Hace cinco años, el ingeniero eléctrico Sun Hongbin recibió lo que muchos considerarían una tarea imposible: construir un sistema de energía limpia completa en medio de algunas de las temperaturas más frías de la Tierra, gritos de vientos y oscuridad de medio año.
Luego, China estaba construyendo su quinta estación de investigación antártica, llamada Qinling, en la isla inexpresable en Terra Nova Bay. Y el gobierno de la nación estaba presionando el concepto de “expediciones verdes” para proteger el entorno de la Antártida y singularmente frágil mientras estudiaba y examinaba el continente. “Entonces, tener un sistema que proporcionaría la mayor parte de la energía de Qinling con una potencia renovable que se ajusta a ese objetivo”, dice Sun.
Pero las instalaciones solar y viento convencionales no son rival para las temperaturas que caen por debajo de –40 grados centígrados, vientos de hasta 300 kilómetros por hora (kmh) y tormentas feroces. Tales condiciones pueden cuchillas de turbina eólicareduce bruscamente el rendimiento de los paneles solares y evita que las baterías se carguen y descargen correctamente. Y, por supuesto, están los seis meses de la noche polar, cuando el sol nunca sale sobre el horizonte.
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El sistema de energía limpia en la estación de investigación Qinling de China en la Antártida comprende paneles solares, turbinas eólicas, un sistema de energía de hidrógeno y baterías.
Miembros del 41º equipo de expedición antártica de China
“Fue un gran desafío” construir un sistema para el continente más frío, más oscuro y remoto de la Tierra, dice Sun, ahora presidente de la Universidad Tecnológica de Taiyuan en China y científico jefe de energía limpia polar en el Instituto de Investigación Polar de China.
Pero a fines de 2024, su equipo viajó a la estación para instalar un sistema que tardó $ 14 millones en desarrollarse. Consiste en 10 turbinas eólicas, 26 módulos solares, un sistema de energía de hidrógeno, un contenedor lleno de baterías de iones de litio resistentes a las heladas y una red inteligente que puede predecir y equilibrar la oferta y la demanda. Todo el sistema renovable ahora está funcionando y, según Sun, debería proporcionar la mitad de las necesidades de energía anuales promedio de la base.
“El uso de la energía limpia es un gran avance para mantener el continente limpio”, dice Kim Yeadong, presidente del Comité Nacional de Investigación Polar de Corea en Corea del Sur, que no participó en el proyecto. “Otras estaciones probablemente tendrán que aprender cómo logran tanta energía limpia. Creo que es notable”.
Donde el poder diesel es el rey
A Análisis de preimpresión 2024 De 81 bases de investigación antártica descubrieron que 37 habían instalado fuentes de energía renovable, como paneles solares y turbinas eólicas. Pero la proporción de energía renovable que estas bases usaban era “a menudo baja”, escribieron los investigadores. Una excepción hasta ahora ha sido la estación de princesa Elisabeth de Bélgica, que solo cuenta con personal durante el verano antártico. Funciona completamente con energía eólica y solar, aprovechando la luz del día de casi las 24 horas. Aun así, la gran mayoría de las estaciones todavía depender de Generadores con motor diesel para mantener a sus tripulaciones calientes, alimentadas y seguras. La razón principal por la que este es el caso es simplemente que “están acostumbrados a usar diesel”, dice Daniel Kammen, profesor de energía en la Universidad de California, Berkeley.
Pero confiar en el combustible diesel tiene desventajas: es logísticamente difícil y costoso transportar combustibles fósiles voluminosos y líquidos a una ubicación tan remota, a menudo rodeada de hielo marino. Recursos altamente especializados, que incluyen típicamente rompehielos y personal militar, deben realizar el difícil viaje de reabastecimiento de combustible, que generalmente tiene lugar solo una vez al año, bajo una planificación cuidadosa.
El área a lo largo del Mar de Ross es conocida por su fuerte viento.
Y las apuestas son altas para el ecosistema relativamente prístino de la Antártida y fácilmente interrumpido. “Cada estación que tiene aceite u otros combustibles ha tenido derrames”, dice Kammen. Aunque los derrames de petróleo importantes han sido raros, cualquier contaminación puede tener consecuencias graves en el suelo y el agua antártica porque tarda mucho tiempo en descomponerse en temperaturas subzero. Eso sin mencionar el peaje que quemar combustibles fósiles está asumiendo el ecosistema antártico a través del cambio climático.
Por lo tanto, hay un incentivo significativo para alejarse del diesel. Sin embargo, “las turbinas eólicas convencionales, los paneles solares, el almacenamiento de la batería y los sistemas de energía de hidrógeno están diseñados para funcionar por encima de –30 grados [C]pero las condiciones de las estaciones antárticas a menudo son mucho peores “, señala Sun.” En Qinling, por ejemplo, Gales sopla a 73 kmh o más rápido durante más de 100 días cada año. Cuando esto sucede a temperaturas frías, las turbinas eólicas se vuelven frágiles y se rompen fácilmente ”.
Además, las tecnologías de batería e hidrógeno, que se utilizan para almacenar energía eólica y solar para su uso posterior, fueron “no lo suficientemente buenas” en el pasado para garantizar que los suministros de energía para las bases sean confiables durante todo el día y durante todo el año, dice Kammen.
Confesarse
Para superar esos obstáculos, Sun y su equipo construyeron un laboratorio de 2,000 metros cuadrados en la Universidad Tecnológica de Taiyuan para simular las condiciones climáticas extremas de la Antártida. Cuenta con controles que pueden bajar la temperatura interior a –50 grados C, una máquina de viento que puede explotar ráfagas de hasta 216 kmh y generadores de nieve que pueden preparar tormentas instantáneas.
Durante cuatro años de pruebas, el equipo desarrolló una serie de sistemas de energía renovable listos para la Antártía. Un diseño es una turbina que evita las cuchillas con forma de molinillo de un molino de viento tradicional; En su lugar, tiene forma de cazador de huevo volcado, con ambos extremos de cada cuchilla curva unida a un poste central. Este diseño reduce el área de superficie de la cuchilla que el viento está empujando, minimizando el estrés en la estructura y aún captura suficiente fuerza para generar electricidad. Y baja el centro de gravedad de la turbina para ayudar a evitar que se derrumbe en el viento, dice Sun.
Un conjunto de baterías que se están probando en un laboratorio en la Universidad Tecnológica de Taiyuan en China para ver si pueden funcionar en la Antártida.
Su equipo también instaló turbinas que tienen una forma convencional pero usan cuchillas hechas con fibra de carbono, un material fuerte y liviano que puede soportar temperaturas tan bajas como –50 grados C, según Wang Bin, uno de los ingenieros que fue a la Antártida para construir el sistema. Estas cuchillas también son más cortas que las estándar para reducir el contacto con los vientos y aumentar la resiliencia estructural, dice Wang.
Para el sistema de energía solar, se construyó un marco de soporte especial para asegurar los paneles al suelo para que puedan mejorar el clima de los vientos y las fuertes nieve. Y en lugar de la aleación de aluminio habitual, el marco está hecho de plástico reforzado con fibra. Este último tiene una conductividad térmica más baja, explica el equipo de Sun, lo que significa que la temperatura del marco cambia mucho más lentamente cuando se establece el frío y, por lo tanto, no se deforma tan fácilmente.
En lugar de almacenar la potencia en los tipos más comúnmente empleados de baterías de iones de litio, que funcionan mal en temperaturas bajo cero, el equipo usó baterías de litio titanato. Su química facilita que los iones de litio se muevan dentro de la batería durante los procesos de carga y descarga a temperaturas extremadamente bajas. Los científicos también construyeron un estuche térmico alrededor de las baterías para mantenerlas calientes y diseñaron un sistema para recolectar y almacenar el calor de los desechos, lo que puede volver a dirigirse a la caja cuando su temperatura interna se vuelve demasiado baja, agrega Wang.
Se espera que la estación Qinling de China tenga más de la mitad de su energía proveniente del sistema renovable.
Miembros del 41º equipo de expedición antártica de China
Pero quizás el paso más significativo que el equipo dio fue llevar energía de hidrógeno a Qinling para ayudar a alimentar la estación durante el invierno largo y oscuro.
Para producir hidrógeno renovable, un aparato llamado electrolizador funciona con energía eólica y solar para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Este último se destina a tanques de alta presión que pueden almacenarlo durante más de un año; Cuando están llenos, los tanques por sí solos pueden mantener toda la base durante unas 48 horas, según el equipo de Sun. Para hacerlo, el hidrógeno se dirige a un dispositivo electroquímico llamado celda de combustible, donde reacciona con oxígeno desde el aire para producir electricidad, con solo agua y calor como subproductos. El primero se recicla para usar en la electrólisis adicional, y el segundo se almacena para calentar el electrolizado cuando hace demasiado frío para correr.
El sistema renovable actualmente puede producir el 60 por ciento de la producción general del sistema de energía de Qinling cuando funciona a plena explosión, con el 40 por ciento restante proveniente de diesel. Pero Sun y su equipo están decididos a aumentar ese porcentaje, y a llevar sistemas de energía limpia a otras bases polares chinas también. “El sesenta por ciento es un gran comienzo, pero uno necesita aumentar”, dice Kammen. “El objetivo realmente debe ser 100 por ciento de energía renovable durante todo el año”.
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