¿Necesitamos aún avances futuros tecnológicos para garantizar la sostenibilidad global o hay soluciones a nuestro alcance?

Autor: Joel Sylvester, fundador y director técnico de Dukosi

En la búsqueda continua de cero emisiones netas (NZE) globales, a menudo se hace hincapié en descubrir soluciones transformadoras, casi milagrosas, que se desvíen significativamente de los enfoques anteriores y ofrezcan una mejora significativa. Sin embargo, si nuestro objetivo es alcanzar las NZE globales para 2050 (NZE2050), es lógico que nos centremos en identificar tecnologías innovadoras y altamente escalables que puedan implementarse ahora para abordar los desafíos globales y generalizados que prevalecen.

Desde la firma de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático hace 32 años, las emisiones de CO₂ de los sectores energético e industrial han aumentado más del 60 %, a pesar de los numerosos compromisos y esfuerzos de los gobiernos para abordar las causas del cambio climático. En 1992 la temperatura global era 0,43 °C más alta que los niveles preindustriales, pero para 2023 esta temperatura había aumentado a aproximadamente 1,1 °C.

La urgencia de la situación es evidente, por lo que quizás sea hora de reevaluar nuestro enfoque hacia la innovación tecnológica. Si bien las soluciones innovadoras generan atención y entusiasmo, la realidad es que su adopción generalizada a menudo enfrenta obstáculos, lo que dificulta su impacto a escala global y retrasa la reducción de gases de efecto invernadero.

Por lo tanto, la pregunta es si deberíamos priorizar las tecnologías que prometen un rendimiento sostenible y una escalabilidad práctica. Al combinar las soluciones implementables actuales con cambios sistémicos en los recuadros de políticas, las estrategias de inversión y el comportamiento del consumidor, podemos alcanzar la meta NZE2050.

¿Por qué NZE2050?

NZE2050 representa un objetivo mundial para lograr un equilibrio entre las emisiones de gases de efecto invernadero y la absorción atmosférica para 2050. El marco NZE2050, desarrollado por la Agencia Internacional de la Energía (AIE), es un análisis exhaustivo y una hoja de ruta que busca reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero en múltiples sectores, como la producción de energía, el transporte, la industria y la agricultura. Además, incluye estrategias para la eliminación o compensación de las emisiones restantes.

El marco se alinea con objetivos climáticos más amplios, como el objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a 1,5 °C para 2050. También contribuye a importantes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas relacionados con la energía, en particular el acceso universal a la energía para 2030 y la mejora de la calidad del aire.

En el marco de la IEA NZE2050, se definen varias áreas clave cruciales para la reducción de las emisiones globales. Estas incluyen iniciativas en las que la industria electrónica es clave, como la transición a la generación de energía solar y eólica renovable y la transición de automóviles y camiones con motores de combustión interna (MCI) a vehículos eléctricos (VE).

Más de 140 países, incluyendo importantes contribuyentes como China, Estados Unidos, India y la Unión Europea, se han comprometido a alcanzar cero emisiones netas. Estos territorios representan aproximadamente el 88 % de las emisiones globales^[4]. Además, más de 9.000 empresas, 1.000 ciudades, 1.000 instituciones educativas y 600 instituciones financieras se han unido a la Carrera hacia Cero y están tomando medidas inmediatas para reducir las emisiones globales a la mitad hacia el 2030.

Las Zonas de Cero Emisiones, como las del centro de Oxford (Inglaterra), o la enérgica política de Noruega de prohibir la matriculación de vehículos de pasajeros con motor de combustión interna a partir de 2025, ponen de relieve algunos de los métodos más agresivos para impulsar soluciones más sostenibles mediante la regulación. Sin embargo, la ONU advierte que nuestros esfuerzos actuales no son suficientes para evitar que la temperatura global supere los 2 °C, y mucho menos el objetivo deseado de 1,5 °C, por lo que es necesario tomar medidas más urgentes.

Dado que los automóviles y furgonetas privados fueron responsables de alrededor del 10% de las emisiones globales de CO2 relacionadas con la energía en 2023, Mientras que la generación de energía sigue siendo el mayor contribuyente a las emisiones globales de CO₂, La integración de tecnologías altamente escalables, flexibles y rentables podría servir como un factor crítico para reducir las emisiones globales y alcanzar el objetivo de NZE2050.

Esto es particularmente aplicable a soluciones orientadas al consumidor, como los vehículos eléctricos, donde, a pesar de una fuerte aceptación inicial, el crecimiento se está moderando a medida que el mercado se desplaza de los primeros usuarios al público en general. Para sostener la expansión de este mercado vital, los fabricantes de automóviles necesitan ofrecer una selección más amplia de modelos, a precios más asequibles y con mayor autonomía. Este es otro ámbito donde la innovación flexible y escalable puede contribuir significativamente.

Priorizar las innovaciones actuales y las estrategias escalables

Esta idea de una mejora más alcanzable pero generalizada no es necesariamente nueva en la industria electrónica, que se basa principalmente en mejoras incrementales continuas. La AIE también apoya esta idea en su marco NZE2050. Reconocen la importancia de la R&D continua y la búsqueda de soluciones innovadoras, pero en su hoja de ruta para el sector energético global enfatizan que «todas las tecnologías necesarias para lograr las profundas reducciones necesarias en las emisiones globales para 2030 ya existen». En su análisis NZE2050 de 2021, respaldan esta idea al afirmar que el 50 % de las tecnologías necesarias para cumplir los objetivos de 2050 ya existen en el mercado.

Al analizar las áreas de enfoque de la AIE, como los vehículos eléctricos y la generación de energías renovables, se observan numerosos temas, desafíos y áreas de mejora comunes. Se podría decir que uno de los vínculos más significativos entre ambos sectores son las celdas de batería de litio. Entre 5-6.5 TWh se espera que para 2030 se alcance una capacidad de fabricación de baterías a nivel mundial, por lo que dirigir nuestra atención hacia soluciones innovadoras y estrategias escalables que se dirijan específicamente a estas celdas de batería generalizadas, que puede tener un impacto sustancial en las emisiones globales y abordar otras preocupaciones urgentes relacionadas con los paquetes de baterías de litio actuales.

La solución altamente escalable de Dukosi y lista para el mercado

Dukosi, con su innovador enfoque para la monitorización de celdas de batería y su diseño de celdas inteligentes, es altamente escalable y flexible en comparación con las arquitecturas de baterías tradicionales, a la vez que mejora el rendimiento, la fiabilidad y la sostenibilidad. Es una solución ideal capaz de satisfacer las necesidades del mercado y ayudar a alcanzar estos ambiciosos objetivos.

El componente principal del Sistema de Monitorización de Celdas Dukosi (DKCMS™) es el Monitor de Celdas DK8102, que se integra de forma óptima en las celdas durante el proceso de fabricación (Figura 1).

Figura 1. El Sistema Monitoreo Celular de Dukosi (DKCMS) (Fuente: Dukosi)

A diferencia de otras arquitecturas de baterías, los monitores de celdas Dukosi capturan e informan tanto el voltaje como la temperatura de cada celda, ofreciendo hasta tres mediciones de temperatura por celda. Al eliminar la necesidad de módulos de celdas, ofrece la flexibilidad de añadir o eliminar celdas en incrementos individuales, con mínima necesidad de rediseño o reconfiguración.

El monitor de celdas DK8102 está equipado con un procesador de señal digital (DSP) de diseño personalizado, además de un núcleo de CPU Arm® Cortex®-M integrado, con almacenamiento en chip para registrar los datos de la vida útil de la celda y RF integrada para comunicaciones de campo cercano de bajo consumo, transmitidas a través de una antena de bus única. El firmware integrado controla la funcionalidad del chip, que incluye la implementación del protocolo de comunicación propietario de Dukosi, C-SynQ®, diseñado desde el principio  para grandes redes en baterías de alta potencia. Garantiza una comunicación robusta y sin contacto de los datos de las celdas entre el monitor de celdas DK8102 y el concentrador del sistema DK8202. La recopilación de datos sincrónica y la entrega determinista son requisitos esenciales para garantizar que el chip de gestión de la batería principal (procesador BMS) reciba datos precisos en tiempo real para tomar las decisiones más efectivas.

Figura 2. La exclusiva conectividad “sin contacto” de campo cercano de Dukosi con la comunicación patentada C-SynQ se han creado desde  el principio para sistemas de baterías de alto rendimiento. (Fuente: Dukosi)

El impacto generalizado del monitoreo de chip en celda

La solución desarrollada por Dukosi busca simplificar la escalabilidad, mejorar la inteligencia de las baterías, garantizar la fiabilidad en aplicaciones críticas para la seguridad y promover la sostenibilidad de las baterías, evitando las complejidades de la comunicación tradicional con sistemas de gestión de baterías (BMS) cableados o inalámbricos de largo alcance.

A diferencia de las arquitecturas cableadas tradicionales, la flexibilidad de la solución sin contacto de Dukosi es más adecuada para satisfacer las necesidades específicas de los vehículos eléctricos en diversos mercados globales, lo que requiere una amplia gama de capacidades de paquetes, composiciones químicas de baterías y empaquetado físico. Esta cualidad es igualmente ventajosa para los sistemas de almacenamiento de energía de baterías (BESS) a escala de red, que necesitan adaptarse y expandirse para respaldar la creciente producción de energía renovable necesaria para alcanzar NZE2050. En ambos casos, modificar el diseño de un paquete es mucho más sencillo con la monitorización de celdas sin contacto, que utiliza un solo cable de antena, en lugar de cablear físicamente cada celda de la batería (Figura 3).

Figura 3. Un diseño de batería cableada tradicional (izquierda) frente a un diseño BMS que utiliza la solución sin contacto de campo cercano de Dukosi (derecha) (Fuente: Dukosi)

Para alcanzar la Nueva Eficiencia Energética (NZE) en 2050, los vehículos eléctricos (VE) deben superar varios desafíos que afectan su usabilidad y sostenibilidad general. En caso la tasa de adopción inicial es alentadora, un desafío persistente para los fabricantes de automóviles es la autonomía del vehículo. Para muchos consumidores, así como para aplicaciones comerciales, los VE actuales carecen de la autonomía necesaria a los precios actuales o tardan demasiado en cargarse.

En comparación con los paquetes de baterías para VE convencionales, que suelen monitorizar las celdas en grupos de módulos, el DKCMS permite una monitorización precisa de cada celda. Esto permite que el sistema de gestión de baterías (BMS) tenga una mejor comprensión del estado de cada celda, lo que potencialmente le permite extraer la máxima energía utilizable de la batería, aumentando la autonomía y proporcionando capacidades de carga rápida más seguras, a la vez que protege la longevidad de la celda. De igual manera, esto también beneficia a los BESS con exigentes requisitos de rendimiento, al ampliar  eficientemente la energía accesible para el número dado de celdas.

Utilizar una celda durante el mayor tiempo posible minimiza las emisiones de carbono de su vida útil. El Monitor de Celdas Dukosi permanece con su celda durante toda su vida útil, por lo que la misma celda habilitada por Dukosi puede usarse (y reutilizarse) más  allende de su primera aplicación en oportunidades futuras, desde la movilidad y la automoción hasta BESS u otros mercados. Esto abre nuevas oportunidades de mercado, acorta el tiempo de reutilización y diseño, y simplifica la introducción de los nuevos productos necesarios para alcanzar NZE2050. La tecnología de Dukosi puede ayudar  la aceleración   de transición.

Creando una economía circular

La consideración del uso de materiales es esencial para alcanzar NZE2050, especialmente con datos que muestran que las celdas de batería hechas de materiales reciclados emiten solo el 25 % de las emisiones de carbono en comparación con las celdas producidas a partir de materiales recién extraídos. Gracias a que cada monitor de celda proporciona trazabilidad de por vida y capacidad de pasaporte de batería a nivel de celda, DKCMS facilita una economía circular mediante y por cual la clasificación eficiente de celdas y oportunidades de reutilización antes del reciclaje final. (Figura 4)

Figura 4. Una ilustración que muestra cómo un «pasaporte» celular puede ayudar a posibilitar una economía circular (Fuente: Dukosi)

Dado que las celdas se deterioran a diferentes ritmos, los diseños tradicionales de baterías dificultan la capacidad de determinar su estado e identificar las adecuadas para su reutilización. Sin embargo, la tecnología chip-on-cell de Dukosi está diseñada para eliminar este obstáculo. Al ofrecer información sin precedentes sobre el historial de cada celda, facilita determinar cuáles están en buen estado y pueden enviarse, almacenarse y reutilizarse de forma segura. Una vez que las celdas ya no son utilizables, los datos de los materiales almacenados en la celda permiten que las operaciones de reciclaje optimicen sus procesos para maximizar las tasas de recuperación de materias primas.

Para aplicaciones altamente exigentes, como las baterías de vehículos eléctricos, los «pasaportes» individuales de celda pueden facilitar la transición a aplicaciones secundarias menos exigentes, como los sistemas BESS renovables. Además, en una batería de vehículo eléctrico estándar, la solución chip-on-cell puede reducir el número de componentes hasta diez veces, lo que se traduce en una reducción de peso y del uso de material para los crecientes sectores de los vehículos eléctricos y las energías renovables.

Otro elemento fundamental para garantizar la sostenibilidad es promover la fiabilidad y la longevidad del sistema. DKCMS puede reducir el número de componentes hasta diez veces, lo que, combinado con sus comunicaciones sin contacto, puede duplicar la fiabilidad en comparación con los diseños cableados tradicionales, a la vez que ayuda a evitar condiciones de funcionamiento que podrían acortar la vida útil de las celdas. Las mejoras en la fiabilidad que dan lugar a baterías más seguras provienen de la propia arquitectura: en primer lugar, la eliminación del cableado y los conectores complejos en las baterías de alta energía reduce la probabilidad de cortocircuitos, y la información mejorada a nivel de celda, como las mediciones precisas de temperatura, mejora la seguridad al permitir la detección temprana del funcionamiento anormal de las celdas y prevenir posibles fugas térmicas.

Conclusión

Al priorizar soluciones que se puedan implementar y escalar fácilmente en diversas aplicaciones y mercados, podemos capitalizar las tecnologías e infraestructuras existentes para impulsar reducciones significativas en las emisiones de gases de efecto invernadero. Este enfoque no solo aprovecha las capacidades de las innovaciones actuales, sino que también reconoce la urgencia de la crisis climática.

Retrasar la acción ante la posibilidad de futuros avances tecnológicos puede agravar la situación, y por supuesto ya es crítica. Por lo tanto, es crucial priorizar enfoques novedosos y soluciones escalables como DKCMS y la tecnología de chip en celda, que pueden mejorar considerablemente la sostenibilidad de los sistemas de baterías esenciales y generalizados, acelerando nuestro camino hacia el logro de NZE2050. Como sociedad, debemos actuar con rapidez y unidad, aprovechando los recursos a medida que estén disponibles, para afrontar los desafíos actuales y proteger el medio ambiente del futuro.