Las emisiones de gases de efecto invernadero y el desaprovechamiento de energía son algunos de los retos que deben resolverse a corto plazo. Una de las soluciones es la conversión del calor residual y de las vibraciones indeseables en electricidad útil. Sin embargo, la baja eficiencia de los métodos de conversión disponibles actualmente requiere de una solución más atractiva.
El proyecto Electro-Intrusion, coordinado por CIC energiGUNE, tiene como objetivo desarrollar un nuevo modelo altamente eficiente, de bajo coste y respetuoso con el medio ambiente para la conversión de energía de baja calidad en electricidad, avanzando hacia la transición de las energías renovables.
Para lograr este objetivo, el equipo de Electro-Intrusion explotará la intrusión reversible de líquidos no humectantes en nanoporos bajo alta presión producida por vibraciones mecánicas. Este proceso de intrusión-extrusión va acompañado de triboelectrificación y adsorción de calor del entorno, lo que permite convertir las vibraciones y el calor ambiental en electricidad.
Financiado por la Unión Europea en el marco del programa de investigación e innovación H2020: Future and Emerging Technology (FET-PROACTIVE) (GA nº 101017858), el proyecto llevará este concepto multidisciplinar situado en su fase inicial a TRLs más altos, llenando las grandes lagunas de conocimiento sobre la electrificación por contacto sólido-líquido y la generación de calor durante la intrusión-extrusión.
Durante este proyecto de 48 meses, se espera investigar los aspectos fundamentales del desafiante y poco conocido fenómeno de la nanotriboelectrificación. Además, se perseguirá la comprensión del calor de intrusión/extrusión para maximizar el depósito de energía disponible para su conversión en electricidad.
Gracias a ello, se pretende ir más allá del paradigma actual y superar los límites de las tecnologías actuales alcanzando una eficiencia de conversión de energía mecánica en eléctrica superior al 100 % (produciendo más de 1 unidad de energía eléctrica por cada unidad de energía mecánica).
Desde el punto de vista práctico, el proyecto Electro-Intrusion se centrará principalmente en la aplicación del fenómeno mencionado en el sector de los vehículos eléctricos, ya que existe una enorme cantidad de energía mecánica disponible que suele disiparse en forma de calor, como en el caso de los amortiguadores.
Por ello, el equipo a cargo del proyecto quiere crear un prototipo innovador de amortiguadores para validar la solución propuesta, mejorando drásticamente la autonomía máxima de los vehículos híbridos y eléctricos. Esto atraerá de forma efectiva la atención de un grupo de interés, sentando las bases para la explotación de los resultados del proyecto dentro de futuros proyectos industriales.
De la ciencia fundamental a la aplicación industrial
Hasta hace poco, no se conocía la existencia de la nanotriboelectrificación durante la intrusión-extrusión. Gracias a algunos de los miembros del consorcio Electro-intrusión, se descubrió que la intrusión/extrusión de un líquido a través de un material poroso genera electricidad. Pero, ¿cómo ocurre esto realmente?
Por un lado, las vibraciones, a través de un dispositivo apropiado, por ejemplo un pistón, producen una variación oscilante de la presión sobre un líquido, que fuerza su intrusión/extrusión en y desde un material poroso no humectante. Al mismo tiempo, para ciertos materiales y líquidos, este proceso de intrusión es endotérmico; es decir, absorbe el calor del entorno, lo que permite la captación de la energía térmica ambiental. Junto con la energía mecánica de las vibraciones, esta energía térmica permite una relación de conversión de energía mecánica en eléctrica superior al 100%.
Por otra parte, el deslizamiento del líquido en el interior de los poros del material da lugar a una acumulación de cargas de signo contrario en su interfaz; esto se conoce como efecto triboeléctrico. Así, la triboelectrificación produce una corriente eléctrica que puede utilizarse, por ejemplo, para recargar la batería de un vehículo eléctrico.
El papel de CIC energiGUNE en la Electro-Intrusion
Además del CIC energiGUNE, participan en este consorcio multidisciplinar Tenneco Automotive Europe BVBA (Bélgica), la Universitá Degli Studi di Ferrara (Italia), la Universidad de Silesia en Katowice (Polonia), la Universidad Técnica Nacional de Ucrania y la Universidad de Birmingham (Reino Unido).
Especializados en física, química, ciencia de los materiales e ingeniería, los miembros de Electro-Intrusion se encargan de abordar el proyecto mediante los métodos más avanzados de simulaciones MD, calorimetría de alta presión y equipos de electrificación PVT, síntesis y caracterización de materiales, así como desarrollo de prototipos.
Como coordinador de la Electro-Intrusion, CIC energiGUNE es responsable de la implementación y gestión global del proyecto, al mismo tiempo que lidera el segundo paquete de trabajo dedicado a entender y maximizar la generación de energía eléctrica durante el proceso de intrusión-extrusión.
El centro utiliza equipos de alta presión hechos a medida para registrar la presión, el volumen, la temperatura y la corriente generada durante el proceso, con el fin de estudiar tanto las energías mecánicas como las eléctricas que intervienen y vincular las condiciones operativas con la eficiencia de la generación de energía.
CIC energiGUNE haciendo uso de las instalaciones de última generación sintetizará y caracterizará los materiales necesarios para el proyecto. Los análisis estructurales, composicionales y reológicos avanzados permitirán a los investigadores relacionar las propiedades relevantes de los materiales nanoporosos y los líquidos no humectantes con los fenómenos de electrificación y térmicos durante el proceso de intrusión-extrusión.
¿Dónde podrían aplicarse los logros de la Electro-Intrusion?
El nuevo paradigma de conversión de energía que proporciona Electro-Intrusion podría aplicarse a una amplia gama de aplicaciones: coches, trenes, aviones, turbinas de vapor, electrodomésticos... En definitiva, potencialmente en cualquier maquinaria que produzca vibraciones.
