Oliba-hezur birziklatuetan oinarrituriko superkondentsadore hibridoak

2016/09/01 Goikolea Nuñez, Eider - CIC Energiguneko ikertzailea | Mysyk, Roman - CIC Energiguneko ikertzailea | Redondo Negrete, Edurne - CIC Energiguneko ikertzailea | Ajuria Arregi, Jon - CIC Energiguneko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

XXI. mendean gizarteak aurre egin beharko dion munta handiko arazo bat energiaren kudeaketa izango da, bai sorkuntzaren bai biltegiratzearen ikuspuntutik. Energia biltegiratzeko sistema garatuek XXI. mendean izan diren iraultza teknologiko garrantzitsuenetariko bat ahalbidetu dute: gailu elektroniko eramangarriak. Hurrengo urteetan ere zeresan handia emango dute, eredu energetiko jasangarri eta garbiago baten bilakaeraren giltza izan baitaitezke, energia berriztagarriei eta ibilgailu elektrikoari azken bultzada emanez eta haien bideragarritasuna ahalbidetuz. Helburu horrekin, oliba eder batzuk dastatu ostean, haien hezurrak kiskali ditugu, lorturiko ikatzekin azken belaunaldiko biltegiratze-sistema hibridoak garatzeko.
1. irudia. Energia berriztagarriak eta ibilgailu elektrikoa bideratuko dituen energia biltegiratzeko gailuak. Arg. Armin Kübelbeck/CC-BY-SA 3.0; Petr Kratochvil; Avda/CC-BY-SA 3.0

Gaur egungo energia globalaren ereduak herrialdeen izate sozioekonomikoa eta ingurumen-arloak erabat baldintzatzen ditu. Are gehiago, Parisko klimaren goi-bilerak argi utzi zuen: erregai fosiletan oinarrituriko energia ekoizteko ereduak zuzeneko eragina du klima-aldaketan berotegi-efektuko gasen isurien ondorioz, eta gaur egungo energia-eredua ingurumenerako jasangaitza da1 . Berotegi-efektuko gas-isuri horien arduradunak zenbait motatako akuilatzaileak dira, eta, nolabait, eragile horietan eragin behar dugu gure munduaren osasuna berreskuratu nahi baldin badugu. Energia-metaketan dihardugun ikerlariok faktore horietako bi ditugu identifikatuak, eta gure aletxoa jartzen saiatuko gara borroka honetan. Alde batetik, berotegi-efektuko gasen isurien % 25 sektore elektrikotik dator, eta beste % 14 garraiotik, non haren erdia ibilgailuei baitagokie2 .

Hortaz, alde batetik nahitaezkoa da behingoz energia berriztagarrietan oinarrituriko energia-eredu alternatibo bat garatzea arlo sozioekonomikoaren eta ingurumenaren arteko oreka jasangarria ahalbidetzeko. Energia berriztagarrietan oinarrituriko ekoizpen-eredu bat garatzeko, ordea, badira gainditu beharreko zenbait muga, bai ikuspegi teknologikotik eta bai eskuragarritasunaren aldetik ere. Jakina da energia-iturri berriztagarriak ez direla jarraituak; beraz unean uneko eguzkiaren, haizearen edo uraren erabilgarritasunaren araberakoa izango da energia-sorrera. Muga hori gainditzeko, behar-beharrezkoa da energia biltegiratzeko sistema eraginkorrak izatea, soberan sorturiko energia metatu ahal izateko eta energia sortzerik ez dagoenean energia-hornidura bermatua izateko. Bestalde, ibilgailu elektrikoari merkaturatzeko falta zaion azken bultzada ematea ere oso garrantzitsua da, berotegi-efektuko gasen emisioa baretzeko eta bizi garen herri eta hirien airearen osasuna eta bizi-kalitatea berreskuratzeko. Hargatik, azken urteotan interes handia sortu da energia biltegiratzeko sistemen garapenean.

Energia metatzeko sistemak: bateriak eta kondentsadoreak

2. irudia. Ragone Plot, hau da, energia biltegiratzeko erabiltzen diren sistemen konparazioa energia- eta potentzia-dentsitatearen arabera.

Azken bi hamarkadetan, komunitate zientifikoaren interesa zenbait aplikazioren ezaugarrien araberako bateria edo kondentsadore elektrokimiko mota ezberdinen garapenean ardazturik egon da. Bateriak gai dira kondentsadoreak baino energia-dentsitate handiagoak biltegiratzeko; tamalez, eskain dezaketen potentzia oso txikia da, eta biltegiratze-prozesua guztiz itzulgarriak ez diren erreakzio kimikoen bitartez gertatzen denez, gailu horien iraupena ere ez da jasangarria.

Bestalde, azken urteotan superkondentsadoreak indarra hartzen ari dira, baterien alternatiba edo osagarri bilakaturik. Superkondentsadoreek prozesu fisikoen bitartez biltegiratzen dute energia, materialen gainazalean gertatzen den ioien elektrosortzioaren bidez; potentzia handiak eta iraupen luzeak ahalbidetzen dituzte, eta aukera ematen dute, halaber, energia metatzeko efizienteagoak diren teknologia hibridoak garatzeko.

Bateria eta kondentsadoreen energia eta potentzia metatzeko ezaugarriak Ragone Plot deituriko grafikoan laburbildu ohi dira, non energia-dentsitatea potentzia-dentsitatearekiko irudikatzen den, gailuen deskarga-denbora linea diagonaletan erakutsiz.

Hala ere, energia biltegiratzeko gailuak ez dira energia eta potentzia metatzeko duten gaitasunaren arabera bakarrik ebaluatzen. Beste faktore batzuk guztiz erabakigarriak dira gailu horien erabilera aukeratu eta merkaturatzeko bideragarritasuna ahalbideratzeko orduan; adibidez, karga- eta deskarga-denborak, erabilera-tenperatura, segurtasuna edo bizitza-zikloa eta kostua, besteak beste.

1. taula. Energia metatzeko teknologien arteko konparazioa3.

Aipatzekoa da superkondentsadoreak, bateriak ez bezala, segundotan deskargatu ez ezik segundotan ere kargatu daitezkeela. Ezaugarri hori oso garrantzitsua da energia berreskuratzeko sistemetan; adibidez, balaztatze-energia berreskuratzen duten ibilgailu edo igogailu elektrikoetan. Era berean, superkondentsadoreak gai dira muturreko tenperatura baxu eta altuetan ere potentzia handiak emateko. Faktore horrek oso erakargarri bilakatzen ditu muturreko baldintzak dituzten aplikazioetarako; esate baterako, industria aeroespazialean.

Nolanahi ere, funtzionamenduaren aldetik superkondentsadoreek ere badituzte ahuleziak; esanguratsuena lan-tentsioa da. Baterietan, lan-tentsioa 4 V-etik gertu dago; superkondentsadoreetan, berriz, 3 V-era mugatuta dago gehienez ere, eta horrek mugatu egiten du energia-dentsitatea.

Merkaturatzeko garaian superkondentsadoreen ezaugarri erakargarriena haien iraupen luzea da. Nahiz eta printzipioz bateriek erreakzio kimiko itzulgarrien bidez metatzen duten energia, elektrodoetako materialek egitura-aldaketak jasaten dituzte. Aldaketa horiek direla medio, akatsak eratzen dira eta horrek, karga/deskargak aurrera egin ahala, sistemaren hondatzea dakar ezinbestean. Superkondentsadoreek, aldiz, prozesu fisiko erabat itzulgarriak darabiltzate; hala, saihestu egiten da aipatutako hantura, bermatu egiten da egonkortasun mekanikoa eta gailuaren iraupena milioika ziklotaraino luzatzen da.

Etorkizuna: superkondentsadore hibridoak

3. irudia. Energia oliba-hezurretik abiaturiko gailuetan metatzeko ideia.

Teknologia garatuz doan heinean, gero eta gehiago dira bai energia bai potentzia handiak behar dituzten gailuak. Gaur egun, behar horiei erantzuna emateko estrategia kanpo-zirkuitu baten bitartez bateria eta superkondentsadoreak seriean konektatzean datza. Azkenaldian, ordea, bada estrategia horren aurrean bere burua alternatiba gisa aurkeztu duen ideia berritzaile bat: superkondentsadore hibridoak. Hau da haien funtsa: superkondentsadore motako elektrodo bat bateria motako elektrodo batekin konbinatzea, bi teknologien ezaugarri onenak gailu bakar batean bateratzeko. Ideia konbinatorio hori lehenengoz 2001. urtean argitaratu zen kontzeptu gisa, energia-dentsitate handiko bateria motako elektrodo bat (LTO-lithium titanate) potentzia handiko superkondentsadore motako elektrodo batekin konbinatuz (AC-activated carbon) 4 .

Sistema horien ezaugarriak superkondentsadore eta bateriaren artekoak dira: lehenengoek baino 5–10 aldiz energia gehiago metatu dezakete potentzia-balio handiak mantenduz 5 . Normalean, LIC horiek (ingelesez lithium ion capacitor, LIC) gainazal altuko ikatz aktibatua darabilte elektrodo positibo moduan, eta interkalazio konposatu bat, tipikoki grafitoa, elektrodo negatiboan. LICa kargatzen denean, litio ioien interkalazioa gertatzen da elektrodo negatiboan, eta elektrolitoan dauden anioiak adsorbatu egiten dira elektrodo positiboan. Deskarga-prozesuan, aldiz, litio ioiak elektrodo negatibotik atera eta anioiak desorbatu egiten dira elektrodo positibotik. Zoritxarrez, grafitoak ez dauka litiorik bere barnean, eta prelitiazio deritzon kanpo-prozesu baten bitartez txertatu behar da litioa grafitoan. Prelitiazioa beharrezkoa da: a) tentsio handiko sistema bat izateko (4 V), b) elektrodo negatiboaren kapazitate itzulezina ezabatzeko, c) elektrodoen erresistentzia murrizteko eta d) sistemak karga/deskarga ziklo gehiago jasan ahal izateko. Nahiz eta prelitiazioa eragozpen teknologiko handia izan, dagoeneko gainditua izan da, eta lehenengo superkondentsadore hibridoak merkatuan daude, bateria eta superkondentsadoreen onurak bateratuz 6 .

Oliba-hezurrak

Oliba-hezurra lignina, zelulosa eta hemizelulosaz eraturiko material lignozelulosikoa da. Hiru osagai horiek proportzio egokian ageri dira oliba-hezurrean dentsitate handiko ikatzak lortzeko. Oliba-hezurrak kiskaliz, ikatz gogorra (ingelesez, hard carbon, HC) lortzen da. HC hori kimikoki KOH bitartez aktibatuz, ACa lortuko dugu. HCak grafitoaren antzerako ezaugarriak ditu, baina grafeno-geruzak desordenaturik daude materialean kapazitate handiagoak lortzeko bidea zabalduz (litioa geruzen artean interkalatzeaz gain, poroetan ere adsorba daiteke). Are gehiago, litioaz gain, sodioaren erabilera ere ahalbidetzen du (grafitoarekin ezin da sodioa erabili). Litioa agortuko den eztabaida mahai gainean dago. Interes ekonomiko handiak daude tartean, eta, behatzailearen (hau da, interesatuaren) arabera, erantzuna baiezkoa ala ezezkoa izango da. Interpretaziorik onartzen ez duen faktorea, ordea, munduko litio-iturrien kokapen geografikoa da. Munduko litio-erreserben % 85 inguru Litioaren Triangelua deritzon Hego Amerikako eskualde geografikoan aurkitzen da; zehazki, Atakamako Puna inguruetan, non aurkitzen diren Uyuniko gatzaga (Bolivia), Gizon Hilaren gatzaga (Argentina) eta Atapumako gatzaga (Txile). Litioaz alderaturik, sodioa nonahi aurkitu genezake, eta haren erauzketa-kostua litioarena baino askoz txikiagoa da; beraz, grafitoa HCaz ordeztea balio erantsi interesgarria da.

4. irudia. Oliba-hezurretik garaturiko biltegiratze-sistemen konparazioa.

Lan honetan oliba-hezur bio-hondakina birziklatuz HC-bateria motako elektrodoa eta AC-superkondentsadore motako elektrodoa sintetizatu ditugu. Elektrodo horiek gailu bakarrean konbinatuz, gai izan gara Li-ioi edo Na-ioi teknologian oinarrituriko iraupen luzeko eta energia eta potentzia handiak dituzten laborategi mailako gailu hibridoak fabrikatzeko. Gailu horiek etorkizunean gure gizartea moldatuko duten bi teknologia garrantzitsuenen bilakaera baldintzatu dezakete: alde batetik, litio ioian oinarrituriko gailuak, bai energia- eta bai potentzia-dentsitate handiak eta iraupen luzeak izanik, oso egokiak dira ibilgailu elektrikoetan inplementatzeko. Bestalde, sodio ioian oinarrituriko gailuak ezin dira lehiatu litioarekin potentzia- eta iraupen-parametrotan, baina merkeagoak izan litezke (Na-ioi teknologia merkaturatzeke dago oraindik), eta, adibidez, energia berriztagarrien arloan biltegiratze-sistema gisa erabil daitezke, non eguneko karga-deskarga ziklo bat edo bi nahikoa izan daitezkeen eta potentzia ez den hain garrantzitsua, baina kostu txikiagoak energia berriztagarrien prezioa leihakorra izaten jarraitzea ahalbidetuko lukeen.

CIC Energigunen, oliba-hezurretik lorturiko HC eta AC konbinatuz lorturiko LIC eta NIC (ingelesez sodium-ion capacitor, NIC) gailuen ezaugarriak, oliba-hezurretik abiatuz fabrikaturiko superkondentsadore batekin konparaturik, askoz hobeak dira. Neurketak tentsio-leiho murriztuan egin dira (2,2-3,8 V), superkondentsadoreekin alderatuak izan daitezkeen iraupen luzeak lortzeko. Ikus daitekeenez, bi teknologia berriek sobera hobetzen dute superkondentsadorearen energia-dentsitatea potentzia-dentsitate txikietan, energia-dentsitatearen balioa ia hirukoiztuz. Potentzia handietan, LICak oraindik ere superkondentsadorearen ezaugarriak hobetzen ditu, ez hala NICak. Sodio ioiaren tamaina handiagoa denez, difusio-erresistentzia handiagoa da materialaren barnean; beraz, karga eta deskargak ez dira hain azkarrak, eta potentzia-balioak mugatu egiten dira. Bestalde, bi gailuek iraupen luzeak dituzte (LICak > 50.000 eta NICak > 5.000 karga/deskarga ziklo). Dena dela, sodioak litioak baino degradazio mekaniko askoz handiagoa eragiten du HCean tamaina handiagoa duelako; beraz, areagotu egiten du materialaren hantura, eta, ondorioz, laburtu egiten du gailuaren iraupena.

Bibliografia

4. Amatucci; Badway, F.; Du Pasquier, A.; Zheng. T.: J. Electrochem. Soc., 148, 8 (2001), 930-939.
5. Aida, T.; Yamada, K.; Morita, M.: Electrochem. Solid-State Lett., 9(12) (2006), 534-536.
Materialen Zientzia eta Teknologiaren III. kongresua
Joan den uztailean Materialen Zientzia eta Teknologia Kongresuaren hirugarren edizioa egin zen Markina-Xemeinen, Leartiker zentro teknologikoak antolatuta. Materialen arloko ia 100 profesionalek parte hartu zuten euskara hutsean egiten den kongresu horretan, eta, kongresuko batzorde zientifikoak adierazi zuenez, inoiz baino maila altuagoa izan zuten aurkeztutako lanek.
 
Bi egunez, materialekin zerikusia duten hamaika gairi buruz hitz egin zuten Markina-Xemeinen: energia pilatzeko materialak, etorkizuneko nanotxipen garapenerako teknologiak, minbizia tratatzeko nanopartikulak, terapia genikoak, automoziorako edo erabilera arruntetarako material polimerikoak, metalikoak, zeramikoak, haien prozesaketa aurreratuak, eta abar.
Hogeita hamar ahozko aurkezpen eta berrogei poster izan ziren, eta ahozko aurkezpen onenaren saria jaso zuen CIC Energiguneko kide Jon Ajuriak artikulu hau idatzi du Elhuyar aldizkarirako, taldekideekin batera, kongresuan aurkeztutako lanari buruz.

Gai honi buruzko eduki gehiago

Elhuyarrek garatutako teknologia