En esta serie de cuatro blogs, hablaremos sobre un estilo de vida sostenible y sobre cómo será posible ahorrar más energía en el futuro gracias a los nuevos métodos de generación de energía, las nuevas tecnologías de materiales y las técnicas de diseño más recientes.

El impulso de las renovables por lograr productividad y eficiencia

Cómo lograr una demanda para la sostenibilidad real
La electrificación es un elemento esencial en el objetivo global de abandonar los combustibles fósiles para actividades como la calefacción o el transporte; además, este último debería aumentar la demanda de electricidad en los próximos años. El sector de los suministros públicos está intentando eliminar las centrales eléctricas convencionales, basadas en combustibles fósiles, y reemplazarlas por generadores con energías renovables, normalmente, con parques eólicos o solares. La energía de las olas, o undimotriz (imagen 1), puede añadir capacidad al conjunto energético, aunque hacen falta más estudios para determinar su efecto en el flujo de las mareas.

Las fuentes de energía ambientales son menos predecibles que las que vienen de combustibles fósiles. Para lograr una verdadera sostenibilidad, es necesario extraer la energía de un modo más efectivo y minimizar las ineficiencias en la conversión y la transmisión.

Obtención eficiente
Algunos estudios realizados con el objetivo de aumentar la eficacia de las celdas fotovoltaicas han incluido el uso de materiales avanzados, como el arseniuro de galio (GaAs, por sus siglas en inglés), y de estructuras eficientes, como las celdas multiunión. Las estructuras multiunión potencian la eficacia porque capturan la energía a partir de una mayor proporción de fotones absorbidos, lo que incluye los fotones de baja energía que las estructuras de una sola unión no pueden usar. Están compuestas por capas de celdas de una sola unión, y cada una de ellas tiene una banda prohibida distinta; se apilan en orden descendente teniendo en cuenta esta banda, de modo que los fotones de baja energía creen pares electrón-hueco en las celdas de los niveles inferiores.

Según el Best Research-Cell Efficiency Chart, publicado por el National Renewable Energy Laboratory (NREL) de EE. UU., la celda fotovoltaica más eficiente en la actualidad es un concentrador de cuatro uniones que alcanzó un 47,3 % de eficiencia en junio de 2022. Este nivel es un 20 % superior al de las celdas de silicio cristalino y de una sola unión que se suelen usar en los paneles fotovoltaicos.

La diferencia entre las celdas comerciales y las empleadas en la investigación muestra el potencial de mejora en la tecnología solar, pero también nos enseña la importancia del coste. Las tecnologías más nuevas y complejas para celdas fotovoltaicas deben ofrecer un precio competitivo por vatio para que la industria pueda adoptarlas.

En términos generales, todas las etapas de la conversión solar necesitan mejorar la eficiencia, lo que incluye la conversión CC-CC, los inversores CC-CA y hasta las interconexiones eléctricas (imagen 2). Estas últimas deben ser resistentes, capaces de soportar condiciones exigentes de manejo y clima, como la corrosión, sin sufrir un aumento desmesurado en la resistencia óhmica.

Imagen: las interconexiones en conversores solares, como los conectores SOLARLOK 2.0 de TE Connectivity (TE), deben ser resistentes para ser duraderos y evitar un deterioro que vaya minando la generación energética (fuente: TE Connectivity)

Si las celdas comerciales consiguen una eficiencia superior al 40 %, llegarían a la eficiencia teórica máxima de las turbinas eólicas (imagen 3). Según la ley de Betz, este nivel máximo es el 59,3 %, aunque hay quien piensa que esta cifra debe entenderse como un coeficiente de energía, no de eficiencia. Sin embargo, la investigación de Betz y otros trabajos similares se llevaron a cabo antes de 1920. La investigación en el siglo XXI, que ha tenido en cuenta elementos como el flujo del aire y la distribución de la presión y ha aplicado la dinámica de fluidos computacional, sugiere un límite entre el 30 y el 59,3 % (esto excluye otros mecanismos de pérdida, como el rozamiento de los cojinetes).

Imagen: el límite de Betz describe la proporción máxima que se puede obtener en la energía eólica (fuente: Mouser Electronics)

Evidentemente, si aumentamos la capacidad total instalada generaremos más electricidad, ya que podemos acceder al aire y la luz del sol desde prácticamente cualquier lugar. En el Reino Unido, las turbinas eólicas han sido noticia recientemente, ya que lograron suministrar 21,6 GW, un récord en el país y más del 50 % de la demanda energética en el periodo vespertino.

Una conversión eficiente
La producción generada por las turbinas y las celdas solares no es muy alta, así que es importante minimizar la pérdida de energía en los sistemas de acondicionamiento asociados. Una técnica empleada con frecuencia es aumentar la tensión del bus principal (por ejemplo, de 1000 a 1500 V), algo que ofrece distintas ventajas: permite emplear cadenas más grandes de paneles solares, lo que reduce la cantidad de cajas de unión y de cableado; en los generadores solares y eólicos, el cambio a tensiones más altas en el bus contribuye a reducir las pérdidas debidas a la resistencia (I2R).
Las tecnologías con semiconductores de banda prohibida ancha, como el carburo de silicio (SiC) son importantes para poner en práctica estas mejoras. Los MOSFET de SiC pueden tener una tensión de ruptura mucho más alta en relación con su tamaño físico si los comparamos con los dispositivos de silicio convencionales. Además, el mejor rendimiento de conmutación del SiC implica que se pueden usar componentes pasivos más pequeños para estabilizar el flujo de energía dentro del sistema. Esto contribuye a reducir los costes, minimizar el tamaño del circuito y rebajar las pérdidas debidas a los efectos parásitos de los componentes, como las resistencias óhmicas no deseadas.

Si cambiamos a topologías de conversión más eficaces, tenemos más opciones de mejora. La rectificación síncrona aumenta la eficiencia del suministro energético eliminando la pérdida relacionada con el diodo de polarización directa; en lugar de este, se emplea un MOSFET de características similares, con muchas menos pérdidas por RDS (on).
Por otro lado, cada vez es más frecuente el uso de topologías con conmutación resonante. Además de eliminar las pérdidas relacionadas con los circuitos de conmutación forzada convencionales, la conmutación resonante también mejora la fiabilidad. El ahorro potencial en mantenimiento y en sustituciones de equipos contribuye a reducir el coste general por vatio de la electricidad verde.

La competencia acelera el progreso
Lograr una fuente de electricidad que sea sostenible y asequible es un imperativo en todo el planeta. Sin embargo, la competencia fomenta la innovación, y eso es exactamente lo que ocurrió entre 2014 y 2016, cuando Google lanzó su Little Box Challenge con el objetivo de reducir un inversor de potencia de 2 kW en un 90 %, del tamaño de una neverita para pícnics al de un portátil. Disponer de inversores tan pequeños abre la puerta a distintas mejoras, como microrredes y un tipo de energía fotovoltaica asequible y preparada para el consumidor. El desafío de Google exigía un tamaño máximo de 40 pulgadas cúbicas y una eficiencia superior al 95 %. Algunos equipos lograron el objetivo, y el que alcanzó los mejores resultados, como una densidad de potencia de 145 vatios por centímetro cúbico, recibió un premio de un millón de dólares. ¿Sería ahora el momento de lanzar otro desafío similar para lograr más avances?

Conclusión: no estamos tan lejos
El efecto acumulado de todas estas mejoras (mayor eficiencia fotovoltaica, topologías de conversión de potencia avanzadas y semiconductores de banda prohibida ancha con tensiones de bus más altas y con una mayor densidad de potencia) está aumentando de forma significativa la producción global de energía ambiental. Según el Foro Económico Mundial, la energía renovable podría cubrir todas nuestras necesidades para 2050, aunque esta previsión tiene muchos condicionantes, como la cooperación interregional y las interconexiones. Para llegar a ese punto desde donde estamos ahora y superar todos los retos prácticos y meteorológicos, tendremos que seguir desarrollando la tecnología para mejorar la productividad, la eficiencia y la asequibilidad.

El almacenamiento conectado: un pilar de la red ecológica

Si pensamos en una red eléctrica alimentada por energías renovables, lo que seguramente nos venga a la mente sea un parque eólico (imagen 1) y solar. En estos casos, y a diferencia de las centrales energéticas convencionales, la disponibilidad del suministro no se puede controlar ni predecir. A fin de gestionar la incertidumbre relacionada con el momento en el que se podrá obtener electricidad y con la cantidad de esta, es necesario disponer de almacenamiento de energía conectado a la red para equilibrar los factores temporales y cuantitativos del suministro y la demanda. Este almacenamiento debería poder albergar un exceso de energía cuando las condiciones son favorables, así como cubrir las deficiencias durante condiciones menos idóneas, sobre todo durante la noche, cuando no hay energía solar. Debe poder encargarse de los picos breves de demanda y de cargas elevadas, como los cargadores rápidos de los coches eléctricos. Para satisfacer las expectativas del consumidor, este almacenamiento masivo y conectado a la red debe instalarse en las instalaciones generadoras y en otros puntos por toda la infraestructura.

Imagen: el almacenamiento de energía con un volumen adecuado para el suministro público deberá incluir instalaciones de baterías en las instalaciones generadoras (fuente: Mouser Electronics)

En el otro lado, nos encontramos con lo que podríamos denominar «prosumidores» (un binomio de productor y consumidor), que tienen generadores privados para cargas locales y que introducen el exceso en la red; estos también necesitan almacenamiento dentro de sus propias instalaciones o casas para equilibrar el suministro disponible y la demanda.

Ubicación, tamaño y tecnología
Para resultar efectivo, el almacenamiento conectado a la red debe ofrecer muchísima capacidad; además, debe ser fiable, asequible y tener un largo ciclo de vida. La planificación del almacenamiento conectado a la red es una disciplina relativamente nueva. La determinación de la ubicación y el tamaño, a fin de lograr un nivel adecuado de almacenaje en los lugares oportunos, dependerán de los patrones de la demanda, las cargas cercanas y el rendimiento de la batería (imagen 2). Se ha propuesto la evaluación de la capacidad cúbica de carga efectiva (ELCC, por sus siglas en inglés) como un método útil para calcular el nivel de almacenamiento que necesitará una red determinada.

Imagen: el almacenamiento de energía con baterías estará conectado a muchas ubicaciones por toda la red (fuente: Mouser Electronics)

Si hablamos del rendimiento de la batería, la investigación más avanzada ha identificado mejoras en los materiales, la estructura y el diseño de los componentes internos, como los electrodos. Un ejemplo de esto es la aparición de las baterías de litio-azufre de gran capacidad, que aprovechan la abundancia de azufre para compensar la demanda global en el suministro de litio. Estas baterías prometen un mayor almacenamiento de energía que las de iones de litio (Li-ion) tradicionales.

Las nanotecnologías también pueden contribuir a resolver los problemas del almacenamiento. Los investigadores han logrado demostrar que los nanotubos de carbono pueden detener el crecimiento de las dendritas —unos desprendimientos conductores no deseados que se van formando dentro de la batería y que provocan cortocircuitos, lo que acaba por generar fallos— y mejorar así la fiabilidad y longevidad.

La tecnología de baterías de estado sólido ofrece una densidad de energía superior a las de iones de litio y aumenta la seguridad, ya que elimina los electrolitos líquidos. Esta tecnología ha visto su progreso ralentizado debido a su poca durabilidad, pero algunos estudios recientes sobre electrodos construidos con una combinación de titanato de litio y dióxido de vanadio y litio podría ofrecer una solución para ampliar el uso comercial de las baterías de estado sólido.

Los «prosumidores» suelen utilizar baterías de iones de litio o de plomo-ácido para el almacenamiento en sus instalaciones. La tecnología con baterías de plomo-ácido está contrastada y es fiable, pero no es tan compacta o ligera como la de baterías de iones de litio y requiere más mantenimiento. Sin embargo, son más asequibles, así que seguirán siendo una opción popular para instalaciones residenciales de «prosumidores». Además del factor económico, la facilidad de uso también juega un papel importante para animar a los propietarios de viviendas a respaldar la red de suministro ecológica.

Los «prosumidores» necesitan saber que su inversión será suficientemente rentable sin tener que convertirse en expertos energéticos y sin tener que pasar montones de tiempo gestionando su propia estación generadora. Es necesario disponer de un software de administración de sistemas que sea sofisticado pero fácil de usar, a fin de que el hogar siempre utilice la fuente de energía más óptima en términos económicos y para garantizar la fiabilidad y estabilidad. Por ejemplo, a fin de usar el microgenerador local para cargar la red de baterías, para cargas domésticas o para introducir energía en la red, de modo que se obtenga energía de esta solo cuando sea necesario. Además, lo ideal sería que todo esto ocurriera con la mejor tarifa posible.
Almacenamiento para los sistemas integrados
Si queremos que la electrificación contribuya a la sostenibilidad, es necesario disponer de un mejor almacenamiento en todas partes, desde el suministro para servicios públicos hasta los propios circuitos impresos, como los puntos de conexión o las pasarelas del IdC. Las baterías pequeñas de estado sólido fabricadas con procesos de capa fina prometen una mayor densidad energética y fiabilidad que las tecnologías tradicionales de iones de litio. Otro factor importante es la capacidad de reciclaje, a fin de relajar la demanda sobre los recursos minerales de nuestro planeta y potenciar nuestro futuro.

Conclusión
Necesitaremos grandes cantidades de almacenamiento en batería para garantizar la estabilidad y disponibilidad de la energía, satisfacer las necesidades de la vida moderna y contribuir a una red verde que pueda sostener la electrificación. Para lograr esto, la tecnología debe mejorar. Hay muchos proyectos de investigación en curso prometedores, pero seguimos teniendo el mismo obstáculo: la capacidad de fabricación de la tecnología de baterías y su precio. Las tecnologías de batería para vehículos eléctricos pueden marcar el camino que debemos seguir: su economía de producción en masa y su demanda de rendimiento es quizá superior a la de cualquier otra tecnología. Si las baterías funcionan bien en un vehículo eléctrico, pueden funcionar en cualquier sitio; de hecho, las baterías usadas de vehículos eléctricos parecen ser una solución eficaz y económica para las aplicaciones conectadas a la red. El software de administración puede contribuir a administrar las diferentes fuentes y tarifas para lograr el nivel más óptimo posible de valor y estabilidad.

Producir más, consumir menos

Los ingenieros electrónicos llevan tiempo tratando de diseñar maneras de reducir el consumo energético con nuevos diseños para productos, desde mucho antes de la crisis climática actual. Un nivel inferior de potencia supone menos calor, disipadores más pequeños, componentes de menor tamaño en la fuente de alimentación, un menor espacio para la batería y una vida útil más larga para esta. En términos generales, esto genera un producto más atractivo y comercializable, que puede rendir mejor en el mercado en comparación con una alternativa de diseño menos esmerado.

La mejora del diseño en la capacidad nominal de la batería tiene la motivación de contribuir a limpiar el planeta, pero también es un punto de venta importantísimo para los consumidores a los que les importa el cuidado del medioambiente.

Es necesario fomentar la innovación en el ahorro de energía, desde los circuitos de conversión de potencia hasta los sistemas integrados que ejecutan la aplicación.

Diseño de baja potencia para adaptadores
Los códigos del diseño ecológico tienen objetivos de potencia y eficiencia muy ambiciosos, sobre todo para equipos como cargadores y adaptadores. Recientemente, EE. UU, la UE y China han ampliado los requisitos aplicables en ese tipo de equipos. Actualmente, la normativa Level VI del Departamento de Energía (DoE, por sus siglas en inglés) de EE. UU. y el Reglamento 2019/1782 relativo al diseño ecológico de la UE exigen requisitos parecidos sobre el promedio de eficiencia y la potencia sin carga. Para cumplir con estos requisitos, los distribuidores más importantes están cambiando a la tecnología de semiconductores con banda prohibida ancha (imagen 1), y utilizan especialmente el nitruro de galio (GaN). Los transistores de GaN son una opción atractiva para los niveles de potencia nominal de los códigos del diseño ecológico, por debajo de 250 W. Algunas de las ventajas en comparación con los transistores de silicio tradicionales son las bajas pérdidas por conducción en relación con la tensión nominal, un nivel bajo de pérdidas por conmutación al funcionar a alta frecuencia, una gran conductividad térmica y fiabilidad a altas temperaturas de funcionamiento. Además, ofrecen una combinación más favorable de tensión nominal en el dispositivo y de RDS(ON) que los MOSFET actuales de carburo de silicio. Con estos transistores, los diseñadores de fuentes de alimentación están logrando niveles máximos de eficiencia superiores al 96 %; todo ello con unidades más ligeras y un 30 % más pequeñas que los modelos anteriores de la misma capacidad nominal.

Imagen: los fabricantes de semiconductores han comercializado las tecnologías de banda prohibida ancha y están fomentando su uso con diseños de referencia y placas de evaluación (fuente: Texas Instruments)

El ahorro de energía en la computación
Los microcontroladores integrados (MCU) llevan tiempo en el centro de las tecnologías de potencia ultrabaja y de las técnicas para el diseño de componentes pensadas para que los elementos más pequeños del Internet de las cosas (IdC) tengan un mejor rendimiento y puedan funcionar durante más tiempo. Estos factores se han convertido en imprescindibles en los últimos años, ya que se ha desplegado una cantidad descomunal de sensores y accionadores conectados a distancia para distintas aplicaciones de control y supervisión en edificios, ciudades, infraestructuras y fábricas inteligentes. La sustitución de estas baterías sobre el terreno suele ser poco viable, así que la única opción es diseñar estos componentes de modo que puedan funcionar toda su vida con una pequeña batería o que dispongan de los circuitos necesarios para obtener energía de fuentes ambientales. Trabajar con una fuente de energía tan limitada exige una administración muy cuidadosa de todo el presupuesto destinado a la alimentación del equipo.

Los distribuidores de procesadores y MCU han desarrollado características de ahorro de energía para ayudar a los diseñadores de aplicaciones a cumplir con estos objetivos de rendimiento y potencia. La variación dinámica de la escala en la tensión permite que el dispositivo ajuste su frecuencia y tensión de funcionamiento para gestionar los picos rápidos en demanda computacional sin dejar de funcionar a un nivel bajo de tensión y frecuencia, minimizando así el consumo de energía cuando la demanda es baja. Los MCU de potencia ultrabaja actuales ofrecen distintos modos de ahorro de potencia que aportan la flexibilidad necesaria para desactivar subsistemas y periféricos, detener relojes innecesarios, mantener o reducir la memoria dinámica y optimizar el tiempo necesario para reanudar el funcionamiento tras salir de alguno de estos modos. Gracias a esta flexibilidad, una aplicación de baja potencia puede activar rápidamente solo aquellos subsistemas que sean necesarios para una tarea determinada, completar el procesamiento correspondiente a alta velocidad y devolver a los circuitos al modo de espera lo antes posible. Hay otras innovaciones, como los aceleradores de acceso a memoria para gráficos y la ejecución en tiempo real, que ahorran la energía que normalmente se pierde cuando un proceso debe esperar a que finalice un ciclo de acceso completo. También hay modos autónomos con los que los periféricos pueden funcionar mientras el núcleo está apagado, así como temporizadores de baja potencia, con los que algunas tareas sencillas pueden seguir ejecutándose mientras la mayor parte del dispositivo y de señales de reloj están apagadas.

El efecto de la IA
Por definición, hacer más trabajo en menos tiempo requiere más energía; para cambiar esta tendencia, tenemos que cambiar la manera de hacer ese trabajo. La inteligencia artificial (IA) está marcando el camino en este sentido, ya que gestiona tareas, como el análisis de patrones para el reconocimiento de imágenes y la detección de anomalías, de un modo más eficaz que las técnicas de computación convencionales. Los distribuidores de MCU están ayudando a los desarrolladores a utilizar pequeñas redes neuronales y otras estructuras de aprendizaje automático (como los árboles de decisión) en sistemas profundamente integrados, con el objetivo de proporcionar capacidades avanzadas y conocimiento del contexto a un nivel de potencia extremadamente bajo y, a menudo, con una respuesta en tiempo real. Esto ha generado una nueva rama del diseño integrado: el aprendizaje automático diminuto, que utiliza marcos ligeros como TensorFlow Lite y TinyML. Se están integrando estructuras similares con dispositivos como los sensores de inercia, de modo que puedan realizar de forma independiente tareas como el reconocimiento básico de actividades para que el sistema pueda permanecer desactivado y ahorrar energía.

Conclusión
La electrificación, junto con el deseo humano natural de crear máquinas mejores —que puedan hacer más cosas a un ritmo más rápido— está aumentando la demanda de energía eléctrica para aparatos y para cargar las baterías de dispositivos móviles o sin cable. El diseño de sistemas de potencia ultrabaja puede fomentar la próxima generación de máquinas, dispositivos con un mayor control sobre nuestras vidas y nuestro entorno; sin embargo, este diseño también debe lograr el equilibrio adecuado entre el rendimiento y la demanda energética.

Autor: Mark Patrick

Mouser Electronics
Distribuidor autorizado
www.mouser.com