Nanotecnología y conversión energética: Retos y oportunidades

NANOTECNOLOGÍA Y CONVERSIÓN ENERGÉTICA:

RETOS Y OPORTUNIDADES

ESPECIALIDAD: INGENIERÍA MECÁNICA

Víctor Manuel Castaño Meneses Ingeniero Físico y Doctor en Ciencias

3 de noviembre de 2011 México, D.F.

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades.

CONTENIDO

Resumen... ........................................ . ...... . ...................... .... ...................... 3

Introducción ........... . ........................ . ......... . ............... . .............................. 5

Energía: el futuro nos ha alcanzado ........ . ..... ... .......................... . ...... 8

La era del Hidrógeno .............. .. ................... . .................... .... ............... 13

S. La Nanotecnología: una perspectiva desde la Ingeniería..........16

Nanotecnología y energía ..................... . ..... . ............................ . .... . ... ..19

Conclusiones ..... . ....... ... ............ . ............. . .............. ... .............. . ........ . .... ..27

Bibliografía... ...... . ....... . .......................... . ..... . ..... ... . ....... . ............. . ........... 29

Referencias .... . .......................... . ... . ...................................... . ... .... .......... 37

Especialidad: Ingeniería Mecónica 2

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades. -

1. RESUMEN.

La energía representa no sólo una de las necesidades básicas para la

supervivencia de la especie humana, sino una de las actividades

científicas, económicas, sociales y políticas más importantes de la

sociedad contemporánea, con un impacto cotidiano tal, que el acceso

a la energía se ha convertido en uno de los indicadores de desarrollo

claves para entender el presente y el futuro de un país. De hecho, la

práctica moderna de la Ingeniería se puede concebir como el uso,

basado en los más avanzados principios científicos y profesionales,

eficiente y adecuado de la energía, entendiendo esta tanto como un

componente primario de la profesión, así como la fuente primigenia

de los materiales, dipositivos, recursos y demás implementos con los

que un ingeniero del siglo XXI realiza su labor del día con día.

Por otro lado, las dos décadas inmediatamente anteriores han

marcado el inicio de una revolución tecnológica de alcance global,

comparable sólo con los grandes cambios paradigmáticos de la

historia de la ciencia y la técnica, como lo fueron la Revolución

Industrial, la Mecánica Cuántica, la Microelectrónica y la

Biotecnología: la Nanotecnología, que representa tanto un enorme

reto como una oportunidad única para la Ingeniería Mexicana.

En este contexto general, se ofrece en este trabajo, en primer

término, una revisión crítica y prospectiva de la situación energética

internacional, recalcando el caso de México, para después analizar

someramente los principios básicos de la Nanotecnología y sus

aplicaciones, presentes y futuras, a tecnologías relacionadas con la

energía en sus diferentes aspectos. Finalmente, se plantean una serie

de reflexiones sobre las oportunidades que la conversión energética,

Especialidad: Ingeniería Mecánica 3


basada en principios nanotecnológicos, ofrece a los ingenieros

mexicanos del siglo XXI.

LIVI



2. INTRODUCCIÓN.

Cada día es más frecuente el discutir, en todo tipo de foros, tanto

tecnológicos como sociales, sobre la disminución de las reservas de

combustibles fósiles y el daño irreparable al medio ambiente, como

producto de su combustion, a través de la producción de gases de

efecto invernadero. La precocupación es tal que organismos

internacionales tan importantes como la Agencia Internacional de

Energía (AlE o lEA, por sus siglas en inglés), han planteado que una

revolución energética, basada en el uso generalizado de tecnologías

que lleven a la baja emisión de carbón, resulta ya imperativa para

lidiar con los evidentes efectos del cambio climático.

De acuerdo con bases de datos especializadas, las emisiones de CO 2

crecerán hasta 2030 un 65% respecto al año 2002, lo que implica un

crecimiento superior al de la demanda de energía en este mismo

periodo, que sería del 60% (19-23, 73-92). El mayor crecimiento de

emisiones de CO 2 se debe fundamentalmente al consumo de

combustibles fósiles en países en vías de desarrollo.

En el año 2000, todas las energías renovables juntas aportaron sólo

el 13.8% del suministro de energía del mundo. Esto incluye el 2.3%

de hidroenergía, el ll% de combustibles renovables y residuos, y el

0.5% de "otros", en particular la geotérmica, la solar, la eólica, etc.

Para el 2010 se esperaba una reducción en la aportación de todas las

renovables al 12.9% y, para el 2020, a un 12.3% del total del

consumo energético. Por otro lado, de acuerdo con datos de la AlE

se prevé que el consumo total de energía crezca en un 20% en 2020.

La producción de CO 2 crecerá en un 14%, a menos que nuevas

medidas políticas se apliquen de manera efectiva. Debido al Acuerdo

de Kyoto, la UE (Unión Europea) debe reducir la producción de CO 2

en un 8%, respecto a 1990. Los países de la UE están comprometidos



a aumentar la proporción de energías renovables en el suministro

total de energía del 6.12% actual y mejorar la eficiencia energética.

La seguridad energética es también motivo para algunos gobiernos

para invertir en fuentes alternatias de energía. Este concepto de

seguridad energética significa que los gobiernos deben reducir la

dependencia de una fuente única de energía, como el petróleo, ya

que la oferta puede verse, en cualquier momento, amenazada por los

conflictos en regiones estratégicas, como el Oriente Medio, lo que

llevaría a inestabilidades internas en las naciones.

Si todas las medidas de los gobiernos de los países líderes están

considerando en este momento se llegan a ejecutar, la AlE prevé que

las energías renovables podrían llegar a constituir la mayor parte del

suministro de energía mundial.

Sin embargo, y a pesar de su carácter internacionalista e innovador,

la AJE no parece tener en cuenta a la innovación tecnológica como

motor primario para la generación fuentes de energía renovables,

más allá de las previsiones de reducción de costos en algunas

tecnologías de energía removable, y se circunscribe a la generación

de políticas públicas como el generador real del cambio energético en

el Orbe.

En contraste, y aunque pudiese parecer sorprendente, la influyente

empresa Shell, en un importante documento titulado "Necesidades de

energía; opciones y posibilidades; escenarios para 2050" publicado

este año de 2011, considera que los avances potenciales en energía

solar fotovoltaica o de hidrógeno en las próximas décadas, seran

determinantes para el Mercado de energía del Mundo. Se menciona

explícitamente, en ese documento, la nanotecnología, a través del

uso de los nanotubos de carbon y de otros materiales. En un primer

EspeciaHdad: Ingeniería Mecánica 6


escenario, donde la dinámica mundial se mantendría como hasta el

momento, se prevé que la participación de las energías renovables

aumentará rápidamente hasta 2020, seguida de un estancamiento y

de una nueva generación de las energías renovables a partir de 2030.

La cuota de las energías renovables, que no sean los

biocombustibles, podría representar un 22% de la producción de

energía primaria en el 2050. El otro escenario, de verdadera

innovación energética, describe el surgimiento de una economía del

hidrógeno, basada fundamentalmente en los avances tecnológicos,

incluídos los nanotubos de carbono y las nanofibras.



3. ENERGÍA: EL FUTURO NOS HA ALCANZADO.

De acuerdo con la OCDE, uno de los elementos macroeconómicos que permiten valorar el desarrollo de un país es el , uso de energía per cápita. La Figura 1 muestra cómo el IDH (Indice de Desarrollo Humano) tiene una clara correlación con la demanda primaria de energía por habitante, tanto para países miembros de la OCDE como para aquellos que no pertenecen a esta influyente organización global.

La relacion entre el uso de energia per capita y el

I Indice de Desarrollo Humano

1,0

0.8

0.6

= 04

0.2

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• .1 + 4 •

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OECD

H NonOECD

0 2 4 6 8 10 12 14

Demanda pnmaria de energía pr capa tC.e'C.9pí

/ Existe una fuerte relación entre el uso de energía per cápita y el índice de desarrollo humano - particularmente para los países menos desarrollados

Figura 1. Índice de Desarrollo Humano vs. Energía per cápita en el Mundo

Esto conduce a una creciente demanda de energía en todos los países, lo que llevaría, de acuerdo a organizaciones como la World Energy Outlook, a un escenario terrible de disparidad energética, lo que aumentaría, aún más, la becha entre países desarrollados y no desarrollados. La Figura 2, por ejemplo, muestra que, para el año 2030, países como Rusia tendrán un factor de 7 veces más consumo energético que el Africa Sub-Sahariana.


4


Figura 2. Expectativas de demanda primaria de energía para el año 2030

La situación, sin embargo es preocupante ya en este 2011, sin necesidad de esperar al 2030. La Figura 3, por ejemplo, muestra la distribución mundial de personas que NO tenían acceso a energía en el 2008 y lo que se espera en el 2030. Como se puede observar en esa figura, en la actualidad se calcula que, alrededor de 1,500 millones de personas no tienen el beneficio de la energía en sus vidas cotidianas y que, dentro de 20 años, si no se tiene una verdadera revolución energética, esa cantidad habrá disminuído solamente a 1, 300 millones. Lo peor es que, a pesar de que se pueda llagar a presumir una disminución global, por pequeña que esta sea, en algunas regiones del planeta, como Africa, el número de personas sin energía habrá pasado de 587 millones a casi 700 millones en el 2030.



Número de personas sin acceso a electricidad 2008-2030 (millones)

China y Asia del esto

Norte de Africa Este medio Sur de Asi 91

17 i15 214

Africa SubSahariana

SS? 1 'Ii Arnetica 1.0111 1 1

Poblacion mundial sin acceso a e ecli 1 cidad

2008 1.5 billones de personas

2 200 2030 2030: 1.3 billones de personas

Las fronteras y unciEres mostrados y la des;gnac:on u53d3 frfl les fi t1S incluidos en esta putlic3Cicei ro r uc a una aprobación oficial 5* la En

Figura 3. Distribución de personas sin acceso a energía, en el 2008 y en el 2030

Por si fuera poco, la crisis energética también tiene un aspecto terrible de inequidad de género. En efecto, existen todavía hoy en día muchos países donde las encargadas de recolectar las únicas fuentes de energía de las comunidades (leña, estiércol, ramas, etc.) son las mujeres, sobre quienes, entonces, recaen directamente las consecuencias del atraso energético de una nación. En casos, como el de Tanzania, como se puede apreciar en la Figura 4, hay extensas regiones de ese país africano donde las mujeres deben recorrer, diariamente, ms de 6 km para asegurar la supervivencia de sus familias, ya que sin la leña que recolectan, les sería imposible cocinar o calentarse.


Energía, Pobreza y Mujeres: Distancia recorrida para recoger leña.

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ZAMBIA

Figura 4. Distancia promedio que recorren las mujeres de Tanzania para recoger leña

Cuando se habla de sufiencia energética, sin embargo, es menester clarificar el nivel de desarrollo tecnológico del que se está hablando, pues no es lo mismo proveer energía suficiente para cocinar con leña, que el asegurar el suministro energético de industrias aeroespaciales o farmacéuticas, por citar dos ejemplos de industrias que se consideran avanzadas. Además, la situación socioeconómica del sector de la población al que se dirige la sufiencia energética es determinante. La Figura 5, resume la relación entre la complejidad tecnológica del suministro de energía y los ingresos que cada sector poblacional puede aportar.



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Pasos para el desarrollo de [

Energía

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Bajo Ingresos Alto

Figura S. Nivel de servicio energético vs. ingresos de la población



4. LA ERA DEL HIDRÓGENO.

Las propiedades físicas y químicas del hidrógeno han motivado, desde

hace muchos años, el desarrollo de numerosas aplicaciones

industriales, por lo que este elemento químico no es, en lo absoluto,

ajeno a la práctica de la Ingeniería. Una de las primeras aplicaciones

de las tecnologías asociadas al Hidrógeno fue la navegación aérea,

ya que se empleaba en los globos aerostáticos, aprovechando así su

atractiva fuerza de ascension, gracias a su baja densidad. Sin

embargo, los pioneros de la aeronáutica, los hermanos Montgolfier,

sustituyeron el H 2 por aire caliente, ya que el hidrógeno se perdía

rápidamente por las paredes de las primeras naves.

La invención de la celda de combustible por William Robert Grove en

1839, abrió nuevas posibilidades para el hidrógeno. La primera celda

contenía electrodos de platino y utilizaba ácido sulfúrico como

electrolito, con hidrógeno y oxígeno como combustibles, para

producir electricidad y agua. Sin embargo, dado el nivel de la

Ingeniería de la época, las complejidades técnicas de los dispositivos

asociados, limitaron el interés práctico por esta tecnología.

En 1953, Francis Thomas Bacon, construyó un prototipo de celda de

combustible utilizando hidrógeno y oxígeno con un electrolito alcalino,

en lugar de electrolitos ácidos, y electrodos de níquel, más baratos

que los de platino, diseño que fue la base para las celdas de

combustible utilizadas con éxito en los programas aeroespaciales

Geminis y Apolo.

Las primeras aplicaciones de tecnologías asociadas al hidrógeno en

vehículos automotores fueron realizadas en los Estados Unidos donde

se contruyeron, con el apoyo de pilas alcalinas, un tractor con una

celda de combustible de 15 kW y un automóvil que usaba una celda



de 6 kW como complemento a un sistema de propulsión eléctrico,

alcanzando una autonomía de cerca de 300 km.

La crisis del petróleo de 1973, la necesidad de buscar fuentes

alternativas de energía y la creciente preocupación por proteger el

medio ambiente, impulsaron las investigaciones para desarrollar

mejores componentes de las celdas de combustible, como son los

electrodos, los electrolitos, y los sistemas periféricos, tales como

compresores, intercambiadores y los sistemas para almacenar

hidrógeno de manera segura y eficiente. Esta crisis mundial genera

el concepto de "Economía del Hidrógeno" en distintos foros

internacionales donde se analizó cuáles serían los nuevos esquemas

para la producción y distribución de energía en el siglo XXI.

Se formuló entonces un escenario energético en el que el hidrógeno

se utilizaría para reemplazar a los combustibles fósiles, lo que

requiere contar con la capacidad para producirlo en las cantidades

requeridas, el disponer de infraestructura para transportarlo hasta los

puntos de consumo y el desarrollar las tecnologías necesarias para su

uso, tanto industrial como habitacional. El objetivo principal de esta

"Era del Hidrógeno" en la que ya nos hallamos inmersos, es el reducir

las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes,

asociadas a las fuentes primarias actuales, además de contribuir a

una mejor utilización de los recursos naturales disponibles

localmente, diversificando las fuentes y reduciendo la dependencia

exterior, todo lo cual conlleva, necesariamente, el desarrollo de una

Ingeniería adecuada a estas nuevas necesidades.

En los años próximos, Europa fomentará la adopción del hidrógeno en

los sistemas de transporte a lo largo de varias líneas, tal como el

proyecto CUTE, donde autobuses prototipo impulsados por hidrógeno,

se utilizarán en nueve ciudades europeas. Islandia tiene el objetivo



de crear una sociedad del hidrógeno en la isla, incluyendo los

autobuses propulsados por hidrógeno, una red de estaciones de

combustible de hidrógeno para los vehículos particulares, y el

desarrollo de barcos de hidrógeno.



S. NANOTECNOLOGÍA: UNA PERSPECTIVA DESDE LA

INGENIERÍA.

La Nanotecnología representa, hoy en día, no solamente una de las

ramas científicas más activas y relevantes, sino una verdadera

esperanza para la Humanidad de poder resolver, de una vez por

todas, varios problemas centenarios, e incluso milenarios.

En términos muy generales, la Nanotecnología consiste en realizar

Ingeniería, es decir, aplicar prácticamente, los principios básicos de la

Física, la Química y la Biología, al tamaño mínimo en el que los

materiales conservan su identidad tales como: el nanómetro. Esta

unidad dimensional, igual a iO m, representa la unidad mínima de

materia en la que un ingeniero puede aplicar su especialidad, desde

mecánica hasta electrónica, pasando, inclusive, por civil, ya que

muchos materiales arcillosos son, en realidad, nanoestructuras.

El poder de manipular átomos, moléculas a escala nanométrica y

arreglarlos de la forma que deseemos puede facilitar la creación de

estructuras complejas "al precio de los vegetales", como es el lema

de los nanotecnólogos.

Se ha encontrado, y este es uno de los grandes atractivos de la

nanotecnología, que las propiedades ópticas, electrónicas,

magnéticas y térmicas de las nanopartículas dependen del tamaño,

forma, composición, distancia inter-partícula, y el ambiente que las

rodea.

Como un ejemplo de esto, considérese el caso de un cubo de oro

puro de 1 cm x 1 cm x 1 cm, como se muestra esquemáticamente en

la Figura 6a. La masa de ese cubo es, de acuerdo con la Tabla



Periódica de los Elementos, de 19.3 g y el área superficial

correspondiente es de 6 cm 2 .

b -

Figura 6a Cubo de oro de 1 cm 3 : nanocubos de oro de 1000 nm 3

Si ahora se divide el cubo en nanocubos de 10 nm x 10 nm x 10 nm

(Figura 6b), se tendrá, por supuesto, la masa original, el mismo

volumen, pero el área superficial será de 6,000,000 cm 2 , ya que cada

nanocubo tiene un área superficial de 600 nm 2 y, como se puede

comprobar con un sencillo cálculo, se tienen 1 x 1018 nanocubos, por

lo que 600 x 108 nm 2 es igual a 6,000,000 cm 2 , como se mencionó

anteriormente.

Entre las propiedades de un material que se ven afectadas a una

escala nanométrica, se pueden mencionar las siguientes:

• Reactividad química

• Temperatura de fusión menor

• Parámetros de red cristalina menores

• No. de átomos superficiales mayor

• Mayor superficie efectiva de contacto

• Solubilidad mejorada y controlable



Efectos cuánticos

Propiedades ópticas novedosas



6. NANOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA.

Durante las últimas dos décadas, la ciencia básica y la ingeniería han

logrado desarrollos espectaculares e inéditos en el campo de la

energía mediante la aplicación de los conceptos y los métodos de la

nanotecnología que se han esbozado en el apartado anterior.

Un aspecto importante de la nanotecnología en su relación con la

energía, es la llamada "nanofabricación". En términos muy

simplificados, se llama nanofabricación al diseño y creación de

dispositivos a escala nanométrica. La posibilidad de fabricar

dispositivos de tamaños menores a 100 nanómetros abre enormes e

interesantísimas perspectivas para el desarrollo de nuevas

tecnologías que permitan generar, almacenar y transferir energía.

Expertos en nanociencia y nanoingeniería en todo el Mundo ya han

empezado a reportar el uso práctico de la nanotecnología para el

desarrollo de productos de consumo masivo. Por ejemplo, en un

hecho ya bien conocido en la literatura especializada que el uso de

componentes nanoestruturados redunda en una mayor eficiencia en

sistemas de iluminación y calefacción, permite aumentar la capacidad

de almacenamiento eléctrico y lleva a una disminución de la

contaminación por el uso de la energía.

En los años recientes se han creado muchas empresas visionarias,

como BetaBatt, Inc. y Oxane Materials, sólo por mencionar dos de las

más famosas, cuya tecnología se centra en los nanomateriales como

una forma de mejorar los métodos ya conocidos para la generación,

transferencia y almacenamiento de energía. Por ejemplo, un

polímero comercial nanoestructurado, Conserv, desarrollado por Dais

Analytic, permite aumentar la eficiencia de los sistemas de

calefacción y refrigeración, y ya ha demostrado ser una tecnología no Especialidad: Ingeniería Mecánica 19


sólo práctica, sino incluso lucrativa. Las membranas que se fabrican

con este nanopolímero permiten que, de manera selectiva, la

humedad pase a través de la membrana, sin que el aire lo haga, lo

que redunda en mayor eficiencia, menor consumo y menor costo de

mantenimiento.

En iluminación, una de las alternativas más importantes, que la

Secretaría de Energía de nuestro país ha impulsado, es la tecnología

de los LED (Light Emiting Diodes). Si bien es cierto que los LED han

estado disponibles comercialmente por décadas, varias empresas en

los EUA y en Europa han desarrollado una variante especial, llamada

el LED blanco. Los LED blancos están formados por películas delgadas

de materiales orgánicos, de 100 nanómetros de espesor, colocados

entre dos electrodos, creando así un ánodo y un cátodo. Cuando se

aplica voltaje al sistema, se genera luz blanca a partir del fenómeno

conocido como electroluminiscencia. Lo revolucionario de esta

nanotecnología es que el uso de semiconductores orgánicos requiere

una cantidad mínima de energía necesaria para generar luz, del

orden del 10% de lo que requiere un foco incandescente actual.

Uno de los campos de investigación más activos en los últimos cien

años es el de las baterías, ya que un reto, posiblemente mayor que

los de generar o transportar energía, es el de almacenarla. Una

compañía norteamericana, en colaboración con la Universidad de

Rutgers y con los Laboratorios BelI, ha utilizado nanomateriales para

controlar el grado de mojado de la superficie donde se encuentra el

líquido (electrolito) de la batería, lo que permite dispersar las gotas

sobre un área mayor y, por lo tanto, impedir reacciones indeseables

cuando la batería no está en operación, mediante la separación físico-

química, a voluntad, del electrolito en el ánodo y el cátodo.

Un problema muy serio con la generación de energía en la actualidad

Especialidad: Ingeniería Mecénica 20

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades,

es la baja de eficiencia por la generación de calor, como subproducto

del proceso mismo de generación. Un ejemplo típico es el del calor

generado por el motor de combustión interna, que lleva a perder,

aproximadamente, el 64% de la energía interna de la gasolina en

forma de calor. Sin embargo, se ha demostrado que es

extremadamente difícil el mejorar la eficiencia de estos motores sin

sacrificar su rendimiento. El mejorar la eficiencia de las celdas de

combustible a través del uso de la nanotecnología parece mucho más

plausible, mediante el uso de catalizadores molecularmente

diseñados, de las membranas de polímeros nanoestructurados y del

almacenamiento de combustible en materiales nanoporosos.

Para que una celda de combustible pueda operar eficientemente, se

requiere de un catalizador de un metal noble (generalmente platino,

que es extremadamente costoso), que permite separar los electrones

de los protones de los átomos de hidrógeno. Sin embargo, los

catalizadores de este tipo son extremadamente sensibles a

reacciones con monóxido de carbono. Para disminuir esto, se han

usado alcoholes u otros compuestos de hidrocarburos para reducir la

concentración de monóxido de carbono en el sistema. Esto añade, sin

embargo un costo adicional al dispositivo, que lo hace poco atractivo

comercialmente hablando. Utilizando la nanofabricación, se están

diseñando materiales más resistentes a las reacciones con monóxido

de carbono, lo que mejora la eficiencia del proceso y, además,

posibilita emplear materiales más baratos.

Las celdas de combustible que se encuentran en operación hoy en día

para usos en transporte, necesitan tener la capacidad de una rápida

puesta en marcha. Este proceso supone una gran exigencia a las

membranas tradicionales para electrolitos, que disminuye la vida útil

de la membrana, lo que obliga a su reemplazo frecuente. Mediante la

nanotecnología, es posible crear una membrana nanopolimérica



mucho más duradera y, además, con mayor conductividad iónica.

Esto mejora la eficiencia del sistema y reduce el tiempo entre

reemplazos, lo que redunda en reducción de costos.

Otro problema con las celdas de combustible actual es el

almacenamiento del combustible. En el caso de las celdas de

combustible de hidrógeno, el almacenamiento de H 2 en forma

gaseosa, en lugar de líquida, mejora la eficiencia en un 5%. Sin

embargo, los materiales comercialmente disponibles, presentan un

límite de almacenamiento de combustible, debido a su baja

resistencia mecánica y sus altos costos. El desarrollo reciente de

poliestireno nanoporoso (que es un material relativamente barato)

que, cuando es super-enfriado a alrededor de -196 °C, atrapa átomos

de hidrógeno y cuando se calienta, libera el hidrógeno para su uso,

permite prever un nuevo panorama en el uso comercial de celdas de

combustible de hidrógeno.

Un componente crucial de las computadoras son los condensadores o

capacitores. Un condensador es un dispositivo formado por un par de

electrodos separados por un aislante, de tal forma que cada uno

almacena una carga opuesta. Un condensador almacena carga

cuando se retira del circuito que está conectado. La carga se libera

cuando se conecta de nuevo en el circuito. Los condensadores tienen

la enorme ventaja, sobre las baterías, en que liberen su carga mucho

más rápida y eficientemente.

Los condensadores tradicionales están compuestos de placas

delgadas de metal separadas por un aislante eléctrico, que se apilan

o enrollan en una caja o contenedor. La nanotecnología, ha llevado a

crear "supercondensadores', que son condensadores que contienen

nanocomponentes. Esta disminución en el tamaño hace que sea

posible el desarrollo de circuitos electrónicos mucho más pequeños



Estos ultracondensadores también tendrían la capacidad para

complementar las baterías en los vehículos híbridos, proporcionando

una gran cantidad de energía durante la aceleración maxima, lo que

podría disminuir el tamaño y el peso de las grandes baterías que se

necesitan en los vehículos híbridos, así como el tener una carga

adicional de la batería.

El aerogel de carbón nanoporoso está siendo utilizado para

ultracondensadores. Estos aerogeles tienen un área superficial muy

grande y permiten alterar, casi a voluntad, varias propiedades

eléctricas gracias al cambio de diámetro y distribución de tamaño de

poro, aunado a la adición de los metales alcalinos nanométricos, para

controlar su conductividad.

Los nanotubos de carbón son, por supuesto, excelentes candidatos

para crear supercondensadores. Los nanotubos de carbono se crean

mediante evaporación de carbón, que se condensa en una superficie,

formando diferentes fases (nanotubos, fulerenos, grafenos, etc.).

Cuando el carbón se condensa en condiciones muy particulares, se

forma un tubo de tamaño nanométrico que tiene una gran area

superficial, lo que aumenta la cantidad de carga que se puede

almacenar. La baja confiabilidad y el alto costo de los nanotubos de

carbono es, sin embargo, una limitación sobre la que se está

trabajando.

En Corea se ha explorado la posibilidad de aumentar la capacidad de

los electrodos a través de la adición de átomos de flúor a las paredes

de los nanotubos de carbón, lo que ha permitido cambiar la

naturaleza química de los nanotubos, de nopolares a polares,

debido, seguramente, a la transferencia de carga desde el flúor,

creando efectos dipolo-dipolo a lo largo de las paredes de nanotubos

de carbono.



La producción de electricidad solar fotovoltaica es la tecnología más

evidente en la que los materiales nanoestructurados y la

nanotecnología están contribuyendo al desarrollo energético. En el

2011, el mercado mundial de paneles solares fotovoltaicos fue de

unos 400 MW por año. La energía solar fotovoltaica ya es

competitiva para la producción de electricidad para los hogares o

aldeas en áreas remotas que no cuentan con una conexión a la red

eléctrica. Los gobiernos de los EE.UU., Europa y Japón están

subsidiando tanto el desarrollo tecnológico como la instalación de

módulos fotovoltaicos en viviendas particulares, empresas e incluso

iglesias (en Alemania). Las tecnologías dominantes de este momento

se basan en silicio, ya sea mono o policristalino. Las celdas solares

se producen a partir de láminas delgadas de 0.2 a 0.3 mm de

espesor, que se cortan de bloques de silicio. El problema es que esta

tecnología utiliza una gran cantidad de material muy caro, como es el

silicio, y alrededor de la mitad se desperdicia en el proceso de corte

de las láminillas.

Películas delgadas nanoestructuradas que se encuentran actualmente

en el mercado utilizan una capa activa de unas micras de espesor,

depositadas sobre un sustrato barato, como el vidrio. Estas

alternativas incluyen el silicio amorfo, que es conocido por su uso en

las calculadoras de bolsillo, pero que también se utiliza en los paneles

solares, ya de manera comercial por cerca de 15 años. El silicio

amorfo es más barato que el silicio cristalino, ya que utiliza

materiales 300 veces menos activos. La eficiencia, empero, es mucho

menor, menos del 10% frente al 15% del silicio cristalino.

Uno de los problemas con la energía solar fotovoltaica de películas

delgadas de tamaños nanométricos es que la conversión de energía

es mucho menos eficiente que en el silicio cristalino. Según un



portavoz de BP Solar, el principal cuello de botella en la fabricación

de películas delgadas fotovoltaicas es que nadie puede producir

grandes áreas de las películas delgadas a escala industrial.

Alternativas muy atractivas incluyen las celdas fotovoltáicas

orgánicas Grtzel, inventadas en 1991 por el Prof. Michael Grtzel

(EPFL, Suiza). Las celdas Grtzel consisten en una película delgada de

10pm de dióxido de titanio (Ti0 2 ) formada por nanopartículas de 20

nm de diámetro. Moléculas de colorante orgánico se adsorben en los

poros de las partículas de Ti02, rodeadas de un electrolito. La celda

se completa con dos electrodos transparentes y un catalizador. La

eficiencia de las celdas de Grtzel es mucho menor que la de silicio

cristalino comercial (alrededor de 7.8 v/o en lugar de alrededor del

15%). La UE ha organizado un importante proyecto, Nanomax, que

tiene como objetivo mejorar este rendimiento al 15%.

El hidrógeno, del que ya se ha hablado en un apartado anterior de

este documento, puede almacenarse en diferentes tipos de

materiales, en forma gaseosa, líquida o, más recientemente, en

forma sólida, en hidruros metálicos nanoestructurados, nanotubos de

carbono, nano-magnesio, nanocompuestos metal-hidruro de carbón,

hidruros nanochemical y alanatos. Con estas ideas, en el Instituto

Fraunhofer de Energía Solar en Friburgo, Alemania, se ha

desarrollado un dispositivo de almacenamiento de hidrógeno para

celdas de combustible, que es lo suficientemente pequeño como para

integrarse en una cámara de vídeo digital portátil.

La nanotecnología también puede contribuir a la mejora de las

fuentes convencionales de energía como el carbón, el petróleo, el gas

y la energía nuclear y electricidad. Para comenzar, con la electricidad,

la producción de carbón o gas natural puede ser más eficiente

mediante el uso de la nanotecnología en las plantas de turbinas. En

Especialidad: Ingeniería Mecónica 25


materia de energía nuclear, la nanotecnología puede ayudar a

mejorar la resistencia a la radiación de los materiales.

Hay muchas formas de energía primaria, incluidos los combustibles

fósiles como el petróleo y el gas, la biomasa, la energía nuclear y las

energías renovables como el viento, el sol y la hidroenergía. Estas

fuentes de energía primaria deben ser transformada en calor,

electricidad o energía mecánica (movimiento, presión, etc). Para

algunas de estas transformaciones de la energía, no hay ninguna

solución eficaz eficiente o bien el costo las hace prohibitivas. Y para

algunas de estas necesidades se están desarrollando nuevos

materiales nanoestructurados o con nanocomponentes.

El concepto de energía sostenible no implica el uso indiscriminado de

energía. Por lo tanto, los gobiernos también deben estimular el

ahorro de energía por los consumidores caseros, así como de la

industria, mediante nuevas tecnologías, tales como materiales de

aislamiento mejorado. Los materiales nanoestructurados, como

nanoespumas puede desempeñar un papel extremadamente aquí, por

su costos y simplicidad.



7. CONCLUSIONES.

Los datos que diversas agencias internacionales ofrecen sobre la

situación energética del mundo demuestran, sin lugar a dudas, que la

conversion energética ha pasado de ser un mero deseo de progreso

de la Humanidad a una urgente e imperiosa necesidad. No

solamente nos encontramos, en este comienzo del siglo XXI, en una

situación de extrema desigualdad, en terminos económicos,

tecnológicos, sociales e incluso de género, entre los diversos países

del planeta, sino que, de no tomar medidas urgentes, esas asimetrías

se verán agudizadas en el lapso de solamente un par de décadas, con

el consecuente impacto socioeconómico que, sin lugar a dudas,

afectará a todo el Globo, independientemente del lugar geográfico

específico donde una crisis aparezca. Resulta claro, a casi todos los

gobiernos, que la energía es ya uno de los factores de desarrollo más

efectivos y que una política energética va de la mano de una política

social incluyente y justa.

Aunque naciones como la nuestra han tomado medidas importantes

en términos de las políticas energéticas que debe seguir un país que

desee garantizar su sustentabilidad, en el más amplio sentido de este

vocablo, se nota, a nivel internacional, que el problema de la

conversion energética se ha visualizado, casi exclusivamente, como

un problema de generación de políticas y de administración eficiente

de los recursos energéticos de las sociedades. Esto son, ciertamente,

factores necesarios e importantes, pero, de ninguna manera, deben

excluir la necesidad de creación de nuevas tecnologías que permitan

enfrentar problemas que, en muchos casos, llevan ya siglos sin poder

resolverse con los paradigmas científicos convencionales.

La Ingeniería del futuro inmediato se verá enfrentada, una vez más,

al reto de cumplir con los requerimientos tecnológicos que son cada



día más urgentes, pero con la variante de que tendrá,

obligatoriamente, romper algunos esquemas y mirar hacia disciplinas

emergentes, como la Nanotecnología que, en el caso de los recursos

enegéticos, ha comenzado ya a mostrar alternativas inéditas y

extremadamente prometedoras, que los ingenieros del siglo XXI

deberán incluir no solo en sus curricula, sino en su práctica

profesional.

Para la Ingeniería Mexicana, el reto secular persiste: cumplir a

cabalidad con la sociedad, a través de expertos reconocidos

mundialmente en sus especialidades. La oportunidad: el convertir al

país en un verdadero líder tecnológico, en vez de un seguidor cercano

de ciencia y tecnología, como fue el común denominador, aún en

algunos de los mejores ejemplos, en el siglo pasado. La

Nanotecnología puede representar esa oportunidad histórica. Que los

ingenieros podamos, de nuevo, contribuir al engrandecimiento de

México con una nueva y renovada mentalidad.


Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades. -

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Nanotecnología y conversión energética: Retos y oportunidades

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