Entrevista a XAVIER GRANADOS

Xavier Granados García es Científico Titular del CSIC y miembro del Departamento de Materiales Superconductores y Nanoestructuración a Gran Escala. Desde 1987, ha colaborado con el grupo de Superconductividad en la Universidad de Barcelona y posteriormente en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona desde su fundación, contribuyendo en el desarrollo de actividades de I+D+i en el campo de la Superconductividad y sus Aplicaciones  en el Área  «Large Scale» de sistemas electrotécnicos, liderando las actividades en este área dentro del grupo de Investigación. Es miembro de la Sociedad Catalana de Física, de la European Society of Applied Superconductivity, del Institute of Electrical and Electronics Engineers, de la Cryogenic Society of America, del High Temperature Superconductors Modelling Workgroup, es representante del CSIC en el JP Energy Sorage de la European Energy Research Aliance y coordinandor del subprograma Superconducting Magnetic Energy Storage. Ha participado en más de 30 Proyectos competitivos y contratos con empresas y ha contribuido en más de 150 publicaciones.

Dentro del marco de desarrollo y perfeccionamiento de tecnologías asociadas al sector de la energía cuyos objetivos se fijan en el SET-plan, se hace necesario sugerir directrices y prioridades que permitan orientar el esfuerzo de investigación y de desarrollo y mejorar así su eficiencia. En el caso concreto del Programa Conjunto de Almacenamiento de Energía de EERA, EERA JP ES, se ha buscado un consenso extenso en conjunción con otras entidades incluyendo asociaciones, empresas, entes con capacidad de elaborar normativa y, en fin, con participación activa, con intereses o que son afectadas tanto por las consecuencias sociales como económicas en el ámbito del desarrollo de las tecnologías de almacenamiento.

En esta tarea compleja, la Asociación Europea para el Almacenamiento de Energía, EASE, complementó su esfuerzo con EERA JP ES   liderando entre ambas la confección de una hoja de ruta que fue hecha pública en marzo 2013  bajo el título «EASE/EERA Energy Storage Technology Development Roadmap towards 2030» (http://ease-storage.eu/easeeera-energy-storage-technology-development-roadmap-towards-2030/). Con los años y el desarrollo alcanzado, se ha hecho necesario un proceso de revisión y actualización.

La revisión de la hoja de ruta, una vez confeccionada con las aportaciones de los miembros de EASE y EERA JP ES, ha sido sometida a un proceso de información pública en la que los agentes afectados, los «Stakeholders», han podido sugerir y comentar  al objeto de hacer llegar sus opiniones al núcleo redactor. Una vez finalizado ese período de información pública, se ha convocado una reunión de «Stakeholders» en la que se ha pretendido, y conseguido, que los apartados afectados pudiesen ser discutidos antes de pasar a su incorporación a la redacción en la fase final de discusión por el núcleo redactor.

Es relevante hacer notar que en nuestro país el primer documento ha servido como una de las referencias en la redacción de otros documentos en relación a las perspectivas, tecnologías e impacto del almacenamiento de energía. En concreto, el Grupo Interplataformas de Almacenamiento (GIA) ha tenido en cuenta el «EASE-EERA RoadMap». Tanto la forma de su redacción como su contenido y la variedad de instituciones y países implicados hacen pensar que es una referencia útil.

EERA se constituye como compromiso formal entre 10 Institutos de Investigación Europeos el 27 de octubre de 2008. Sus orígenes están en la necesidad de conjuntar esfuerzos y poder contribuir a nivel mundial y en primera línea siguiendo los objetivos planteados en el SET-plan, facilitando conseguir los objetivos definidos para 2020 y 2050 en lo que respecta a las emisiones de gases de efecto invernadero, eficiencia energética y desarrollo de energías renovables.

La Alianza trata de combatir la fragmentación y la infra-financiación  del sistema de investigación y desarrollo europeo mediante la coordinación de esfuerzos entre los centros de investigación.

Desde esa idea  se definen los mecanismos de relación y gobernanza y se construye la estructura de la Alianza en base a Programas Conjuntos (JP’s) que reúnen el esfuerzo combinado de grupos de investigación en áreas determinadas. Dentro de cada programa conjunto se definen sub-áreas o Sub-Programas (SP’s) dedicados a una tecnología específica como ocurre en el JP de Almacenamiento de Energía (ES) en el que conviven 6 SP’s: Almacenamiento Electroquímico, Almacenamiento Químico, Almacenamiento Térmico, Almacenamiento Mecánico, Almacenamiento Magnético y Aspectos Económicos y Sociales del almacenamiento de energía.

En el año 2011 el número de Laboratorios Aliados en el programa de almacenamiento de energía era 26 de 12 países. De España, cinco instituciones: CIEMAT, IMDEA, CNH2, ICMM e ICMAB.

El desarrollo y crecimiento de la Alianza y la necesidad de una estructura firme, con personalidad jurídica que le permitiera tener medios propios, supuso un cambio en su estructura social y un reordenamiento dando lugar en 2014 a la sociedad sin ánimo de lucro EERA AISBL,  con sede en Bruselas. En el período de reforma, que culmina en 2015, CSIC se convierte en socio de pleno derecho. En la actualidad, es CSIC y no sus Institutos de forma individual quien participa en la Alianza.

En el proyecto conjunto de almacenamiento de energía colaboran cuatro Institutos, Cerámica y Vidrio, Ciencia de Materiales de Madrid, Nano-Ciencia y Nano-Tecnología de Catalunya, y el de Ciencia de Materiales de Barcelona.  La Alianza permite coordinar esfuerzos con otros centros de Europa, optimizar recursos y promover estrategias así como dar visibilidad a la relevancia del tema en concreto y a las opciones en desarrollo. Los centros con recursos limitados como el nuestro pueden tener acceso a tecnologías y al conocimiento del estado del arte y de las tendencias con mayor facilidad.

En el Grupo de Materiales Superconductores y Nano-estructuración a Gran Escala, uno de los aspectos en los que se ha tenido interés es en el desarrollo de sus aplicaciones. Ello ayuda a entender y valorar el impacto que el desarrollo y la difusión del material pueden tener en diversos campos como el de la energía. Esa comprensión tiene implicaciones  en el desarrollo del material y en el desarrollo de las herramientas de diseño y los métodos de fabricación de ambos, del material y del dispositivo, es decir, el desarrollo de una ingeniería específica.

La participación en el Programa Conjunto de Almacenamiento de Energía nos da una perspectiva fruto de la colaboración que, de otro modo, no existiría. En el caso concreto del desarrollo en el que participo, el SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)  el encuentro y trabajo conjunto permite mejorar la cohesión y la capacidad y ello, por si mismo, conduce a una mayor probabilidad de éxito en las convocatorias de financiación. Se incluye a Europa en la carrera por el desarrollo de este tipo de sistemas que pueden ser competitivos ya que cubren, con mayor simplicidad, necesidades que otros no pueden proporcionar.

EASE es una asociación dedicada al almacenamiento de energía desde el punto de vista de prever un panorama general del sistema energético con la inclusión del concepto de almacenamiento. A diferencia de EERA, incluye socios industriales. EERA no solo focaliza su esfuerzo en el almacenamiento de energía, ese apartado corresponde a uno de sus  Programas Conjuntos y hay 17.  En EERA, los socios son instituciones de investigación. La intersección entre EASE y EERA, no es nula y se limita a algunos miembros del  JP ES.

La colaboración entre ambas asociaciones es inevitable y uno de los frutos es precisamente la coordinación de esfuerzos a través del «RoadMap».

Existen instituciones españolas en las dos asociaciones. En el caso de EASE, son socios  instituciones como CENER y CIRCE, pero además participan empresas como ENDESA, IBERDROLA, GAS NATURAL FENOSA y RED ELECTRICA DE ESPAÑA. CSIC no participa y ICMAB es parte de CSIC

En el RoadMap, y en el JP ES de EERA, se incluyen las diversas tecnologías en desarrollo para el almacenamiento de energía. Muchas de ellas son híbridas en el sentido que convierten un vector energético en otro. Almacenar energía eléctrica en forma de energía mecánica o térmica o química es un claro ejemplo, aunque no siempre el destino final tiene que ser energía eléctrica.  Estos procesos, en general, permiten almacenar gran cantidad de energía pero los procesos de intercambio suelen tener debilidades y limitaciones entre las que se incluyen retardos en su disponibilidad, necesitan un tiempo para ser  activas; degradación producida en los procesos de carga y descarga, lo que requiere un buen control de las condiciones en las que se efectúan ambos procesos, o complejidad mecánica en los sistemas basados en volantes de inercia.

En la ponencia se consideran, de acuerdo con el RoadMap, dos tecnologías de almacenamiento directamente eléctrico: En campo eléctrico (o Polarización, según se mire) o en campo magnético, es decir tensión eléctrica o corriente eléctrica. El primer caso corresponde a los Super-condensadores mientras que el SMES corresponde al segundo. Yo he presentado la segunda tecnología. El almacenamiento en forma de campo magnético tiene, por contra una gran flexibilidad y su naturaleza electromagnética no requiere de reconversión, es ya electricidad. En esencia, es una bobina de material superconductor por la que circula corriente eléctrica sin pérdidas y genera un campo magnético. El uso de superconductor permite la circulación de corrientes eléctricas  muy intensas sin calentarse la bobina y con ello se pueden alcanzar campos magnéticos muy intensos. Desde el punto de vista de la energía almacenada, un metro cúbico de campo magnético de 10T (Tesla es la unidad de densidad del campo) supone una energía 30 veces mayor que la de un metro cúbico de agua a 100 metros de altura.

Estos sistemas no son novedosos en España. Durante la década de los noventa se hizo un gran esfuerzo por situar la superconductividad en España a un nivel competitivo a través de un macroproyecto, el proyecto  MIDAS, financiado por una pequeña fracción (menor que un 0,1 por mil, si no me equivoco) de la factura eléctrica. ASINEL, RED ELECTRICA, IBERDROLA, y otras compañías coordinaron parte de ese fondo para financiar proyectos de desarrollo conceptual y práctico entre los que figuró el proyecto AMAS 500, liderado por ASINEL e IBERDROLA entre otros.

El desarrollo de los materiales superconductores de alta temperatura, a partir de 1987, supone una simplificación de los sistemas de refrigeración ya que se puede pensar en temperaturas de funcionamiento superiores a los 4 K (-269 ºC) que corresponden a la ebullición del He líquido utilizado por los sistemas basados en superconductores de baja temperatura. Ello supone un paso más en el desarrollo viable de estos dispositivos prescindiendo de la dependencia con el He y utilizando sistemas de refrigeración e intercambio de calor más eficientes, asequibles y de menor costo por lo que su comercialización a gran escala sería posible.

Ya en el presente siglo, tiene lugar la aparición de las cintas superconductoras, sobre todo las llamadas de 2ª generación (2G) que han supuesto un reto de manufactura de materiales muy importante desde el punto de vista de recubrimientos cerámicos funcionales. En ellas el superconductor recubre los 600 m de cinta metálica (hastelloy, acero o  NiW, según la tecnología empleada) formando una capa texturada, es decir, la capa cristalina formada mantiene su orientación cristalina a lo largo de esos 600m o más. Esa capa de una o dos micras de espesor es quien conduce los 500 A por centímetro de anchura a temperaturas tan altas como la de ebullición del Nitrógeno líquido

Con este tipo de materiales la refrigeración es más simple y la estabilidad térmica de la bobina es superior. Dada la disponibilidad industrial de LN2, LO2 y LCH4 como gases de uso industrial y como sistemas de almacenamiento de energía, es posible realizar sistemas de almacenamiento de energía híbridos donde el SMES puede quedar incorporado dentro del sistema electrónico que es común a todas las tecnologías de almacenamiento. Junto con el posible uso del LH2 (Hidrógeno líquido) como reserva de energía, el SMES consigue una robustez y rapidez únicas. Responde con facilidad a demandas de potencia en tiempos inferiores al milisegundo. Tanto su potencia como su rapidez de respuesta, su eficiencia y el ilimitado número de ciclos de carga descarga le convierten en un elemento clave en los sistemas híbridos de almacenamiento confiriéndoles una gran capacidad de cubrir prácticamente todas las necesidades de almacenamiento. En el fondo, no es más que una bobina y electrónica, un poco sofisticadas pero nada más. Solo se puede hacer con material superconductor.

Descubrir es quizás una palabra excesiva. Desde hace unos años, desde 2010 esencialmente, se sugirió que la utilización de superconductores en los generadores eléctricos impulsados por las turbinas eólicas, los molinos de viento, podían simplificar la estructura y el acoplamiento mecánicos necesarios. Sobre todo en los molinos Off-shore, los instalados en el mar. En este caso, podrían hacer viable la construcción de molinos de 10MW. Para hacernos una idea, los molinos que vemos en las carenas de las lomas y montañas de nuestra geografía tienen habitualmente una potencia de unos 2 MW  y cada pala mide alrededor de 60m. El conjunto, sin contar la torre, viene a pesar entre 200 y 300 tm.

La capacidad de los superconductores de producir campos magnéticos superiores a los algo menos de 2T que se puede conseguir en los generadores convencionales con circuito magnético basado en el hierro, da lugar a dos cosas. La primera es que se puede eliminar el hierro del circuito magnético: disminuye drásticamente su peso. La segunda es que el campo magnético es superior, lo que disminuye el tamaño o permite generar la potencia deseada a más baja velocidad.

En el aerogenerador (molino de viento o generador eólico) existen, básicamente,  cuatro elementos: La turbina (las palas), el multiplicador, el generador y el convertidor. La turbina gira a una velocidad entre 10 y 15 vueltas por minuto y el generador eléctrico convencional lo hace a 1500 revoluciones por minuto, ello hace necesaria una caja de engranajes que multiplica la velocidad de giro de las palas unas 150 veces. El multiplicador es un conjunto mecánico pesado, unas 20 tm en un molino de 2MW, y sometido a esfuerzos mecánicos enormes. Disminuir la velocidad del generador supone una gran simplificación y aligeramiento del sistema que redunda en mayor fiabilidad, menor mantenimiento y menor costo.

La estrategia seguida con el grupo de investigación liderado por Gamesa Innovation and Technologies SLU y los institutos del CSIC ICMAB e ICMA, ha sido diferente. En base a una financiación parcial del Ministerio, Proyecto RTC-2014-1740-3 «DISEÑO DE UNA NUEVA GENERACIÓN DE GENERADORES Y EQUIPOS AUXILIARES PARA ENERGÍA EÓLICA BASADOS EN SUPERCONDUCTORES», y la contribución de Gamesa. Se ha partido de un Generador, del tipo DFIG, de uso común en los aerogeneradores de 2MW. En la primera fase se ha retirado el sistema de refrigeración estándar, reduciendo así a la mitad el volumen total del generador y se ha substituido el estator de cobre y hierro por un estator superconductor que genera el campo estático. La sostenibilidad térmica del conjunto ha quedado acreditada así como el funcionamiento del generador, dentro de los límites de potencia que el banco de ensayos permitió, demostrando la validez de la tecnología empleada y específicamente diseñada. La posibilidad de obtener la misma potencia que el generador original (incluso mayor) a una velocidad de rotación tres veces inferior ha quedado demostrada. En una segunda fase, pendiente de cofinanciación, se propone la modificación del rotor eliminando el circuito magnético de hierro abriendo paso hacia la posibilidad de sistemas con acoplo directo. Uno de los aspectos que se ha podido comprobar es la viabilidad económica del sistema en producción por lo que podría ser un generador substituto de los sistemas convencionales en una nueva generación de máquinas de media velocidad en las que la fiabilidad es mayor, el peso mucho menor y las pérdidas por calentamiento son evacuadas con un sistema de refrigeración más simple y fiable.

Queda por hacer pero el camino es claro. Desgraciadamente es difícil tener una financiación fiable y continuada si el soporte de cofinanciación debe hacerse a partir de proyectos que no garantizan la continuidad a pesar del éxito de las etapas primeras sin embargo estamos esperanzados en poder continuar avanzando para ver en funcionamiento este tipo de generadores.

Para todo el equipo, el éxito del proyecto ha sido una inyección de optimismo. Pasar de los cálculos a la realidad es siempre una satisfacción, sobre todo cuando la experiencia en esa tecnología se está forjando. Nuestra mayor satisfacción sería dar un paso más allá y poder convertir en una realidad comercial el conjunto definitivo, posiblemente con versiones más avanzadas con acoplamiento directo aunque las versiones de media velocidad sean económicamente viables en el marco de las potencias medianas.

Uno de los puntos que parece desprenderse de la existencia y del uso de los TRL es el de trasladar a los investigadores la idea de que aquello que tratan de desarrollar tiene un futuro en el mercado. Para muchos de nosotros esa idea puede ser nueva, sin embargo recuerda que hay cierta necesidad de que se note un avance de la tecnología hacia un nivel comercial.

Otra cosa es que las ideas o estudios básicos deben tener cabida aún siendo muy lejanas al mercado. El punto no es el TRL sino cuantos recursos se dedican a cada nivel. Recuerda viejas controversias sobre si investigación básica o aplicada, la respuesta siempre ha sido: las dos.

Los TRL en las convocatorias dependen mucho del estado del arte en soluciones avanzadas para cada tema o tipo de requerimiento tecnológico. Nuevas soluciones no tienen cabida si el tema en concreto tiene opciones existentes con TRL elevado. La cuestión estaría en si deben tener opción en esa convocatoria o debe haber convocatorias para tecnologías nuevas que deben explorarse y que, evidentemente, tienen un TRL bajísimo pero que se intuye pueden dar lugar a soluciones rompedoras. Este es un campo complejo en el que se debe afrontar el riesgo de que la propuesta no lleve a ningún lado, pero sin abusar. El dinero de las convocatorias es esfuerzo del contribuyente, no se debe olvidar.