“Es imposible pensar en transición energética sin la economía circular”

"Imagina una tecnología que permite proporcionar energía a tus dispositivos inteligentes mediante la recuperación de la energía residual en el ambiente”, dice Xabier García (25 años), doctorando en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS).  Se trata de la energía generada por las luces de tu oficina, los movimientos aleatorios de tu cuerpo mientras lees esta revista o por pequeños cambios de temperatura cuando respiras o sales a dar un paseo. Es una tecnología muy incipiente, pero con un futuro prometedor.

“La energía ya está ahí, a nuestro alrededor. Solo hace falta captarla y escalar generadores para llegar a la potencia necesaria que pueda conseguir alimentar los dispositivos más potentes”, indica el investigador. García trabaja en el proyecto europeo 3D Scavengers, dotado con 1,4 millones de euros, para obtener una tecnología que permita alimentar dispositivos a partir del calor residual en el ambiente. “Es una energía limpia que estaba siendo totalmente desaprovechada.”

“Este proyecto se fija sobre todo en sistemas que consumen muy poco pero que pueden tener una gran utilidad cuando funcionen conectados al internet de las cosas [la interconexión digital de objetos cotidianos con internet]”, añade. Por ejemplo, podría aplicarse a redes de sensores inalámbricos para monitorizar el aire de las ciudades o la estabilidad estructural de edificios y grandes infraestructuras, sin necesidad de baterías y recargas. O en dispositivos ponibles (wearables, en inglés), como podrían ser unas zapatillas, camisetas o pulseras inteligentes que monitoricen nuestros movimientos o nuestro estado de salud.

El trabajo de Xabier García es uno de los diversos proyectos en los que avanzan decenas de investigadores jóvenes que se forman y especializan en el CSIC con el objetivo de lograr una energía más limpia, segura y eficiente, en consonancia con el Pacto Verde de la UE y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. Estos doctorandos trabajan en nuevos materiales y procesos para mejorar el almacenamiento de energía, las fuentes renovables, nuevas tecnologías del hidrógeno, la descarbonización de la industria y la reutilización de la energía residual del ambiente, entre otros.

El proyecto en el que investiga Xabier García para dar un nuevo uso a la energía residual ambiental se basa en la nanotecnología, es decir diseñar materiales a escala nanométrica que puedan captar la energía ambiente y convertirla en energía eléctrica para alimentar diversos aparatos. Los dispositivos para el aprovechamiento de esta energía residual combinan varios tipos de recolectores de energía (cinética, solar o térmica) en un solo dispositivo y para ello se valen de materiales multifuncionales (semiconductores, óxidos ferroeléctricos y perovskitas) para convertir simultáneamente varias fuentes de energía en electricidad. Intentan que, al combinar varios tipos de recolectores en uno, no solo que no se pierda eficiencia, sino que aparezcan sinergias entre los diferentes fenómenos además de que puedan funcionar como recolectores multifuente.

“El proyecto propone aunar eficiencia y versatilidad en una solución todo-en-uno para la recolección de energía multi-fuente, basada en el diseño a nanoescala de materiales multifuncionales”, añade García. “El objetivo es construir nanoarquitecturas para la recolección de energía mediante efectos fotovoltaicos (luz), piezoeléctricos (deformaciones), triboeléctricos (rozamiento) y piroeléctricos (temperatura), minimizando el coste ambiental de su síntesis”, detalla. El despliegue de estas tecnologías podría ayudar a compensar la dependencia actual de las baterías de litio, que alimentan la mayoría de dispositivos portátiles y que son un recurso muy limitado.

Los investigadores Noemí Gesteiro (MBG) y Xabier García Casas (ICMS).  / CSIC

Hidrógeno de alta pureza y descarbonización

Las tecnologías basadas en el hidrógeno son una de las grandes promesas para impulsar la transición energética hacia fuentes de energía renovables. La investigadora Alma Capa (29 años), del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR), estudia tecnologías de producción de hidrógeno con captura de CO₂ integrada. Con el proyecto BioGas2H2, financiado por el Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación, se dedica a producir hidrógeno de alta pureza a partir de biogás, gracias a un proceso catalítico que además captura el CO₂ de manera simultánea.

El proceso se conoce por sus siglas en inglés SESR (Sorption Enhanced Steam Reforming): es un proceso de captura del CO₂ y reformado simultáneo en el que elbiogás reacciona con vapor de agua en presencia de un sorbente con base de óxido de calcio, que captura el CO₂ y un catalizador que promueve el reformado. Así se produce hidrógeno molecular descarbonizado y de alta pureza, por un lado, y por otro, CO₂ concentrado disponible para ser trasportado y almacenado o reutilizado.

Lo que más le sorprendió a Capa cuando empezó a trabajar en este tema fue descubrir que la mayor parte del hidrógeno producido hoy en día industrialmente se obtiene de un gas natural, es decir, un combustible fósil.  “Algo no encaja ahí”, dice la investigadora. “Producimos algo a priori sostenible (el hidrógeno) con gas natural, que es contaminante, en un proceso que además emite CO₂. Esto es lo que aborda mi tesis: en lugar de utilizar ese gas natural recurrimos al biogás (que se obtiene por digestión anaerobia de la materia orgánica), y unimos así la economía circular y transición energética”, cuenta Capa.

Los combustibles fósiles e incluso los metales que se necesitan para la transición energética son finitos, así que es necesario aprovechar el potencial que esconden los residuos. “Es imposible pensar en transición energética sin la economía circular”, subraya la investigadora.

Capa eligió el CSIC porque le ofrecía la posibilidad de ir al extranjero durante su tesis y enriquecer su trabajo. Ahora está en Reino Unido, trabajando en una planta piloto que aplica la tecnología SESR para la producción de lo que se conoce como hidrógeno azul. “Es muy interesante ver cómo construyen esta planta para luego poder aplicar el conocimiento adquirido con biogás, bioaceites u otros materiales renovables impulsando su aplicación en procesos SESR”, añade.

El grupo en el que investiga Capa investiga la aplicación de materias primas renovables en el proceso SESR tanto en reactores de lecho fijo como de lecho fluidizado y además desarrolla una labor de simulación para el diseño de procesos auto-térmicos, es decir, que sean energéticamente autosuficientes. Así se produce un hidrógeno de alta pureza, gracias al desplazamiento del equilibrio químico producido al capturar el CO₂ in-situ, en un proceso neutro en términos de requerimiento energético y emisiones de CO₂. Este hidrógeno renovable podría aplicarse a diversos sectores de la industria, así como la química y el transporte, entre otros.

Reactores de plasma para obtener hidrógeno

Las tecnologías para obtener hidrógeno limpio cuentan con otro recurso prometedor: la tecnología de plasma. La investigadora Paula Navascués (27 años), del ICMS, estudia aplicar reactores de plasma para obtener amoniaco, un vector energético que permite almacenar hidrógeno para usarlo cuando y donde se quiera, o directamente para producir hidrógeno a partir de la molécula de amoniaco o la de metano.

“El plasma es un estado de la materia muy singular”, explica Navascués. Consiste básicamente en un gas ionizado, formado por átomos o moléculas que generalmente han perdido electrones y por lo tanto tiene carga eléctrica, así como por otras partículas muy reactivas como electrones y radicales. Es muy conductor de la electricidad y sensible a la aplicación de campos magnéticos. “Los rayos y el fuego son ejemplos de plasma”, añade.

“Los reactores de plasma a presión atmosférica representan una alternativa prometedora para llevar a cabo procesos químicos que, en la industria química tradicional, requieren altas presiones y temperaturas”, explica Navascués.

De este modo, pequeños reactores dispuestos en serie, operados a presión atmosférica y temperatura ambiente, pueden producir sustancias de alto valor añadido, como por ejemplo hidrógeno. “Gracias a los electrones de alta energía presentes en el plasma, es posible romper la molécula de amoniaco o la de metano (que a su vez han podido ser fabricados con la misma tecnología) y obtener hidrógeno en condiciones ambientales”, señala.

Esta tecnología es idónea para estar acoplada a fuentes de energía renovable, ya que funciona mediante electricidad que puede obtenerse con fuentes eólicas, fotovoltaicas o termosolar, entre otras.

“Personalmente, lo que más me motiva de trabajar en esta investigación, enfocada en el estudio del plasma para obtener hidrógeno, es su aplicabilidad a corto y medio plazo, y que pueda contribuir a la transición energética en España”, añade.

Filamentos para almacenar energía

Un reto fundamental que plantean las fuentes de energía renovable, que son muy intermitentes, es la necesidad de almacenarlas cuando hay picos de producción para poder utilizarlas cuando hay escasez. El investigador Oxel Urra (27 años), desde el Instituto de Cerámica y Vidro (ICV-CSIC), se ha enfocado en las baterías y en los sistemas de almacenamiento de energías. En concreto, “en la mejora de la fabricación y conformado de electrodos para facilitar el escalado de los sistemas de almacenamiento energético sin dejar de lado la optimización del rendimiento de los dispositivos”.

Urra investiga el desarrollo de filamentos de grafeno y ácido poliláctico con alta carga de partículas inorgánicas, un material que es muy conductor y permite una alta eficiencia a los electrodos de las baterías. Su proyecto tiene el objetivo de producirlos mediante la impresión en 3D. “Estos filamentos nos permiten realizar un conformado más específico y eficiente de los componentes fabricados, potenciando las funcionalidades que nos interesan dependiendo de la aplicación final del dispositivo”, explica el doctorando. La impresión 3D y las tecnologías de manufactura aditiva son tecnologías disruptivas que ya están ampliamente integradas en el sector industrial.

Del maíz a un combustible

Otro pilar que facilitará la transición energética es la utilización de la biomasa (residuos vegetales secos o lignocelulósicos) para obtener biocombustibles verdes y productos químicos renovables. La investigadora doctoranda Noemi Gesteiro (25 años), de la Misión Biológica de Galicia (MBG-CSIC), estudia los residuos de cultivos para producir etanol lignocelulósico (un tipo de biocombustible). Gesteiro está convencida de que el etanol lignocelulósico derivado del aprovechamiento de los residuos de cultivos de rápido crecimiento se ha convertido en “una opción relevante” para la transición verde, y en particular, para la industria de transporte.

Gesteiro explica que la materia prima lignocelulósica con más disponibilidad es la generada a partir del maíz, por ser el cultivo con mayor extensión y producción a nivel mundial. “Sin embargo, es necesario saber si el cultivo en ese proceso de mejora hacia una mayor y más eficiente producción de etanol no adquiere simultáneamente una mayor susceptibilidad a la herbivoría”, advierte.

Gesteiro pretende construir modelos de predicción genotípica para cantidad y calidad del residuo orientado a producción de etanol, y luego determinar si estos modelos son efectivos. Señala que el uso de bioetanol como combustible no es algo nuevo, sino que ya se usaba en el siglo pasado, en los primeros automóviles asequibles, como los llamados modelos T de Henry Ford, por ejemplo, e incluso algunos coches se movían con aceite de cacahuete. “Pero nosotros queremos ayudar a optimizar este proceso y que el bioetanol que se produzca tenga mayor rendimiento y pueda competir económicamente”, apunta Gesteiro. 

Agathe Cortes y Alejandro Parrilla / CSIC Comunicación