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Ciencia de frontera

Supercondensadores, nuevos materiales ante el desafío de almacenar energía

El desarrollo y bienestar de la humanidad se apoya en gran medida en la energía. La revolución energética que viene, y que necesitamos para proteger el planeta, se sustentará en gran medida en el desarrollo de nuevos materiales.

Los supercondensadores se basan en la adsorción de cargas en la superficie de los electrodos y no en reacciones químicas.
Los supercondensadores se basan en la adsorción de cargas en la superficie de los electrodos y no en reacciones químicas.
INMA

Actualmente, uno de los grandes retos de la humanidad es cubrir la cada vez mayor demanda energética sin aumentar las emisiones de gases de efecto invernadero. Lograrlo está en nuestras manos, pero para ello debemos abordar nuevos retos como sociedad, apostando por las energías renovables e implantando sistemas de movilidad limpios y eficientes.

Pero, ¿cómo emplear energías limpias como la solar y la eólica cuando es de noche o no hay suficiente viento? En este sentido, los sistemas de almacenamiento de energía jugarán un papel clave como apoyo a las energías renovables, permitiendo guardar la energía cuando hay exceso de producción para usarla posteriormente en valles de generación o picos de demanda.

Además, estas tecnologías tienen aplicación directa tanto en movilidad eléctrica como en el sector de la edificación a través del autoconsumo eléctrico. Sin olvidar la industria, que posee un fuerte potencial de autoconsumo con almacenamiento, integración energética y descarbonización de procesos.

Lamentablemente, los sistemas actuales de almacenamiento de energía, y en concreto las baterías de ion-litio, presentan debilidades y no van a poder cubrir todas las necesidades energéticas en los próximos años. Por ello es necesario apostar por el desarrollo de nuevas tecnologías, como los supercondensadores. 

A diferencia de las baterías de ion-litio, los supercondensadores se basan en la adsorción de cargas en la superficie de los electrodos y no en reacciones químicas lo que permite almacenar y liberar la energía en cuestión de segundos, aunque no almacenar gran cantidad de energía. Estas características los convierten es dispositivos complementarios a las baterías y encuentran aplicaciones tanto en pequeños dispositivos portátiles de bajo consumo (por ejemplo, relojes de pulsera) como en vehículos eléctricos.

De hecho, el tranvía de Zaragoza cuenta con supercondensadores que permiten recuperar energía durante el frenado (con un ahorro de hasta el 35% de energía) y una recarga en cuestión de segundos en las paradas. Este sistema de frenado regenerativo (KERS en inglés) se emplea en todo tipo de vehículos eléctricos (coches, autobuses, trenes, tranvías...) e incluso en competiciones automovilísticas, para recuperar la energía que se perdería en forma de calor al frenar. Además, debido a la rapidez de liberación de energía, se emplean cómo soporte para el arranque de algunos motores grandes, como los de los camiones, especialmente en condiciones meteorológicas extremas.

Junto a las renovables

Se usan también junto a fuentes de energía renovable, ya que permiten estabilizar su estacionalidad, como puede ocurrir con la energía solar y eólica, mejorando notablemente la vida útil del sistema y siendo capaces de recargarse incluso cuando la luz solar o el viento son muy débiles.

Pese a este futuro tan prometedor, los supercondensadores son una tecnología relativamente nueva y todavía lejos de alcanzar su máximo potencial, ya que es necesario mejorar la cantidad de energía que son capaces de almacenar. En este sentido, encontrar nuevos materiales que permitan el desarrollo de sistemas almacenamiento de energía innovadores se plantea actualmente como uno de los objetivos primordiales para la comunidad científica. Además, diseñar baterías y supercondensadores más eficientes y baratos favorecerá su incorporación en la movilidad eléctrica, tanto en vehículos como estaciones de carga, haciéndola más asequible y accesible. De esta manera, se promoverá la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero producidos por vehículos de combustibles fósiles y se disminuirá la dependencia de los carburantes.

Todo esto sin olvidar la importancia de emplear materias primas que sean abundantes, accesibles y que no resulten perjudiciales para la salud o el medio ambiente.

En Aragón, buscando alternativas a las baterías de ion-litio

En el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza, se desarrollan diferentes líneas de investigación para la aplicación de nuevos materiales en sistemas de almacenamiento de energía. En concreto desde 2019 el grupo de investigación NFP que lidera Jesús Santamaría viene trabajando en una línea de investigación centrada en el desarrollo de nuevos materiales compuestos para su incorporación en sistemas de almacenamiento de energía.

Más concretamente, ante la necesidad de encontrar alternativas a las baterías de ion-litio, surge el proyecto europeo NOEL (Innovative Nanostructured Electrodes for Energy Storage Concepts), una iniciativa internacional que busca encontrar y fabricar nuevos materiales que sirvan para electrodos de sistemas de almacenamiento de energía innovadores como son los supercondensadores y las baterías de ion-sodio. 

Estos dos tipos de dispositivos son complementarios a las baterías de litio, con la ventaja de que emplean materiales más abundantes. Dentro de NOEL se ha empleado la nanotecnología, en la que el INMA cuenta con amplia experiencia, combinando materiales de carbón con nanopartículas semiconductoras, buscando crear materiales híbridos con propiedades mejoradas para los dos tipos de dispositivos. El proyecto, liderado desde el INMA por la investigadora María Bernechea, cuenta además con la participación de investigadores del National Institute of Chemistry (Eslovenia), expertos en baterías de sodio, y la Universidad de Tecnología de Poznan (Polonia), con gran experiencia en supercondensadores.

María Bernechea Navarro Investigadora ARAID M. Pilar Lobera Profesora contratada doctora, EPSH, Unizar y Sergio Aina investigador predoctoral. Todos ellos son investigadores del grupo de investigación Películas y Partículas Nanoporosas (NFP) del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), CSIC-Universidad de Zaragoza

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