Pymes e institutos trabajan mano a mano con la industria electrónica: soluciones pioneras para una economía circular ecológica
Depuradores de gases de escape para fábricas de semiconductores, sobres de champú autodescomponibles, pilas de combustible de alta temperatura para la economía del hidrógeno y volantes de inercia para las calmas eólicas: La tecnología medioambiental se ha convertido desde hace tiempo en un importante factor económico y tecnológico en Sajonia.
Fig. 2: Banco de pruebas de laboratorio del Fraunhofer IKTS para la separación de metales pesados durante la incineración de lodos de depuradoraEstossistemas se basana menudoen tecnología conocida, pero sólo pueden revelar su verdadero potencial de eficiencia con electrónica adicional.
En la actualidad hay más de 700 empresas e institutos en el Estado federado, con más de 17.000 empleados y una facturación anual de más de 3.700 millones de euros en el sector de la tecnología medioambiental. Sólo en la capital del Estado federado, más de 360 actores se dedican a la "tecnología verde", como suele denominarse hoy a la tecnología medioambiental en el sentido más amplio de la palabra.
"Las empresas sajonas ocupan una posición de liderazgo, sobre todo en los mercados punteros de las energías renovables, el almacenamiento de energía y la economía circular", según una exposición de la Corporación de Desarrollo Económico de Sajonia. "El sector se beneficia de la larga tradición de Sajonia como centro industrial, en particular para la ingeniería mecánica y de plantas".
El Estado Libre sigue este camino no sólo desde que el nuevo gobierno "semáforo" de Berlín abogó por una renovación ecológica de la economía alemana. Al fin y al cabo, las raíces de la tecnología medioambiental aquí se remontan a la Edad Media, cuando los descubrimientos de plata en los Montes Metálicos atrajeron a gentes de toda Alemania a Sajonia para "minar". Ya entonces se produjeron numerosas innovaciones en materia de tratamiento, eliminación y reciclado. Una palabra que hoy se utiliza inflacionariamente también se remonta a esta línea de tradición: en 1713, el administrador jefe de minas de Freiberg, Hans Carl von Carlowitz, publicó el primer libro sobre el tema de la "sostenibilidad". El legado de la RDA y los proyectos de reorganización del periodo posterior a la reunificación dieron a este sector en el Estado Libre otro impulso considerable en términos de experiencia, desarrollo tecnológico y pedidos.
Y el sector sigue beneficiándose de esta experiencia acumulada durante años y siglos. "El impulso de crecimiento de la tecnología medioambiental es notable y supera al de otros sectores de la economía", estima la consultora Roland Berger en un estudio sobre "Greentech - Made in Saxony". Los mercados en los que se centra son Europa Occidental, Europa Oriental, Norteamérica y China. Y en vista de los objetivos de política energética, medioambiental y climática que se han fijado Alemania y muchos otros países del mundo, también cabe esperar un fuerte crecimiento en los próximos años de la investigación medioambiental, las tecnologías de reciclado y su utilización comercial.
Suprashming: tras la pista del motor sin fricción
Fig. 3: Los recubrimientos "Diamor" a base de carbono extremadamente duro desempeñan un papel clave en el camino hacia la superlubricación. El IWS quiere añadirles átomos extraños, como el boro, para que se combinen con determinadas moléculas de lubricante y creen interfaces ultralubricantes durante el funcionamiento. Esto debería reducir la fricción en el motor aproximadamente a la mitad en comparación con el nivelactualRecientemente, los Institutos Fraunhofer con sede en Dresde presentaron una serie de innovaciones que prometen una mayor protección del medio ambiente, un uso económico de los recursos y una reducción de costes en igual medida. Por ejemplo, un equipo dirigido por el Dr. Volker Weihnacht, del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos (IWS), está trabajando en motores y engranajes prácticamente sin fricción como parte de los proyectos conjuntos "Prometheus" y "Chephren". Combinan capas de carbono de dureza similar al diamante, que depositan en cámaras de vacío bajo control informático, con nuevos tipos de lubricantes respetuosos con el medio ambiente. Esto les permite crear interfaces ultralubricantes que reducen drásticamente la fricción en los motores. En el siguiente paso, los ingenieros quieren utilizar capas de mejor calidad, filtros de plasma y dopantes para avanzar hacia la llamada "superlubricación". Esto permitiría conseguir máquinas prácticamente sin fricción. Los investigadores no sólo piensan en el clásico motor de combustión, sino también en las cajas de cambios y los cojinetes de los coches y bicicletas de batería, así como en las cadenas de transmisión de las cosechadoras y los numerosos componentes móviles de las máquinas herramienta.
Los componentes superlubricantes "Chephren" deberían estar listos para la producción en serie a finales de la década. El interés de la industria ya es grande. Así lo demuestra la amplia participación en el proyecto conjunto. Entre otros, BMW, Wittenstein SE, VTD Vakuumtechnik Dresden, IWIS Munich y Fuchs Schmierstoffe de Mannheim están a bordo, así como el Ministerio Federal de Economía y Tecnología, que aporta financiación.
El uso sistemático de la "superlubricación" en motores y cajas de cambio de automóviles, autobuses y camiones, así como en la ingeniería mecánica en general, podría reducir las emisiones mundiales de dióxido de carbono en varios cientos de millones de toneladas al año. Los daños por desgaste, así como los costes de mantenimiento y lubricantes, se reducirían considerablemente. "Los avances tecnológicos, especialmente con capas de carbono extremadamente lubrificantes, deberían permitir por fin desterrar casi por completo la fricción de los sistemas técnicos", subraya el Dr. Weihnacht.
IKTS: Combinación de tecnologías de bucle cerrado en un complejo industrial
En los llamados sistemas Laser-ArcTM, por ejemplo, se crea una fina capa de carbono "tetraédrico amorfo", abreviado ta-C, en los segmentos de los pistones.Otro equipo del Instituto Fraunhofer espera obtener efectos ecológicosglobalesa partir de innovadores conceptos industriales y agrícolas que combinan inteligentemente fuentes de energía renovables, agricultura vertical y las últimas tecnologías electroquímicas y de tratamiento de aguas mediante filtros. Se utilizarán sistemas de control electrónico de última generación. "Con nuestras tecnologías, por fin podemos vincular los sectores del agua, la energía y la alimentación de una manera altamente eficiente", afirma el Dr. Burkhardt Faßauer, que dirige el Departamento de Tecnologías Circulares y Agua del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos (IKTS) de Dresde.
Si se tratan correctamente, las aguas residuales de municipios y antiguas minas en particular podrían convertirse en una fuente de materias primas, fertilizantes y energía. Faßauer se refiere a estimaciones según las cuales en la UE yacen latentes en las aguas residuales unos 87,5 TWh/a de energía, 1,8 millones de toneladas/a de nitrógeno y 275.000 toneladas/a de fósforo. Sin embargo, una parte importante de estos residuos no se ha aprovechado hasta ahora en vertederos o incineradoras. Sólo su contenido energético equivale a la producción anual de una docena de grandes centrales eléctricas.
Mediante la combinación de varios enfoques tecnológicos, algunos nuevos y otros ya conocidos, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Sajonia pretenden ahora aprovechar parte de estos tesoros en las aguas residuales. Se trata de reactores de combustión de lecho fluidizado que convierten los metales pesados de los lodos de depuradora en gases a temperaturas de entre 800 y 1.000 °C y luego los separan mediante filtros cerámicos resistentes al calor. Lo que queda es una ceniza concentrada de fósforo que puede transformarse en abono.
El equipo de Faßauer también cree que el ya conocido proceso de digestión de lodos de depuradora, que produce gas de depuradora, puede llevarse mucho más lejos que antes. Se podrían utilizar plantas especializadas para separar mejor los distintos componentes del gas de las aguas residuales y explotar centrales de cogeneración de calor y electricidad con mayor eficiencia utilizando el metano procesado. ElCO2 separado podría bombearse a invernaderos para aumentar el rendimiento de los cultivos. Si los procesadores de lodos de depuradora y los invernaderos están situados cerca unos de otros en las afueras de la ciudad, también son concebibles técnicas de cultivo que ahorren espacio, como la agricultura vertical, en la que los invernaderos o contenedores de cultivo se disponen verticalmente unos sobre otros. En general, estos conceptos sólo desarrollan todo su potencial cuando se disponen cerca unos de otros en fábricas complejas.
H2: ¿Se impondrá la electrólisis alcalina, la PEM o la de alta temperatura?
Filtro de gas caliente con elementos filtrantes cerámicos para la recuperación de materiales valiosos durante la incineración de lodos de depuradora (planta piloto en Pirna de TU Dresden, LTC - Lufttechnik Crimmitschau GmbH e IKTS)El dióxido de carbono separado de estas plantas de reciclaje de nueva generación también puede utilizarse para producir combustible sintético, por ejemplo, mediante la síntesis de Fischer-Tropsch, si el hidrógeno necesario para ello puede producirse de forma rentable y respetuosa con el medio ambiente. La industria y la investigación ecológicas de Sajonia y Alemania Central también están trabajando intensamente en ello en estos momentos. Esto incluye la red "HZwo" de Chemnitz, el nuevo campus del hidrógeno de Siemens y Fraunhofer en Görlitz, varios proyectos de las universidades de Dresde y Chemnitz, así como de los Institutos Fraunhofer IWS e IKTS, las empresas Linde y Sunfire de Dresde, FAE Elektrotechnik de Heidenau, Fuel Cell Powertrain Chemnitz y muchas otras. Y hace sólo unos meses, Chemnitz obtuvo financiación federal para un "Centro de Innovación del Hidrógeno y la Movilidad" (HIC), que se centrará sobre todo en el uso móvil de los propulsores de hidrógeno.
En Sajonia, el desarrollo y la construcción de electrolizadores a gran escala constituirán un importante foco de atención. Las empresas están siguiendo las tres vías tecnológicas básicas: Mientras que Linde, por ejemplo, está diseñando actualmente uno de los mayores electrolizadores PEM de Europa en Leuna, Sunfire se está concentrando tanto en la antigua tecnología alcalina como en la innovadora electrólisis de alta temperatura (SOEC), que promete unos niveles de eficiencia especialmente altos, pero sigue siendo bastante cara.
Por un lado, cabe esperar importantes reducciones de costes en los grandes electrolizadores y, por otro, en sus homólogas, las pilas de combustible, gracias a nuevos materiales y procesos. Sin embargo, es probable que estos sistemas clave para la estrategia alemana y europea del hidrógeno se abaraten significativamente sobre todo como resultado de un alejamiento del proceso de fabricación que aún domina en muchos lugares, especialmente en la producción de pilas. La tendencia es hacia la automatización acelerada de estos pasos de montaje utilizando métodos de la "Industria 4.0" y el uso masivo de sensores y robótica.
Alejarse de la fabricación: reducir costes mediante la automatización
Pila de electrólisis y muestra de combustible sintético de Sunfire DresdenTambiénmerece la pena echar un vistazo a las empresas medianas: el fabricante de maquinaria especial Xenon, por ejemplo, que surgió de un departamento del combinado informático de la RDA Robotron en 1990, ha puesto en marcha un ambicioso programa plurianual con este enfoque: Los ingenieros trabajan en máquinas de alta velocidad que montan a gran velocidad y de forma muy automatizada las pilas de placas de reactores para electrolizadores y pilas de combustible. "Vemos aquí buenas posibilidades de crear soluciones completamente nuevas para el montaje de pilas", afirma Hartmut Freitag, desarrollador de la unidad de negocio. Los sajones aluden también a su experiencia en la post-automatización de fábricas de semiconductores y otras empresas tecnológicas, que ha mejorado notablemente su competitividad internacional. Esta experiencia del sector de la electrónica debe aprovecharse ahora también en la industria de las plantas para escalar la economía del hidrógeno.
"Esperamos un fuerte aumento de la demanda entre 2027 y 2030", explica Freitag. Será entonces cuando se necesitarán auténticas máquinas expendedoras de alta velocidad. Por un lado, es probable que esto se deba a los numerosos electrolizadores a gran escala que se instalarán en Alemania y Europa a finales de la década. Por otro lado, se espera que salgan al mercado más vehículos comerciales y posiblemente también coches impulsados por hidrógeno, lo que también debería impulsar la demanda de pilas. "Estamos hablando de sistemas de ciclo muy rápido con una precisión de posicionamiento especialmente alta, reconocimiento por cámara y un alto grado de automatización", explica Benjamin Reichelt, que coordina el equipo de desarrollo del proyecto de la pila, formado por cuatro personas.
Además de los efectos económicos, también se depositan esperanzas ecológicas en el éxito de este tipo de proyectos: "Las tecnologías del hidrógeno pueden contribuir de forma decisiva a alcanzar la neutralidad climática en una sociedad moderna, conservadora de recursos y, al mismo tiempo, generadora de valor", según una evaluación conjunta de los Institutos Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas (IWS) de Dresde y de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Conformado (IWU) de Chemnitz. En el futuro, por ejemplo, será posible la propulsión de automóviles sin emisiones a partir de pilas de combustible que apenas cuesten más que un "motor de combustión". Desde el punto de vista tecnológico, la Dra. Ulrike Beyer, jefa del grupo de trabajo sobre hidrógeno de la IWU, ve para este objetivo un punto de inflexión muy similar al de los ingenieros de xenón de Dresde: "Sólo podremos conseguirlo si avanzamos de la fabricación previa a la producción en serie".
Tampón electricidad-hidrógeno-electricidad: la eficiencia sigue siendo demasiado baja
Christian von Olshausen, director general de Sunfire, delante de una planta de electrólisisPodríatener sentido considerar las pilas de combustible y los electrolizadores, que ya están estrechamente relacionados en términos tecnológicos, como un complejo y desarrollar enfoques de producción de alto rendimiento asistidos por robots para ambas familias de sistemas al mismo tiempo. Y es que el acoplamiento de ambos sistemas alberga la oportunidad de resolver, al menos parcialmente, otro de los retos de la transición energética. El hidrógeno podría servir de amortiguador energético de los picos y valles de suministro ("dark doldrums") de las centrales solares y eólicas. El concepto de producir hidrógeno electrolíticamente a partir del agua utilizando el excedente de electricidad procedente de fuentes de energía renovables y usarlo para volver a generar electricidad cuando se produzcan picos de demanda existe desde hace tiempo. Sin embargo, el gran avance todavía no se ha materializado. Esto también se debe a que la eficiencia de este proceso global de electricidad a hidrógeno y de nuevo a electricidad a menudo sólo alcanzaba entre el 30 y el 50 % en los sistemas más antiguos y, por tanto, estaba muy por debajo de la eficiencia de una gran batería. Sin embargo, los modernos sistemas de alta temperatura, en los que trabajan Sunfire, el Fraunhofer IKTS y otras entidades de Baviera, podrían aumentar esta eficiencia global hasta más del 65%. Los ingenieros se están alejando del concepto de sistemas reversibles que utilizan tecnología de control automático para alternar entre los modos de funcionamiento de la pila de combustible y el electrolizador por razones de eficiencia. Sin embargo, esto no es en general contrario al acoplamiento de electrolizadores y pilas de combustible optimizados en un complejo de almacenamiento de hidrógeno.
Almacenamiento en volantes de inercia para la oscuridad
A partir de mediados de la década, Xenon quiere introducir gradualmente en el mercado sistemas de montaje de alta velocidad para pilas de combustible y electrolizadores: Tobias Reissmann (izquierda), jefe de Xenon, y Hartmut Freitag, desarrollador de la unidad de negocioLos ingenieros de maquinaria de construcción de la Universidad Técnica de Dresde persiguen un planteamiento de almacenamiento de energía completamente distinto, en realidad conocido, pero muy modernizado: junto con socios de la industria, han construido un "almacenamiento cinético rotacional" (RKS) en Boxdorf, en la región minera lusa del lignito. Este sistema de almacenamiento con volante de inercia puede almacenar medio megavatio hora de energía y liberar hasta 500 kilovatios en horas punta. Según la universidad, este sistema de almacenamiento es, por tanto, cinco veces mayor que el mayor sistema de almacenamiento con volante de inercia construido hasta la fecha. Sin embargo, aún no es un producto listo para la producción en serie, sino más bien un demostrador.
"El objetivo era desarrollar un sistema de almacenamiento de energía duradero, dinámico y muy eficiente que pudiera instalarse directamente junto a un aerogenerador, es decir, donde se genera y transmite la electricidad con pocas pérdidas", explica el Dr. Thomas Breitenbach, de la Cátedra de Maquinaria de Construcción. "Para lograrlo, era necesario plantear exigencias completamente nuevas al sistema de almacenamiento y superar los límites de la tecnología". Expertos de los campos de la ingeniería mecánica, la ingeniería de instalaciones, la hidráulica, la tecnología de vacío, la ingeniería eléctrica y la tecnología de sensores colaboran para adaptar las capacidades mecánicas y electrónicas de este sistema a los requisitos de las redes actuales.
Los residuos de envases se descomponen en arena en el mar
Además de estas innovaciones en tecnología energética, los ingenieros de Baviera también trabajan en un problema ecológico completamente distinto que espera una solución en todo el mundo: hablamos de las montañas e islas flotantes de plástico que se han amontonado en todo el mundo o que van a la deriva por los océanos. El Instituto Fraunhofer de Electrónica Orgánica, Tecnología de Haz de Electrones y Plasma (FEP) persigue un enfoque de turbo reciclaje. Se centra en la mala costumbre, desgraciadamente muy extendida, de arrojar al mar desde los barcos los sobres de champú y otros pequeños envases de plástico similares, o de tirarlos descuidadamente a la calle. La siguiente estación de lluvias arrastra estos residuos al siguiente río y, en última instancia, al mar, donde los residuos de envases se suman a las islas flotantes de basura. Por ello, un equipo de la FEP dirigido por el Dr. John Fahlteich ha desarrollado unos sobres de champú que se convierten en óxidos de silicio -en última instancia, arena- y biopolímeros en el agua de mar. "En el mar, estos envases se descomponen por sí solos en menos de seis meses", promete John Fahlteich.
Vista en sección parcial de la construcción de la unidad de almacenamiento cinético rotacional con un humano como punto de referencia
Buques de pirólisis contra islas flotantes de residuos plásticos
Producido a partir de residuos plásticos: mezcla de combustible del contenedor de pir ólisis de Biofabrik En el otro extremo de la cadena, es decir, las montañas e islas de residuos, es donde entra en juego "Biofabrik" Dresde: Han diseñado sistemas de pirólisis que utilizan un control preciso del proceso para convertir bolsas de film, botellas de PET y otros residuos de la civilización en aceite, cera y otras sustancias orgánicas aprovechables de forma especialmente eficiente. Para ello, los reactores calientan los plásticos justo por debajo del punto de combustión. Allí, las largas cadenas de polímeros se licúan en moléculas más cortas. Las sustancias resultantes pueden transformarse, por ejemplo, en gasóleo marino. El objetivo de las plantas es reducir los vertederos de residuos en los países en vías de industrialización y en vías de desarrollo, además de proporcionar fuentes de ingresos seguras a la población local. También está previsto instalar en el futuro versiones móviles en los buques. Éstas, posiblemente controladas por inteligencia artificial, "devorarán" las islas flotantes de residuos plásticos en los océanos. Estas fábricas flotantes de reciclaje altamente automatizadas podrían utilizar los productos de la pirólisis para rellenar sus propios depósitos de gasóleo.
"Nuestra visión es desarrollar modelos de negocio sostenibles y rentables", subraya el equipo de Bio-fabrik. Están convencidos de que la eliminación de los residuos plásticos de la tierra no tiene por qué ser un proyecto permanentemente subvencionado, sino que incluso puede ser rentable. Y la demanda de esta tecnología medioambiental de nueva generación también es considerable a escala internacional, asegura el portavoz de Biofabrik, Hendrik Oeser: "Desde que China ha prohibido las importaciones de residuos plásticos, la demanda de otras opciones de reciclaje ha sido alta en todo el mundo."
Fuentes:
Corporación de Desarrollo Económico de Sajonia,
Fraunhofer IWS, IKTS, FEP, IWU,
Biofabrik,
TU Dresden,
TU Chemnitz,
Oiger.de,
Ministerio de Economía de Sajonia,
Oficina Estatal de Estadística de Kamenz,
Xenon,
Sunfire
