En la actualidad, el cambio climático es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la Humanidad. La necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y favorecer la transición energética hacia fuentes de energía más limpias y sostenibles se ha convertido en una prioridad mundial. Para lograr estos objetivos, la innovación, la investigación y el desarrollo tecnológico son fundamentales.
En este sentido, la I+D+I de tecnologías de baterías y coches eléctricos se han convertido en una de las principales líneas de trabajo. Lo mismo ocurre con la búsqueda de nuevas fuentes de energía, como el hidrógeno, o la adopción de la inteligencia artificial para optimizar la movilidad y reducir sus emisiones. O, por supuesto, en la exploración de modelos productivos alternativos que nos lleven hacia la tan ansiada economía circular.
Alrededor de todos estos avances se ha trabajado en el marco de los Retos I+D+I UC3M para Innovar Juntos, un programa de la Universidad Carlos III de Madrid para alinear las innovaciones de la Academia con las necesidades del mercado. Y no hay mayor necesidad que la de asegurarnos que nuestro planeta sobreviva a nuestro paso. En la presente edición, el cuarto de los retos identificados se correspondía precisamente a la necesidad de guiar la innovación hacia "un mundo cada vez más sostenible y eléctrico".
Las baterías, el talón de Aquiles de la transición energética
Este documento, fruto de varios grupos de discusión y análisis previos dentro de la universidad, se recogía el trabajo de investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid en la búsqueda de alternativas a las baterías de litio en la industria de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía solar.
Jean Yves Sánchez, investigador del departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química UC3M, y miembro del Grupo de Investigación de Síntesis y Procesado de Materiales UC3M, destaca la necesidad de encontrar una batería que pueda soportar las altas temperaturas a las que se ven sometidos los paneles solares en lugares como África o Arabia. "La idea es poder almacenar la energía eléctrica que producen los paneles solares en una batería colocada debajo del panel, pero en este momento no hay ninguna en el mercado que pueda aguantar el calor que se genera (las de litio no soportan más de 40º)", explica el investigador.
Para buscar alternativas a las baterías de litio, los investigadores de la UC3M están estudiando tecnologías de sodio, magnesio o calcio. Sánchez, en concreto, está trabajando en la propuesta Vidicat, que busca desarrollar un nuevo concepto de material basado en ionómeros nanocompuestos que actúen tanto como electrolito libre de líquido como aglutinante de electrodos.
Un instante de la presentación de los diez retos de innovación 2023 presentados en el Parque Científico y Tecnológico de la UC3M.
En un momento en el que las energías renovables están en auge, la investigadora del grupo Materiales avanzados para aplicaciones en energía solar UC3M, Beatriz Galiana, advierte de la necesidad de combatir las confusiones que genera esta industria. "Estamos en un momento óptimo en cuanto a todo lo que tiene que ver con las energías renovables y que provoca simpatías entre la población, pero también es cierto que genera confusiones y esta es una de las cosas que hay que combatir", señala Galiana.
Uno de los problemas que se plantean en la industria de la energía solar es el acceso a los materiales necesarios para la fabricación de paneles fotovoltaicos y la rapidez con la que se pueden sintetizar y producir estos materiales.
"Están empezando a hacer números para ver cuánta fotovoltaica es necesario instalar para llegar a los objetivos que nos hemos impuesto y se plantean dos problemas: el acceso a los materiales y la rapidez, tanto para sintetizarlos para tener la pureza que se requiere como al tiempo que precisan los centros de producción para fabricar esos paneles", explica la investigadora.
Galiana trabaja junto a otra investigadora, Rosa María de la Cruz, del grupo Nanoestructuras Semiconductoras UC3M, en una iniciativa para “poner en la célula solar unos materiales que son capaces de reciclar aquellos fotones que la luz solar no puede absorber y transformarlos en energía eléctrica. Se trata de modificar el espectro que recibe la célula solar para aumentar su eficiencia”, describe Galiana.
En paralelo, De la Cruz está trabajando en el modelado de propiedades ópticas en nanohilos de semiconductores con el objetivo de mejorar la absorción y la generación de corriente. "El objetivo es comprobar cómo la variación geométrica de esos nanohilos, tanto en su grosor, diámetro, longitud y periodo dentro de una red, puede influir para mejorar la absorción y cuánta corriente se puede generar", detalla la investigadora.
Buscando energías más limpias
El sector de la generación de energía está en constante evolución y cada vez son más las líneas de investigación y desarrollo que se están expandiendo. Una de las tendencias que destaca en este ámbito es el uso del hidrógeno como fuente de energía. En el sur de Europa, como en España, la radiación solar y el viento son constantes, lo que permite producir hidrógeno verde a un precio más bajo que en otros lugares del continente, tanto en tierra como en el mar.
En esa línea, el investigador del grupo de Mecánica de Fluidos, Mario Sánchez Sanz, está trabajando no solo en la producción de hidrógeno a través de hidrólisis, sino también en sus usos finales, ya sea en forma de pila de combustible o con una combustión directa para producir calor de alta temperatura o potencia de alta densidad. Pero además, el experto está preocupado por la seguridad en la utilización del hidrógeno, ya que es muy fácil que se produzcan igniciones no deseadas. "La energía que se necesita para que se produzca ese fuego es diez veces menor que en el caso de otros combustibles. Por eso, es esencial investigar la forma de asegurar no solo que esa energía sea eficiente sino también segura", explica Sánchez Sanz.
A su vez, el grupo DIAMAT UC3M está inmerso en la búsqueda de soluciones más ecológicas para grandes transformadores, donde se pueda reemplazar el aceite mineral por fluidos más sostenibles. La investigadora Belén García Burgos está liderando este proyecto y asegura que la tendencia es buscar materiales de origen vegetal, que son biodegradables y muy adecuados para transformadores embarcados en trenes o ubicaciones críticas.
Y en una vertiente similar, la investigadora del grupo Ingeniería de Sistemas Energéticos UC3M, María Venegas, está trabajando en el desarrollo de sistemas de aire acondicionado miniaturizados que sean capaces de proporcionar la demanda de una vivienda mediante condensación por aire y produciendo frío con elevada eficiencia. El objetivo es eliminar la energía eléctrica de los sistemas de refrigeración por absorción gracias a los compresores termoquímicos.
Gracias a esta tecnología de compresión termoquímica que está desarrollando Venegas, podremos alimentarla con fuentes renovables y utilizará un sistema de absorción que empleará fluidos de trabajo respetuosos con el medio ambiente. Además, esta tecnología también podría ser utilizada en otras aplicaciones de refrigeración y climatización.
Sin embargo, nada de esto será posible sin el adecuado respaldo regulador y apoyo económico. En España, por ejemplo, no existe un plan que incentive la generación de energía limpia, sino todo lo contrario, existe un sobregravamen que grava más la energía limpia que los combustibles fósiles, lo cual es bastante incomprensible según María Luisa González-Cuellar, del grupo Derecho Financiero y Tributario UC3M.
La experta reclama una estrategia en sentido amplio, con recursos económicos y plazos realistas, que incentive la generación de energía limpia. Por su parte, Natalia Fabra, experta en Economía de la Energía, destaca que es imprescindible que haya una demanda adecuada y esta depende de cómo se regule la actividad final.
Su grupo de trabajo EnergyEcoLab de la UC3M está analizando 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 -baterías- que den respaldo a la intermitencia de las renovables.
Inteligencia artificial para reducir el impacto
Pero no todas las respuestas a los desafíos medioambientales se encuentran en cambiar la fuente de energía primaria, sino que hay mucho camino por recorrer también en la forma en que gestionamos su uso, especialmente en cuanto a la movilidad se refiere.
Así lo entiende Jesús García Herrero, investigador del grupo de Inteligencia Artificial Aplicada (GIAA) de la UC3M. Según Herrero, más allá del sistema de combustión que utilice el vehículo, el problema de la gestión y optimización del tráfico seguirá siendo un reto importante para la movilidad del futuro.
Herrero afirma que se puede aprender de la gestión del tráfico aéreo, donde ya se habla de la gestión basada en trayectorias, que busca armonizar las operaciones más deseadas para las compañías aéreas para que se puedan llevar a cabo con mayor eficiencia y menores emisiones. El objetivo es tener toda la información en tiempo real sobre las necesidades de transporte, un sistema inteligente que sea capaz de gestionarlo y dar respuesta a esas necesidades que van apareciendo.
La inteligencia artificial también es la base para la toma de decisiones en el área de investigación de José María Armingol, investigador del Laboratorio de Sistemas Inteligentes (LSI) de la UC3M. Este experto propone ubicar los sensores de los futuros coches autónomos en la propia infraestructura y que sea ésta la que aporte información a los vehículos para la toma de decisiones. Esto permitiría no solo dotar de inteligencia a la infraestructura, como cámaras de tráfico, carreteras o semáforos, sino también hacer más inteligente el propio uso de los vehículos.
La idea es que, al igual que existen flotas de vehículos compartidos, se dote de inteligencia a esos vehículos para que puedan optimizar las rutas y recoger a varios usuarios que precisan viajar en un mismo trayecto, a una misma franja horaria, etc. De esta manera, se podría evitar que los vehículos estén aparcados la mayor parte del día y se lograría una movilidad más respetuosa con el medio ambiente.
Algo similar a lo que se puede ir anticipando con el uso de drones autónomos, ya en pruebas para el reparto de mercancías. Luis Enrique Moreno, del laboratorio de Robótica de la universidad, explica que parte del consumo energético de los medios de transporte radica en su gestión inteligente, por lo que su investigación se centra en planificar las trayectorias de los drones.
Debido a esto, Moreno cree que es necesario proceder a un proceso de automatización para coordinar y optimizar mejor los recursos y poder aplicar los drones a nuevas tareas de transporte sin incurrir en costes energéticos abusivos. La automatización no significa que los operadores desaparezcan, sino que se busca mejorar la coordinación y la eficiencia en el uso de los drones.
El camino hacia la economía circular
Todo ello en un recorrido marcado por la Agenda 2030 y los Objetivos de Desarrollo Sostenibles de la ONU que contemplan, como una de las metas finales, alcanzar la economía circular. En este contexto, cada vez son más las empresas que apuestan por modelos de negocio circulares, donde se rompe el concepto de materia prima y residuo como polos antagonistas, y se comprometen con la sostenibilidad y la protección del medio ambiente.
No en vano, la economía circular se ha convertido en un modelo productivo alternativo a la economía lineal, en el que se busca la sostenibilidad en toda la cadena de valor, desde la obtención de los recursos hasta cómo se generan los productos y servicios y cómo se reincorporan los residuos al proceso productivo. Según David Ramos Muñoz, responsable del grupo FAR (Freedom and Regulation - Law and Private Will in the Shaping of the Markets), la economía circular busca que los recursos se utilicen el mayor tiempo posible, generando la menor cantidad posible de externalidades y que puedan reincorporarse al proceso productivo.
El grupo Innovación, Organización y Comercialización de las Empresas está trabajando en proyectos para implementar la economía circular en empresas y reducir los residuos que van al vertedero. Según Ester Martínez Ros, uno de los principales objetivos es evaluar qué residuos se generan y cómo devolverlos al sistema productivo o de qué manera se pueden compensar.
Por su parte, Carolina Marugán Cruz, investigadora de los grupos de Ingeniería de Sistemas energéticos y Tecnologías apropiadas para el desarrollo sostenible, explica que en su equipo están trabajando en proyectos dirigidos a la reducción de residuos que van al vertedero. El objetivo es aprovechar estos residuos para generar combustibles, diseñar materiales para el almacenamiento energético en el hormigón o incorporarlos para absorber el ruido en las barreras que se colocan en los márgenes de las carreteras.
Las mujeres investigadoras, al frente de este campo.
Las mujeres investigadoras están desempeñando un papel clave en la lucha contra el cambio climático y la promoción de la sostenibilidad. En la Universidad Carlos III de Madrid, encontramos ejemplos de mujeres destacadas en distintas áreas de investigación relacionadas con este ámbito y que han participado en el reto de esta edición o en ediciones anteriores.
Belén Levenfeld, Hortensia Amarís, Mónica Chinchilla, Natalia Fabra, Beatriz López Boada, Belén García Burgos, María Luisa González-Cuellar, María Venegas, Ana Manero, Carolina Marugán, María José Montes Sancho, María Teresa Pérez Prior, Rosa María de la Cruz, Beatriz Galiana o Mercedes Pardo Buendía son algunas investigadoras de la UC3M referentes para abordar este fenómeno.
No en vano, estas mujeres están liderando investigaciones en áreas como la síntesis de procesado de materiales, la red y sistemas de energía eléctrica, tecnologías apropiadas para el desarrollo sostenible, economía de la energía y del medio ambiente, diagnóstico de máquinas eléctricas y materiales aislantes, derecho financiero y tributario, sociología del cambio climático y desarrollo sostenible, entre otras.