Energía: verde, inteligente e intercambiable

La reconversión energética es uno de los grandes vectores de innovación de nuestra era. Desde las tecnologías de generación a las de distribución, almacenamiento y consumo. Incluida su aplicación a la electrónica y la microelectrónica, con un hardware dotado de una creciente capacidad de procesamiento que tenderá a trabajar de forma autónoma, sin intervención humana, durante periodos de tiempo cada vez mayores. Con un transporte forzado a encontrar alternativas sostenibles a los combustibles fósiles. Con un sector de tecnologías de la información y las comunicaciones cuya demanda de energía aumentará en paralelo al incremento de la conectividad… Todo pasa por hallar la tecnología adecuada para la energía y la energía adecuada para la tecnología.

En el ámbito de la generación, entre las líneas en expansión destaca el hidrógeno. La ventaja de estar en el sur de Europa es que la radiación solar y el viento es una constante, por lo que el precio de producción del llamado hidrógeno ‘verde’, que depende del coste de la electricidad, sería menor en España que en el resto del continente. Son muchas también las expectativas en torno a las perovskitas como base de las celdas solares en la energía fotovoltaica. Se está experimentando su implementación en materiales flexibles utilizando, por un lado, el grafeno y, por otro lado, sílice y circonia (en esta línea de trabajo hay ciencia española implicada). Si concluyen con éxito las investigaciones se podrá disponer de textiles generadores de electricidad, de modo que el autoconsumo alcanzará un nivel de individualización máxima.

Las tendencias en el ámbito de la energía eólica apuntan a un fuerte crecimiento de su implantación en tierra (+25%), pero sobre todo en el mar (+75%), gracias a los desarrollos en aerogeneradores offshore, que ya son flotantes en algunas plantas pioneras. Las soluciones de análisis masivo de datos están afinando la capacidad de predicción del sistema, lo que permite asegurar un volumen de suministro cada vez más estable gracias a las tecnologías de almacenamiento. En este ámbito se investiga en el grupo de Control de Sistemas de Potencia, que además cuenta con desarrollos patentados (1 y 2) de los investigadores Santiago Arnaltes y Jose Luis Rodríguez Amenedo para la conexión y control de las plantas eólicas offshore.

Emergen nuevas formas de producción de electricidad que reproducen, en ocasiones, fenómenos naturales, como la fotosíntesis o el aire comprimido, y se intensifica la eficiencia de sistemas de generación clásicos como las plantas de energía termosolar, la cogeneración y las plantas de ciclo combinado.

También se trabaja en sustituir materiales derivados del petróleo por otros vegetales, más seguros para el medio ambiente y con menor riesgo de incendio. Es el caso del grupo DIAMAT UC3M, donde Belén García Burgos investiga cómo en grandes transformadores se puede reemplazar el aceite mineral por fluidos más ecológicos. “La tendencia es buscar materiales de origen vegetal, que son biodegradables, muy adecuados para transformadores embarcados en trenes o en ubicaciones críticas”, asegura. 

Por otra parte, en la Universidad también se estudia el uso de energías alterativas más sostenibles en el sector aeroespacial. Como afirma Mario Merino, investigador del Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas (EP2) y del Grupo de Investigación en Ingeniería Aeroespacial “La propulsión espacial eléctrica o por plasma se ha afianzado en muchos nichos de misiones espaciales como mejor opción propulsiva frente a los cohetes químicos debido al gran ahorro de propulsante que supone”. Esto proporciona grandes ventajas en cuanto al coste del transporte y su impacto medioambiental. “En particular, destacan especialmente los motores de plasma sin electrodos, una familia de tecnologías prometedoras aún en desarrollo que emplean radiofrecuencias para generar y calentar el plasma, y campos magnéticos para guiarlo y acelerarlo.” En estas lides también trabaja Axter Aerospace, startup que innova en el Parque Científico UC3M desarrollando tecnología aplicada a la propulsión híbrida y eléctrica para aeronáutica y aviación.

Otra línea de investigación se centra en eliminar la energía eléctrica de los sistemas de refrigeración por absorción gracias a los compresores termoquímicos. María Venegas, investigadora del grupo Ingeniería de Sistemas Energéticos UC3M, está desarrollando sistemas de aire acondicionado miniaturizado que sean capaces de proporcionar la demanda de una vivienda mediante condensación por aire y produciendo frío con elevada eficiencia. “La idea es crear una tecnología de compresión termoquímica capaz de ser alimentada con fuentes renovables formando y con un sistema de absorción que use fluidos de trabajo respetuosos con el medio ambiente”, explica Venegas.

La carrera por los sistemas de almacenamiento de energía se despliega en vertical y en horizontal por toda la economía. Involucra de forma evidente a los fabricantes de vehículos de transporte terrestre, marítimo y será fundamental en el desarrollo de soluciones de movilidad aérea dentro de las ciudades. Pero también está ligada a la evolución de los wearables, que se proyectan en ámbitos como la educación, el ocio o la salud. Deben resolver todavía las dudas que persisten en cuanto a la carga y la autonomía. Son muchas las líneas de innovación en este ámbito, una de las que más interés despierta es la de las baterías de flujo que generan especies más reactivas cuando se produce un exceso de corriente eléctrica, y almacenan esa nueva energía para futuros usos.

Para favorecer las soluciones energéticas limpias la startup Ketter Batteries, en el Parque científico UC3M, cuenta con un innovador sistema inteligente que permite la fabricación de baterías de litio con tamaño y capacidad a medida.

En lo que se refiere a la distribución y consumo de energía, la prometedora expansión del mundo digital tiene uno de sus límites físicos precisamente en el factor energético. Hay millones de centros de datos en todo el mundo. Centros que precisan energía para funcionar. Investigadores del Imperial College de Londres han estudiado cómo “la nube” tecnológica puede afectar al medio ambiente y sus conclusiones son contundentes. El problema se multiplicará de forma exponencial conforme se introduzcan los nuevos dispositivos conectados del internet de las cosas y los sistemas de procesamiento distribuido del Edge computing. En el futuro, la gestión energética será tan crítica para todas las organizaciones como la gestión de la información. Europa ha destinado una parte de sus fondos Horizonte 2020 a la monitorización, la operación, el mantenimiento y la planificación de las redes eléctricas de distribución. El proyecto trabaja en el desarrollo de una plataforma, alojada en la nube (analytic toolbox), que integrará servicios basados en inteligencia artificial para conseguirlo.

Cobran fuerza, por otro lado, los sistemas de generación y almacenamiento distribuidos, gracias a la mejora de eficiencia de las tecnologías fotovoltaicas y eólicas y a las palancas de la digitalización. Habrá que seguir de cerca este proceso para saber si consigue alterar el modelo de concentración de las redes de comercialización que ha caracterizado a países como España, y logra abrir una vía sostenible para el autoconsumo doméstico e industrial. Su vinculación a las energías verdes, las renovables, y su potencial para subsistir sin necesidad de estar conectadas a grandes redes de distribución, las convierte en una de las líneas de innovación más prometedoras para que la energía deje de convertirse en un factor de desigualdad en el mundo y para que contribuya a la lucha contra el cambio climático. Para lograr este avance en autoabastecimiento y deslocalización de la generación de energía, la empresa Polar Developments, que innova en el Parque Científico UC3M, ofrece soluciones basadas en generadores solares portátiles, con tecnología espacial que permiten la generación de energía eléctrica limpia en cualquier lugar.

En este sentido, uno de los problemas por resolver es cómo mantener la frecuencia eléctrica del sistema en un contexto en el que la generación convencional se sustituye por otras fuentes que no tienen inercia o que la esconden. “Las máquinas que se han venido utilizando a lo largo del siglo XX para generar energía eléctrica tienen una inercia que hace que los hercios sean muy constantes, pero si se sustituyen por paneles solares o turbinas eólicas es más fácil perder esa inercia y, por tanto, mantener la frecuencia eléctrica en el sistema se convierte en el reto”, afirma Pablo Ledesma, investigador del grupo REDES UC3M, en el que lidera el proyecto “Operación óptima y segura del sistema eléctrico con alta participación de generación renovable”.

Uno de los grandes desafíos para favorecer esta transición energética es la necesidad de una fiscalidad que sirva como estrategia internacional en la lucha contra el cambio climático. Por ejemplo, en España “no solo no tenemos un plan que incentive la generación de energía limpia, sino todo lo contrario, existe un sobregravamen, lo cual es bastante incomprensible”, afirma María Luisa González-Cuellar, del grupo Derecho Financiero y Tributario UC3M. No es razonable que se apueste por la energía limpia, pero esta tribute más que los combustibles fósiles. González-Cuellar reclama una estrategia “en sentido amplio”, con recursos económicos y plazos realistas.

“Es imprescindible que haya una demanda adecuada”, destaca Natalia Fabra (Economía de la Energía). “Y esta depende de cómo se regule la actividad final”. En este sentido, el grupo EnergyEcoLab de la UC3M analiza los incentivos que otorga la regulación de los mercados eléctricos para la inversión y la gestión adecuada de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. “Este es un tema crucial para la transición energética, porque la mayor penetración de las energías renovables en el suministro eléctrico solo se puede hacer con activos que den respaldo a la intermitencia de las renovables”.

Además del marco normativo, la popularización de esta energía verde e inteligencia requiere romper las barreras de las propias compañías. “El mercado es bastante tradicional”, comenta Belén García Burgos. “Vencer la resistencia de algunos usuarios y fabricantes a cambiar de tecnología es complicado cuando lleva usándose muchos años".