Objetivo eficiencia: desaprovechamiento cero de energía

El desarrollo científico ha permitido que de unos años a esta parte nuestra vida cotidiana se haya simplificado gracias a eso que se ha venido a llamar el Internet de las Cosas (IoT). Con dispositivos inteligentes cada vez más pequeños podemos enchufar la calefacción sin estar en casa o bajar las persianas y apagar las luces sin levantarnos del sofá. Sin embargo, estas mejoras en la calidad de vida en los hogares no se han traducido en una evolución en la eficiencia energética, uno de los puntos clave para el desarrollo sostenible marcado por la agenda 2030. 

El hecho es que, a nueve años de la fecha señalada, los edificios son los responsables del 40% del consumo de energía de la Unión Europea y del 36% de las emisiones de CO₂. Esto los convierte en los mayores consumidores de energía de una Europa centrada en descarbonizar la economía con fecha límite marcada en 2050. La eficiencia en el consumo energético de los edificios se convierte, pues, en un objetivo necesario y urgente.

En lo que a disminución de la huella de carbono se refiere, los propios dispositivos del Internet de las Cosas también son un punto clave. Estos aparatos no solo hacen la habitabilidad de los hogares más fácil y confortable, sino que suponen también una punta de lanza en campos como la medicina, la ingeniería, la seguridad, la aeronáutica o el medio ambiente. Sin embargo, el Internet de las Cosas, asociado a los dispositivos portátiles o wearables, se ve lastrado por su dependencia de baterías, que entorpecen su funcionalidad. Además, estos aparatos se fabrican a partir de materias primas que ya escasean por el incremento de la demanda y que, sobre todo, tienen un coste muy elevado para el medio ambiente.

Conseguir una fuente de energía alternativa para alimentar estos dispositivos tan beneficiosos para el bienestar de la sociedad es el objetivo y la ciencia ha encontrado el camino: recuperación de energía, también conocido como harvesting. De este modo, los investigadores continúan en busca de la mejora en las condiciones de vida, pero a través de metodologías, procesos y materiales que liberen gradualmente al medio ambiente del daño al que se ve sometido.

Desde el CSIC varios equipos de investigadores ya trabajan en los dos grandes campos de estudio claves para alcanzar la eficiencia energética y la recuperación de energía: el desarrollo de edificios energéticamente eficientes y la recuperación de energía a través de dispositivos mecánicos o por aprovechamiento de calor residual para alimentar mecanismos y sensores.

Edificios, clave para la eficiencia energética

Los datos son claros: en nuestro día a día perdemos gran parte de la energía que consumimos y los grandes responsables de ese malgasto energético son los edificios. No solo son los mayores consumidores de energía, sino que además se perfilan como un gran problema para la consecución de los objetivos de eficiencia energética. Los materiales inadecuados y el mal aislamiento de las construcciones suponen un desafío al que los investigadores del CSIC ya buscan una solución.

Desde el Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC (IMN-CSIC), la investigadora Marisol Martín identifica tres desafíos clave para obtener edificios con la máxima eficiencia energética. “Estos son la búsqueda de nuevos materiales estructurales avanzados y nuevas técnicas de construcción; experimentación con nuevos procesos y métodos que consigan una mayor vida útil y resistencia a las condiciones ambientales de materiales para el revestimiento de edificios; y la mejora de las cualidades de las ya eficientes luces LED”, enumera Martín.

La investigadora Marisol Martín, del IMN, estudia cómo mejorar la eficacia energética de los edificios. / Gema de la Asunción

El CSIC trabaja en estudios con distintos materiales estructurales avanzados, que ofrecen una mejora en las funcionalidades con respecto a los que tradicionalmente se han usado. Los investigadores han trabajado con nuevos recubrimientos para ventanas o edificios enteros que reflejan parte del espectro solar para ayudar en la climatización de interiores, con fachadas cubiertas de materiales recuperadores de energía, sistemas eficientes de ventilación o activación térmica.

Además, Marisol Martín destaca dos metodologías en desarrollo que, combinadas, podrían suponer un gran avance para la eficiencia energética de edificios. La investigadora pone el foco en la impresión 3D y la reutilización de los materiales de derribo. “En otros países se han construido casas con puertas, ventanas e instalaciones de electricidad y agua en menos de veinticuatro horas y en algunos de estos procesos ya se han usado residuos industriales como material de construcción”, comenta Martín.

El uso de materiales de derribo combinado con la impresión 3D no solo podría ser una alternativa para conseguir edificios eficientes, sino que, en el proceso, conseguirá reutilizar y descarbonizar, dos conceptos clave en el avance hacia una actividad humana respetuosa con el medio ambiente. Y es que, tras el derribo de un edificio, los restos son depositados en vertederos, y para las nuevas infraestructuras se utilizan entre un 45 y un 60% de materiales extraídos de la litosfera y su procesado emite niveles de CO₂ incompatibles con una energía limpia y eficaz.

De esta forma, la complementación entre nuevos materiales y nuevos métodos de construcción pueden, en un futuro no muy lejano, evitar el despilfarro de energía. “Esperamos, mediante redes de sensores y actuadores, obtener información para la integración de todos estos sistemas y conseguir edificios con una alta eficiencia energética y comodidades superiores a las de hoy en día”, concluye Marisol Martín.

Harvesting: recuperación de energía

En un futuro el consumo y la producción de energía serán más eficientes, pero los investigadores no se detienen en este objetivo, sino que aspiran a recuperar la mayor cantidad posible de energía del entorno. El desarrollo de nuevos dispositivos harvesting, que en castellano podría traducirse como “cosechadores”, ya está en marcha y su relevancia crecerá en los próximos años empujada por la necesidad de sistemas inalámbricos y portables autónomos, así como de la ampliación del uso del Internet de las Cosas en diversos campos.

En el CSIC se desarrollan varios proyectos del European Research Council (ERC) para aprovechar la energía mecánica o térmica y convertirla en energía eléctrica. Marisol Martín, coordinadora del Área Global Materia del CSIC y directora del grupo de investigación Finder, participa en varios de estos estudios y prevé un gran campo de aplicación del harvesting: la alimentación de dispositivos ponibles o wearables y sensores conectados al Internet de las Cosas o a los propios móviles.

“La técnica del harvesting busca recuperar energía que se genera continuamente en nuestro entorno bajo diversas formas, como vibraciones o cambios de temperatura e iluminación, ya sea solar o artificial”, explica la investigadora. Desde el CSIC, los investigadores trabajan en el desarrollo y mejora de dispositivos termoeléctricos y piezoeléctricos o triboeléctricos. Los primeros transforman la energía térmica que se pierde en medios de transporte o incluso en el propio cuerpo humano. Los segundos obtienen electricidad a través de la energía mecánica, aunque cada uno de ellos lo hace de una forma distinta. Por un lado, los dispositivos piezoeléctricos se componen de cristales o cerámicas que, al ser accionados, pulsados o tensionados producen energía. Una aplicación del día a día de este tipo de materiales se puede encontrar en los encendedores eléctricos. Por otro lado, los mecanismos triboeléctricos producen energía al acercarse o alejarse de un material, como cuando un globo se carga de electricidad estática al frotarlo con un jersey.

En menos de cinco años la escalabilidad de este tipo de dispositivos será una realidad y se integrarán en nuestras vidas, pero los investigadores siguen trabajando para que en unos veinte años contribuyan definitivamente a conseguir una economía circular basada en la integración de energía híbrida y multifuente. Los científicos del CSIC se centran en la resolución de distintos desafíos para seguir avanzando hacia este objetivo aparentemente lejano, pero cada vez más cercano.

Explica Marisol Martín que la investigación se focaliza en aumentar la eficiencia en la conversión de los dispositivos de harvesting, así como en desarrollar materiales basados en elementos que sean abundantes y no tóxicos. El objetivo es conseguir, además, que sean flexibles y biocompatibles para su uso en contacto con el cuerpo humano. De este modo, podrían obtenerse fuentes de energía sostenibles, auto-recargables y miniaturizables para alimentar sensores o microdispositivos sin aumentar la huella de carbono. “Estas fuentes de energía se plantean como una gran alternativa para generar suficiente energía para dar potencia a sensores y biosensores y que estos puedan enviar las señales por bluetooth a la nube o a nuestro propio teléfono móvil, lo que supondría una mejora en la calidad de vida de las personas”, concluye Marisol Martín.

El campo del harvesting es altamente multidisciplinar, pues requiere del desarrollo de nuevos materiales que aumenten la eficacia de los recuperadores y almacenadores de energía y que estos, a su vez, permitan su miniaturización y la mejora de los sensores. Además, todo esto sin perder de vista las distintas arquitecturas para conseguir estos fines. Así, debido a estos desafíos en el avance en la investigación en harvesting, equipos de químicos, físicos e ingenieros del CSIC colaboran estrechamente para que estos dispositivos sean una realidad.

Esther María García Pastor / CSIC Comunicación