Tetraedrita: ventajas en cogeneración
La tecnología de los generadores termoeléctricos ha evolucionado notablemente en los últimos años, mejorando de manera significativa los niveles de eficiencia energética. Tal es el avance, que el calor residual generado por los procesos térmicos es posible emplearlo para obtener energía eléctrica adicional.
Por Antonia Tapia
La cantidad de energía que se desperdicia en forma de calor en los generadores termoeléctricos es enorme. Captar dicho calor residual para generar electricidad, entre muchas otras ventajas, es una solución al cambio climático, ya que posibilita un ahorro considerable de los combustibles fósiles y una disminución de sus emisiones de dióxido de carbono.
Durante la última década, este tipo de tecnología ha ido progresando. El empleo de materiales termoeléctricos, como el mineral denominado Tetraedrita, que convierten el calor residual en electricidad, ha mejorado considerablemente los niveles de eficiencia energética de los sistemas termoeléctricos, pues son capaces de ahorrar por motor hasta 53 mil litros de combustible diesel al año; es decir, hasta 2.5 por ciento. De esta manera, se reducen las emisiones de dióxido de carbono hasta en 3 por ciento y se disminuyen los gastos operativos de la empresa.
Los generadores que han sido diseñados con materiales termoeléctricos, además de los ahorros de combustible mencionados, pueden producir 25 kilowatts con el calor residual de un motor que genera 1 mil kilowatts de electricidad mediante combustible fósil. Asimismo, el módulo se instala en poco tiempo y su operación no es costosa.
Materiales termoeléctricos: del Telurio de Bismuto a la Tetraedrita
Los materiales termoeléctricos son semiconductores que generan electricidad a altas temperaturas, los cuales deben combinar un conjunto de propiedades que se caracterizan por presentar alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica.
En fechas recientes, el avance de la nanotecnología ha permitido reducir la conductividad térmica de los semiconductores y mejorar sus propiedades eléctricas, pero ¿cómo funciona un material termoeléctrico? A medida que los electrones fluyen de las zonas calientes a las zonas frías, existe una diferencia de temperatura que los materiales termoeléctricos, al ser semiconductores, aprovechan para generar electricidad. Para que un material termoeléctrico establezca una gran tensión y su temperatura disminuya, su conductividad térmica debe ser baja.
Por décadas, los únicos semiconductores conocidos con baja conductividad térmica y alto factor de potencia eran el Telururo de Bismuto (Bi2Te3), el Telururo de Plomo (PbTe) y el Silicio Germanio (SiGe), compuestos difícles de conseguir y cuyos costos eran extremadamente elevados.
Desde hace más de 60 años, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) ha utilizado materiales termoeléctricos; sin embargo, sus elevados costos hacían prohibitivo el acceso a tales materiales para un mercado más amplio. Con el transcurso del tiempo, la investigación sobre las propiedades de minerales como la Tetraedrita ha permitido a las empresas fabricar materiales termoeléctricos altamente eficientes. Este mineral, por ejemplo, suele utilizarse en estado sólido dentro de un sistema, por lo que no se generan fluidos y el mantenimiento es mínimo; también es un elemento de disponibilidad abundante, gracias a que se le encuentra en España, Alemania, Austria, Perú, entre otros países.
Cabe resaltar que la Tetraedrita no es un material caro: su precio oscila los 4 dólares por kilo, a diferencia de otros materiales termoeléctricos cuyos costos se encuentran entre los 24 y los 146 dólares.
Hasta el momento, la Tetraedrita ha sido utilizada para fabricar generadores termoeléctricos, y empresas relacionadas con la producción minera se han visto muy interesadas en adquirir este tipo de tecnología, ya que podrían aprovechar la gran presencia que tiene el calor residual dentro del sector. Lo mismo sucede en la industria del petróleo y el gas, o en la manufactura del cristal y el acero. A corto plazo, se cree que podría emplearse en la industria automotriz, específicamente en el transporte.
Las ventajas de la Tetraedrita frente a otros materiales
La eficiencia de los materiales termoeléctricos actuales equivale al 5 y 10 por ciento, porcentaje significativo si se le compara con el 2.5 por ciento que presentan otros materiales. Las termoeléctricas tradicionales utilizan materiales como el Telururo de Bismuto o Silicio Germanio, que, a diferencia de la Tetraedrita, no funcionan a altas temperaturas.
Si se les contrasta con otros sistemas de recuperación de calor residual, esta clase de generadores no requiere ninguna operación por parte del cliente, característica que lo vuelve ideal para aplicaciones remotas e industriales donde el soporte del sistema es limitado. Además, no necesita modificaciones en el motor y se instala muy fácilmente: únicamente se acopla el escape a la conexión eléctrica. De igual forma, la conexión estándar se puede completar en tan sólo dos horas.
Los alcances de esta tecnología son muy amplios, se puede emplear en generadores, automóviles, camiones, trenes, equipos de minería, barcos, motores a reacción y en los conductos de humo de escape de las fábricas para obtener energía.
Otras opciones
En investigación existen otras tecnologías termoeléctricas que aprovechan el calor residual, las cuales se concentran en mejorar los sistemas que se sirven de la energía solar; un ejemplo son los dispositivos de Telururo de Bismuto, que convierten el calor del sol en energía a través del efecto Seebeck, en el que una disminución brusca de temperatura puede dar lugar a una carga eléctrica. Este tipo de dispositivos, que se pretende integrar a calentadores solares convencionales, podría utilizarse en el sector residencial, comercial e industrial, posibilitando calefacción, agua caliente y generación de electricidad.
Finalmente, otras propuestas que también se encuentran en evaluación consisten en diseñar dispositivos fotovoltaicos basados en Germanio o en Silicio, especialmente para aplicaciones en el sector de la refrigeración y del aire acondicionado.
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