OPERA
El proyecto OPERA con referencia TED2021-132660B-I00 , ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, en la Convocatoria 2021 de Proyectos estratégicos orientados a la transición ecológica y a la transición digital, del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023, en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resilencia.
En 2018, los sistemas de refrigeración tradicionales representaron el 15 % del consumo eléctrico global, produciendo el 10 % de las emisiones CO2, y se espera que crezca al 45 % en 2050. El enfriamiento radiativo es una tecnología prometedora para reducir el consumo de energía de los procesos de refrigeración. Se basa en la diferencia de temperatura entre el ambiente terrestre (300 K) y el espacio profundo (3 K), lo que permite enfriar la superficie terrestre emitiendo radiación térmica a través de la atmósfera, que presenta una ventana de transparencia en el rango de longitud de onda de 8-13 micras. Durante varias décadas, el enfriamiento radiativo diurno ha sido un desafío, ya que se requiere que los materiales no solo tengan una alta emisividad en la ventana atmosférica, sino que también deben tener una baja absorción en el espectro solar (0.3-2.5 um).
Con la aparición de nuevas clases de materiales nanofotónicos, el enfriamiento radiativo diurno es una posibilidad, abriendo su uso a una variedad de aplicaciones: enfriamiento de edificios, células solares más eficientes, enfriamiento para máquinas de aire acondicionado, generación de agua a partir del rocío, o incluso disminución de la temperatura de la superficie terrestre. Aparte de la dependencia espectral, la transparencia atmosférica también se ve afectada por otros factores como el ángulo cenital, que puede minimizarla hasta en un 50% para ángulos de 60º. Por lo tanto, es deseable señalar hacia el cenit (es decir, ángulos cenitales pequeños).
El proyecto OPERA propone el uso de diseños ópticos para apuntar al cenit y mejorar el rendimiento de los sistemas de enfriamiento radiativo. Este avance tecnológico se utilizará para desarrollar un dispositivo que demostrará experimentalmente un coeficiente de enfriamiento un 20 % superior al alcanzado por los sistemas actuales. Los diseños de las ópticas, basados en técnicas free-form, se adaptarán a las nuevas especificaciones espectrales (emisión entre 8 y 13 um y reflexión de la parte restante del espectro) y las restricciones de geometría (la emisión de transferencia de calor térmico es más eficiente para los diseños en forma de tubo, lo que puede restringir el diseño de la óptica).
Para lograr el objetivo general de este proyecto, se proponen los siguientes objetivos específicos:
- Diseño de una estructura óptica para aumentar la potencia de enfriamiento radiativo mediante la restricción del ángulo cenital. Se analizarán diferentes geometrías y configuraciones, utilizando diseños con espejos reflectantes y lentes de fresnel para bloquear la radiación atmosférica apuntando al espacio profundo
- Desarrollo y validación experimental de un prototipo. Fabricación de los diferentes componentes de un sistema de refrigeración para fluidos por enfriamiento radiativo (estructura óptica, superficie radiante, contenedor de fluidos), su montaje y evaluación del rendimiento. Se realizarán diferentes pruebas de validación para medir la capacidad de enfriamiento.
- Diagnóstico de aplicaciones adecuadas para enfriamiento radiativo con concentración óptica. El objetivo consiste en la elaboración de un informe de mercado donde se identificarán las aplicaciones adecuadas de las actividades de diseño y explotación de la concentración.
Considerará el estado del arte de las aplicaciones y líneas de investigación actuales de enfriamiento radiativo, y un análisis de la eficiencia de enfriamiento frente a la diferencia de temperatura.
Impacto científico técnico o internacional esperable:
El proyecto propone contribuciones científico-técnicas significativas en el desarrollo de metodologías para:
- Diseño y validación experimental de una estructura óptica que incremente el rendimiento de los sistemas de enfriamiento radiativo. Este proyecto es pionero en utilizar el diseño óptico para apuntar al espacio profundo y bloquear la radiación atmosférica.
- Producción de un prototipo optimizado. Permitirá que otros científicos y/o empresas adquieran un producto que funcione correctamente y que sin duda sea adecuado para su sistema.
- Generación de un análisis comparativo de aplicaciones de enfriamiento radiativo en función de la temperatura. Este análisis puede ayudar a otros investigadores a identificar fácilmente la aplicación más adecuada para su dispositivo, sin necesidad de realizar un estudio previo. Aunque el ámbito es España, la metodología podría extrapolarse a otras regiones.
- Promoción de las energías renovables. El aumento de la refrigeración para los sistemas solares renovables (fotovoltaicos y térmicos) ayudará al despliegue de este tipo de tecnologías. Fomentará la creación de más empresas en el sector, aumentando posteriormente la competitividad y la eficiencia..
Los objetivos y desarrollos del proyecto OPERA están relacionados directamente con los objetivos de la Transición Ecológica, el PERTE de Energías Renovables, Hidrógeno Renovable y Almacenamiento, el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021 -2030, y la Acción 5 (Clima, Energía y Movilidad) del PLAN DE ESTADO DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN CIENTÍFICA Y TÉCNICA para el periodo 2021-2023. El impacto científico de esta propuesta se desarrolla en tres aspectos principales: descarbonización, transición energética y protección de los recursos naturales. Gracias al aumento del sistema óptico, la disminución de la temperatura puede obtenerse de una fuente distinta a los combustibles fósiles, ayudando a descarbonizar el medio ambiente. También promueve la transición energética, favoreciendo el desarrollo de los sistemas de energía solar, que tiene un futuro prometedor en España por su alto recurso solar. Finalmente, al ser aplicable en procesos de refrigeración industrial y generación de agua, apoya el desarrollo de ecosistemas sostenibles, eficientes, limpios y seguros.
Los resultados del proyecto tendrán un impacto directo en la sociedad, contribuyendo a los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) 7 y 13 de Naciones Unidas, disminuyendo los precios al consumidor con energía más limpia y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
Otro punto clave es la creación de empleo. El enfriamiento radiativo contribuirá a la mejora de diferentes campos de aplicación, como la energía solar (fotovoltaica y térmica), la refrigeración de edificios y procesos, o la generación de agua, creando trabajo en diferentes campos: diseños ópticos, fabricación de prototipos, montaje en industrias o mantenimiento de dispositivos. Los resultados del proyecto ayudarán a impulsar la competitividad española en diferentes áreas de tecnología y conocimiento dentro del diseño óptico.
En cuanto a CEDINT-UPM, los resultados del proyecto OPERA permitirán al equipo investigador ganar una posición estratégica con ventajas competitivas y tener un impacto en el acceso a la financiación del programa HORIZON EUROPE.
