Volverse verde
Alemania es cada vez más "verde": construye aerogeneradores y plantas de energía solar. La industria alemana cambiará y fabricará vehículos eléctricos en lugar de coches con motores de combustible, como ya ha empezado a hacer. La transición haciala neutralidad de CO2 no será indolora, pero podemos ser optimistas por nuestros hijos y nietos. Es de esperar que esto se aplique también a otros países europeos y también a Norteamérica. Pero, ¿qué futuro les espera a los países de Oriente Medio, como Arabia Saudí, que obtiene alrededor del 95% de sus ingresos de los combustibles fósiles? ¿O Indonesia, el mayor exportador de carbón del mundo? La predicción es que estos países sufrirán un doble golpe. La demanda mundial de combustibles fósiles disminuirá, lo que provocará una caída de sus precios. Por tanto, estos países exportarán menores volúmenes y recibirán menos por tonelada o por barril. Que yo sepa, la mayoría de estos países no tienen planes para un futuro en el que sus principales exportaciones se reducirán y acabarán desapareciendo.
La única excepción, sin embargo, es Arabia Saudí. El país ha empezado a construir una enorme ciudad nueva en el desierto: Neom. Es la pieza central de la "Visión 2030" de Arabia Saudí y se espera que cueste alrededor de 1 billón de dólares. El príncipe Mohammed Bin Salman, impulsor del proyecto, afirma que estará terminado en 2030, aunque pocos lo creen. Sólo hay una palabra para definir el concepto: increíble. La pieza central de Neom será la llamada "The Line", que albergará a un millón de personas. Será un muro de edificios de unos 160 kilómetros de largo, 500 metros de alto y 200 metros de ancho, que se extenderá desde el Mar Rojo hasta el desierto de Tabuk. Neom funcionará exclusivamente con energías renovables. Dentro de "La Línea" está prevista una línea de ferrocarril. Los trenes circularán a unos 500 km/h, aproximadamente la misma velocidad que el Shinkansen japonés, y tardarán unos 20 minutos en viajar de un extremo a otro de la línea. El planificador principal de Neom es la empresa estadounidense Morphosis(www.morphosis.com), dirigida por el galardonado arquitecto Thom Mayne. La figura 1 muestra "La Línea" en un mapa de Oriente Próximo.
Fig. 2: Diferentes regiones de la megaciudad de Neom
No cabe duda de que Neom se está construyendo y de que los saudíes disponen de enormes medios financieros para hacerlo. La figura 2 da una idea del concepto. Se trata de una gran oportunidad para la industria alemana, ya que prácticamente no hay fabricantes locales en Arabia Saudí. Puertas, ventanas, vigas de acero, cables y accesorios eléctricos, tuberías de agua, plantas de tratamiento de aguas residuales... la lista es interminable. Por no hablar de las necesidades ferroviarias y de transporte. También hay planes para un complejo industrial flotante: Oxagon, llamado así por su forma. Habrá una enorme planta desalinizadora y de producción de hidrógeno, y también, antes de que se me olvide, una estación de esquí, llamada Trojena.
¡Cuántas preguntas!
Los saudíes están construyendo la nueva ciudad de Neom en una de las zonas más inhóspitas del mundo. Apenas llueve y las temperaturas en verano rondan los 44°C, pero pueden alcanzar los 50°C, y con el calentamiento global, estas cifras seguramente aumentarán. Sí, habrá energía solar, pero la megaciudad necesitará almacenamiento de electricidad durante unas 12 horas al día. Pero el verdadero problema es éste: En esta nueva ciudad, los saudíes quieren crear nuevas industrias y nuevas fuentes de ingresos. Actualmente, el país tiene unos ingresos anuales de unos 150.000 millones de dólares procedentes del petróleo, el gas y los hidrocarburos relacionados. El plan es sustituir estos ingresos creando industrias y otras actividades similares a las de Alemania, Inglaterra o Francia. Entre ellas figuran la industria manufacturera, la banca y otras actividades financieras, así como el turismo, ¡incluido el esquí! En otras palabras, quieren competir con nosotros aquí en Europa. En Oxagon está prevista una inversión de 8.400 millones de dólares para crear una nueva empresa, la Neom Green Hydrogen Company (NGHC), que producirá amoníaco a partir de hidrógeno verde. ¿Se trata de una fantasía o de un serio desafío? Dejo a los lectores que saquen sus propias conclusiones.
El litio no es el único actor en el mercado de las baterías
Las baterías de niobio-grafeno se desarrollarán en Singapur, en el Centro de Materiales Avanzados 2D (CA2DM) de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), que recibe el óxido de niobio necesario de la Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração ( CBMM), especialista brasileña en niobio (Fig. 3).
Fig. 3: Los investigadores de NUS-CA2DM Dr Govindan Kutty Rajendran Nair, Dr Sergio G. Echeverrigaray y Dr Yang Jie trabajando en la sala de secado del Laboratorio de Baterías Avanzadas CBMM-CA2DM.
Según la NUS, el niobio (un material relativamente abundante y respetuoso con el medio ambiente) sirve como material activo primario en el electrodo negativo de las baterías, mientras que también se utiliza como aditivo en el electrodo positivo.
El grafeno se utiliza tanto en el electrodo negativo como en el positivo para aumentar la conductividad electrónica y la estabilidad estructural. En el electrodo negativo, la estructura cristalina única de los materiales de niobio permite una carga rápida sin dañar la estructura. En el electrodo positivo, los materiales de niobio pueden aumentar la conductividad iónica y proteger el material activo de la degradación.
Además, la baja densidad del grafeno mejora notablemente la conductividad electrónica de ambos electrodos sin comprometer la densidad energética global de la batería.
Las baterías se probarán en el nuevo Laboratorio de Baterías Avanzadas CBMM-CA2DM, inaugurado el 22 de mayo de 2023 por la NUS y el CBMM y establecido con una inversión conjunta de 3,8 millones de dólares en tres años con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación de Singapur. Se espera que el prototipo final de la batería de niobio-grafeno esté terminado en el primer trimestre de 2024.
Rogerio Ribas, Director Mundial de Baterías del CBMM, ha declarado: "Como las nuevas baterías de grafeno-niobio tienen una vida útil más larga (estimada en 30 años), reducen significativamente el coste total de propiedad en comparación con las actuales baterías de iones de litio y pueden cargarse ultrarrápidamente, normalmente en unos 10 minutos. También ofrecen mayor seguridad, ya que no hay riesgo de explosión ni siquiera a altas temperaturas.
Ribas explicó: "Son las primeras baterías que combinan aplicaciones de niobio tanto en el cátodo como en el ánodo y ofrecen ventajas como una mayor potencia de entrada y salida, un rango operativo de temperatura más amplio y un mayor estado de carga, lo que permite desarrollarlas para mercados específicos como aplicaciones comerciales e industriales, incluidos los sistemas de frenado regenerativo para vehículos híbridos, aplicaciones pesadas, intralogística, herramientas eléctricas inalámbricas y otras."
¿Y el calcio?
Un grupo de investigación de la Universidad de Tohoku (Japón) ha desarrollado un prototipo de batería recargable de calcio (Ca) metal que puede soportar 500 ciclos de carga y descarga repetidos. Las baterías de calcio-metal podrían constituir una alternativa a las baterías de iones de litio (LIB), ya que el calcio es abundante, barato y tiene una densidad energética mayor que las LIB. También se cree que las propiedades del elemento ayudan a acelerar el transporte y la difusión de iones en electrolitos y materiales catódicos, lo que le da ventaja sobre otras alternativas a las LIB, como el magnesio y el zinc. A pesar de estas ventajas, las baterías de calcio metal se enfrentan a varios retos que deben superarse antes de que sean comercialmente viables. La falta de un electrolito eficiente y de materiales catódicos con suficiente capacidad de almacenamiento de Ca2+ han demostrado ser los mayores obstáculos.
En 2021, algunos miembros del actual grupo de investigación aportaron una solución al desarrollar un nuevo electrolito de calcio sin flúor basado en un cluster de hidrógeno (monocarborano) (Fig. 4). Se dice que el electrolito ha mostrado un rendimiento electroquímico significativamente mejorado, como una alta conductividad y una gran estabilidad electroquímica. "En nuestra investigación actual, hemos probado el funcionamiento a largo plazo de una batería de Ca-metal con un cátodo compuesto de nanopartículas de sulfuro de cobre (CuS) y carbono y un electrolito basado en hidruros", explica Kazuaki Kisu, profesor adjunto del Instituto de Investigación de Materiales (IMR) de la Universidad de Tohoku (Japón).
Fig. 4: Electrolito de clúster de hidrógeno
El CuS, también un mineral natural, tiene propiedades electroquímicas favorables, como su estructura en capas, que le permite almacenar diversos cationes, entre ellos litio, sodio y magnesio. Tiene una gran capacidad teórica de 560 mAh g-1, que es de dos a tres veces superior a la de los actuales materiales catódicos para baterías de iones de litio.
Mediante la nanoparticulación y la composición con materiales de carbono, Kisu y sus colegas consiguieron crear un cátodo capaz de almacenar grandes cantidades de iones de calcio. En combinación con el electrolito tipo hidruro, han producido una batería con un rendimiento de ciclo muy estable. El prototipo de batería conservó una capacidad del 92% a lo largo de 500 ciclos, basándose en la capacidad del décimo ciclo. El grupo cree que su descubrimiento ayudará a avanzar en la investigación de materiales catódicos para baterías basadas en calcio.
"Nuestro estudio confirma la viabilidad de los ánodos de Ca-metal para el funcionamiento a largo plazo, y esperamos que los resultados impulsen el desarrollo de las baterías de Ca-metal", afirma Kisu en un comunicado.
Calcium Metal Batteries with Long Cycle Life Using a Hydride-Based Electrolyte and Copper Sulfide Electrode; Kazuaki Kisu, Rana Mohtadi, Shin-ichi Orimo. Advanced Science, 19 de mayo de 2023. https://doi.org/10.1002/advs.202301178
¿Un nuevo actor en el campo del almacenamiento de energía?
Rimac Technology, empresa croata de desarrollo de componentes y sistemas para vehículos eléctricos, entra en el mercado de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) estacionarios con el lanzamiento de Rimac Energy. Esta empresa emergente ha desarrollado una novedosa arquitectura de baterías que, según afirma, reduce las pérdidas de eficiencia hasta en un 50%, al tiempo que reduce el espacio ocupado por el sistema hasta en un 40% en comparación con las soluciones avanzadas actuales. Otras ventajas tecnológicas son la mejora de la vida útil y la redundancia incorporada para aumentar la disponibilidad. Teddy Szemberg O'Connor, director de software de baterías avanzadas de Rimac Energy, afirmó que la solución es altamente escalable: está diseñada para permitir sistemas de 770 kWh a más de 1 GWh. "A continuación, seleccionamos entre una serie de componentes comunes para encontrar una solución óptima para nuestros clientes", explica. "Nuestro diseño de hoja en blanco utiliza los mejores conocimientos de nuestra tecnología de vehículos y los adapta al almacenamiento estacionario. Nuestro objetivo es empezar la producción en serie en 2025 y alcanzar una cifra de GWh de dos dígitos".
Rimac Energy se centrará principalmente en Europa continental, donde los principales casos de uso serán para grandes aplicaciones comerciales, industriales y de servicios públicos. Según la empresa, también se está trabajando en soluciones basadas en baterías para la recarga rápida y de MW. Szemberg O'Connor añadió que Rimac Energy está desarrollando sistemas que no están vinculados a una química de batería específica, y que la empresa está trabajando en múltiples químicas de célula para ofrecer a sus clientes los sistemas que mejor se adapten a sus necesidades.
La empresa mantiene actualmente conversaciones con varios clientes, incluido un proyecto piloto con una empresa de energías renovables que quiere ofrecer soluciones de almacenamiento en baterías para sus centrales solares y eólicas. Está previsto que estos sistemas piloto se fabriquen a finales de este año y entren en servicio en 2024. La tecnología de Rimac Energy se está desarrollando y fabricando en las instalaciones de Rimac a las afueras de Zagreb (Croacia), y se espera que se presente a finales de este año. ¿Mi comentario? "Palabras audaces: esperemos a ver".
Los combustibles fósiles aún tienen vida
Sí, parece que el gas natural e incluso el carbón aún tienen futuro. RWE va a desarrollar tres nuevos proyectos de captura de carbono en el Reino Unido como parte de su plan para ser neutra en carbono en 2040. Como parte de este plan, RWE está desarrollando propuestas para el uso de la tecnología de captura de carbono en su central CCGT de Pembroke, en Gales, que proporcionaría hasta 2,2 GW de generación a largo plazo y hasta 5 millones de toneladas/año decaptura de carbono. La empresa cree que la captura y almacenamiento de carbono (CAC) es una solución viable para garantizar una generación de electricidad descarbonizada, fiable y despachable, al tiempo que apoya el objetivo del Reino Unido de descarbonizar su sistema eléctrico para 2035.
Tom Glover, country head de RWE en el Reino Unido, comentó en un comunicado: "Para descarbonizar el sector eléctrico, apoyar la seguridad del suministro y permitir la descarbonización de la industria a escala, es importante que se desarrollen proyectos de generación de gas limpio. El proyecto es un elemento clave del Centro Pembroke Net Zero (PNZC) de RWE, una iniciativa de descarbonización intertecnológica en el sur de Gales que apoya la descarbonización más amplia de la industria en la región como parte del Cluster Industrial del Sur de Gales. El PNZC aúna la descarbonización de la central eléctrica de gas de Pembroke: la producción de hidrógeno verde in situ y el desarrollo de turbinas eólicas marinas flotantes en el Mar Céltico. Además de Pembroke, los demás proyectos se refieren a la central eléctrica existente de RWE en Staythorpe y a una nueva central de gas con captura de carbono que se construirá en Stallingborough. Las tres están situadas cerca de lasredes de CO2 previstas o tienen acceso a instalaciones de transporte que permitirían transportar y almacenar elCO2. RWE es ahora líder mundial en captura y almacenamiento de carbono.
Nuevo sensor para altas temperaturas en entornos extremos
Investigadores de la Universidad de Houston (UH) han desarrollado un sensor que ha demostrado funcionar a temperaturas de hasta 900°C, un invento que probablemente encuentre aplicaciones en los sectores aeroespacial, energético, del transporte y de la defensa, entre otros (Fig. 5).
Fig. 5: Un investigador de la Universidad de Houston sostiene un nuevo sensor piezoeléctrico que ha demostrado funcionar a temperaturas extremadamente altas.
En la industria petroquímica, la presión de las tuberías debe controlarse en climas que van desde el calor del desierto hasta el frío ártico. Varios reactores nucleares funcionan a temperaturas de entre 300 y 1.000 °C, mientras que las operaciones de energía geotérmica profunda experimentan temperaturas de hasta 600 °C. "Para la eficacia, el mantenimiento y la integridad de estas aplicaciones se necesitan sensores muy sensibles, fiables y duraderos que puedan soportar entornos tan extremos", afirma Jae-Hyun Ryou, profesor asociado de ingeniería mecánica de la UH. El equipo de investigación desarrolló anteriormente un sensor de presión piezoeléctrico III-N fabricado con nitruro de galio monocristalino (láminas finas de GaN) para aplicaciones en entornos adversos. Sin embargo, la sensibilidad del sensor disminuye a temperaturas superiores a 350 °C, que es sólo ligeramente superior a la de los transductores convencionales de titanato de circonato de plomo (PZT).
El equipo planteó la hipótesis de que la disminución de la sensibilidad se debía a que la separación de bandas era demasiado estrecha. Para probar esta hipótesis, desarrollaron un sensor con nitruro de aluminio (AlN). "La hipótesis quedó demostrada por el hecho de que el sensor funciona a unos 1000 °C, la temperatura de funcionamiento más alta entre los sensores piezoeléctricos", afirma Nam-In Kim, primer autor del artículo e investigador posdoctoral del grupo de Ryou.Aunque el AlN y el GaN tienen propiedades únicas y excelentes que resultan adecuadas cuando se utilizan sensores en entornos extremos, los investigadores descubrieron que el AlN ofrece una brecha de banda más amplia y un rango de temperaturas aún mayor.Tras demostrar con éxito el potencial de los sensores piezoeléctricos de alta temperatura con AlN, los investigadores los probarán ahora más a fondo en condiciones duras del mundo real.
"Nuestro plan es utilizar el sensor en diversos escenarios adversos, como centrales nucleares para exposición a neutrones y almacenamiento de hidrógeno, para probarlo a alta presión", explica Ryou en un comunicado. "Los sensores de AlN pueden funcionar en atmósferas cargadas de neutrones y en rangos de presión muy elevados gracias a las propiedades estables de su material". "Según Houston, la flexibilidad del sensor ofrece ventajas adicionales que lo hacen viable para futuras aplicaciones en forma de sensores portátiles en productos de monitorización de la salud personal y para su uso en robótica blanda de medición de precisión".
"Sensores piezoeléctricos que funcionan a temperaturas muy elevadas y en entornos extremos fabricados con láminas delgadas de AlN monocristalino flexibles de banda ultraancha"; Nam-In Kim, Miad Yarali, Mina Moradnia, Muhammad Aqib, Che-Hao Liao, Feras AlQatari, Mingtao Nong, Xiaohang Li, Jae-Hyun Ryou. Publicado: 02 March 2023 en Advanced Functional Materials. https://doi.org/10.1002/adfm.202370056
