L’IMB-CNM impulsa la transició energètica amb projectes innovadors en energia neta
Amb motiu del Dia Internacional de l'Energia Neta, l'institut destaca quatre iniciatives clau en tecnologies d'emmagatzematge d'energia, convertidors de potència i microgeneradors termoelèctrics, reforçant el seu compromís amb un futur sostenible.
En un món que enfronta desafiaments urgents com el canvi climàtic, la transició energètica s’ha convertit en una prioritat global. Des de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona, es treballa en el desenvolupament de solucions innovadores que impulsin l’ús d'energies netes, optimitzant la seva eficiència i facilitant la seva implementació per a promoure un futur sostenible. En el Dia Internacional de l’Energia Neta, establert per l’Organització de les Nacions Unides per al 26 de gener, l’IMB-CNM reafirma el seu compromís d'enfrontar aquests reptes amb microelectrònica.
Cinc dels vuit grups de recerca de l’IMB-CNM compten amb projectes de recerca orientats a l’energia neta, principalment en tecnologies d’emmagatzematge d’energia, convertidors de potència o microgeneradors termoelèctrics. A més, el personal investigador amb activitat en aquests camps s’integra dins de l’Eix d’Energia i Mobilitat de l’institut per a promoure sinergies i col·laboracions.
Amb motiu del del Dia de l’Energia Neta, el Dia de l’Energia (14 de febrer) i el Dia de l’Eficiència Energètica (5 març), l’IMB-CNM organitza dues sessions per a presentar projectes de recerca. El 7 de febrer es donaran cita aquells centrats en la millora de les tecnologies de harvesting o captació d'energia, i el 14 de març hi haurà una segona part sobre les iniciatives enfocades a la millora de components de potència per a optimitzar l’eficiència energètica.
Transformar la generació d'energia per a dispositius de baix consum
Els projectes nanoDecoTEG (Micro Thermoelectric Harvesters based on Nanostructured Thin films) i ThinTEG (Silicon based micro thermoelectric generators with thin film silicides and perovskite) se centren en desenvolupar microgeneradors termoelèctrics (uTEGs) basats en capes fines nanoestructurades i/o materials energèticament assequibles, que siguin no-estratègics i respectuosos amb el medi ambient. Aquests dispositius uTEGs podrien subministrar l'energia necessària a sensors i actuadors autònoms que requereixin un baix consum energètic (sub-Watt), ocupant també un espai mínim.
“Tots dos projectes es basen en la hipòtesi que és possible crear materials funcionals a partir de capes fines de silicurs, perovskites o capes fines nanoestructurades o decorades, amb propietats tèrmiques i elèctriques optimitzades i que a més puguin integrar-se amb tecnologies estàndard de silici en uTEGs planars, podent-se aplicar a multitud d'escenaris en els quals es requereixi sensòrica de baixa potència, per exemple”, explica Llibertat Abad, investigadora de l'IMB-CNM.
Amb la reducció d’escala, l’eficiència de les màquines tèrmiques també es redueix. A més, en entorns amb calor residual, els generadors termoelèctrics (TEGs) es presenten com una alternativa més eficient i sostenible que les bateries en aplicacions d'Internet of Things. Substituir les bateries, fabricades amb materials escassos i costosos, per microgeneradors termoelèctrics (uTEGs) elaborats amb materials abundants i econòmics contribuirà a reduir la contaminació i a mitigar el canvi climàtic, afavorint la transició ecològica.
Tots dos projectes estan liderats per Llibertat Abad i Marc Salleras. nanoDecoTEG és un Projecte de Transició Ecològica i Digital 2021 finançat pel Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats (MICIU) i per fons d'Unió Europea Next Generation; coordinat per l’IMB-CNM i la Universitat Autònoma de Barcelona. ThinTEG és finançat per MICIU i FEDER, coordinat per l'IMB-CNM i l'Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC). En tots dos casos participa personal investigador del Grup de microfabricació i integració de sensors i fonts d'energia (MESSI) de l’IMB-CNM, com Abad, Salleras, Luis Fonseca, Joaquín Santander i Carlos Carbonell. En nanoDecoTEG participen també Marta Fernández, Iñigo Martín i Francesc Pérez-Murano del Grup de NEMS i Nanofabricació (NANONEMS).
nanoDecoTEG i ThinTEG se centren en desenvolupar microgeneradors termoelèctrics (uTEGs) basats en capes fines nanoestructurades i/o materials energèticament assequibles, que siguin respectuosos amb el medi ambient i no-estratègics.
Transformar l'emmagatzematge d'energia renovable en escenaris adversos
El projecte EPISTORE (Thin Film Reversible Solid Oxide Cells for Ultracompact Electrical Energy Storage) busca transformar el sector de l'emmagatzematge d'energia mitjançant el desenvolupament de cèl·lules sòlides reversibles de capa fina (TF-rSOCs) ultracompactes per a aplicacions de generació i transport. Aquestes tecnologies permetran emmagatzemar energia renovable de forma més eficient i sostenible, especialment en escenaris en els quals les bateries convencionals no són viables, com a generació d'energia en alta mar o emmagatzematge a llarg termini.
Les cèl·lules TF-rSOCs combinen avanços en tecnologia a escala nanomètrica amb materials mai explorats, oferint solucions radicals d'emmagatzematge de “Power-to-Gas” (P2G) i “Power-to-Power” (P2P) que són més compactes, ràpides i amb un ús mínim de materials crítics. Aquest enfocament innovador aborda limitacions actuals, com l'ús de materials rars i de grans dimensions, creant una base tecnològica per a solucions escalables i econòmicament viables.
“EPISTORE potència l'energia verda facilitant l'emmagatzematge eficient d'energia renovable mitjançant cèl·lules sòlides reversibles ultracompactes (TF-rSOCs). Això permet superar la intermitència de fonts com l’eòlica o solar, convertint electricitat en hidrogen verd o altres combustibles”, explica Marc Salleras, investigador de l’IMB-CNM. A més, “redueix les emissions de CO2, amplia l'ús de renovables a sectors difícils de descarbonitzar i minimitza l'ús de materials crítics, per la qual cosa la transició energètica es torna més sostenible i viable”, agrega.
El projecte és finançat per la Comissió Europea a través del programa Horitzó 2020 i també participa personal del grup MESSI de l’IMB-CNM, liderat per Luis Fonseca i amb la col·laboració de Marc Salleras, Marta Fernández i Iñigo Martín.
EPISTORE busca el desenvolupament de cèl·lules sòlides reversibles de capa fina (TF-rSOCs) ultracompactes per a aplicacions de generació i transport, permetent emmagatzemar energia renovable de forma més eficient i sostenible, especialment en escenaris en els quals les bateries convencionals no són viables, com a generació d'energia en alta mar o emmagatzematge a llarg termini.
Transformar la humitat en energia elèctrica
El grup MESSI i el grup NanoUP (NanoQuímica i Materials Supramoleculars) de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) han iniciat una col·laboració per a desenvolupar un dispositiu MEG (Moisture Electric Generator), capaç de transformar la humitat present en l'aire en energia elèctrica. Encara que aquesta tecnologia encara es troba en etapes inicials, el seu potencial revolucionari és enorme.
El vapor d'aigua és un recurs abundant, fins i tot en zones àrides. Al llarg dels anys, estratègies presents en la naturalesa —com les de l'escarabat del desert del Namib o les espines dels cactus— han inspirat el disseny de tecnologies de captura d'aigua, basades principalment en la condensació en aconseguir el punt de rosada. No obstant això, l'objectiu d'aquest projecte va més enllà de recol·lectar aigua: se centra en fenòmens, com l'adsorció, el transport, els canvis de fase de l'aigua, i la subseqüent generació i transport d'ions dins de materials avançats.
En essència, el dispositiu consisteix en un material dissenyat per a generar un gradient iònic de manera espontània, aprofitant les diferències de concentració de vapor d'aigua entre diferents zones de la seva estructura o directament creant un gradient estructural i/o composicional. “Mitjançant una acurada nanoenginyeria de la porositat i la superfície, la humitat s'adsorbeix i es desplaça a l'interior del material, provocant una transferència de càrrega (descrita per lleis com la difusió de Fick i la migració iònica segons la relació de Nernst-Einstein) que finalment es tradueix en corrent elèctrica. Gràcies a aquests gradients, el MEG pot subministrar energia contínua sempre que existeixi vapor en l'ambient”, aclareix Carlos Carbonell, investigador del grup MESSI i principal investigador del projecte.
Per a convertir el MEG en una font viable per a aplicacions com la Internet de les Coses (IoT) o monitors de salut portàtils, l'equip treballa en l'optimització de materials ultraporosos i polímers avançats —des de l'escala molecular fins a la macroscòpica— i aprofundeix en els mecanismes que permeten convertir la humitat en electricitat. Es tracta d'un àmbit en vertiginosa evolució que podria combinar-se amb altres tecnologies de generació, com la termo-, piezo- o triboelectricitat, per a integrar-se en camps tan diversos com la indumentària intel·ligent, la medicina de precisió o l'arquitectura.
Aquesta col·laboració suposa un pas fonamental cap a solucions energètiques sostenibles, capaces d'aprofitar un recurs tan omnipresent com la humitat ambiental per a produir electricitat neta i renovable.
En la iniciativa participen Carbonell, Abad, Salleras i Arani Choudhury de l'IMB-CNM i Sahel Fajal i Inhar Imaz de l'ICN2.
El dispositiu consisteix en un material dissenyat per a generar un gradient iònic de manera espontània, aprofitant les diferències de concentració de vapor d'aigua entre diferents zones de la seva estructura o directament creant un gradient estructural i/o composicional.