El asombroso grafeno se lanza a dar una nueva dimensión a la transición renovable

Veinte años después de su descubrimiento por dos investigadores de la Universidad de Mánchester, sus usos en este ámbito todavía son reducidos, ya que hablamos de procesos de investigación complejos y costosos, pero los muchos proyectos en marcha, algunos de los cuales han cosechado resultados prometedores, anticipan un crecimiento de las aplicaciones a futuro.

Uno de los avances conseguidos en los últimos años y que ya se comercializa son los supercondensadores para el almacenamiento de energía basados en grafeno, en los que trabajan actores como el gigante alemán Skeleton Technologies, que ha patentado el denominado grafeno curvo, que eleva el rendimiento de los dispositivos con un aumento de la densidad de energía de hasta un 72%. La producción de este material, realizada por su filial Skeleton Technologies en suelo germano, también tiene la ventaja de que evita el empleo de metales o de tierras raras, tal y como pone en valor la firma en su página web, lo que no solo favorece la sostenibilidad sino la autonomía estratégica del continente en tecnologías críticas.

Via Separations, una startup que surgió del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en 2017, se ha especializado en la fabricación de membranas de óxido de grafeno para filtración en plantas industriales que, en lugar de los tradicionales sistemas contaminantes, permiten electrificar el proceso y reducir más de un 80% la cantidad de energía utilizada.

«Actualmente hay numerosas aplicaciones donde el grafeno podría suponer una verdadera revolución y las renovables no es un caso distinto. La primera sería en la parte de la demanda, dado que estos materiales, por sus características electromecánicas, podrían llevarnos a dispositivos más compactos, con mayor resistencia térmica y a la humedad, lo que nos permitiría reducir el consumo energético», comienza por destacar Javier Lázaro, director técnico y de Regulación de APPA Renovables. Si nos circunscribimos a la generación renovable, expone que es un material con alta conductividad eléctrica, mayor que el cobre o la plata, y transparente, por lo que podría mejorar la eficiencia de las celdas solares al permitir una captura más eficiente de la energía en capas extremadamente delgadas.

A su juicio, «también es especialmente útil como sensor y se están desarrollando dispositivos termoeléctricos que podrían ayudar a utilizar el calor residual de procesos», especifica. Hay multitud de campos abiertos, pero al final, comenta el experto, será la capacidad de reducción de costes respecto a las tecnologías existentes lo que muestre la viabilidad industrial y comercial.

España cuenta con referentes que están explorando soluciones en torno a este nanomaterial, como la guipuzcoana Graphenea. Fundada en 2010, forma parte de la iniciativa Giance, que busca avanzar en el aprovechamiento del grafeno para diversos ámbitos, entre los cuales se incluye el hidrógeno verde. «Se trata de un vector energético que podría volver renovables sectores muy difíciles de electrificar, pero hay que conseguir que su producción sea competitiva en costes, para lo cual son clave los catalizadores (sustancias que mejoran la reacción) y ahí es donde estamos trabajando», explica Jesús de la Fuente, el fundador y CEO de la empresa, que subraya que el principal beneficio que se obtendría de los catalizadores de grafeno es una mejora de la eficiencia de la reacción respecto a otras tecnologías más antiguas. «Estamos todavía en fase de investigación, pero los resultados son prometedores y esperamos que en los próximos años haya catalizadores comerciales utilizando nuestros materiales», señala. Para De la Fuente, en este caso la principal barrera no es el coste de la producción de grafeno, sino el tiempo asociado al propio proceso de I+D.

El consorcio Giance, coordinado por el centro tecnológico catalán Eurecat, integra 23 socios de un total de diez países. Está financiado por el programa Horizonte Europa de la Comisión Europea y forma parte de la iniciativa de innovación Graphene Flagship, que trabaja para el avance de la autonomía estratégica de Europa en tecnologías basadas en el grafeno y otros materiales 2D.

El fundador de Graphenea indica que la fotovoltaica también es un terreno fértil para la revolución del grafeno: se están estudiando células solares que incorporen capas de grafeno para incrementar la eficiencia de la combinación del silicio y la perovskita. «Ya existen prototipos que demuestran que ayuda a mejorar la eficiencia de la conversión de energía solar en eléctrica», precisa De la fuente.

Y es que en los próximos años esta será una de las aplicaciones más relevantes. Así lo defiende Belén Linares, directora de Innovación de Cepsa: «Los desarrollos en investigación y desarrollo están tratando de impulsar el uso del grafeno en componentes en industrias de energía renovable para tratar de aumentar la eficiencia de los paneles solares, que es uno de los retos de la energía fotovoltaica, una de las tecnologías que, pese a contar con un coste muy competitivo, necesita de mayor innovación para mejorar su eficiencia». En este sentido, Linares agrega que los niveles de la solar fotovoltaica son inferiores a otras energías renovables como la eólica o el almacenamiento electroquímico, por lo que la introducción del grafeno a futuro puede incrementar su competitividad.

Por su parte, Javier Lázaro, de la patronal Appa Renovables, matiza que en el caso de avances en tecnología fotovoltaica, nos encontramos ante un mercado «muy maduro donde sorprendería que el grafeno introdujese cambios sustanciales». «Son tecnologías muy competitivas con los materiales actuales y deberían introducir mejoras importantes en eficiencia o en costes para poder imponerse en el mercado», vaticina.

En un momento en el que la movilidad está obligada a pisar el acelerador con destino a la sostenibilidad, los logros relacionados con las prestaciones de las baterías son esenciales… y ahí el grafeno tiene mucho que decir. La firma murciana Graphenano y el Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universidad de Valencia, por ejemplo, anunciaron a principios del año pasado la fabricación de una celda sin metales. En concreto, el proyecto se basa en la supresión de las láminas de cobre, aluminio o acero utilizadas en las baterías convencionales para evacuar la corriente eléctrica, y también los 'tabs' (terminales de corriente) de níquel u otros metales, que sirven para trasladar la energía del interior al exterior de la batería.

«La sustitución de estos metales por grafeno y otros nanomateriales de carbono –materiales con buena conductividad eléctrica– disminuye significativamente el peso y el volumen de los dispositivos, aumenta la densidad energética entre un 30% y un 60%, y elimina el riesgo de accidente por explosión o incendio al contacto con el aire, tal y como se ha comprobado en los ensayos», detallaron ambas entidades en el comunicado. Según el investigador del ICMol Gonzalo Abellán, es un sistema «muy versátil» que se puede emplear en diferentes químicas, como las que utilizan litio o sodio, y que abre un nuevo campo en baterías con silicio, supercondensadores, pilas de combustible y electrolizadores de hidrógeno.

Lo cierto es que estamos ante una innovación imprescindible para los años venideros. «Es un material con unas propiedades muy particulares que, utilizado como materia prima innovadora para las baterías eléctricas, proporciona un salto sustancial en eficiencia. Además, puede contribuir a alargar la vida útil de las mismas», señala Belén Linares, de Cepsa. La empresa confía en este material para ganar eficiencia e innovar en su apuesta por una movilidad sostenible, recogida en su estrategia 2030 Positive Motion. A juicio de la directora de Innovación de la compañía, el gran desafío del uso del grafeno es el coste del material.

Lo que está fuera de toda duda es que dará que hablar a futuro. «Existe una gran demanda, no solo en España sino también a nivel mundial, de herramientas de gestión de la energía, como es el almacenamiento eléctrico o las baterías. Aquí hay una magnífica oportunidad en el caso del grafeno, especialmente si, tal y como se está viendo en algunos estudios, se permite disminuir sustancialmente el peso, algo fundamental en movilidad eléctrica porque permite tener el almacenamiento necesario y, de forma indirecta, aumentar la autonomía (a menor peso total del vehículo, menor cantidad de energía necesaria para moverlo)», asegura Javier Lázaro, de Appa Renovables.

Como asignatura pendiente, considera que España es un «magnífico» país investigador, pero desperdicia muchas oportunidades porque no hay un desarrollo industrial posterior asociado. «No es que no se dé opción a que estas patentes se desarrollen, es que, en la mayor parte de los casos, no existe una industria nacional que aproveche esta labor. Teníamos grandes fabricantes de renovables, principalmente en eólica, que hoy están en otras manos. Si no entendemos que la transición energética es una oportunidad industrial para nuestro país, este talento y estas investigaciones se aprovecharán en otras partes del mundo».

Por su parte, Belén Linares, directora de Innovación de Cepsa, cree que España y Europa son referente en inversión en investigación y desarrollo en tecnologías de transición energética, incluso en algunas tecnologías a la par que países como Estados Unidos. «Nuestro I+D+i en 'deep science' o tecnologías industriales es de valor y reconocido a nivel mundial», comieza por afirmar. Sin embargo, advierte de que nuestra capacidad para convertir esa innovación en valor empresarial a través del emprendimiento es un reto en el que tenemos todavía que trabajar mucho para poder equipararnos a mercados como el de Estados Unidos. «El impulso de 'deep y climate techs' requiere de inversión en este tipo de investigación industrial», apunta.

Con mil y una posibilidades, el grafeno se prepara para dar una energía extra a la transición renovable.