La Feria Internacional de Defensa y Seguridad FEINDEF, organizada por la Fundación FEINDEF y apoyada institucionalmente por el Ministerio de Defensa, es el evento de Defensa y Seguridad más importante celebrado en España, tendrá lugar en Ifema, Madrid, los días 17, 18 y 19 de mayo de 2023.

El Instituto IMDEA Energía estará presente participando activamente en las jornadas y en las ruedas de negocios del Brokerage Event donde Félix Marín y Jesús Palma mantendrán reuniones bilaterales. Nos encontrarán en la sección de la red de Institutos IMDEA dentro del stand de la Fundación para el Conocimiento Madri+d (pabellón 8, stand 8B14), donde se presentarán las diversas capacidades, ofertas tecnológicas y proyectos de investigación de IMDEA Energía enfocados al sector de la Defensa.

Las baterías de iones de litio de las que dependen hoy día infinidad de dispositivos, desde nuestros teléfonos a los vehículos eléctricos, tienen más de 30 años de madurez y se han convertido en un componente esencial para las tecnologías presentes y futuras.

Conocer su disponibilidad, duración, prestaciones y capacidades es ya vital para los usuarios. Pero es complicado conocer a ciencia cierta estas variables imprescindibles.

Ante esto surge la pregunta: ¿conviene fiarse de la información que algunos dispositivos como los iPhone o cualquier otro teléfono móvil –o un vehículo eléctrico– nos dan sobre del estado de salud de la batería? O dicho de otro modo, ¿estamos seguros de que la batería no nos dejará tirados justo cuando más la necesitamos?

“Vida” y “muerte” en un circuito

Las baterías de ion litio están compuestas por celdas, y cada una de ellas contiene un electrodo positivo y uno negativo. Éstos están inmersos en un electrolito que actúa como conductor para transportar los iones. De esta forma los electrones recorren el circuito externo que da energía a los dispositivos eléctricos y los hace funcionar.

En ese proceso, las baterías se descargan y hay que volver a dotarlas de energía nuevamente. Eso se denomina un ciclo, y, como cualquier otra batería, cuantos más ciclos experimenten, antes “mueren”.

Los estudios miden cuántos ciclos dura la batería en unas determinadas condiciones eléctricas. Desafortunadamente, factores cambiantes como la temperatura de funcionamiento, el ritmo de carga y descarga y el tiempo de uso conducen a una duración diferente, lo que hace realmente difícil establecer las condiciones de salud de las baterías a lo largo del tiempo.

¿Será posible estimar cuándo una batería va a dejar de ser operativa? ¿Se puede saber qué funcionalidad pueden tener una vez que hayan llegado al final de su vida útil?

Gemelos digitales

La industria 4.0 lleva trabajando en las tecnologías de simulación virtual desde mediados de 2010, en los llamados gemelos digitales (digital twin en inglés). Estos son conjuntos de información virtual que describen completamente un producto físico.

En esta área específicamente se ha avanzado mucho en el desarrollo de programas de simulación tanto en el diseño de plantas industriales como en la recreación virtual de sus procesos.

Esos “gemelos” tienen el objetivo de analizar, optimizar y mejorar la productividad de una planta en tiempo real, reduciendo los tiempos de desarrollo y detectando fallos de manera precoz.

Con un software adecuado se puede simular desde plantas industriales hasta dispositivos como baterías. Y así disponer de una realidad digital exacta en la que contrastar la información registrada en el gemelo digital con la implementada en el sistema de gestión de las baterías.

Eso facilita que éstas operen con la máxima eficiencia y aseguren mayor durabilidad, además de explorar sus prestaciones en momentos puntuales, evitar fallos y hasta abordar posibles optimizaciones.

Modelos demasiado simples

El problema es que las baterías son sistemas muy difíciles de modelar fielmente.

Generalmente se usan indicadores que en ocasiones no se pueden medir directamente, como el estado de carga (State of Charge en inglés, SOC), que representa la cantidad de carga que tiene la batería respecto de la máxima posible, y el estado de salud (State of Health en inglés, SOH), un parámetro que valora las prestaciones de una batería comparado con sus condiciones ideales.

Así, los modelos son todavía demasiado simples y sus características dependen de los diferentes tipos de baterías, de su diseño y de su tipo de fabricación.

Por tanto, la precisión de los indicadores descritos anteriormente disminuye y no de forma lineal precisamente, por lo que esto debe considerarse en la operación de los sistemas de almacenamiento de energía.

El proyecto BEST

Desde el Instituto IMDEA Energía y la Universidad de Alcalá de Henares entramos en el terreno de los gemelos digitales para baterías con el proyecto Gemelo Digital de Almacenamiento de Energía de Batería (BEST), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

En esta iniciativa proponemos el uso de gemelos digitales de baterías a través de la integración de modelos matemáticos y estimadores de estado de salud, así como del análisis de los datos de funcionamiento mediante técnicas de inteligencia artificial.

De este se obtendrá un mayor conocimiento y control sobre las condiciones reales de los sistemas de las baterías a lo largo de su vida operativa, reduciendo así las diferencias que puedan existir entre la definición del modelo y el sistema real.

Estas diferencias generalmente aparecen bien cuando el paso del tiempo afecta a las características de las baterías, bien cuando no se puede realizar un modelo preciso o bien cuando trabajar con un modelo detallado no es posible o es poco efectivo.

Como estrategia, hemos elegido un gemelo que aglutina diferentes técnicas y permite conseguir este propósito mediante la creación de un modelo dinámico con dos enfoques:

• El primero es la reproducción del estado de salud de las baterías basado en la estimación del estado de los indicadores más relevantes de las celdas (los ya mencionados SOC y SOH).
• El segundo es el desarrollo de modelos de degradación de las baterías, obtenidos mediante una adecuada caracterización de celdas de diferentes químicas y tipo de electroquímica (baterías de ion-litio de potencia y de capacidad, incluso otro tipo de baterías como las de flujo redox).

Esto, integrado con un análisis de los datos de operación mediante técnicas de inteligencia artificial, permitirá disponer de una información mucho más completa y útil sobre las condiciones reales de los sistemas de las baterías.

Con este marco resultaría posible, por ejemplo, calcular cuándo van a llegar al final de su ciclo de vida y determinar el estado de salud en el que se encuentran, ya sea para encontrar un método de reciclaje eficiente o para darles una segunda vida en otra aplicación menos exigente.

Si funciona, habríamos dado nada menos que con el modo de evitar quedarse repentinamente sin batería en el teléfono móvil y, de modo secundario, terminar con la excusa de culpar a la batería por llegar tarde a una reunión o no responder a tiempo un mensaje.

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Tras tres intensos años de investigación pionera, el proyecto de investigación de la UE NanoBat concluye con soluciones revolucionarias para la producción de baterías en Europa y fuera de ella. El consorcio, formado por 13 socios académicos e industriales, ha desarrollado conjuntamente un novedoso conjunto de herramientas nanotecnológicas para la comprobación de la calidad de las baterías de litio, con especial atención a la estructura a nanoescala de la capa SEI (solid electrolyte interphase), una capa aislada eléctricamente que impide la descomposición del electrolito y es responsable del rendimiento y la seguridad de las baterías.

«Con las nuevas tecnologías NanoBat, los fabricantes y las PYME europeas estarán en condiciones de crear una cadena de valor competitiva para la fabricación de pilas sostenibles en Europa», afirma el Dr. Ferry Kienberger, coordinador del proyecto y socio industrial austriaco de Keysight Technologies.

Los resultados influirán en varios proyectos futuros: Con el desarrollo del hardware EIS (espectroscopia de impedancia electroquímica), ahora patentado por Keysight, se podrán comercializar nuevos productos. Lo mismo puede decirse del modelado de software QWED para su integración en QuickWave y el recién creado escáner QWED GHz. Otros avances proporcionan la base para futuros desarrollos. Esto incluye la estación de medida de alto rendimiento desarrollada conjuntamente por Keysight y Kreisel, la prueba de ciclo electroquímico rápido implementada en IMDEA, la nueva analítica de datos de puerta de calidad virtual preparada en la Technische Universität Braunschweig, y las nuevas técnicas de sonda de barrido diseñadas por la Ruhr-Universität Bochum y la Universidad de Burgos. Por último, pero no por ello menos importante, Pleione Energy ha establecido una línea piloto de baterías para pilas de bolsa y supercondensadores a disposición de la comunidad de baterías en general.
Con el tiempo, los métodos de producción ecológica podrán ampliarse mediante la participación de agentes mundiales de la industria automovilística y extenderse a otros mercados, como las baterías especiales para satélites, los edificios ecológicos, los materiales GHz o el software de modelización.

Los resultados también fomentarán la competitividad industrial y la capacidad de innovación de la UE y tendrán un impacto positivo en la economía circular y la huella medioambiental de la producción de baterías, ya que unos métodos de ensayo más precisos se traducen en una disminución del uso de energía y materias primas y de los residuos.

Más información sobre los resultados del proyecto NanoBat en la página web (insertar url), incluidos vídeos cortos que detallan cada una de las innovaciones.
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Datos clave del proyecto

Título: NanoBat – Mediciones eléctricas y dieléctricas a nanoescala de GHz de la interfase sólido-electrolito y aplicaciones en la línea de fabricación de baterías

Inicio: 1 de abril de 2020
Fin: 31 de marzo de 2023
Presupuesto: 4,966,912.50 €
Coordinador: Keysight Technologies GmbH, Austria
Página web: www.nanobat.eu

Socios del proyecto

• Instituto Austriaco de Tecnología GmbH, Austria
• Centro Ricerche Fiat, Italia
• EURICE – Oficina Europea de Investigación y Proyectos GmbH, Alemania
• Instituto Federal de Metrología METAS, Suiza
• Instituto IMDEA Energía, España
• Universidad Johannes Kepler de Linz, Austria
• Keysight Technologies GmbH, Austria
• Kreisel Electric GmbH & Co KG, Austria
• Pleione Energy S. A., Grecia
• QWED, Polonia
• Ruhr-Universität Bochum, Alemania
• Technische Universität Braunschweig, Alemania
• Universidad de Burgos, España

IMDEA Energía participa en el proyecto europeo Horizonte 2020 PROMETEO «Producción de hidrógeno mediante calor y energía solar en electrolizadores de óxido sólido de alta temperatura» bajo el acuerdo de subvención 101007194. Manuel Romero como coordinador de la asignatura de Tecnologías Termosolares de Concentración tuvo la oportunidad de presentar PROMETEO a 27 alumnos del Máster en Energías Renovables y Medio Ambiente (ERMA) de la Universidad Politécnica de Madrid el 13 de marzo de 2023.