Baterías: cargando el planeta de forma sostenible
En la UPC, 300 investigadores e investigadoras innovan en el sector de las baterías para avanzar en la movilidad sostenible, el almacenamiento más eficiente de la energía y la economía circular en la producción de materiales.
16/12/2024
Un día de finales de marzo de 1800, el presidente de la Royal Society de Londres, Joseph Banks, recibió una carta sorprendente. Un profesor de Física de la Universidad de Pavía, en Italia, anunciaba el descubrimiento de un dispositivo capaz de generar una corriente eléctrica de forma constante mediante un proceso electroquímico. Después de varias reproducciones del invento para ensayar el funcionamiento, los miembros de la Royal Society lo aceptaron como válido. El profesor responsable de aquella invención era Alessandro Volta, y su dispositivo, la primera pila eléctrica de la historia, también llamada pila voltaica, en honor al científico italiano.
Aquel invento evolucionó rápidamente y todavía lo continúa haciendo dos siglos después. Las baterías han sido fundamentales en el progreso científico y tecnológico de nuestra era. Hoy en día, las encontramos en objetos de uso cotidiano, como calculadoras o mandos a distancia. Alimentan teléfonos móviles, ordenadores portátiles y otros dispositivos de comunicación. Mueven patinetes, bicicletas y coches eléctricos. Y son esenciales para almacenar energía en los sistemas de energía solar y eólica, entre otros avances.
Pero no solo esto. En plena crisis climática, las baterías tienen un rol clave para la descarbonización de la industria y la transición energética. El reto es conseguir una movilidad más verde, un almacenamiento de energía más eficiente y una mayor economía circular en la producción de materiales. Así, los esfuerzos de la comunidad científica se centran en optimizar la durabilidad y la eficiencia de las baterías en sectores con una alta demanda de soluciones energéticas, como la movilidad eléctrica, el almacenamiento de energía para el hogar y la industria, así como la electrónica de consumo.
En la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC), cerca de 300 investigadores e investigadoras de 14 grupos de investigación trabajan en este ámbito. Se explora desde los sistemas inteligentes para maximizar la vida útil de las baterías hasta la recuperación de metales críticos en dispositivos electrónicos en desuso. Se diseñan también soluciones prácticas para el coche eléctrico y las redes de energía renovable, que dependen cada vez más de soluciones de almacenamiento fiables para estabilizar la producción y el consumo. Una red de proyectos que ejemplifica la capacidad de la UPC para proporcionar soluciones innovadoras y eficientes en retos industriales clave.
Aumentar la producción de metales para las baterías
La movilidad eléctrica es un sector estratégico que tiene un papel esencial en la descarbonización del transporte. Sin embargo, los vehículos eléctricos funcionan mayoritariamente con baterías de litio, un metal escaso que, como otros que se usan en la producción de baterías (cobalto, cobre, manganeso o níquel), proviene principalmente de minas de Australia, Chile, China, la República Democrática del Congo y Sudáfrica. En el caso del litio, la dependencia de la Unión Europea de las importaciones es del 87% para los concentrados de litio y del 100% para los compuestos refinados.
En este contexto, es prioritario para la Unión Europea producir estas materias primas críticas ante la escasez de suministro y la creciente demanda de sectores como la movilidad eléctrica. Por eso se ha formado un consorcio europeo integrado por socios de toda la cadena de valor, que incluye yacimientos mineros, instalaciones industriales, centros de investigación y empresas, que desarrollan el proyecto europeo METALLICO. Por parte de la UPC participa el grupo de investigación Resource Recovery and Environmental Management (R2EM), integrado en el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería multiescala de Barcelona.
El objetivo es diseñar procesos sostenibles para aumentar la producción de materiales críticos, reducir la dependencia de las importaciones y asegurar la competitividad de la UE en el sector de las baterías. Para ello, se harán cuatro estudios de caso para recuperar metales como el cobalto, el litio, el cobre o el níquel procedentes de desechos metalúrgicos y residuos secundarios de minas.
Nueva generación de baterías para el vehículo eléctrico
La movilidad eléctrica demanda sistemas nuevos para el control inteligente de la gestión térmica y eléctrica. En el marco del proyecto europeo HELIOS se creará un nuevo concepto de conjunto de baterías modulares, escalable e inteligente para una amplia gama de vehículos, desde coches eléctricos medianos hasta autobuses eléctricos. Así, se desarrollarán e integrarán procesos, tecnologías, diseños y materiales innovadores para mejorar el rendimiento de las baterías, la densidad energética, la seguridad, la vida útil y el coste de almacenamiento.
Los equipos de investigación también trabajan para reducir el coste de la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos con una propuesta de diseño modular y escalable, mejorar el rendimiento (en términos de fiabilidad, eficiencia, densidad de potencia, etc.) y habilitando funcionalidades avanzadas. Lo hacen en el marco del proyecto europeo SCAPE, que hará más asequibles los vehículos con cero emisiones, reducirá las emisiones de gases de efecto invernadero y facilitará la penetración total del mercado de los vehículos eléctricos. En los proyectos HELIOS y SCAPE participan investigadores del Departamento de Ingeniería Electrónica y del grupo de investigación Advanced Control and Power Electronics Systems (ACAPE).
Almacenamiento inteligente para la energía renovable
La descarbonización de la industria mediante la electrificación, el crecimiento de las energías renovables y la necesidad de garantizar la estabilidad de la red ante el aumento de la demanda hacen necesario el desarrollo de nuevas soluciones de almacenamiento de energía. Este es el reto del proyecto europeo AGISTIN, en el que participa el Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y Accionamientos (CITCEA) de la UPC.
El objetivo de la UPC en este proyecto es transformar los sistemas y las infraestructuras de riego a gran escala en sistemas de almacenamiento de energía que permitan maximizar la integración de energías renovables, además de proporcionar servicios innovadores de flexibilidad tanto en las comunidades de regantes como en los operadores de la red eléctrica. El proyecto pretende, en primer lugar, desarrollar una estrategia de renovación óptima desde un punto de vista técnico-económico de las instalaciones, respetando el uso principal del riego de agua, para habilitar estos nuevos servicios. Posteriormente, se desarrollará un sistema de gestión y control que permita habilitar estas nuevas funcionalidades, utilizando sistemas de electrónica de potencia. Finalmente, los desarrollos se validarán en un demostrador en colaboración con la comunidad de regantes del Segrià-Sur e Infraestructures.cat.
Baterías de segunda vida
En el campo industrial, el proyecto FLEXHYBAT, liderado por el Centro de Diagnóstico Industrial y Fluidodinàmica (CDIF) de la UPC, está explorando la posibilidad de integrar baterías de segunda vida en centrales hidroeléctricas para prolongar la vida útil de las turbinas y maximizar la eficiencia energética. Este proyecto busca alargar la durabilidad y eficiencia de estas infraestructuras y abrir así una nueva vía para aprovechar las baterías después de su uso inicial. En la misma línea, el proyecto europeo STOR-HY, coordinado por el mismo centro de investigación, estudia la hibridación de sistemas de almacenamiento hidráulico con baterías.
Formación de futuro
La investigación en el ámbito de las baterías no solo se limita en los aspectos tecnológicos. En paralelo en la investigación aplicada, la UPC forma profesionales especializados en un conjunto de tecnologías relacionadas con las baterías, y que serán clave los próximos años para facilitar una transición energética que reduzca la dependencia de combustibles fósiles.
En la UPC se pueden cursar titulaciones de grado y máster, programas de doctorado y formación permanente para especializarse en este ámbito. Una formación que cubre campos como la ingeniería electrónica, la energía eléctrica y la automoción, y que aborda las tecnologías emergentes en energías renovables y movilidad eléctrica. El estudiantado puede especializarse en tecnologías de vanguardia y participar en investigaciones aplicadas, de forma que se garantiza una nueva generación de profesionales capaces de hacer frente a los retos energéticos del futuro.