La necesidad de energía verde se ha convertido en un tema candente en todo el mundo, al darse cuenta de que no podemos continuar utilizando los recursos de la tierra de la manera que lo hemos hecho hasta ahora. El impulso hacia la energía verde nos está acelerando hacia un futuro más verde y sostenible. Hay planes para reemplazar el motor de gasolina con motores eléctricos en nuestros vehículos y para reemplazar el gas y el carbón con tecnologías más ecológicas, como turbinas eólicas y energía solar.
Hasta ahora, no ha habido tanta discusión sobre la infraestructura necesaria para tal conversión. Lo mismo ocurre con la pregunta de qué sucederá con otros productos, como los bienes de consumo que tenemos a nuestro alrededor y los sensores que son el núcleo de Internet de las cosas. ¿Cómo deberían impulsarse todos estos en el futuro más verde hacia el que nos dirigimos?
Hasta ahora, tampoco ha habido mucha discusión sobre de dónde vendrán los materiales que necesitamos para hacer este futuro, y si podemos soportar el coste de extraer los materiales que necesitamos. Este coste es tanto en términos financieros como en términos del daño que esto puede causar a nuestro medio ambiente.
A fines de 2021, Ipsos, el especialista en investigación de mercado global y opinión pública, concluyó que la preocupación por el cambio climático era la mayor preocupación para el público en general en el Reino Unido. Después de la conferencia climática COP26 en Glasgow, 4 de cada 10 asistentes del público al que se le preguntó, mencionaron los problemas ambientales como una preocupación.
En el Reino Unido, BritishVolt ha anunciado recientemente planes para desarrollar una «gigafábrica» de baterías en el noreste de Inglaterra. Para finales de la década, se espera que la fábrica produzca suficientes celdas de batería para construir 300.000 paquetes de baterías para vehículos eléctricos por año. Esta es una de las muchas «gigafábricas» planificadas en toda Europa para impulsar la próxima generación de vehículos eléctricos. Para que estos vehículos sean ecológicos, deberán funcionar con energía verde, entregada al hogar desde granjas de turbinas solares y eólicas en todo el mundo.
En un informe publicado en 2020, el Banco Mundial estimó que será necesario extraer más de tres mil millones de toneladas de minerales y metales para permitirnos desplegar suficiente energía eólica, solar y geotérmica, así como almacenamiento de energía, para tener una oportunidad de limitar el calentamiento a 2 grados centígrados para 2100.
El informe del Banco se centra únicamente en los escenarios de uso probable, pero advierte que existen riesgos de suministro significativos para los minerales que actualmente dependen demasiado de productores de un solo origen, como el cobalto (República Democrática del Congo) y el grafito (China), o que requieren aumentos significativos en la capacidad de producción (litio).
El molibdeno es un mercado mucho más pequeño con una producción de solo 300 000 toneladas en 2018. Y aunque su uso promedio en una turbina eólica es solo el 0,15 % de la composición mineral, un aumento en la generación de energía eólica y geotérmica se traduciría en un crecimiento de la demanda acumulada de 800 000 toneladas en el mismo período.
De acuerdo con un informe de la Asociación Minera del Noroeste, una sola turbina eólica típica de 3MW necesita 335 toneladas de acero, 4,7 toneladas de cobre, 1.200 toneladas de hormigón (cemento y agregados), 3 toneladas de aluminio, 2 toneladas de elementos de tierras raras y menos cantidades de zinc y molibdeno.
Hay otras opciones para obtener los minerales necesarios. Muchas empresas ahora están buscando cómo podrían recolectar nódulos polimetálicos de aguas profundas que se forman en grandes cantidades en las llanuras abisales de los océanos del mundo. La obtención de estos nódulos puede tener algunos beneficios significativos, ya que contienen muchos metales raros y difíciles de obtener y se encuentran en concentraciones mucho más altas que las que normalmente se encuentran en la tierra, donde las concentraciones de metales de más de una fracción de un pequeño porcentaje son raras. El costo de extraer estos nódulos, tanto en términos financieros como en la devastación que puede causar al ecosistema del océano por la recolección, debería darnos motivos para considerar otras opciones.
El impacto de estos cambios también se sentirá en los productos integrados, especialmente los que funcionan con baterías, ya que los materiales necesarios serán más escasos y caros. El objetivo es ser ecológico: no solo en el uso de materiales, sino también en la vida útil del producto, cuánto dura y cómo se puede desechar de forma segura.
El uso de fuentes de energía de renovables, junto con las últimas tecnologías de baterías recargables, puede ayudar a los desarrolladores a diseñar productos más eficientes que duren más y sean más fáciles de fabricar y desechar de manera segura.
La recolección de energía puede aumentar la vida útil del producto al recargar la batería durante el funcionamiento a partir de la energía recolectada del entorno local. La batería puede ser más pequeña y no necesita ser reemplazada cuando se descarga. Esto no solo reduce el costo de la batería y el tamaño físico de la batería, sino que también reduce el costo de mantenimiento a largo plazo del producto. Como no es necesario reemplazar la batería, la confiabilidad aumenta, ya que se puede soldar al producto y no hay costo para que alguien reemplace, o peor aún, se olvide de reemplazar la batería.
Renesas ha desarrollado la nueva familia de microcontroladores RE01, basada en su exclusivo proceso Silicon on Thin Buried Oxide, que apunta específicamente a estas aplicaciones. La familia RE01 ofrece un consumo de energía significativamente más bajo que la mayoría de los otros microcontroladores del mercado, alcanzando 12 µA/MHz durante el funcionamiento normal. Estos dispositivos ofrecen una gama de funciones de consumo ultra bajo, como temporizadores de consumo extremadamente bajo que solo consumen unos pocos nA, ADC que solo consume unos pocos µA durante el funcionamiento y una radio BLE de baja potencia. Cada microcontrolador RE01 también integra un controlador de recolección de energía dedicado que proporciona todas las funciones de administración de energía necesarias para fuentes de energía de recolección de energía integradas, como células fotovoltaicas y dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías recargables, para crear un sistema completo de recolección de energía.
El RE01B es el primer microcontrolador de la familia RE01 con radio BLE integrada. El RE01B hace posible crear sensores IoT altamente integrados que pueden recolectar energía del medio ambiente y admitir actualizaciones de firmware por aire, utilizando la radio BLE en el chip. El RE01B tiene una arquitectura de memoria única con 3 bancos independientes de memoria flash en chip, cada uno de 512 kbytes de tamaño, que se pueden programar y borrar de forma independiente. Esto permite que se construyan aplicaciones que no solo permiten que el firmware se actualice de forma inalámbrica, sino que también se actualice la pila BLE.
Renesas proporciona a los diseñadores un conjunto completo de documentación, notas de aplicación y software de ejemplo que permite la integración sencilla de una aplicación que se ejecuta en el RE01B. Sin embargo, el diseño basado en RF aún representa una tarea compleja.
El desarrollo de PCB a menudo plantea algunos desafíos, la caracterización del rendimiento puede llevar tiempo y pueden surgir problemas en la fase de certificación. Para reducir los riesgos y reducir al mínimo el tiempo de comercialización, RELOC (www.reloc.it) ha creado un módulo RF basado en RE01B. El módulo, denominado RM-BE1 (en la foto de la izquierda), está completamente certificado (CE, TELEC) y listo para integrarse en un producto final. El RM-BE1 es compacto, solo mide 27,5 x 15 mm2, pero incluye todas las funciones principales necesarias para construir y administrar un producto de RF autónomo. Estos incluyen MCU con una gran cantidad de periféricos de baja potencia, transceptor BLE, administrador de recolección de energía, osciladores y una antena integrada (también está disponible una variante con conector U.FL). Dependiendo de la aplicación final, el sistema solo requiere la adición de una fuente de energía adecuada, como un pequeño panel solar y un almacenamiento de energía, como un supercap o una batería recargable. El módulo puede operar desde 1.6 – 3.6V con operación de CPU hasta 64 MHz. Las cifras de potencia se reducen a 12 µA/MHz y 600 nA para consumos activos y en espera, respectivamente.
Además del módulo RM-BE1, RELOC proporciona un ecosistema de soporte completo para ayudar a los clientes a completar su desarrollo en el menor tiempo posible, con la menor cantidad de desafíos posible. La placa de evaluación RM-BE1-EVB es un entorno fácil de usar para diseñar y probar fácilmente una aplicación Bluetooth de muy bajo consumo y libre de mantenimiento. La placa de evaluación se muestra a la derecha, con el módulo montado en la parte superior de la PCB. Además del módulo, la placa de evaluación cuenta con varios sensores (T/H/lux/acelerómetro/micrófono), conectores de expansión (PMOD, Grove, Arduino), programador USB integrado y canal de depuración, muestra de panel solar y super- condensador. El firmware de ejemplo y las aplicaciones móviles RE01B complementarias (disponibles para dispositivos Android e iOS) completan la demostración de una solución autónoma sin batería, donde el RE01B recopila valores de sensores y publica datos a través de una baliza BLE.
El módulo puede ser alimentado directamente por una variedad de fuentes de energía de recolección de energía, incluidas las células fotovoltaicas. Hoy en día existen muchas tecnologías diferentes de células fotovoltaicas disponibles. Algunos usan algunos de los materiales problemáticos que mencionamos anteriormente, sin embargo, ahora hay muchos disponibles que usan materiales más seguros y fáciles de manejar, como los producidos en Francia por Dracula Technologies.
Dracula Technologies ha dedicado muchos años a la investigación de células fotovoltaicas orgánicas, lo que ha resultado en la creación de LAYER®, una tecnología impresa que genera energía a partir de la luz ambiental. LAYER® es la primera célula fotovoltaica orgánica moldeada del mundo. La tecnología se basa en una técnica de fabricación única que utiliza impresión digital. De la misma manera que una impresora de oficina usa tinta, los módulos LAYER® se imprimen usando tinta funcional que ha sido especialmente formulada por Dracula Technologies.
Los módulos LAYER® tienen una alta eficiencia en condiciones de poca luz. LAYER® genera energía a partir de la luz ambiental porque utiliza materiales específicos que aprovechan tanto la luz natural como la artificial. Gracias a la impresión por inyección de tinta, el usuario puede desarrollar rápidamente módulos bajo demanda para cumplir con las especificaciones de los clientes en términos de rendimiento y diseño.
El resultado es una celda liviana y flexible que es altamente eficiente en condiciones de poca luz y tiene un impacto ambiental bajo.
La tecnología de baterías también ha avanzado en los últimos años, con el desarrollo de tecnologías de baterías más seguras y eficientes. Renesas ha estado trabajando con ITEN (www.iten.com) en Francia, que fabrica micro baterías de estado sólido recargables que se entregan en forma de dispositivos herméticos montados en superficie (SMD) o paquetes QFN.
Estas micro baterías son compactas y caben en un volumen de 10-35 mm3. La tecnología 3D de la RIED permite una fácil personalización del factor de forma de las baterías cambiando su área y grosor.
Lo que probablemente sea único en estas micro baterías es que obviamente se comportan como una batería a un voltaje nominal de 2,2-2,5 V y almacenan energía durante mucho tiempo, pero también pueden entregar energía y picos de corriente elevados, de la misma manera. como supercondensadores. Por ejemplo, una micro batería recargable de 250 a 500 µAh puede generar picos de corriente de alrededor de 50 a 100 mA. Esto es más que suficiente para alimentar sensores, transmisiones de RF y otros componentes. Esto es posible porque las micro baterías ITEN tienen resistencias internas muy bajas; esto también explica por qué estas micro baterías se recargan muy rápidamente: el 50% de la carga se alcanza después de tiempos de carga de 60 segundos y más del 80% en menos de 5 minutos.
Las baterías no contienen metal de litio ni disolventes orgánicos por lo que son totalmente seguras. Debido a que son SMD, pueden ensamblarse en líneas de ensamblaje automatizadas estándar y reciclarse como otros dispositivos SMD. En este sentido, la oferta de baterías se alinea perfectamente con el alcance de la directiva europea de baterías que recomienda a las empresas que dejen de usar celdas tipo moneda en diseños electrónicos para 2030. Especialmente porque, en comparación con las celdas tipo moneda, la emisión de CO2 debido al proceso de fabricación es de 200x a 1000 veces menos con las micro baterías de estado sólido de ITEN
Varias capacidades de micro baterías están disponibles hoy en día desde 50 hasta 500 µAh.
Estos ejemplos se encuentran entre los dispositivos de recolección de energía y almacenamiento de energía de nueva generación. Cuando se combinan con un microcontrolador de potencia ultra baja como la familia RE01, hacen posible crear una nueva clase de dispositivo electrónico que recolecta eficientemente su energía del entorno que lo rodea. El uso de baterías recargables reduce el tamaño del dispositivo y, por lo tanto, la cantidad de materiales necesarios para producirlo, lo que reduce el costo ambiental. El uso de los últimos materiales también significa que podemos utilizar materiales más seguros y fáciles de obtener, lo cual es especialmente importante si queremos producir productos de manera sostenible.
Si podemos comenzar a utilizar la recolección de energía para mejorar el rendimiento de las baterías que alimentan nuestros dispositivos, el impacto en el medio ambiente será menor, nuestro producto será más sostenible y durará más.
Los microcontroladores como el RE01B de Renesas, combinados con soluciones como el módulo Dracula Layer y las baterías recargables de estado sólido de Iten, hacen posibles las verdaderas aplicaciones “energy harvesting”
Autor: Graeme Clark, Ingeniero Principal, Renesas Electronics
