Proyectos destacados en electrónica de potencia: avances para una energía más eficiente y sostenible
El IMB-CNM organiza un workshop para presentar sus avances en electrónica de potencia, con el objetivo de mejorar la eficiencia energética en la red eléctrica, la movilidad y otros sectores clave para la sostenibilidad.
Con motivo del Día Internacional de la Eficiencia Energética el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) presentará tres de sus proyectos más destacados en electrónica de potencia y uno enfocado a la generación de energía. Todos ellos contribuyen a un consumo energético más sostenible y eficiente.
La presentación de los proyectos tendrá lugar el 14 de marzo en un workshop organizado por el Eje de Energía y Movilidad del IMB-CNM. En febrero se celebró una primera sesión centrándose en iniciativas de energía limpia y almacenamiento.
La electrónica de potencia está en el corazón de las turbinas eólicas, los coches eléctricos o las placas fotovoltaicas y es fundamental para aprovechar la generación de energía renovable, gracias al control y conversión eficiente de la energía eléctrica mediante dispositivos semiconductores.
Convertidores de media tensión: transformar la distribución de energía con redes de media tensión de corriente continua
El proyecto europeo SAFEPOWER (Safer and More Reliable WBG/UWBG-Based MVDC Power Converters), financiado por el programa marco Horizonte Europa, pretende revolucionar la distribución de energía en la Unión Europea mediante el avance de las tecnologías de redes de media tensión de corriente continua (MVDC). Responde a la necesidad de una distribución de energía eficiente, segura, flexible y asequible para el despliegue de las energías renovables.
"Abordamos esta necesidad apremiante centrándonos en la investigación de tecnologías clave para desplegar convertidores MVDC de próxima generación. Estos convertidores operan en niveles de media tensión (1-35 kV) y son esenciales para integrar fuentes de energía renovable, especialmente plantas solares, en toda Europa", explica Xavier Perpiñà, coordinador del proyecto e investigador en el grupo de Dispositivos y Sistemas de Potencia (PDS) del IMB-CNM-CSIC.
El equipo explorará el diseño y fabricación de transistores de óxido de galio y el diseño de transistores MOSFET de carburo de silicio inteligentes. Por otro lado, propondrán nuevas técnicas para el análisis electro-térmico a nivel de chip en dispositivos de potencia con el objetivo de mejorar la robustez de los convertidores.
Para satisfacer la demanda de energía a nivel doméstico de manera sostenible, es fundamental integrar fuentes de energía renovable localmente, abasteciendo núcleos urbanos situados a una distancia entre 30 y 100 km. Sin embargo, los sistemas de distribución basados en corriente alterna presentan pérdidas significativas y una menor capacidad de almacenamiento a estas distancias. Para garantizar un suministro eficiente basado en energías renovables, es necesario utilizar convertidores de potencia en corriente continua de media tensión (MVDC). Esta tecnología permite una red más eficiente y optimizada. No obstante, su implementación sigue siendo un desafío debido a la complejidad de los componentes actuales y las estrategias de control, lo que reduce su robustez. Para su despliegue a gran escala, es fundamental mejorar su fiabilidad y reducir su complejidad, lo que requiere avanzar en las tecnologías habilitadoras previamente mencionadas.
Celdas de conmutación inteligentes: transformar la movilidad con soluciones modulares para todos los vehículos eléctricos
“Proponemos una estructura de celda de conmutación totalmente novedosa, inteligente, modular, escalable y compacta, implementada con tecnología de chip-embedding. Con ella, los chips de los dispositivos semiconductores de potencia se integran dentro de las placas de circuito impreso o PCBs del convertidor, en lugar de soldarse externamente como se ha venido haciendo hasta ahora en las tecnologías convencionales. Ello proporciona una mayor miniaturización y un mejor rendimiento en los circuitos empleados en todo tipo de vehículos eléctricos, desde motocicletas hasta camiones”, indica Xavier Jordà, investigador principal del IMB-CNM en el proyecto europeo SCAPE (Switching-cell-array-based power electronics conversion for future electric vehicles) y miembro de PDS.
La transición hacia modelos de movilidad y transporte eléctricos, más sostenibles y menos contaminantes, es una de las prioridades de la investigación europea. Para favorecerla, SCAPE, financiado por el Programa Horizonte Europa de la Unión Europea, reúne a nueve instituciones de investigación y empresas de cinco países europeos con el objetivo de desarrollar nuevos componentes electrónicos modulares y escalables para el tren motriz de los futuros vehículos eléctricos.
Las celdas de conmutación diseñadas en el IMB-CNM han contado también con el desarrollo de algunos procesos críticos en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del CSIC, y los primeros prototipos han mostrado unos resultados muy favorables.
Óxido de galio: transformar la generación y gestión de la energía con un nuevo material semiconductor
Recientemente, un nuevo material se ha redescubierto como sustrato semiconductor para la electrónica de la gestión de la energía. Una serie de avances en el crecimiento de sustratos cristalinos (obleas), junto con demostraciones a nivel de dispositivos con propiedades excelentes, han catapultado al óxido de galio (Ga2O3), semiconductor de banda ultraancha, como la última plataforma para la electrificación de la industria y el transporte. El equipo del IMB-CNM trabaja en estematerial desde 2016 y ha contribuido al avance de algunos aspectos tecnológicos relevantes, como la demostración de que el material se puede dopar con aceptadores (aceptadores o huecos y donadores o electrones son los dos portadores de cualquier semiconductor).
“Con el apoyo de los proyectos competitivos conseguidos recientemente, como GaO4POWER, se fabricará en la Sala Blanca del IMB-CNM la primera generación semiindustrial de estos dispositivos en España y de los primeros de su clase a nivel europeo y mundial”, explica Amador Pérez-Tomás, investigador responsable del proyecto. Es, por tanto, “una línea de investigación que se alinea perfectamente con los objetivos climáticos de de electrificación y reindustrialización de la agenda 2030 para España y para Europa”, concluye.
Pilas de combustible: transformar la actividad bacteriana en energía
Otra forma de conseguir una mayor sostenibilidad energética es mediante el desarrollo de fuentes de energía basadas en microorganismos, como las pilas de combustible bacterianas, para alimentar de forma deslocalizada, continua y autónoma pequeños dispositivos electrónicos en el sector agrícola. Este es el objetivo de dos proyectos del IMB-CNM que aplican esta tecnología para la apertura y cierre de válvulas de riego (SOIL2POWER, Soil microbial fuel cells to power precise irrigation systems) y la producción de fertilizantes directamente en el campo de cultivo (CONFETI, Green valorization of CO2 and Nitrogen compounds for making fertilizers).
“Las pilas microbianas obtienen la energía del metabolismo de las bacterias del suelo agrícola, que a su vez se alimentan de la materia orgánica del suelo en un proceso completamente verde y sostenible”, explica Xavier Muñoz, investigador del Grupo de Transductores Químicos y responsable de ambas iniciativas.
No obstante, estas pilas presentan una dificultad, su largo tiempo de latencia, ya que requieren un tiempo de puesta en marcha para acumular un número suficiente de bacterias del suelo que les permita proporcionar energía. Al mismo tiempo, incluso las pilas maduras y estables proporcionan una cantidad de energía pequeña, en parte por el consumo energético de los propios componentes de la pila. Considerando este problema, “nuestro objetivo es reducir el tiempo de arranque, inmovilizando microorganismos y favoreciendo su capacidad de transferencia electrónica al cátodo, y reducir el consumo energético de la pila mediante el desarrollo de circuitos integrados avanzados de bajo consumo adaptados a las características de la pila”, agrega el investigador.