Source: The Conversation – (in Spanish) – By María Teresa Pérez Prado, Profesora y Científica Senior, Metalurgía Sostenible, IMDEA MATERIALES
Más de la mitad de la electricidad de la UE alimenta motores eléctricos. Según estimaciones de la Comisión Europea, representaron alrededor del 53 % del consumo de electricidad de la UE en 2020. Según la Comisión Europea, los 380 millones de motores de entre 0,12 y 1 000 kilovatios (kW) cubiertos por la normativa europea de ecodiseño consumieron en 2020 (últimos datos disponibles) unos 1 326 teravatios-hora (TWh), equivalentes al 53 % del consumo total de electricidad de la Unión Europea. Y el parque se ha multiplicado exponencialmente desde entonces.
Estos motores accionan la maquinaria industrial y también las bombas de cualquier electrodoméstico en una cocina doméstica. Los propios sistemas de energías renovables requieren de motores eléctricos, y los vehículos eléctricos están ya en todos los escenarios. Reducir su consumo significa reducir mucho.
Con magnitudes así, incluso mejoras modestas de eficiencia pueden tener un efecto importante. Si se generalizaran ganancias de unos pocos puntos porcentuales, el ahorro podría situarse en decenas de TWh al año.
La conferencia COP28 pidió duplicar para 2030 la tasa media anual mundial de mejora de la eficiencia energética. El objetivo implica pasar de aproximadamente un 2 % a más de un 4 % de mejora anual. ¿Cómo lo hacemos?
Los puntos de pérdida de energía
Elevar la eficiencia de los motores modernos no es sencillo, porque ya alcanzan rendimientos elevados. Así que hay que fijarse en los puntos donde se producen pérdidas de energía, y tratar de mejorarlos.
Esas pérdidas proceden de varios mecanismos
-
El calentamiento de los materiales que conforman los circuitos (Resistencia de los devanados)
-
Pérdidas magnéticas en el núcleo de los motores.
-
Corrientes de Foucault (pequeños remolinos de corriente eléctrica que se generan por sí solos dentro del propio núcleo metálico cuando el campo magnético cambia).
-
Pérdidas mecánicas y otras adicionales.
Así, trabajamos en mejores diseños de todo el sistema electromagnético y térmico del motor, buscando materiales que nos permitan nuevas geometrías y reducir al mínimo esas pérdidas.
Un tipo diferente de metal
Investigamos una familia poco común de materiales: los vidrios metálicos (ENLACE).
La mayoría de los metales, incluidos los aceros eléctricos al silicio utilizados habitualmente en los motores actuales, tienen una estructura cristalina. Esto significa que el orden atómico se repite de forma periódica con un largo alcance. Sin embargo, los vidrios metálicos presentan una característica singular: se solidifican de un modo muy rápido, y esto les da una estructura amorfa. Sus átomos tienen un orden local, entre vecinos, pero no ofrecen ese patrón periódico de los cristales. Y eso ha resultado ser una ventaja.
Esta diferencia estructural tiene consecuencias importantes. En un motor eléctrico, el campo magnético de su núcleo cambia continuamente a medida que la energía eléctrica se convierte en movimiento. Cada vez que el motor cambia el sentido de la corriente, el material magnético tiene que “reordenarse” una y otra vez, como una goma elástica que se estira y se encoge sin parar. Cuanto más “cueste” reordenar ese material (o sea, más coercitividad tenga), más energía se pierde en forma de calor en cada ciclo. Es, literalmente, el esfuerzo que hace el material para cambiar de sentido.
Los componentes del núcleo deben reorganizarse repetidamente a frecuencias que pueden alcanzar miles de ciclos por segundo en determinadas aplicaciones. En este proceso, si tenemos materiales cristalinos, su estructura dificulta el movimiento y aumenta las pérdidas de energía. Además, los campos variables inducen corrientes de Foucault (remolinos) que se disipan en forma de calor.
Aunque la pérdida en un solo motor pueda parecer pequeña, su efecto agregado es considerable cuando se multiplica por los miles de millones de motores eléctricos en uso en la UE.
Los vidrios metálicos pueden reducir parte de esas pérdidas y los basados en hierro son candidatos atractivos para máquinas eléctricas avanzadas, especialmente en diseños de alta velocidad o alta densidad de potencia.
Componentes de motores impresos en 3D
Si los vidrios metálicos se conocen desde hace décadas, ¿por qué todavía no se utilizan de forma generalizada en los motores eléctricos?
Fabricarlos es un desafío. Para evitar que se formen cristales durante la solidificación, necesitamos enfriarlo a velocidades muy elevadas. Esto nos limita a fabricar cintas o láminas, y el reto es conseguir que conserve esa estructura amorfa que buscamos pero en geometrías tridimensionales que nos permitan, finalmente, usarlo para los motores de vehículos eléctricos.
Este reto ha sido uno de los focos del proyecto europeo AM2SoftMag, financiado por el programa de la UE Horizon Europe, que reúne a especialistas en ciencia de materiales, fabricación y diseño de máquinas eléctricas para estudiar si los vidrios metálicos pueden transformarse en componentes funcionales.
Partir del polvo
En el Instituto IMDEA Materiales hemos trabajado con fusión láser de polvo de vidrios cerámicos. El resultado nos ha permitido un entorno inerte para evitar la oxidación y crear geometrías complejas con un mínimo desperdicio de material.
En un trabajo reciente, el consorcio desarrolló y estudió un nuevo vidrio metálico basado en hierro, silicio, boro, niobio y níquel, con una capacidad de formación vítrea mejorada. La composición alcanza un espesor de aproximadamente 1 mm sin añadir fósforo, cobalto ni tierras raras, lo que evita la dependencia del cobalto y de elementos de tierras raras.
Hemos conseguido densidades relativas superiores al 92 % en todas las condiciones estudiadas y fracciones amorfas superiores al 87 %.
La coercitividad del nuevo material llegó a valores tan bajos como 44 A/m (amperios por metro). Esto significa que se “deja convencer” con muy poca resistencia: apenas hace falta empujar para reordenarlo. Es como comparar una goma elástica muy blandita (fácil de estirar y encoger sin esfuerzo) frente a un muelle rígido (que exige mucha fuerza en cada ciclo). Por eso a estos materiales se les llama magnéticamente blandos: no es que sean blandos al tacto, es que responden con facilidad al cambio de campo magnético, y esa facilidad se traduce directamente en menos calor perdido (es decir, menos pérdidas por histéresis).
Todavía queda trabajo por hacer. Entre otras cosas, reducir la porosidad del nuevo material, y escalarlo para poder producir grandes cantidades que permitan comercializarlo.
Aún no podemos demostrar una mejora de eficiencia a escala de motor, pero sí tenemos una vía técnicamente prometedora para combinar diseño de aleaciones y fabricación aditiva que permitan reducir pérdidas energéticas en las máquinas eléctricas. Es un camino abierto, y prometedor.
María Teresa Pérez Prado recibió fondos de la Comisión Europea, Proyecto AM2SoftMag, Grant agreement number 101046870.
– ref. Una nueva aleación metálica reduce las pérdidas de energía en motores eléctricos – https://theconversation.com/una-nueva-aleacion-metalica-reduce-las-perdidas-de-energia-en-motores-electricos-292313