Nuevas patentes para nuevas energías

“En estos procesos se separa el CO2 de los humos de chimenea (donde se encuentra concentrado al 10-15% en volumen) haciéndolo reaccionar con óxido de calcio para formar carbonato de calcio, con lo que se emiten unos humos con un contenido en CO2 inferior a 0.5% en volumen”, detalla Carlos Abanades, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR), que trabaja con esta tecnología. “Para extraer el CO2 puro y regenerar el óxido de calcio a partir de carbonato de calcio, los sólidos carbonatados se someten a una calcinación a alta temperatura en una atmósfera muy rica en CO2”, añade.

Gracias a esta planta, el CSIC ha sido pionero a nivel mundial en la búsqueda de la descarbonización de la producción energética y en la descarbonización de procesos industriales que emiten CO2 (cemento, acero, etc), incluso cuando se electrifican completamente, en este caso mediante reacciones reversibles a muy alta temperatura para la captura del CO2. La ventaja de estas reacciones reversibles a alta temperatura es que es posible recuperar gran parte de la energía aportada al sistema como calor a alta temperatura, que es útil para reducir el consumo de combustibles en el proceso o para generar electricidad. Otras variantes del proceso patentadas por el CSIC se desarrollan actualmente para la industrial del acero en el proyecto C4U, con financiación adicional del Plan de Recuperación (PTI+TransEner+ del CSIC)

La planta piloto de La Pereda es quizá el ejemplo más claro de que la investigación básica que se realiza en el CSIC para conseguir una energía limpia, sostenible y eficiente se transfiere a la industria y se transforma en procesos innovadores. El CSIC participa en un gran número de colaboraciones público-privadas a nivel nacional e internacional con la energía como gran eje vertebrador transversal.

El CSIC se perfila como uno de los grandes organismos solicitantes de patentes a escala europea y mundial, según el informe Patents and the energy transition, publicado en 2021 por la Oficina Europea de Patentes (EPO). En los últimos doce años las solicitudes de patentes del CSIC relacionadas con la producción, almacenaje y distribución de energía han supuesto un 7,4%, y el 90% de estas se centra en el desarrollo de energía limpia, segura y eficiente.

Del informe de la EPO se desprende que España, entre los años 2000 y 2019, ha sido el noveno país en cuanto a número de patentes relacionadas con las energías limpias en Europa y el decimoquinto a nivel mundial. Además, en lo que respecta al ámbito nacional, el CSIC se encuentra a la cabeza de este tipo de patentes, solo superado por Abengoa, multinacional que ha generado muchas de sus patentes en colaboración con el CSIC, su principal socio académico.

En 2021 el CSIC ha incluido en su oferta para desarrollo y comercialización de proyectos científicos cerca de treinta relacionados con la energía. Desde nuevos métodos de catálisis a la producción de nuevos combustibles, pasando por nanogeneradores que recuperan y convierten energía o climatización con menos impacto medioambiental, el CSIC obtiene procesos y productos innovadores para la producción y gestión de una energía limpia, segura y eficiente.

El CSIC, por otro lado, ha apoyado la creación de ocho empresas de base tecnológica que desarrollan su actividad en el sector industrial de la energía. Entre ellas se encuentran Thermal Cooling Technology, que desarrolla equipos de refrigeración más sostenibles y económicos; Bcircular, que recicla la fibra de vidrio de las palas aerogeneradoras; o FutureVoltaics, que ha conseguido paneles solares eficientes en condiciones de baja exposición solar.

 

Energía solar más eficiente y más rentable

El mundo se encamina hacia la electrificación y la energía solar fotovoltaica se ha convertido en la fuente más rentable de electricidad. Sin embargo, con la tecnología actual, la producción de energía se acumula en exceso al mediodía. “Estos sistemas fotovoltaicos presentan una rendición de electricidad muy variable y tienden a generar excedentes en momentos en los que la red eléctrica no puede absorber tanta potencia, lo que resulta en un notable desperdicio de energía y recursos”, explica José María Ripalda, investigador del Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN) y fundador de FutureVoltaics, empresa spin-off surgida del CSIC. Ripalda defiende que es necesario solucionar este problema buscando recursos que vayan más allá de sistemas de almacenamiento, pues estos no son económicamente rentables.

Por eso, desde FutureVoltaics, en busca de una energía solar más rentable y eficiente, proponen unos reflectores innovadores para sistemas fotovoltaicos que aplanan la curva de producción tanto diaria como estacional y que están especialmente diseñados para aumentar el rendimiento de paneles solares bifaciales. Lo que se consigue con este sistema es maximizar la producción de energía cuando el sol se encuentra cerca del horizonte. “De esta manera aumentan las horas de funcionamiento y se aprovecha mejor la energía en periodos de mayor escasez de luz, como en el invierno”, comenta Ripalda.

Los reflectores de FutureVoltaics, además de más eficiencia y rentabilidad en la recolección de la energía solar, ofrecen una menor degradación del encapsulante de los paneles fotovoltaicaos, menor necesidad de limpieza y mantenimiento, y un mayor tiempo de vida de la instalación. Además, la superficie de estos reflectores contribuye a evitar el calentamiento global y local gracias un mayor albedo, es decir, refleja un mayor porcentaje de radiación que una instalación convencional.

FutureVoltaics está validando la tecnología con tres prototipos instalados en el Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN) y se está preparando para hacer una primera instalación en un entorno de producción.

Refrigeración más ecológica

El calentamiento global es un fenómeno acentuado por la actividad humana. Cada vez suceden más periodos de temperaturas extremas y, para sobrellevar el día a día, se recurre a soluciones que contribuyen a que este problema ambiental no solo no mejore, sino que empeore. Y es que los sistemas de aire acondicionado usados para mantener condiciones internas de confort utilizan refrigerantes que contienen flúor y cloro. Estos son potenciales destructores del ozono estratosférico alto y contribuyen de manera directa al efecto invernadero. Además, este tipo de máquina, incluso cuando no se encuentra en funcionamiento, se mantiene en una presión interior superior a la atmosférica, lo que se traduce en constantes fugas de refrigerante que contamina la atmósfera.

Por ello, desde el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETCC) del CSIC, el investigador Marcelo Izquierdo Millán y su equipo han desarrollado dos tipos de máquinas de aire acondicionado con las que, aseguran, podrían sustituir a las refrigeradoras fluoradas de pequeña potencia usadas actualmente. La innovación reside en el uso de una disolución acuosa de bromuro de litio, donde el agua es el refrigerante. “Usamos el agua como base, con lo que la contribución al calentamiento global es cero y no se destruye el ozono estratosférico. Además, la máquina trabaja a una presión inferior a la atmosférica, por lo que no se producen fugas. En caso de avería la disolución queda contenida en el recipiente y no se emite a la atmósfera”, explica Izquierdo.

De esta investigación, iniciada en 2003, han surgido varias patentes. La primera fue una enfriadora de agua compacta, que se patentó primero en España y más tarde, en 2012 y 2013, en la Unión Europea y en Japón. Ya en 2020 se presentó una enfriadora de agua plit, que difiere de las otras en que el evaporador se encuentra instalado en el recinto que se quiere refrigerar, separado del resto de los componentes instalados en el exterior. Este modelo está patentado en Estados Unidos desde 2020

 

Catalizadores industriales sostenibles

Desde el Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM) del CSIC, el investigador Félix López y su grupo han trabajado en dos proyectos patentados para producir catalizadores industriales sin sulfuros, basados en el reciclado de pilas alcalinas. “Los catalizadores habituales se obtienen a partir de recursos naturales, no renovables. Los catalizadores que hemos desarrollado son más baratos, más eficaces, más limpios y se podrían comenzar a utilizar de manera inmediata”, manifiesta López.

El grupo de Félix López y el de María Jesús Martínez y Alicia Prieto del Centro de Investigaciones Biológicas (CIB) han demostrado la eficacia de nanopartículas de óxidos mixtos de zinc y manganeso como soporte enzimático para producir un biocatalizador robusto para la síntesis de biodiésel. “Hemos sintetizado catalizadores para la producción de biodiésel a partir de ácidos grasos y hemos descubierto que son tan o más eficaces que los convencionales”, explica el investigador.

Además, en colaboración con el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), también a través de óxidos mixtos de zinc y manganeso, el grupo de Félix López ha conseguido materiales que eliminan azufre en procesos de gasificación. Esta técnica se ha probado también en la gasificación del biogás, la gran alternativa al gas natural ante la crisis energética. “El desarrollo del CSIC puede permitir la producción de un biogás limpio que alimente los motores y turbinas productores de energía eléctrica”, asegura López.

 

Recolección de energía ambiental para dispositivo

Los dispositivos de recolección de energía ambiental o residual, conocidos como nanogeneradores, serán una realidad en un futuro cercano. Se estima que el mercado alcanzará los miles de millones de dispositivos de harvesting (algo así como recolectores de energía) en 2025. El objetivo es reducir la dependencia de las baterías, cuya producción tiene un enorme coste para el medio ambiente y que limitan la funcionalidad de los aparatos. No obstante, siguen quedando desafíos que superar para llegar a ese momento. Uno de ellos pasa por diseñar nanogeneradores híbridos o multifuente que recolecten distintos tipos de energía desde un mismo dispositivo. Sin embargo, la eficiencia por unidad de volumen puede disminuir en comparación con los recolectores individuales y todavía se requiere optimizar la fabricación sostenible a gran escala de materiales que puedan servir a este cometido.

El grupo de la investigadora Ana Isabel Borrás, del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICME), ha logrado patentar un nanogenerador novedoso. Se trata de paneles de lluvia, basados en nanogeneradores triboeléctricos, que aprovechan la energía cinética del impacto de gotas de agua para generar energía eléctrica y que son compatibles con paneles solares. Este nuevo dispositivo, ya patentado, se enmarca en el proyecto 3DScavengers, financiado por el programa Horizonte 2020 de la UE, que busca una solución a los dos problemas de los nanogeneradores multifuente. Proponen el método one-reactor para la fabricación de estos dispositivos.

La idea es combinar en un solo reactor diferentes técnicas de fabricación y aislarlas a partir de plasma. “La implementación de tecnología de plasma permitirá fabricar estos nanomateriales sin necesidad de procesos de alta temperatura, por lo que se espera dar el paso a la fabricación escalable industrialmente a través de una síntesis sostenible”, concluye Borrás.