Semiconductores para electrificar la industria y descarbonizarla

La electrificación de la industria consiste en la sustitución de procesos y tecnologías que utilizan combustibles fósiles (fuentes de energía emisoras de gases de efecto invernadero) por procesos basados en electricidad “limpia” proveniente de fuentes renovables. Uno de los principales obstáculos para conseguir esta implantación es conectar dichas fuentes con una red de distribución flexible, eficiente y estable, algo para lo que la electrónica de potencia y los superconductores buscan una respuesta.

La electrificación es fundamental para intentar descarbonizar la industria, que es responsable de un 30% de las emisiones de CO2 en el mundo, según recoge el Libro Blanco sobre Energía limpia, segura y eficiente del CSIC.

Para cumplir los objetivos europeos de emisiones de dióxido de carbono para 2050, es necesario aumentar el porcentaje de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables empleada por la industria desde el 7% actual hasta el 48%, según datos de IRENA (International Renewable Energy Agency).

 “La electrónica de potencia es la rama de la ciencia que se encarga de la conversión eficiente de la energía eléctrica y es una de las tecnologías clave para conseguir la electrificación industrial y contribuir a la descarbonización del sector”, indica Xavier Jordà, vicedirector del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM). Está en el corazón de las turbinas eólicas, los coches eléctricos o las plantas fotovoltaicas y es fundamental para aprovechar la generación de energía renovable. Además, alrededor del 30% de la energía eléctrica que se genera utiliza electrónica de potencia en algún punto de la cadena de producción y se espera que su uso aumente hasta el 80% en la próxima década.

“El CSIC lleva más de 30 años investigando el uso de dispositivos semiconductores de potencia para ayudar a conseguir convertidores más eficientes, robustos, compactos y fiables. El IMB cuenta con el único grupo consagrado a la electrónica de potencia dentro del CSIC”, añade Jordà. El grupo de Dispositivos y Sistemas de Potencia explora los semiconductores y la fórmula para conseguir transformar la energía eléctrica minimizando las pérdidas. El equipo tiene a su disposición la Sala Blanca Integrada de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM, una Infraestructura Científica y Técnica Singular del CSIC reconocida por el Ministerio de Ciencia e Innovación, en la que se cumplen las condiciones para fabricar dispositivos semiconductores.

“Los principales retos a los que se enfrenta la electrónica de potencia son la fiabilidad de los dispositivos (su vida útil, el mantenimiento y la corrección de errores), su miniaturización y los nuevos materiales en los que se basan”, enumera el investigador. En esta área, se están buscando sustitutos para el silicio con mejores prestaciones, como el nitruro de galio o el carburo de silicio y, a más largo plazo, el diamante y el óxido de galio. “El silicio fue un elemento clave en la miniaturización de la electrónica hace 50 años y se utiliza profusamente para la gestión de la energía eléctrica desde hace 30, pero ahora se necesitan dispositivos más compactos y modulares capaces de manejar tensiones y corrientes cada vez mayores”, indica Jordà.

Componentes electrónicos con una vida útil más larga

El CSIC participa en el proyecto Intelligent Reliability 4.0, del programa ECSEL-H2020, junto a 74 instituciones de 13 países europeos en la búsqueda de una solución al problema de la fiabilidad y la vida útil de los componentes y sistemas electrónicos. El equipo investiga la detección de firmas de fallos y parámetros indicadores de degradación a través de la inteligencia artificial, para proporcionar al control del convertidor la información que permita tomar decisiones para su corrección.

El perfeccionamiento del mantenimiento predictivo del sistema mediante la autocorrección ayuda a alargar considerablemente su tiempo de vida, sin suponer un cambio en los materiales o el proceso de fabricación. El convertidor podría detectar un funcionamiento incorrecto en el momento en que empezara a producirse y efectuar una intervención, reemplazando el sistema o componente dañado y alargando su tiempo de vida.

Xavier Perpiñà es el investigador principal del proyecto en el IMB-CNM, cuya contribución se encarga del estudio local de dispositivos de potencia cuando operan en condiciones de sobrecarga, ya que es donde se localizan los fallos más habituales de los componentes. “El desarrollo de convertidores más compactos y fiables permitirá una rápida evolución de alternativas a los combustibles fósiles en el ámbito de la movilidad, cubriendo el transporte terrestre urbano e interurbano, aéreo y marítimo”, explica.

Nitruro de galio: el caballo de batalla para la media potencia

El nitruro de galio es un prometedor semiconductor para la sustitución del silicio como base de los dispositivos electrónicos de media potencia. Ayudará a la obtención de sistemas más compactos y con menos pérdidas de energía. Además, tiene propiedades ópticas y su ancho de banda (superior al del silicio) permite su uso en dispositivos de altas frecuencias. Ha sido el elemento central en la transición de bombillas de incandescencia (prohibidas en la Unión Europea desde 2012) hacia sistemas de iluminación LED. Los problemas que presenta la implantación masiva de este semiconductor son la gestión térmica (refrigeración) y la fiabilidad.

Por ello, el instituto ha participado en el proyecto PowerBase, en el marco del programa europeo ECSEL-Horizonte 2020, liderado por la empresa Infineon, fabricante de chips, y con la participación de 39 empresas y centros, donde se han desarrollado nuevos transistores de tipo HEMT (con canal de alta movilidad de electrones) basados en capas delgadísimas de nitruro de galio sobre substratos de silicio. Esta tecnología es compatible con las salas blancas actuales para la fabricación de chips de silicio.

El IMB se ha encargado de caracterizar el comportamiento electrotérmico de los dispositivos para alcanzar un diseño óptimo del convertidor. “Hemos propuesto nuevas técnicas para conseguir la mejor refrigeración posible de los transistores de nitruro de galio en el marco de su aplicación en sistemas de conexión a redes de energías renovables”, indica Jordà, investigador principal del proyecto.

Una óptima refrigeración permite aprovechar las frecuencias de conmutación de los transistores de nitruro de galio, que se deben integrar en pequeños encapsulados de montaje superficial, ya que operan a elevadas densidades de potencia, lo que dificulta el uso de sistemas de disipación tradicionales. La propuesta ha sido hecha en estrecha colaboración con Ikerlan, de la Red Vasca de Ciencia, Tecnología e Innovación, que probaba los dispositivos en convertidores para conexión de fuentes renovables.

“Los transistores HEMT de nitruro de galio son los mejor posicionados para su uso en convertidores de potencia compactos de muy alta eficiencia, en campos como la generación fotovoltaica o las fuentes de alimentación para todo tipo de sistema electrónicos”, añade Jordà. El investigador indica que presentan las mejores características en frecuencia de conmutación para la media potencia, ya que “la tensión eléctrica máxima de uso se sitúa por debajo de los 1.000 voltios”.

El nitruro de galio será de implantación masiva en el campo de la energía fotovoltaica y las telecomunicaciones, así como en componentes de todo tipo, desde cargadores de baterías hasta fuentes de alimentación compactas.

Dos obleas de carburo de silicio y de silicio, con chips, un encapsulado y un módulo electrónico. / IMB

Transistores y diodos en carburo de silicio para la alta potencia

Uno de los objetivos de los proyectos europeos de la última década ha sido encontrar nuevas metodologías para reducir el coste de los semiconductores de alta potencia (por encima de 10 kilovoltios de tensión máxima). Es el caso del carburo de silicio, un material que presenta mejores prestaciones que el silicio, si bien su coste y rendimiento dificultan su implantación. Los semiconductores de carburo de silicio se emplean en coches híbridos, eléctricos, transporte ferroviario y fuentes de alimentación, entre otros.

El IMB está equipado para la fabricación de dispositivos basados en carburo de silicio. El proyecto europeo Speed, que finalizó en 2017, juntó a los principales fabricantes y centros de investigación para adaptar la tecnología existente y buscar un mejor rendimiento de los convertidores. El equipo del IMB-CNM desarrolló así transistores Mosfet sobre sustratos de carburo de silicio y dispositivos de alta tensión. Las nuevas generaciones de estos dispositivos de carburo de silicio son las que permitirán la implantación de redes eléctricas inteligentes (Smart Grids, que combinan medidores inteligentes, paneles de distribución, energías renovables y fibra de banda ancha) para facilitar la electrificación.

Una aplicación única y eficiente de semiconductores basados en carburo de silicio fabricados en el IMB-CNM ha sido la misión espacial BepiColombo (de la Agencia Europea del Espacio, ESA, y la Agencia Japonesa del Espacio, JAXA); cuyas sondas orbitarán Mercurio en 2025 y van equipadas con 700 diodos manufacturados en la Sala Blanca. Se trata de los diodos de protección de las celdas fotovoltaicas de los paneles solares, preparados para aguantar temperaturas extremas, 300º C en el momento de exposición directa al Sol y -150º C en la fase de eclipse detrás del planeta. Una participación dirigida por Philippe Godignon.

Los semiconductores de diamante

“El diamante sintético es un semiconductor con banda prohibida (una propiedad física que le confiere mejores características que el silicio), que cambiará la alta potencia y dominará los sistemas energéticos de las próximas décadas”, según augura el investigador Philippe Godingnon, del IMB. Aguantará líneas eléctricas de muy alta tensión y corriente, resistirá mejor que el carburo de silicio la ruptura dieléctrica (el máximo voltaje que aguantaría un dispositivo) y su conductividad térmica es muy elevada, lo que facilita su refrigeración. Sin embargo, la tecnología de fabricación es todavía muy incipiente y requiere enormes esfuerzos de investigación.

El objetivo del proyecto GreenDiamond, terminado en 2020, ha sido fabricar el primer dispositivo electrónico de alta potencia con diamante. El equipo, con participación del IMB-CNM dirigida por Godignon, consiguió una estructura MOS (transistor metal - óxido - semiconductor) en régimen de inversión (unas condiciones en las que si se aplica una tensión al semiconductor, pasa de ser aislante a conductor), lo que hace posible controlar la densidad de huecos y electrones en el diamante y obtener transistores operativos.

El IMB-CNM explora nuevos encapsulados capaces de soportar las extremas condiciones de trabajo de este tipo de dispositivos y ha conseguido proponer soluciones para tensiones de más de 8.000 voltios y temperaturas de hasta 250ºC. El encapsulado lo constituyen los elementos alrededor del chip, lo cubren, lo protegen y le proporcionan soporte e interconexión con el exterior. Es la última parte en el desarrollo del componente, que requiere el entorno de una sala blanca para su fabricación.

Una red eléctrica sin pérdidas, la superconductividad

Los superconductores son materiales que no generan gasto de energía, no oponen resistencia y no provocan pérdidas en la corriente eléctrica. La superconductividad empezó hace más de un siglo a temperaturas que oscilaban entre los 4 y los 20 grados Kelvin (260-250 grados ºC bajo cero), por lo que un reto de la investigación ha sido desarrollar materiales a temperaturas más altas. Actualmente, se encuentran superconductores de alta temperatura (HTS, enfriados con nitrógeno líquido) en el área de los cables de alta potencia, las turbinas eólicas, los generadores industriales o el almacenamiento de energía.

Los superconductores HTS son una de las especialidades del grupo Suman del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), dirigido por Teresa Puig, que lleva años buscando un método de fabricación sencillo para facilitar su implantación.

El equipo de Puig trabaja a nivel nanométrico para diseñar materiales cuánticos HTS basados en nanocompuestos de cupratos (compuestos de óxido de cobre cuya estructura controla el comportamiento del material al paso de la corriente eléctrica). “Estructuramos en la nanoescala porque nos permite un impuso tecnológico extremo con un rendimiento sin precedentes, y así somos capaces de controlar la composición, la estructura, la forma, la dimensión y la arquitectura del conductor”, explica la investigadora del CSIC.

El investigador Xavier Perpiñà, en el laboratorio de caracterización térmica del IMB. / Sabela Rey

La investigación avanza hacia la manufactura de cintas y cables superconductores enfocados a la electrificación industrial, aunque el elevado coste de producción es el mayor obstáculo para su implantación. “El ICMAB ha desarrollado recientemente una metodología de fabricación de cintas superconductoras con elevadas prestaciones basadas en procesos químicos de alto rendimiento y de bajo coste muy escalable”, agrega Xavier Obradors, investigador de Suman y director del ICMAB.

La superconductividad se extenderá en el campo de las líneas de transmisión eficientes, contribuyendo a una red más simple y con menos costes.

Reacciones electroquímicas para la síntesis de combustible

Las reacciones químicas que tienen lugar gracias a procesos electroquímicos se presentan como buenos aliados para que la industria reduzca su huella de carbono y su dependencia de los combustibles fósiles. Con frecuencia, los reactores electroquímicos no producen gases de efecto invernadero ni generan residuos si se utilizan con energía renovable. Una de las múltiples aplicaciones de los reactores electroquímicos sería la producción de H₂, un combustible limpio, a partir de H₂O; o la conversión de CO₂, el gas de efecto invernadero que más impulsa el calentamiento global, en productos de alto valor añadido.

El proyecto eCOCO₂, un consorcio liderado por el CSIC con 12 instituciones y empresas de ocho países diferentes, busca conseguir un método escalable y eficiente para la conversión del CO₂ producido en industrias pesadas (acero, cemento, petroquímica) dependientes de combustibles fósiles. José Manuel Serra, del Instituto de Tecnología Química (ITQ-UPV-CSIC), lidera la iniciativa para conseguir un proceso de conversión de CO₂ que utilice energía renovable y vapor de agua para la producción de combustibles sintéticos para utilizar, por ejemplo, en aviación. La aviación supone el 2% de las emisiones mundiales de carbono, según la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA). Actualmente, se han realizado grandes avances en la optimización de los componentes del reactor electroquímico, así como la validación de la producción de metano a partir de CO₂ utilizando este tipo de reactores.

Sabela Rey Cao / CSIC Comunicación