -o fotoeléctricas- orgánicas optimizadas para convertir la luz interior ambiental en electricidad.

Por otra, científicos en California, Estados Unidos, experimentaron con un panel que aprovecha el frío del cielo nocturno para generar significativas cantidades de electricidad.

Veamos ambas por separado y cómo nos pueden servir.

Paneles solares interiores

A medida que se expande la interconexión digital de objetos cotidianos con internet -lo que llaman internet de las cosas (IdC)- se espera que necesitemos tener millones de productos online, tanto en el espacio público como en casa.

Muchos de estos productos incluirán una multitud de sensores para detectar y medir la humedad, la concentración de partículas, la temperatura y otros parámetros del ambiente.

Aquí es donde entran las celdas solares orgánicas de uso interior, desarrolladas conjuntamente por científicos de la Academia de Ciencias de China y de la Universidad de Linköping, Suecia.

La energía que producen es baja, no obstante, sería suficiente para alimentar los millones de productos que estarán conectados a internet en el futuro.

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Los investigadores, que publicaron sus resultados en la revista especializada Nature Energy, crearon una capa absorbente de luz con una cuidadosa combinación de materiales que permiten una flexibilidad considerable a la hora de “sintonizar” las celdas solares para aceptar diferentes espectros -longitud de onda- de luz.

La combinación absorbe exactamente la longitud de onda de luz que nos rodea en las salas de nuestras casas, en una biblioteca o en un supermercado.

En uno de los experimentos, una celda de un centímetro cuadrado fue expuesta a la luz ambiental de intensidad de 1000 lux (un lux es una unidad estándar de iluminancia) y los investigadores pudieron observar que hasta 26,1% de la energía de la luz se convirtió en electricidad.

“Esta investigación supone una gran promesa en el uso de las células solares orgánicas para potenciar el internet de las cosas de nuestra vida cotidiana”, declaró Feng Gao, profesor de la División de Electrónica Biomolecular y Orgánica de la Universidad de Linköping, Suecia.

Las celdas no sólo son flexibles y baratas de producir, también son aptas para la fabricación en masa en forma amplias superficies en una impresora.

“Estamos confiados en que la eficiencia de las células solares orgánicas irá mejorando para las aplicaciones de luz ambiental en años venideros, porque todavía hay mucho campo para avanzar en la optimización de los materiales que se usan en este trabajo”, subrayó Jianhui Hou, profesor del Instituto de Química, de la Academia de Ciencias de China.

El resultado es un avance más en la investigación de generación energética con luz interna. Pero, ¿qué pasa cuando no hay luz?

Luz de la oscuridad

La capacidad de generar electricidad durante la noche sería fundamental en facilitar la operación de una amplia gama de aplicaciones, incluyendo sistemas de iluminación, cocina y sensores de baja energía.

Los paneles solares tradicionales funcionan en base a la termodinámica. Una fuente de calor, el Sol, interactuando con un entorno frío en la Tierra como disipador térmico. La diferencia en temperaturas sirve para generar electricidad.

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Ahora, investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) y de la Universidad Stanford, en ese mismo estado de EE.UU., han invertido el proceso utilizando el entorno cálido de la Tierra y el frío del espacio nocturno, en lo que se conoce como enfriamiento radiativo, para iluminar un diódo emisor de luz, o LED.

El profesor Aaswath Raman, de UCLA, y los científicos Wei Li y Shanhui Fan, de Stanford, construyeron un dispositivo que consiste en un radiador de aluminio que capta el calor del aire circundante y lo libera a la atmósfera a partir de una placa de aluminio pintada de negro.

Un convertidor termoeléctrico se aprovecha del enfriamiento radiativo, por el cual una superficie expuesta al cielo transfiere su calor a la atmósfera durante la noche, a través de radiación térmica.

Este fenómeno hace que dicha superficie expuesta llegue a enfriarse más que el aire de alrededor, lo que explica la formación de escarcha, y que desde ahora puede emplearse para generar electricidad.

“Este dispositivo puede generar electricidad de noche, cuando las células solares no funcionan”, comentó en un comunicado Raman, autor principal del estudio que fue publicado en la revista Joule.

“Además de la iluminación, creemos que esta podría ser una manera para generar energía en lugares remotos, y en cualquier lugar donde haga falta obtener electricidad durante la noche”, añadió.

El dispositivo puede ser construido a mayor escala con facilidad para su uso práctico e incluso ser fabricado a partir de tecnología barata ya existente.

Aunque por ahora se genera poca electricidad, los investigadores estiman que se puede aumentar 20 veces su potencia modificándolo y usándolo en un clima más cálido y seco.

En ese momento, tal deseo era más fácil de manifestar que de lograr, sin embargo, muchas civilizaciones premodernas diseñaron edificios para capturar la luz del sol invernal y maximizar la sombra en el verano.

Todo muy elegante, pero ese no es el tipo de energía solar que funcionará en una economía industrial moderna. Y pasaron milenios sin mucho progreso.

A Golden Thread (Un hilo dorado), una historia de nuestra relación con el Sol publicada en 1980, celebra los usos inteligentes de la arquitectura y la tecnología solar a lo largo de los siglos, e instó a las economías modernas afectadas por las crisis petroleras de los años 70 a aprender de la sabiduría de los antiguos.

Por ejemplo, los espejos parabólicos, utilizados en China hace 3.000 años, podían enfocar los rayos del Sol para asar carne.

Los sistemas solares térmicos que utilizan el Sol de invierno para calentar el aire o el agua podían reducir las cuentas por calefacción, sugería.

Hoy en día, dichos sistemas satisfacen aproximadamente el 1% de la demanda mundial de energía para calefacción.

Es mejor que nada, pero no da para declarar una revolución solar.

Curiosamente, A Golden Thread solo menciona brevemente lo que, en 1980, era una tecnología de nicho: la célula solar fotovoltaica (PV), que utiliza la luz solar para generar electricidad.

Hace 180 años

El efecto fotovoltaico no es nuevo.

Fue descubierto en 1839 por el científico francés Edmond Becquerel, cuando solo tenía 19 años.

En 1883, el ingeniero estadounidense Charles Fritts construyó las primeras células fotovoltaicas de la historia pero estaban hechas con un elemento llamado selenio, que las hacía caras e ineficientes.

Los físicos de la época no tenían una idea real de cómo funcionaban; para entenderlo se necesitó la visión de un personaje llamado Albert Einstein, y sus revelaciones de 1905.

Pero no fue sino hasta 1954 que los científicos de Bell Labs en Estados Unidos hicieron un avance fortuito.

Por suerte

Por pura suerte, notaron que cuando los componentes de silicio estaban expuestos a la luz solar, comenzaban a generar una corriente eléctrica.

A diferencia del selenio, el silicio es barato, y los investigadores de Bell Labs consideraron que también era 15 veces más eficiente.

Estas nuevas células fotovoltaicas de silicio resultaron excelentes para los satélites: el satélite estadounidense Vanguard 1 fue el primero en usarlas, llevando seis paneles solares en órbita en 1958.

El Sol siempre brilla en el espacio, ¿y qué más iban a usar para alimentar un satélite de un costo multimillonario?

Sin embargo, la energía solar fotovoltaica tenía pocas aplicaciones en la Tierra: todavía era demasiado costosa.

Los paneles solares de Vanguard 1 producían medio vatio a un costo de miles de dólares.

A mediados de la década de 1970, los paneles solares se redujeron a US$100 por vatio, pero eso todavía significaba que se requerían US$10.000 para tener suficientes paneles para alimentar una bombilla.

Pero el costo siguió bajando

Para 2016 era de US$0,50 por vatio y seguía cayendo rápidamente.

Tras milenios de lento progreso, las cosas se habían acelerado muy repentinamente.

Quizás debíamos haber anticipado esta aceleración y haber actuado en consecuencia.

En la década de 1930, un ingeniero aeronáutico estadounidense llamado TP Wright observó cuidadosamente las fábricas de aviones en acción.

Publicó una investigación que demostraba que cuanto más a menudo se ensamblaba un tipo particular de avión, más rápida y barata se volvía la siguiente unidad.

Los trabajadores ganaban experiencia, se desarrollaban herramientas especializadas y se descubrían formas de ahorrar tiempo y material.

Wright estimó que cada vez que la producción acumulada se duplicaba, los costos unitarios caían un 15%.

Llamó a este fenómeno “la curva de aprendizaje”.

La curva

Recientemente, un grupo de economistas y matemáticos de la Universidad de Oxford encontró evidencia convincente de los efectos de la curva de aprendizaje en más de 50 productos diferentes, desde transistores hasta cerveza, incluidas las células fotovoltaicas.

A veces la curva de aprendizaje es poco profunda y a veces es empinada, pero siempre parece estar allí.

En el caso de las células fotovoltaicas, es muy empinada: por cada duplicación de la producción, el costo cae en más del 20%.

Y esto es importante porque la producción está aumentando muy rápidamente: entre 2010 y 2016, el mundo produjo 100 veces más células solares que antes de 2010.

Las baterías, una tecnología paralela importante para la energía solar fotovoltaica, también avanzan a lo largo de una curva de aprendizaje empinada.

La curva de aprendizaje crea un ciclo de retroalimentación: los productos populares se vuelven baratos y los productos más baratos se vuelven populares.

Y cualquier producto nuevo necesita de alguna manera superar las costosas primeras etapas.

La lección

Las células fotovoltaicas solares debían haber sido fuertemente subsidiadas al principio, como lo estaban en Alemania por razones medioambientales.

Más recientemente, China se dispuso a fabricar grandes cantidades para dominar la tecnología.

Esto llevó al gobierno del expresidente estadounidense Barak Obama a quejarse de que, en lugar de ser demasiado caros, los paneles solares importados se habían vuelto injustamente baratos.

Los paneles solares son particularmente prometedores en los países más pobres con redes de energía poco desarrolladas y poco confiables y con mucha luz solar durante el día.

Cuando el primer ministro indio, Narendra Modi, asumió el cargo en 2014, por ejemplo, anunció ambiciosos planes para construir grandes granjas solares a escala de servicios públicos, pero también para establecer pequeñas redes en aldeas rurales con poco o ningún acceso a la red principal.

Y ahora que la energía solar fotovoltaica ha avanzado a lo largo de la curva de aprendizaje, es competitiva incluso en áreas ricas y bien conectadas.

Ya en 2012, los proyectos fotovoltaicos en los soleados estados de EE.UU. estaban firmando acuerdos para vender energía a un precio inferior al de la electricidad generada por los combustibles fósiles.

Esa fue la señal de que la energía solar se había convertido en una seria amenaza para la infraestructura existente de combustibles fósiles, no porque sea verde sino porque es barata.

A finales de 2016 en Nevada, por ejemplo, varias grandes cadenas de casinos cambiaron la empresa de servicios públicos para comprar su energía de fuentes en gran parte renovables.

No se trató de un plan de relaciones públicas para mejorar imagen corporativa: fue una decisión basada en el ahorro de dinero.

Sin embargo, aún no se puede cantar victoria.

El Sol no brilla por la noche, y el almacenamiento en invierno sigue siendo un gran desafío.

Pero la curva de aprendizaje nos dice que el triunfo final de la energía solar fotovoltaica parece probable: se está volviendo más barata a medida que se vuelve más popular, y más popular a medida que se vuelve más barata.

Y eso suena como una receta para el éxito.

Tim Harford escribe la columna “Economista clandestino” en el diario británico Financial Times. El Servicio Mundial de la BBC transmite la serie 50 Things That Made the Modern Economy. Puedes encontrar más información sobre las fuentes del programa y escuchar todos los episodios o suscribirte al podcast de la serie.

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Algunos científicos estiman que para el año 2050 dos tercios de la población mundial estará viviendo en ciudades, así que están buscando, junto a algunas firmas tecnológicas, la forma de generar energía renovable que emane del propio mobiliario urbano que nos rodea. ¿Es algo realista?

Si tenemos en cuenta los nuevos materiales, inventos y aparatos que se están desarrollando nadie puede decir que este es un objetivo inalcanzable.

Otra cosa muy distinta es si son factibles desde el punto de vista económico y si realmente son una alternativa a los generadores de energía que ya existen.

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Estos son cinco inventos revolucionarios que ya han demostrado su eficacia,

1. Cemento energético

Las mezclas de cemento hechas con residuos de centrales eléctricas podrían servir para construir, por ejemplo, edificios que sirvan de baterías.

Este concreto compuesto de potasiogeopolimétrico (KGP) es más barato que el cemento común y puede almacenar electricidad.

Según los investigadores, un poste de luz de seis metros de altura hecho con KGP y equipado con un pequeño panel solar podría contener suficiente energía para alimentarse por sí mismo durante toda la noche.

“Hemos demostrado que las mezclas de cemento KGP se pueden usar para almacenar y liberar energía eléctrica sin la necesidad de añadir nada que sea costoso o peligroso”, asegura el profesor de la Universidad de Lancaster Mohamed Saafi, quien encabeza la investigación.

Los edificios hechos con KGP podrían usarse en las ciudades para atender a sus demandas eléctricas.

2. Ventanas hechas de paneles solares

Los nuevos materiales también están ayudando a que los paneles solares sean más baratos y rentables.

La energía solar es la fuente de energía renovable más común en ciudades porque el costo ha caído de los US$4 por vatio que costaba hace una década a los US$0,50 que vale ahora.

En Reino Unido, por ejemplo, más de una de cada tres empresas ya produce parte de su propia electricidad, en su mayoría utilizando paneles solares colocados en los tejados.

Pero la fabricación de paneles solares a base de silicio supone un gran gasto de energía porque requiere temperaturas superiores a los 1.400ºC o superiores y el silicio debe de ser 99.9999% puro.

Ahora han surgido materiales como la perovskita que pueden hacer los paneles mucho más delgados, baratos y que trabajan a temperaturas mucho más bajas, cuenta Nitin Padture, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown, en Estados Unidos.

Al ser parcialmente transparentes, también podrían usarse para ventanas.

El inconveniente es que la mayoría de ellos contienen plomo, un metal altamente tóxico, pero una opción que sugiere el profesor Padture y su equipo es reemplazar el plomo por titanio.

“El titanio es bastante común, pero nadie había pensado en usarlo para reemplazar el plomo en los paneles solares de perovskita“, dice.

“No estamos buscando reemplazar la tecnología de silicio que existe ahora mismo, sino mejorarla”.

3. Turbinas eólicas urbanas

A la hora de hablar de viento, la otra fuente de energía renovable más común, las turbinas convencionales no funcionan bien en áreas con muchos edificios porque las direcciones del viento varían mucho.

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Pero los investigadores Nicolas Orellana y Yaseen Noorani han creado un aerogenerador esférico para acabar con el problema. Su turbina O-Wind, que ha ganado el Premio James Dyson 2018 en Reino Unido, es un dispositivo esférico que gira cuando el viento lo golpea desde cualquier dirección.

DEVECI TECH / Turbinas eólicas verticales en las calles de Estambul de la forma Devici Tech.

Otra solución la aporta la firma turca Devici Tech. Se trata de usar turbinas eólicas verticales a lo largo de las carreteras que puedan usar la energía generada por los carros al circular.

La compañía asegura que sus turbinas Enlil, ya en fase de prueba en Estambul, pueden atender las necesidades energéticas de hasta dos casas y que además se les pueden incorporar paneles solares y sensores sísmicos.

Pero hay algunos inventos que, pese a funcionar, han demostrado no ser en absoluto rentables.

4. Carreteras fotovoltaicas

En Francia, por ejemplo, la firma de ingeniería Colas fue pionera en construir carreteras fotovoltaicas. Instaló varias en todo el país así como en algunas zonas de Japón y de Estados Unidos.

La primera construcción fue en una ruta de 1 kilómetro de un solo carril en Normandía, en el noreste del país.

Existen dudas sobre si, en el caso de las carreteras fotovoltaicas, los paneles solares son realmente útiles porque al estar en posición horizontal en lugar de inclinados hacia el sol, pueden no recibir tantos rayos solares. Además, el tráfico intenso, la nieve o el barro puede bloquearlos.

En 2014, se construyó un pequeño carril bici de 70 metros en Ámsterdam por US$3 millones. Produjo 3.000 kilovatios por hora (kWh) de electricidad en su primer año, pero por ese dinero, se podrían haber comprado 65 millones de kWh de electricidad en el mercado abierto.

5. Energía al movimiento

Otra tecnología que busca justificarse comercialmente es la piezoeléctrica. Es un tipo de energía que, cuando se aprietan ciertos materiales, como el cuarzo, fluye a través de ellos.

Por lo tanto, los automóviles y camiones que viajan a lo largo de superficies de carreteras especiales equipadas con dispositivos piezoeléctricos podrían generar energía. Los peatones podrían hacer esto mismo en pavimentos especiales.

En 2009, la firma israelí Innowattech experimentó con carreteras que capturan energía y ahora una firma estadounidense, Pyro-E, quiere probar una tecnología similar en un pequeño tramo de carretera en Fresno, California.

Pero aunque estos proyectos son técnicamente viables, actualmente son caros.

PAVEGEN / Los dispositivos piezoeléctricos pueden resultar demasiado caros de instalar para un rendimiento bajo que puede obtenerse de forma más barata.

Algunos calculan que en Estados Unidos, un kilómetro de una calle de doble sentido necesitaría 13.000 dispositivos piezoeléctricos, lo que sumaría US$400.000 a los costos de construcción.

Incluso sin considerar los costos de fabricación o instalación, llevaría aproximadamente 12 años recuperar esta cantidad.

La firma del Reino Unido Pavegen ha desarrollado pavimentos generadores de electricidad que pueden producir de dos a cuatro julios de energía con cada paso que se da sobre ellos.

Sus pavimentos, que cuestan alrededor de US$2.700 por metro cuadrado, se han instalado en 200 lugares en todo el mundo.

La cifra puede resultar bastante alta, pero también resultaban caros los paneles solares cuando irrumpieron en el mercado por primera vez.

“Creemos que las personas, no solo la tecnología serán las que mejorarán nuestras ciudades”, afirma Laurence Kemball-Cook, fundador y director ejecutivo de Pavegen.

La idea, esperan, es que las personas puedan ayudar a crear también ciudades sostenibles, con energía renovable.

La tecnología está, ahora toca abaratar los costos.