Bateries: carregant el planeta de forma sostenible
El projecte HELIOS innovarà les bateries per un àmplia gamma de vehicles, des de cotxes de mida mitjana fins a autobusos elèctrics
Prototip del projecte SCAPE, que reduirà el cost de l'electrònica de potència dels vehicles elèctrics
En el projecte AGISTIN es transformaran els sistemes i les infraestructures de reg a gran escala en sistemes d’emmagatzematge d’energia
En el projecte FLEXYBAT s'estudia la integració de bateries de segona vida en les centrals hidroelèctriques per prolongar la vida útil de les turbines i maximitzar-ne l’eficiència energètica
A la UPC, 300 investigadors i investigadores innoven en el sector de les bateries per avançar en la mobilitat sostenible, l’emmagatzematge més eficient de l’energia i l’economia circular en la producció de materials.
17/12/2024
Un dia de finals de març de 1800, el president de la Royal Society de Londres, Joseph Banks, va rebre una carta sorprenent. Un professor de Física de la Universitat de Pavia, a Itàlia, anunciava el descobriment d’un dispositiu capaç de generar un corrent elèctric de forma constant mitjançant un procés electroquímic. Després de diverses reproduccions de l’invent per assajar el funcionament, els membres de la Royal Society van acceptar-lo com a vàlid. El professor responsable d’aquella invenció era Alessandro Volta, i el seu dispositiu, la primera pila elèctrica de la història, també anomenada pila voltaica, en honor al científic italià.
Aquell invent va evolucionar ràpidament i encara ho continua fent dos segles després. Les bateries han estat fonamentals en el progrés científic i tecnològic de la nostra era. Avui dia, les trobem a objectes d’ús quotidià, com ara calculadores o comandaments a distància. Alimenten telèfons mòbils, ordinadors portàtils i altres dispositius de comunicació. Mouen patinets, bicicletes i cotxes elèctrics. I són essencials per emmagatzemar energia en els sistemes d’energia solar i eòlica, entre altres avenços.
Però no només això. En plena crisi climàtica, les bateries tenen un rol clau per a la descarbonització de la indústria i la transició energètica. El repte és aconseguir una mobilitat més verda, un emmagatzematge d’energia més eficient i una major economia circular en la producció de materials. Així, els esforços de la comunitat científica se centren a optimitzar la durabilitat i l’eficiència de les bateries en sectors amb una alta demanda de solucions energètiques, com la mobilitat elèctrica, l'emmagatzematge d'energia per a la llar i la indústria, així com l'electrònica de consum.
A la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech, prop de 300 investigadors i investigadores de 14 grups de recerca treballen en aquest àmbit. S’explora des dels sistemes intel·ligents per maximitzar la vida útil de les bateries fins a la recuperació de metalls crítics en dispositius electrònics en desús. Es dissenyen també solucions pràctiques per al cotxe elèctric i les xarxes d’energia renovable, que depenen cada cop més de solucions d’emmagatzematge fiables per estabilitzar la producció i el consum. Una xarxa de projectes que exemplifica la capacitat de la UPC per proporcionar solucions innovadores i eficients a reptes industrials clau.
Augmentar la producció de metalls per a les bateries
La mobilitat elèctrica és un sector estratègic que té un paper essencial en la descarbonització del transport. No obstant això, els vehicles elèctrics funcionen majoritàriament amb bateries de liti, un metall escàs que, com altres que es fan servir en la producció de bateries (cobalt, coure, manganès o níquel), prové principalment de mines d’Austràlia, Xile, la Xina, la República Democràtica del Congo i Sud-àfrica. En el cas del liti, la dependència de la Unió Europea de les importacions és del 87 % per als concentrats de liti, i del 100 % per als compostos refinats.
En aquest context, és prioritari per a la Unió Europea produir aquestes matèries primeres crítiques davant l’escassetat de subministrament i la creixent demanda de sectors com la mobilitat elèctrica. Per això s’ha format un consorci europeu integrat per socis de tota la cadena de valor, que inclou jaciments miners, instal·lacions industrials, centres de recerca i empreses, que desenvolupen el projecte europeu METALLICO. Per part de la UPC hi participa el grup de recerca Resource Recovery and Environmental Management (R2EM), integrat en el Centre de Recerca en Ciència i Enginyeria Multiescala de Barcelona.
L'objectiu és dissenyar processos sostenibles per augmentar la producció de materials crítics, reduir la dependència de les importacions i assegurar la competitivitat de la UE en el sector de les bateries. Per això, es faran quatre estudis de cas per recuperar metalls com el cobalt, el liti, el coure o el níquel procedents d’escòries metal·lúrgiques i residus secundaris de mines.
Nova generació de bateries per al vehicle elèctric
La mobilitat elèctrica demanda sistemes nous per al control intel·ligent de la gestió tèrmica i elèctrica. En el marc del projecte europeu HELIOS es crearà un nou concepte de conjunt de bateries modulars, escalable i intel·ligent per a una àmplia gamma de vehicles, des de cotxes elèctrics de mida mitjana fins a autobusos elèctrics. Així, es desenvoluparan i integraran processos, tecnologies, dissenys i materials innovadors per millorar el rendiment de les bateries, la densitat energètica, la seguretat, la vida útil i el cost d'emmagatzematge.
Els equips de recerca també treballen per reduir el cost de l'electrònica de potència dels vehicles elèctrics amb una proposta de disseny modular i escalable, millorar-ne el rendiment (en termes de fiabilitat, eficiència, densitat de potència, etc.) i habilitant funcionalitats avançades. Ho fan en el marc del projecte europeu SCAPE, que farà més assequibles els vehicles amb zero emissions, reduirà les emissions de gasos d'efecte hivernacle i facilitarà la penetració total del mercat dels vehicles elèctrics. En els projectes HELIOS i SCAPE hi participen investigadors del Departament d’Enginyeria Electrònica i del grup de recerca Advanced Control and Power Electronics Systems (ACAPE).
Emmagatzematge intel·ligent per a l’energia renovable
La descarbonització de la indústria mitjançant l'electrificació, el creixement de les energies renovables i la necessitat de garantir l'estabilitat de la xarxa davant l’augment de la demanda fan necessari el desenvolupament de noves solucions d'emmagatzematge d'energia. Aquest és el repte del projecte europeu AGISTIN, en què participa el Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) de la UPC.
L’objectiu de la UPC en aquest projecte és transformar els sistemes i les infraestructures de reg a gran escala en sistemes d’emmagatzematge d’energia que permetin maximitzar la integració d’energies renovables, a més de proporcionar serveis innovadors de flexibilitat tant a les comunitats de regants com als operadors de la xarxa elèctrica. El projecte pretén, en primer lloc, desenvolupar una estratègia de renovació òptima des d’un punt de vista tècnic-econòmic de les instal·lacions, respectant l'ús principal del reg d'aigua, per tal d’habilitar aquests nous serveis. Posteriorment, es desenvoluparà un sistema de gestió i control que permeti habilitar aquestes noves funcionalitats, utilitzant sistemes d’electrònica de potència. Finalment, els desenvolupaments es validaran en un demostrador en col·laboració amb la comunitat de regants del Segrià-Sud i Infraestructures.cat.
Bateries de segona vida
En el camp industrial, el projecte FLEXHYBAT, liderat pel Centre de Diagnòstic Industrial i Fluidodinàmica (CDIF) de la UPC, està explorant la possibilitat d'integrar bateries de segona vida en centrals hidroelèctriques per prolongar la vida útil de les turbines i maximitzar-ne l’eficiència energètica. Aquest projecte busca allargar la durabilitat i eficiència d'aquestes infraestructures i obrir així una nova via per aprofitar les bateries després del seu ús inicial. En la mateixa línia, el projecte europeu STOR-HY, coordinat pel mateix centre de recerca, estudia la hibridació de sistemes d’emmagatzematge hidràulic amb bateries.
Formació de futur
La recerca en l’àmbit de les bateries no només es limita als aspectes tecnològics. En paral·lel a la investigació aplicada, la UPC forma professionals especialitzats en un conjunt de tecnologies relacionades amb les bateries, i que seran clau els propers anys per facilitar una transició energètica que redueixi la dependència de combustibles fòssils.
A la UPC es poden cursar titulacions de grau i màster, programes de doctorat i formació permanent per especialitzar-se en aquest àmbit. Una formació que cobreix camps com l'enginyeria electrònica, l’energia elèctrica i l'automoció, i que aborda les tecnologies emergents en energies renovables i mobilitat elèctrica. L’estudiantat pot especialitzar-se en tecnologies d'avantguarda i participar en investigacions aplicades, de manera que es garanteix una nova generació de professionals capaços de fer front als reptes energètics del futur.
