Cerámica avanzada en tecnologías de energía verde

El mundo está experimentando una profunda transformación hacia soluciones energéticas sostenibles, impulsada por la necesidad de combatir el cambio climático, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y realizar la transición a fuentes de energía renovables. Entre los materiales más prometedores en esta transición se encuentran los cerámicos avanzados, que ofrecen propiedades excepcionales que los hacen indispensables en una serie de tecnologías de energía verde.

1. Sistemas de energía solar

La generación de energía solar se ha convertido en una de las formas de fuentes de energía renovables más aceptadas en todo el mundo. La cerámica avanzada desempeña un papel importante en la mejora de las prestaciones de las células de energía solar y los sistemas térmicos solares.

• Células fotovoltaicas: En las células solares fotovoltaicas, materiales como los recubrimientos cerámicos ayudan a mejorar la eficiencia y la vida útil de las células solares. El uso de películas cerámicas también se ha considerado como sustituto de los materiales de silicio en las células solares. Las películas ayudan a aumentar la velocidad de absorción de la luz solar y también minimizan las pérdidas por disipación de calor.
• Centrales solares térmicas: En las centrales termosolares, la cerámica avanzada se emplea en intercambiadores de calor y tubos absorbedores solares. Los materiales cerámicos, como los compuestos cerámicos, resisten bien las temperaturas elevadas y los entornos adversos, por lo que mejoran la eficiencia total de las centrales termosolares.
• Recubrimientos cerámicos para reflectores: Los revestimientos cerámicos reflectantes se aplican a los espejos de las centrales termosolares. Esta tecnología se utiliza para aumentar la reflectividad de los espejos que se encuentran en las centrales termosolares.

2. Energía eólica

La energía eólica es otro componente importante en el sector de las energías renovables. Los avances en materiales cerámicos han desempeñado un papel importante en varios aspectos de los componentes de las turbinas eólicas para producir sistemas más eficientes y duraderos.

• Rodamientos y cajas de engranajes: Los rodamientos y las cajas de engranajes utilizados en las turbinas eólicas son propensos a la abrasión y al estrés mecánico. La cerámica de nitruro de silicio y circonio se utiliza para fabricar cojinetes más duraderos y con menos fricción. Los materiales cerámicos se utilizan para crear rodamientos más eficaces y que requieren menos mantenimiento que antes.
• Compuestos para palas: Los compuestos de matriz cerámica se utilizan en las palas de los aerogeneradores para mejorar sus propiedades de resistencia. La adición de cerámica a los materiales compuestos permite a las palas eólicas resistir entornos duros y las fuerzas de la naturaleza, lo que hace que las palas eólicas sean más duraderas.

3. Sistemas de almacenamiento de energía

El almacenamiento deenergía es un aspecto crítico de los sistemas de energía verde, especialmente porque las fuentes renovables intermitentes como la energía solar y eólica requieren soluciones de almacenamiento eficientes para equilibrar la oferta y la demanda. La cerámica avanzada es fundamental para mejorar el rendimiento de las tecnologías de almacenamiento de energía, como las baterías, los supercondensadores y los volantes de inercia.

• Baterías de iones de litio: El uso de materiales cerámicos avanzados en baterías de iones de litio las hace adecuadas para su uso en vehículos eléctricos (VE) y sistemas de almacenamiento de energías renovables. La cerámica en las baterías de iones de litio mejora el rendimiento al aumentar la seguridad, elevar el nivel de densidad energética y aumentar la vida útil de las baterías de iones de litio.
• Baterías de estado sólido: Una de las áreas más prometedoras de la tecnología de almacenamiento de energía es el desarrollo de baterías de estado sólido, que sustituyen los electrolitos líquidos tradicionales por materiales cerámicos. Las baterías de estado sólido son mucho mejores que las de iones de litio, ya que son más seguras y más densas energéticamente, además de tener una vida útil más larga. Se están desarrollando baterías de estado sólido de cerámica de litio y cerámica de sodio.
• Supercondensadores: Los supercondensadores, que se basan en el almacenamiento de energía mediante archivos electrostáticos, requieren cerámicas de alta calidad para los electrodos y dieléctricos de los supercondensadores. Las cerámicas avanzadas mejoran la eficiencia de los ciclos de carga y descarga y la capacidad de almacenamiento de los supercondensadores y los convierten en potenciales dispositivos de almacenamiento de energías renovables.
• Volantes de inercia: Los volantes de inercia se utilizan para almacenar energía a corto plazo y estabilizar las redes eléctricas. Las cerámicas avanzadas se utilizan en los rotores de los volantes de inercia por su gran solidez y resistencia al desgaste y a los choques térmicos. Los materiales cerámicos ayudan a mejorar la eficiencia de los volantes de inercia, permitiéndoles funcionar a altas velocidades sin degradarse.

4. Pilas de combustible

Las pilas de combustible son una alternativa cada vez más popular a los motores de combustión tradicionales en el transporte y la generación de energía estacionaria, ya que convierten la energía química directamente en energía eléctrica. La cerámica avanzada es fundamental para el desarrollo de pilas de combustible de alta eficiencia, como las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) y las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC).

• Materiales electrolíticos: En las pilas de combustible de óxido sólido, la cerámica de alto rendimiento actúa como material electrolítico que facilita el paso de los iones de oxígeno del ánodo al cátodo. La zirconia estabilizada con itria (YSZ), una cerámica, se emplea sobre todo por sus propiedades de conductividad a altas temperaturas y su estabilidad.
• Materiales del ánodo y el cátodo: El ánodo y el cátodo de las pilas de combustible suelen ser de cerámica avanzada. También se utilizan compuestos cerámicos porque mejoran la eficiencia de las pilas de combustible al funcionar eficazmente a temperaturas y presiones más elevadas.
• Durabilidad y eficiencia: El empleo de cerámicas modernas en los componentes de las pilas de combustible mejora tanto su durabilidad como sus niveles de eficiencia. La cerámica es capaz de tolerar el calor extremo y las propiedades corrosivas asociadas a las pilas de combustible, por lo que es uno de los materiales vitales utilizados en los esfuerzos por desarrollar una tecnología de energía limpia.

5. Sistemas de energía geotérmica

Los sistemas de energía geotérmica aprovechan el calor natural de la Tierra para generar electricidad. En las centrales geotérmicas se utilizan cerámicas avanzadas para mejorar el rendimiento de componentes clave, como los álabes de las turbinas, los intercambiadores de calor y los sistemas de tuberías.

• Resistencia a altas temperaturas: La cerámica, especialmente el carburo de silicio (SiC) y los compuestos a base de circonio, se utilizan en aplicaciones geotérmicas debido a su capacidad para soportar las temperaturas extremas que se dan en los pozos geotérmicos. Estos materiales evitan la corrosión y la degradación, garantizando la longevidad y fiabilidad de los sistemas de energía geotérmica.
• Eficiencia mejorada: Las cerámicas avanzadas también mejoran la eficiencia térmica de los sistemas geotérmicos al mejorar las propiedades de transferencia de calor en los intercambiadores de calor y evitar la pérdida de energía en entornos de alta temperatura.

Conclusión

Las cerámicas avanzadas son indispensables en el desarrollo y la optimización de las tecnologías de energía verde. Sus excepcionales propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas las hacen ideales para su uso en sistemas de energía solar, eólica, de almacenamiento de energía, de pilas de combustible y geotérmica. A medida que aumente la demanda de soluciones energéticas sostenibles y eficientes, la cerámica avanzada seguirá desempeñando un papel fundamental en la configuración del futuro de la energía verde. Para saber más sobre cerámica avanzada, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).