Energías renovables: innovación en materiales para un futuro bajo en carbono

Las energías renovables y el reto del cambio climático

Los ciudadanos europeos consideran el cambio climático un problema grave y se estima que la probabilidad de que se produzcan consecuencias climáticas irreversibles cada vez es mayor. Promover una acción por el clima para garantizar el desarrollo sostenible de Europa, siendo Europa líder mundial de las energías renovables, conseguir una transición justa para los consumidores y cumplir los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas se ha convertido uno de los principales retos del presente.

La transición hacia la neutralidad climática para 2050, con el objetivo de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero, posiciona la energía en el foco de este reto, ya que, hoy en día, la energía es responsable de más del 75% de las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE. Es por esto que la transformación energética del mundo se está acelerando, buscando evolucionar el actual modelo energético, intensivo en el uso de energías basadas en combustibles fósiles, en un nuevo paradigma centrado en las energías renovables, la electrificación, la eficiencia energética y la generación distribuida.

Se estima que en 2050 el rápido despliegue de energías renovables y la mejora en la eficiencia energética pueden lograr el 90% de las reducciones de emisiones necesarias para lograr los compromisos climáticos en el marco del Acuerdo de París. Sin embargo, conseguir la transformación energética requiere una aceleración significativa en el despliegue de soluciones existentes y un esfuerzo adicional en innovación.

Según la Agencia Internacional de la Energía Renovable (International Renewable Energy Agency – IRENA), por un lado, se necesita la innovación para acelerar la implementación, impulsar la reducción de costes, mejorar el rendimiento y permitir la integración de tecnologías renovables existentes y emergentes en los sistemas de energía. Por otro lado, también se necesita innovación para descubrir y desarrollar nuevas tecnologías.

En este escenario, los objetivos estratégicos fijados para las energías renovables son básicamente tres:

1. Incrementar la competitividad energética.
2. Asegurar el suministro.
3. Proteger el medio ambiente.

Aceleración de la transformación energética a través de la innovación

Para conseguir una rápida transición energética son imprescindibles desarrollos innovadores e importantes esfuerzos en el ámbito de la I+D sobre las tecnologías energéticas tradicionales, centradas en el campo de la Ingeniería de Sistemas Eléctricos y Electrónicos.

No obstante, la combinación de la optimización del uso de los materiales y la eficiencia energética, la aplicación de criterios de sostenibilidad y la transición hacia una economía circular son grandes tendencias en innovación que deben participar activamente en esta transformación.

Optimización del uso de los materiales y eficiencia energética

La Unión Europea se ha fijado objetivos ambiciosos para 2030: una cuota del 32% del consumo de energía renovable, así como una mejora del 32,5% en la eficiencia energética y una reducción de las emisiones de CO2 del 40%. Para lograr estos objetivos, los distintos sectores (eólico, solar, geotérmico, oceánico, etc.) deben reducir drásticamente el coste de las tecnologías para lograr la paridad de red y los objetivos del Plan Estratégico Europeo de Tecnología Energética (European Strategic Energy Technology Plan – SET Plan) de LCOE (costo nivelado de energía) en término de c€ / kWh para 2030.

Para ello es necesario el diseño y desarrollo de nuevos materiales que permitan, por ejemplo, aligerar las estructuras; incorporar nuevas funcionalidades inteligentes en los materiales que sean capaces de responder a estímulos de forma controlada y reversible; o mejorar y desarrollar soluciones de almacenamiento de energía novedosas y disruptivas, para permitir una integración más flexible en la red de distribución y que tengan en cuenta el efecto de la fluctuaciones de las energías renovables en el almacenamiento.

La creciente utilización de fuentes de energía renovable hace necesaria la innovación en sistemas de almacenamiento de energía por batería (BESS). Las fuentes de energía renovable intermitentes, como la energía eólica y solar, con picos y valles significativos, requieren almacenamiento de energía para una producción uniforme y para reducir las tasas de rampa para centrales eléctricas medianas y grandes.

También es fundamental la mejora de los procesos productivos actuales mediante la incorporación de inteligencia, la introducción de tecnologías emergentes en nuevos productos y la integración de materiales avanzados en soluciones de mayor valor añadido, siendo la eficiencia energética uno de los retos a alcanzar.

Sostenibilidad

Existe actualmente un cambio en la filosofía a la hora de plantear los diseños de los componentes o sistemas. Cuando se plantean nuevos conceptos se tienen en cuenta principios de sostenibilidad económica, social y medioambiental, y es por ello, imprescindible tener en cuenta metodologías de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) para evaluar los impactos medioambientales atribuibles a un producto o servicio durante todas las etapas de su vida. El producir, usar y tirar se está transformando en reducir, reusar y reciclar, haciendo que se agote el actual modelo económico lineal para dar paso a la economía circular.

Cada vez más se promueven estrategias para extender al máximo la vida útil y la durabilidad de los productos en servicio teniendo en cuenta reducciones de uso de material y de consumo en la fase de uso. Al mismo tiempo, se definen planes de mantenimiento predictivo que optimicen la posibilidad de reparación, minimizando la sustitución de componentes.

Estas aplicaciones de monitorización de la salud y mantenimiento predictivo (HMP) para la detección de fallos o daño en tiempo real, se desarrollan a partir de información obtenida del sistema a través de sensores integrados y, mediante la aplicación de herramientas digitales, permiten predecir la vida remante (Remaining Useful Life – RUL) y la toma de decisiones informada para la realización de acciones de mantenimiento. Los programas de mantenimiento predictivo ayudan a los proveedores de servicios de operación y mantenimiento a organizar y programar el trabajo y las actividades de reacondicionamiento y reducen la necesidad de que personal técnico realice visitas frecuentes a las instalaciones.

Por otro lado, se están desarrollando estrategias para la recopilación de datos sobre el uso de materiales y el impacto del ciclo de vida, para establecer puntos de referencia y promover las mejores prácticas. Es necesaria la validación de las materias primas recicladas y la comprensión de los materiales, su estructura y sus propiedades. Así es posible contribuir al diseño de materiales avanzados climáticamente neutros, de forma más rápida y a una fracción de coste bajo la filosofía de materiales adaptados al uso (‘fit-to-purpose’ materials).

Transición a la economía circular

Como ya hemos comentado, cada vez son más las empresas que apuestan por la economía circular como nuevo modelo de negocio. El modelo económico lineal basado en extraer, producir, consumir y tirar se está transformando progresivamente hacía una producción y un consumo más circulares y sostenibles. La innovación en la búsqueda de soluciones en ámbitos como los procesos de reducción, rediseño, reciclaje, reutilización, recuperación y reparación de materiales y productos también está presente en el sector de las energías renovables.

Es por ello que ya hay empresas trabajando en el reciclado de las palas de aerogenerador, fabricadas en material compuesto, fundamentalmente fibra de vidrio o carbono, que, aunque se reparan siempre que es posible alargando su vida útil en servicio, hay veces que llegan al fin la misma. Del mismo modo, en el sector de la energía solar también se está innovando en técnicas de reutilización. Por ejemplo, cuando los paneles solares llegan al límite de su rendimiento, se procesan para reaprovechar los materiales con los que están fabricados, como el vidrio o el aluminio.

ITAINNOVA y la Neutralidad Climática

El equipo de Materiales y Componentes de ITAINNOVA trabaja desde su visión científica, tecnológica y social para colaborar en la Neutralidad Climática de Europa, contribuyendo a mejorar la competitividad del sector productivo y la sostenibilidad medioambiental, desarrollando tecnologías que, mediante la integración de técnicas de prototipado digital y métodos experimentales, permitan predecir el comportamiento funcional y la vida útil de materiales, componentes y sistemas y mejorar las prestaciones finales de los productos y extender su vida útil, haciendo un uso eficiente de los materiales y de la energía. 

Entre nuestras contribuciones científico-tecnológicas en el ámbito de las energías renovables, podemos destacar algunos proyectos europeos como NEMMO (http://www.nemmo.eu/), en el que en colaboración con varios socios, se trabaja en el diseño y modelado de palas de turbinas marinas de grandes dimensiones fabricadas en material compuesto, optimizadas y más duraderas y eficientes desde el punto de vista de la generación de energía. La investigación y desarrollos realizados, junto con mejoras en las prestaciones del material, aumentarán el rendimiento anual del generador y permitirá reducir los actuales valores de LCOE.

Si quieres conocer más, ¡pregúntanos!

ITAINNOVA comprometido con la #NeutralidadClimática #ClimateNeutral.

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