Grafeno: el futuro de la energía y sus posibles aplicaciones en el sector

por Nov 24, 2016Energías Renovables1 Comentario

Juan Pablo Fernández Zumaquero, Máster en EERR, Máster en Refino, Petroquímica y Gas y Máster en Gestión del Mantenimiento Industrial, actualmente Project Manager Oil & Gas en Repsol, nos da su opinión sobre el grafeno y sus posibles aplicaciones en el ámbito de la energía.

Origen y propiedades

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor.

Imagen de estructura del grafeno

Estructura del grafeno

Desde su descubrimiento por Andre Geim y Konstantin Novoselov en 2004, y darse a conocer al gran público con la obtención del Premio Nobel de Física por parte de los mismos en 2010, el grafeno se ha colocado como primera apuesta de futuro para la siguiente revolución tecnológicadebido a sus propiedades aplicables en diversos campos de la ciencia y la ingeniería como son la aviación, producción y almacenamiento de energía o aplicaciones médicas, entre otras. Y es que, debido a su posición respecto a otros materiales en cuanto a conductividad térmica y eléctrica, elasticidad, dureza, resistencia o transparencia, sólo su coste le aleja de ser el material más utilizado en el mundo.

Son diversos los campos relacionados con la energía en los que se puede incorporar el grafeno para mejorar su tecnología, tanto en el ámbito de las energías renovables como en la de combustibles fósiles. Se trata de un conductor excelente, mejor que el cobre o la plata, es químicamente inerte y es un material ligero con un área de contacto debido a su forma. Es considerado, a su vez, un material sostenible y no contaminante. Por todo ello, las aplicaciones del mismo a la realidad tecnológica se van mulitiplicando. A continuación se exponen algunos ejemplos.

Posibles aplicaciones en el ámbito de la energía

Membranas conductoras de protones

Las pilas de combustible utilizan hidrógeno para producir energía eléctrica. El costo del hidrógeno, así como la ineficiencia de las células de combustible, hacen de esta una tecnología conocida pero poco aplicable. La incorporación de grafeno a las membranas conductoras de protones que se utilizan en estos generadores eléctricos podría hacer que el proceso aumentara su eficiencia y, por tanto, el conocido vector hidrógeno adquiriese la importancia o utilidad que se le ha dado en la última década.

Células solares

Las células solares basadas en grafeno podrían duplicar la eficiencia de las actuales células fotovoltaicas basadas en silicio, llegando a alcanzar valores estimados que rondarían el 60% (frente al 20% actual o incluso 30% [11]). Una eficiencia tres veces mayor se puede interpretar como un coste de producción tres veces menor, lo que podría ocasionar que la generación de energía eléctrica, teniendo como fuente la radiación solar, entrase con fuerza en el mercado desplazando a otros generadores de electricidad siempre y cuando se consiga la estabilidad de la misma con apoyos de otras tecnologías como las baterías y otros generadores de energía de apoyo.

Baterías

En las baterías, se ha demostrado que el uso de grafeno en los electrodos mejora de forma significativa la eficacia de los mismos así como extendería la vida de las bateías. Esto puede conseguirse por varios caminos.

Uno sería introduciendo grafeno en los ánodos de las baterías de ión Litio, aumentando su conductividad y área de contacto, características éstas que mejoran los rendimientos de las baterías y optimizan su tamaño.

Otra manera de mejorar este tipo de baterías en incluir un material híbrido (por ejemplo óxido de vanadio y grafeno) en el cátodo mejorando los ciclos de carga y descarga tanto en su velocidad como en su durabilidad. El óxido de vanadio en sí mismo confiere a la batería su gran capacidad pero con una limitada conductividad eléctrica. Para mejorar esta última característica es donde el grafeno hace su aparción.

En las baterías de Litio Hierro Fosfato, de tipo secundario (recargable), es conocida la gran densidad de potencia de las mismas pero la baja densidad de energía. Mejorando el cátodo de este tipo de baterías con grafeno permite reducir el peso de las mismas, cargar de forma más rápida que las de ión litio y tener una capacidad mucho mayor que las baterías convencionales de Litio Hierro Fosfato.

Batería de ión litio y grafeno. Fuente: curiosithings

Batería de ión litio y grafeno. Fuente: curiosithings

Filtro a nivel molecular

El aumento de la eficiencia de la separación de gases y aceites del agua utilizando para ello láminas de grafeno es, a nivel de laboratorio, una realidad. Las fuertes inversiones relacionadas con este tipo de tecnología y las múltiples aplicaciones (Industria alimentaria, farmaceútica, oil and gas…) donde se podría mejorar el proceso hace de esta aplicación una de las más nombradas en las revistas de ciencia en los últimos meses. La presión necesaria para llevar a cabo este proceso se vería drásticamente reducida comparado con la ósmosis inversa, la tecnología más ampliamente utilizada hasta la fecha. La guerra económica entre las tecnologías probadas y los nuevos filtros de un átomo de espesor del material está sobre la mesa. El grafeno podría entrar, por tanto, no como sustituto sino como aliado de los procesos del mundo del oil and gas.

Aumento de eficiencia en prospecciones

La empresa española Graphenea adelantaba ya en 2013 la posibilidad de aplicar el grafeno para diversas etapas de los procesos de exploración y producción de crudo. En concreto, algunos estudios avanzan que la utilización de óxido de grafeno en las prospecciones reduciría la utilización de agua por medio de la reducción de las pérdidas de fluido hacia las rocas circundantes, comparado con los polímeros utilizados en la actualidad por la industria de la perforación.

Grafeno como Lubricante

Una reducción de la fricción en cualquier proceso no hace sino reducir el consumo de energía necesario para el mismo, con los consecuentes beneficios conocidos por todos: reducción de la factura energética, reducción de emisiones de forma directa o indirecta a la atmósfera, etc. El grafeno ha demostrado mejorar como lubricante, a nivel laboratorio, al disulfuro de molibdeno o grafito, comportándose de una manera extraordinaria ante condiciones de humedad donde los primeros demuestran sus debilidades.

Siguientes pasos

Reducir los costes de producción del grafeno y conseguir métodos de fabricación reproducibles a nivel industrial harán que se provoque tal revolución que, sin lugar a dudas, nos hará encontrarnos ante una nueva época que liderarán aquellas empresas que más hayan apostado por su uso.

Por todo esto no es de extrañar que, en los últimos años, los grupos de investigación y las empresas dedicadas a la producción de grafeno hayan aumentado de forma exponencial, ni que las distintas organizaciones nacionales y plurinacionales estén dedicando cada vez más y más recursos al estudio de las aplicaciones prácticas de este material.

Las empresas españolas dedicadas al grafeno son pioneras en el desarrollo de esta tecnología, principalmente en su fabricación, lo que podría, en un futuro próximo, generar un nuevo tejido industrial en nuestro país asociado al grafeno, sobre todo a medida que aumente el número de aplicaciones de este material para procesos económicamente viables. Algunos de los mercados más prometedores para este material, fuera del mundo de la energía serían: Impresión 3D, polímeros y composites, recubrimientos, neumáticos, asfalto y hormigón o circuitos electrónicos impresos.

Bibliografía

  1. https://es.wikipedia.org/wiki/Grafeno
  2. http://www.graphene-info.com/graphene-batteries
  3. http://www.nature.com/articles/srep14530
  4. http://www.nature.com/articles/srep14321
  5. http://www.oilandgas360.com/will-graphene-change-the-oil-gas-industry/
  6. http://news.mit.edu/2012/graphene-water-desalination-0702
  7. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702113004574
  8. http://grafeno.com/grafeno-el-mejor-lubricante-solido-posible/
  9. https://www.euroresidentes.com/tecnologia/avances-tecnologicos/el-grafeno-podria-generar-energia-de-la
  10. http://www.curiosithings.com/es/nuevas-baterias-de-grafeno-coches-electricos-con-autonomia-de-800km/
  11. http://www.omicrono.com/2015/01/energia-solar-mas-eficiente-gracias-las-celdas-de-grafeno/

 

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