Mariano Campoy-Quiles: “Desarrollamos generadores termoeléctricos para la agricultura de precisión”

El investigador del ICMAB-CSIC consigue un proyecto ERC Proof of Concept para desarrollar sensores basados en materiales termoeléctricos orgánicos que no necesitan baterías

Fecha de noticia: 
Viernes, 7 agosto, 2020

El físico del CSIC Mariano Campoy-Quiles, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), es un científico de materiales que ha decidido abordar uno de los problemas más críticos a los que se enfrenta la humanidad: el futuro suministro de energía limpia. Ha conseguido resultados muy prometedores en ese campo, especialmente en dos áreas de aplicación: la energía fotovoltaica y los generadores termoeléctricos. Los generadores termoeléctricos convierten la diferencia de temperatura en energía eléctrica. Por ello, son una forma de generación de energía renovable, sostenible y de bajo coste. Campoy-Quiles tiene en marcha diversos proyectos para aplicar estos generadores en varios sectores, entre ellos la agricultura de precisión.

¿Cuáles son los principales retos de la energía hoy?

Creo que hay varias tecnologías críticas que se tienen que desarrollar. Una son los materiales y técnicas para el almacenamiento de energía; en concreto, para ser capaces de almacenar grandes cantidades de energía para estabilizar la oferta y la demanda energética de un futuro sistema de generación de energía basado en las energías renovables. Otro reto es la adaptación de la red eléctrica para utilizarla con energías renovables, ya que generan energía de un modo más intermitente que la actual. Finalmente, el desarrollo de tecnologías de conversión de energía basadas en energías renovables que sean lo más sostenibles posibles.

Su equipo va a desarrollar generadores termoeléctricos para la agricultura de precisión. ¿En qué consisten?

La agricultura de precisión combina la parte tecnológica, donde se intentan monitorizar los distintos parámetros relevantes para la agricultura, como las condiciones del suelo (pH, temperatura, humedad…), con una gestión inteligente de los recursos, como los usos de productos fitosanitarios y el agua. Los datos obtenidos ayudan a tomar decisiones que mejoran la calidad del producto. Nuestro proyeco ORGEVINE, que ha recibido financiación ERC Proof of Concept de la UE, intenta desarrollar redes distribuidas de sensores que sean autoalimentadas con energía disponible en el campo. Estos sensores autoalimentados están destinados a la viticultura. Ayudarán a conocer con precisión parámetros relevantes para el crecimiento de la uva, como la humedad o la temperatura local en todas las partes del viñedo; y podrán ayudar a un uso más inteligente de los fitosanitarios y del riego en las diferentes zonas. También podemos estudiar qué otros parámetros podrían ser interesantes para monitorizarlos, como la insolación – incluso a nivel de diferentes longitudes de onda (luz ultravioleta, visible o infrarroja) – o parámetros químicos, como el pH de la tierra o los nutrientes.

¿Existe algo parecido en el mercado para esta aplicación?

Actualmente existen dos soluciones principales: una estación meteorológica en un punto concreto de la parcela, que proporciona datos solo de ese punto; o vuelos con drones o avionetas que hacen imágenes de las distintas parcelas. En el primer caso se da información continua, pero solo de un sitio en concreto, y en el segundo caso se tiene información distribuida espacialmente, pero con una periodicidad muy baja. El punto diferenciador de nuestra solución es que intentamos unir estas dos ideas: tener información distribuida en todas las parcelas del viñedo, es decir, monitorizar las distintas parcelas con resolución espacial, y enviar los parámetros de forma remota a una estación de control (que acabará siendo el móvil del viticultor), y hacerlo en tiempo real y de forma continua. Otro punto diferenciador es que estamos intentando reemplazar las baterías, es decir, conseguir que la energía que alimenta los sensores sea energía que esté accesible en el punto de medida. La energía más abundante y que existe de forma distribuida en todas las partes es la temperatura. Nosotros queremos usar esta fuente de energía renovable que es el calor para alimentar estos sensores autónomos.

¿Por qué es útil reemplazar las baterías?

Las baterías presentan varios inconvenientes: hay que cambiarlas periódicamente, suponen un gasto económico, un gasto de mantenimiento y la posibilidad de que haya potenciales pérdidas de los elementos de la batería en la tierra. Nosotros estamos intentando sustituir la batería por generadores termoeléctricos, que son dispositivos que convierten diferencias de temperatura en energía eléctrica. Su eficiencia depende no solo de las propiedades de los materiales, sino de cómo estén ensamblados en el dispositivo, y sobre todo de la diferencia de temperatura que esté disponible. Cuanta más diferencia de temperatura, más eficientes.

¿Qué tipo de materiales termoeléctricos usan?

Los termoeléctricos que hay actualmente comercializados que trabajan en el rango de temperaturas en torno a temperatura ambiente están basados en elementos como el bismuto, el telurio o el plomo, qué o bien son poco abundantes o bien son tóxicos, limitando sus aplicaciones. Nosotros estamos intentando utilizar materiales que se basen en carbono, que sean abundantes, y que no sean tóxicos para el medio ambiente, de forma que mejore la sostenibilidad del sistema, y que sean potencialmente económicos. Para ello, usamos materiales orgánicos como polímeros semiconductores o nanotubos de carbono; hasta ahora presentan propiedades inferiores a las de los inorgánicos pero estamos mejorándolas. Estos materiales orgánicos permiten hacer dispositivos que sean más ligeros y más flexibles. Por último, los métodos de producción de estos materiales suelen ser compatibles con procesos de escalado parecidos a los de las imprentas de periódicos. Esto permite hacer generadores de bajo coste, lo cual puede ayudar para el internet de las cosas. Así, el generador que obtenemos es sostenible y de bajo coste.

¿Qué ventajas ofrecen los materiales termoeléctricos?

Los materiales termoeléctricos pueden aplicarse en cualquier lugar donde haya una diferencia de temperatura, si bien el problema es que normalmente se encuentran diferencias pequeñas, de 10, 20 o hasta 50 grados. Como la potencia que podemos generar es baja, está bien acomodar nuestros generadores a dispositivos que no requieran demasiada energía para funcionar, como los sensores. En el caso de los viñedos, la diferencia de temperatura se encuentra entre el ambiente y la tierra, a unos 15 cm por debajo de la superficie, tanto de día como de noche. Un generador termoeléctrico podría funcionar durante las 24 horas, con diferentes capacidades de generar electricidad, en comparación con la fotovoltaica, que funcionaría solo de día (por la noche necesitarías baterías). Además, también funcionaría tanto en invierno como en verano.

¿Qué otras aplicaciones tienen los materiales termoeléctricos?

Una de las aplicaciones posibles para los termoeléctricos es aprovechar calor residual en aparatos y máquinas y procesos industriales. La eficiencia de cualquier aparato o máquina normalmente está limitada por pérdidas en forma de radiación de calor que a veces llegan a suponer entre el 50 o el 60 % de la energía que ese aparato utiliza. Los termoeléctricos ofrecerían una forma de aprovechar parte de esa energía para generar electricidad y de esa forma hacer el sistema global más eficiente. Esta idea es muy útil y eficiente cuando hay temperaturas elevadas, en procesos sobre todo industriales.  Por ejemplo, una chimenea que tiene las paredes a cientos de grados centígrados que no se pueden utilizar para el proceso en sí, pero se podrían utilizar para generar electricidad. Otra posible aplicación de los termoeléctricos sería utilizando el calor del cuerpo humano para alimentar pequeños sensores, en sectores como por ejemplo la medicina o el deporte, que se puedan beneficiar de que no haga falta tener una batería.

Anna May / CSIC Comunicación

imagen de El investigador del CSIC Mariano Campoy Quiles, del ICMAB-CSIC. / Artur Martínez
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