La nueva batería solar 'líquida' que jubilará a las de litio: calefacción y agua caliente gratis desde el tejado de casa

Tras décadas de desarrollo y todo tipo de avances tecnológicos, el gran desafío actual de la energía solar no es tanto la generación, con cada vez mejores tasas de eficiencia y conversión de luz en electricidad, como almacenarla durante largos periodos para liberarla cuando no hay sol.

Y es que, aunque España lleva años batiendo récords de potencia fotovoltaica instalada y de producción en las horas centrales del día, esa abundancia no coincide siempre con los momentos de mayor demanda, lo que obliga a desperdiciar parte de esa electricidad o a apoyarse en combustibles fósiles cuando cae la noche.

El desarrollo de las baterías avanza en paralelo, pero todavía tienen importantes límites en cuanto a su capacidad y durabilidad, y dependen de materiales escasos y contaminantes. Hay proyectos prometedores, como los que apuestan por miles de toneladas de arena o piedras trituradas como materiales capaces de almacenar calor y utilizarlo en forma de calefacción, pero sus capacidades son limitadas.

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Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Santa Barbara (UCSB) ha desarrollado una batería solar 'líquida', capaz de capturar la energía del sol en un compuesto químico, guardarla durante años y liberarla después en forma de calor suficiente para hervir agua.

La clave es una molécula orgánica modificada, la pirimidona, que imita al ADN para revolucionar el conocido como almacenamiento de energía solar térmica molecular (MOST). Estos materiales se convierten en el verdadero depósito de energía: se cargan con luz y, cuando se activan, devuelven esa energía como calor.

En este caso, el equipo liderado por la profesora de la UCSB Grace Han ha diseñado una molécula de pyrimidona capaz de alcanzar una densidad energética superior a 1,6 megajulios por kilogramo.

Eso significa que almacena casi el doble de energía que una batería típica de iones de litio, que ronda los 0,9 MJ/kg en aplicaciones comerciales. Esta comparación ayuda a entender por qué el avance es tan relevante más allá del laboratorio.

Grace Han, directora del Han Group que ha desarrollado la batería solar 'líquida' Jeff Liang / UCSB Omicrono

Han Nguyen, estudiante de doctorado del Han Group y autor principal del artículo publicado en Science, lo compara con el funcionamiento de las gafas de sol fotocromáticas. "Cuando estás en un espacio interior, son simplemente lentes transparentes. Al salir al sol, se oscurecen por sí solas. Al volver al interior, las lentes vuelven a ser transparentes".

"Ese tipo de cambio reversible es lo que nos interesa", señala Nguyen. "Solo que, en lugar de cambiar de color, queremos utilizar la misma idea para almacenar energía, liberarla cuando la necesitemos y luego reutilizar el material una y otra vez".

Batería líquida

La clave del avance de los investigadores del Grupo Han está en cómo se comporta la pirimidona cuando recibe luz: actúa como un muelle mecánico a escala molecular. Al absorber fotones, la estructura se retuerce y pasa a una forma tensa, de alta energía.

Esa forma, conocida como isómero tipo Dewar, queda bloqueada y no vuelve por sí sola al estado inicial, de modo que la energía queda atrapada en los enlaces químicos en vez de disiparse.

ADN Shutterstock

Siguiendo con la analogía de las gafas fotocromáticas, para activar el cambio de fase entre la opacidad y la transparencia la molécula puede recibir distintos tipos de señales, desde un pequeño aumento de la temperatura hasta la presencia de un catalizador, como un ácido.

Cuando se aplica esa señal, la molécula deja su geometría tensa y vuelve al estado relajado. Ese cambio es el que libera de golpe la energía acumulada en forma de calor, igual que sucede con un muelle comprimido que se suelta de repente en una máquina de pinball, por ejemplo.

Uno de los elementos más sorprendentes de la investigación es que se basa en el funcionamiento del ADN humano. Concretamente, los químicos de la UCSB se inspiraron en ciertos daños que sufren las bases nitrogenadas de nuestro material genético bajo radiación ultravioleta.

A partir de esa idea, crearon una versión sintética y estable, capaz de soportar múltiples ciclos de carga y descarga sin degradarse rápidamente.​

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"Dimos prioridad a un diseño de molécula ligero", explica Nguyen. "Para este proyecto, eliminamos todo lo que no necesitábamos para que la molécula fuera lo más compacta posible".

Esta estrategia es la que les ha permitido superar el umbral de 1,6 MJ/kg y situarse por encima de baterías comerciales y de otros conmutadores ópticos similares desarrollados previamente.

Más allá del laboratorio

El avance va más allá de las simulaciones matemáticas realizadas en el ordenador. De hecho, en pruebas de laboratorio, el equipo logró que la energía liberada por una pequeña cantidad del líquido MOST hiciera hervir agua, algo que hasta ahora se consideraba como un desafío insuperable en este campo.

Llevar el agua al punto de ebullición requiere mucha energía por unidad de volumen, por lo que superar ese listón es una prueba clara de la potencia del sistema.

Diagrama que explica el funcionamiento de las baterías solares líquidas. I.M. / ChatGPT Omicrono

Las conclusiones positivas no acaban ahí. Otra de las ventajas del líquido desarrollado por el equipo de la UCSB es que es soluble en agua. Así, esta 'batería líquida' podría circular por colectores transparentes instalados en los tejados de las viviendas, cargándose con la luz durante el día.

Una vez 'cargado', el líquido se almacenaría en depósitos aislados y, al anochecer, se activaría para calentar agua sanitaria o aportar calefacción al hogar sin necesidad de quemar combustibles fósiles o recurrir a otras fuentes de energía.​

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La diferencia con un sistema solar térmico convencional como los que ya existen es que aquí la energía no se guarda solo como calor en un tanque, que se enfría con el tiempo, sino en forma de energía química que puede permanecer almacenada durante años sin pérdidas significativas. Solo cuando se dispara la reacción, el contenido energético se convierte en calor aprovechable.

Pese a los notables avances, de momento​ la tecnología tiene limitaciones que los propios autores reconocen sin ambages. La versión actual de la molécula se activa principalmente con luz ultravioleta, que representa alrededor del 5% de la radiación solar que llega a la superficie terrestre.

Para hacerla realmente competitiva a escala comercial, los investigadores trabajan en desplazar su sensibilidad hacia longitudes de onda visibles para poder aprovechar una parte mucho mayor del espectro solar.

Si logran ese objetivo, el concepto de 'batería líquida' cargada con la luz del sol podría extenderse a muchas aplicaciones comerciales, desde sistemas de calefacción doméstica hasta soluciones para zonas sin acceso a red eléctrica.