El Grafeno como Motor de la Revolución Energética:

Avances en Eficiencia y Almacenamiento de Energía Renovable

En el ámbito actual, la preocupación por el medio ambiente y el cambio climático ha dejado de ser una moda para convertirse en una prioridad. Esto ha dado lugar a la creación de equipos multidisciplinarios a nivel global, enfocados en encontrar soluciones tecnológicas más sostenibles para los desafíos energéticos, como la generación y almacenamiento de energía, con el objetivo adicional de reducir al máximo las emisiones.

En este contexto, la gestión de la energía térmica mediante tecnologías pasivas, como la solar, ha adquirido una importancia significativa. Su aprovechamiento como una alternativa ecológica y energéticamente eficiente ha experimentado un crecimiento considerable, desde su aplicación en entornos domésticos hasta sistemas de generación eléctrica.

Sin embargo, la intermitencia natural de la energía solar debido a los ciclos diurnos y nocturnos plantea desafíos a largo plazo. Por esta razón, es necesario considerar tecnologías complementarias, como los materiales de cambio de fase (PCM por sus siglas en inglés). Estos materiales tienen la capacidad de absorber energía térmica del entorno para cambiar su estado, liberando esta energía almacenada para aplicaciones de calefacción o refrigeración en diversos sectores, incluyendo la construcción, dispositivos electrónicos y aplicaciones aeroespaciales, entre otros.

Dentro de los PCM más conocidos se encuentra la parafina, cuya capacidad de cambio de fase sólido-líquido le permite almacenar calor latente al absorber energía térmica hasta alcanzar su punto de fusión. Aunque las parafinas presentan ventajas como ser materiales seguros, confiables y económicos, así como tener una estabilidad aceptable para ciclos largos de cristalización-fusión, también enfrentan desafíos, como su baja conductividad térmica y su fuga en estado líquido.

Afortunadamente, los PCM, incluyendo la parafina, se benefician de los avances en nanotecnología, especialmente al ser modificados con nanopartículas como el Grafeno. La incorporación de Grafeno en PCM como la parafina mejora significativamente la conductividad térmica y la eficiencia energética, facilitando el almacenamiento y conversión de energía solar a térmica.

¿Qué hace tan especial al Grafeno?

El Grafeno gracias a sus excepcionales características fisicoquímicas es uno de los nanomateriales más prometedores como coadyuvante en la resolución de las problemáticas energéticas. A diferencia de otras nanoestructuras de carbono como el diamante, grafito, carbón activado, fullerenos o nanotubos, el Grafeno tiene mejores propiedades eléctricas y mecánicas, con la ventaja adicional de que se combina fácilmente con otros compuestos como los PCM para compartir sus características y mejorar su desempeño. Por ejemplo, comparado con los nanotubos, una de las nanoestructuras de carbono más conocidas y estudiadas, el Grafeno tiene una mayor movilidad de cargas (200.000 cm² V ¹ s ¹ Vs. 150.000 cm² V ¹ s ¹), mayor conductividad eléctrica (6,6 MS m ^-1 Vs. 0,35 MS m ^-1), y mayor transmitancia (97,0% Vs. 95,7%) que lo hacen sumamente atractivo para su uso en materia energética.

¿Cómo se relacionan el Grafeno con los PCM para el aprovechamiento de la energía solar?

Históricamente desde el punto de vista sostenible y como aplicación real, la arquitectura es uno de los claros ejemplos en el aprovechamiento de la energía solar. Partiendo en la antigüedad con la fabricación de paredes de adobe para atrapar el calor del día y liberarlo durante la noche, hasta la infraestructura moderna con el uso de calentadores o paneles solares hasta la implementación de muros Trombe como herramienta de calefacción pasiva. Por ejemplo, estos últimos constan de un sistema de materiales como el vidrio, madera, acero, aluminio, concreto y PCM como la parafina, dispuestos en configuraciones especiales que en conjunto permiten absorber el calor para conducirlo lentamente hacia la vivienda. A partir la identificación de las propiedades multifuncionales del Grafeno y de la exploración de sus beneficios en distintos sectores, pudo identificarse que su incorporación en la parafina utilizada para la fabricación de sistemas de calefacción pasiva puede mejorar la conductividad térmica o la fuerza impulsora hasta en un 164%, mostrando una evidente superioridad sobre las nanopartículas híbridas de alta eficiencia como el Cu-TiO₂ o Al₂O₃-MWCNT, cuyos beneficios normales oscilan entre el 50 y 70%. Esto quiere decir que, en caso de lograr integrar estas tecnologías a los sistemas de calefacción pasiva además de mejorar el confort térmico durante todo el año también representaría ahorros energéticos importantes, además de reducir las emisiones de CO_2.

Celdas solares

Otra conocida aplicación potencial de la nanotecnología en el sector energético, es el diseño de la cuarta generación de paneles solares, que incluye el uso de nanomateriales bidimensionales como el disulfuro de molibdeno (MoS₂), Diseleniuro de wolframio (WSe₂) y nuevamente, el Grafeno.

Entre las ventajas más representativas que el Grafeno ha demostrado sobre otros materiales está, además de su resistencia mecánica, su alta movilidad de cargas, gran transmitancia, ligereza, flexibilidad y estabilidad, que han logrado que en menos de 10 años su desempeño para el diseño de paneles solares haya tenido importantes avances al incrementar su eficiencia del 1.5% al 15%, casi comparable con la eficiencia de las celdas actuales que oscila entre el 20 y 22%. No obstante, y en vías de mejorar aún más estos porcentajes, los expertos en la materia continúan explorando metodologías a partir del dopaje del Grafeno con otras estructuras como el silicio, hexafluoruro de molibdeno, óxido de molibdeno, cloruro de tionilo, ácido trioxionítrico, cloruro de oro, boro, oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre, para reducir su resistencia y aprovechar mejor la energía de la luz solar.  

En Energeia – Graphenemex, la empresa líder en Latinoamérica en el diseño y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos somos sensibles de los retos que, como cualquier tecnología emergente, el Grafeno enfrenta, y nos es grato formar parte del selecto grupo de investigadores e industriales que a nivel mundial busca beneficiar a la sociedad, a la economía y al medio ambiente con las bondades que estos maravillosos materiales pueden ofrecer.

Gracias a nuestro equipo multidisciplinario en muy poco tiempo hemos logrado vencer los obstáculos que han limitado la llegada de este material al mercado en aplicaciones reales,  comenzando con su producción a gran escala, con calidad controlada y a un costo asequible, así como con el desarrollo de nuevos productos con nanoingeniería grafénica sobre los cuales ha sido fundamental controlar su estabilidad y compatibilidad con los compuestos y procesos utilizados en cada aplicación o industria.

Probablemente el Grafeno como aliado de las energías renovables aún está en etapas incipientes y no propiamente por su manipulación, sino por la complejidad que este sector representa, sin embargo, no se deben desestimar los importantes avances logrados a lo largo de la última década, puesto que son las bases para las siguientes generaciones de equipos y/o tecnologías.

Redacción: EF/DHS

Referencias

1. Jafaryar M, Sheikholeslami M. Simulation of melting paraffin with graphene nanoparticles within a solar thermal energy storage system. Sci Rep. 2023, 26;13(1):8604;
2. R. Bharathiraja, T. Ramkumar, M. Selvakumar. Studies on the thermal characteristics of nano-enhanced paraffin wax phase change material (PCM) for thermal storage applications. J. Energy Storage, 73, Part C, 2023, 109216;
3. Li-Wu Fan, Xin Fang, Xiao Wang, Yi Zeng, Yu-Qi Xiao, Zi-Tao Yu, Xu Xu, Ya-Cai Hu, Ke-Fa Cen, Effects of various carbon nanofillers on the thermal conductivity and energy storage properties of paraffin-based nanocomposite phase change materials, Applied Energy, 110, 2013, 163;
4. Top Khac Le., et al., Advances in solar energy harvesting integrated by van der Waals graphene heterojunctions. RSC Adv., 2023, 13, 31273