Desde la segunda mitad del siglo XX, la concentración atmosférica de gases con efecto invernadero ha ido en aumento y ha contribuido al calentamiento contemporáneo, hasta el punto de que el cambio climático se puede detectar ahora a partir del tiempo de cualquier día. Actualmente, a causa de su fuerte dependencia de los combustibles fósiles, las mayores economías del mundo siguen generando enormes cantidades de CO₂ (figura 1). 

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En el marco de los esfuerzos constantes por obtener fuentes de energía más ecológicas, las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno son dos tecnologías que están en el punto de mira de numerosas investigaciones y han despertado un creciente interés público. Se espera que las industrias productoras de baterías de iones de litio y celdas de combustible a base de hidrógeno alcancen un volumen de alrededor de 117 000 y 260 000 millones de USD, respectivamente, a lo largo de los diez próximos años.

Uno de los factores que más han influido en el creciente interés por las baterías de iones de litio es el aumento exponencial de sus usos en vehículos eléctricos y en dispositivos electrónicos de consumo, entre otras aplicaciones, mientras que el H₂, como fuente de energía y como medio de almacenamiento, tiene usos en transporte, suministro energético para edificios y almacenamiento de energía a largo plazo para la red eléctrica en los sistemas reversibles. Se espera que las dos tecnologías desempeñen un papel importante en la descarbonización de los suministros de electricidad.

Como han demostrado los análisis realizados con laCAS Content Collection™, muchas de las investigaciones desarrolladas a lo largo de la última década sobre las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno han tratado de resolver los principales retos y obstáculos actuales para su uso, algunos de los cuales se describen en este artículo. Si estas tecnologías están llamadas a transformar nuestro consumo energético y a guiarnos hacia un futuro más ecológico, esta investigación será esencial.

Baterías de iones de litio o celdas de combustible a base de hidrógeno: ¿cuáles son más prometedoras?

En un análisis superficial, podríamos sentirnos tentados de afirmar que las celdas de combustible a base de hidrógeno tienen más potencial en el transporte, una de las principales aplicaciones de las dos tecnologías, ya que ofrecen una mayor densidad de almacenamiento de energía con un peso inferior y un tamaño más reducido que las baterías de iones de litio. Además, los vehículos propulsados por hidrógeno pueden repostar más deprisa que los alimentados con baterías de iones de litio. Sin embargo, las celdas de combustible a base de hidrógeno tienen algunas desventajas: se estima que aproximadamente el 60 % de la energía del H₂ almacenada se pierde en el proceso de envasar la energía obtenida del H₂, una pérdida que triplica la que se produce al usar baterías de iones de litio.

Es evidente, no obstante, que las dos tecnologías tienen numerosas aplicaciones, de modo que las comparaciones directas son complicadas. Además, esta perspectiva no tiene en cuenta las investigaciones en curso ni los costes y beneficios generales de las tecnologías. La búsqueda en la CAS Content Collection nos permite ir más allá de la superficie y entender mejor cómo se usan hoy en día las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno y cómo pueden llegar a usarse en el futuro.

Desafíos asociados al uso de las baterías de iones de litio

La fabricación y eliminación de las baterías de iones de litio siempre ha despertado reservas tanto políticas como medioambientales. El alto nivel de contaminación que generan y las fuentes de energía no renovables del litio y otros recursos clave siguen generando dudas más que justificadas.

Dado el vertiginoso crecimiento del número de coches eléctricos (y el tamaño cada vez mayor de sus baterías), combinado con la rápida eliminación de las baterías de iones de litio en smartphones y otros productos electrónicos de consumo, los residuos energéticos y la dependencia de recursos no renovables van en aumento. De hecho, se prevé que, en 2040, el 58 % de los coches vendidos en todo el mundo serán eléctricos y los residuos generados podrían llegar a los 8 millones de toneladas. Por este motivo, una buena parte de la investigación reciente sobre las baterías de iones de litio se ha centrado en la forma de reciclarlas con el objetivo de reducir la contaminación y la presión sobre las reservas de minerales.

Hoy en día, solo se recicla en todo el mundo alrededor del 5 % de las baterías de iones de litio a causa de diversas limitaciones, como las fluctuaciones en el valor financiero de los materiales de las baterías, la falta de convergencia tecnológica en sus diseños y materiales (y en los costes de la mano de obra de reciclaje correspondiente) y dentro de los centros de reciclaje, la imposibilidad de monetizar muchos de los beneficios del reciclaje (entre los que destacan la disponibilidad de reservas, la seguridad y los beneficios medioambientales) y la falta de normativas sobre reciclaje en buena parte del mundo.

Desafíos asociados al uso de las celdas de combustible a base de hidrógeno

Aunque los costes de las celdas de combustible a base de hidrógeno son considerables, en gran medida a causa del uso de platino, el principal reto relacionado con ellas tiene que ver con la dificultad de almacenar (y transportar) el H₂. De hecho, el éxito del H₂ como combustible de consumo depende directamente del hallazgo de materiales de almacenamiento resistentes para el H₂ y del desarrollo de un sistema seguro y optimizado para transportarlo. 

Principales tendencias de investigación: baterías de iones de litio

Como ya se ha mencionado, el reciclaje centra una parte importante de las investigaciones relativas a las baterías de iones de litio, ya que podría ayudar a resolver algunos de los problemas que plantean actualmente estas baterías, como la contaminación, los residuos y las reservas limitadas de minerales. El incremento anual del volumen de publicaciones sobre este tema (32 %) es muy superior al de las publicaciones científicas generales (4 % anual), lo que sugiere un interés creciente (figura 2). 

Se ha realizado un considerable esfuerzo de investigación en relación con componentes de las baterías de iones de litio menos estudiados hasta la fecha (lo que sugiere la aparición de una visión más integral de la gestión del reciclaje) y con el desmontaje de las baterías (figura 3), una opción preferible desde el punto de vista medioambiental porque maximiza la cantidad de material reciclable. El reciclaje directo —la eliminación del material del cátodo para su reacondicionamiento y posterior reutilización en baterías nuevas— es también objeto de un interés creciente (figura 4) y es probable que tenga unos costes energéticos y de reactivos inferiores a los de otros métodos de reciclaje.

Principales tendencias de investigación: celdas de combustible a base de hidrógeno

Desde 1997, se ha producido un aumento gradual del volumen de patentes en el espacio del combustible a base de H₂, lo que demuestra el creciente interés global en esta tecnología (figura 5). Es alentador comprobar que, a lo largo de la última década, el almacenamiento de H₂ ha sido el principal tema de interés (figuras 6 y 7). El desarrollo de una economía del H₂ tiene una fuerte dependencia de la capacidad de almacenar y transportar el gas, dado que, sin esa capacidad, no es posible establecer una cadena de suministro.

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El almacenamiento del hidrógeno va seguido de la deshidrogenación (figura 6), que se ha convertido en la segunda mayor área de innovación desde 2012. Con los métodos de deshidrogenación, es posible extraer gas de H₂ de portadores líquidos de H₂ como el amoniaco, sustancias químicas para las que ya existe una infraestructura de almacenamiento y transporte. Por ello, este tema podría representar una solución clave en los esfuerzos destinados a generalizar el uso del H₂. La investigación en curso va dirigida a aumentar la eficiencia de procesos costosos como el de Haber-Bosch, necesario para extraer el H₂ de su portador (en el caso de una fuente de amoniaco), o a encontrar alternativas más eficientes desde el punto de vista energético. 

Una mirada al futuro

La CAS Content Collection nos ha permitido investigar las principales tendencias de investigación en curso para aprovechar el potencial de las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno, dos tecnologías clave que pueden ayudarnos a transformar el consumo energético global para hacer posible un futuro más ecológico.

Además, la investigación parece centrarse en resolver los principales problemas contemporáneos relacionados con estas tecnologías. En el caso de las baterías de iones de litio, la investigación sobre el reciclaje está en auge, mientras que el almacenamiento del H₂ es el campo de interés más destacado en el trabajo sobre las celdas de combustible a base de hidrógeno. 

Consulte nuestros informes técnicos sobre el reciclaje de baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno para obtener más información sobre el dinámico panorama económico, político, medioambiental y de investigación de estas dos tecnologías clave.

Aunque la energía verde es el segmento que ha experimentado un crecimiento más rápido y su protagonismo sigue aumentando en el mix energético global, todavía va muy a la zaga de las opciones energéticas convencionales —con una alta huella de carbono— por sus desventajas en cuanto a eficiencia y capacidad. Estas limitaciones impiden que la energía verde se convierta en la opción energética dominante y generalizada. ¿Qué otra forma de energía escalable que no emite CO₂ podría ayudarnos a cubrir nuestras necesidades hasta que la energía verde se convierta en una realidad a gran escala? ¿Podría la energía nuclear, que no emite dióxido de carbono y tiene una eficiencia y una escalabilidad demostradas, ser una buena candidata para facilitar esta transición y, quizás, convertirse en otra opción energética viable y ampliamente aceptada para el futuro? 

Además de no emitir dióxido de carbono, las aproximadamente 450 centrales nucleares existentes funcionan en la actualidad a pleno rendimiento más del 90 % del tiempo, a diferencia de las de carbón, que funcionan el 50 % del tiempo, o de las plantas solares, que solo llegan al 25 %. Sin embargo, solo el 10 % de la demanda eléctrica actual del planeta se cubre con la energía suministrada por las centrales nucleares (figura 1). ¿Por qué no ha crecido más deprisa la energía nuclear a lo largo de los años? 

A pesar de ser una opción económica y de eficacia demostrada para producir energía, la energía nuclear se ha visto estigmatizada por los riesgos asociados a la radiactividad y por su impacto en el medioambiente. Los sucesos de Chernobyl y Fukushima nos recordaron que la fisión atómica requiere procedimientos estrictos de vigilancia y control, y que incidentes pequeños pueden convertirse en grandes catástrofes. 

Las reacciones nucleares y la radiactividad

Con más de 18 000 años de experiencia acumulada en todos los reactores, la tecnología de los reactores nucleares está bien establecida y diversificada, y se ha beneficiado de décadas de mejoras tecnológicas que han aumentado la seguridad, la fiabilidad, la durabilidad y la eficiencia de los reactores. 

Para generar electricidad, las centrales nucleares usan una mezcla de isótopos del uranio, principalmente ²³⁸U y ²³⁵U, como combustible. La mayoría de las centrales nucleares comerciales usan como combustible uranio poco enriquecido (LEU, Low Enriched Uranium) que es uranio con ²³⁵U enriquecido entre un 3 % y un 5 %, lo que lo diferencia del uranio altamente enriquecido (HEU, Highly Enriched Uranium), que tiene las concentraciones de ²³⁵U de alrededor del 90 % necesarias para las aplicaciones armamentísticas.  

Una vez introducidos en el reactor como combustible LEU, el ²³⁵U y el ²³⁸U siguen dos rutas de transformación atómica diferentes, como se puede ver en la figura 3. Por medio de la captura de un neutrón, el ²³⁸U se transforma en el ²³⁹Pu, y tanto el ²³⁹Pu como el ²³⁵U se fisionan en núcleos más pequeños, es decir: productos de fisión. A su vez, cada reacción de fisión libera tres neutrones y una gran cantidad de energía en forma de calor y radiación ionizante.

Esta transformación, también conocida como decaimiento atómico, es a la vez una bendición y una maldición. Una bendición porque, en relación con la pequeña cantidad de combustible empleado, genera enormes cantidades de energía que se pueden extraer con la ayuda de intercambiadores de calor y turbinas de agua de alta presión para producir electricidad. Una maldición porque el decaimiento atómico asociado a esta transmutación también genera radiación y partículas ionizantes, conocidas conjuntamente como “radiactividad”. La radiactividad presente en el reactor es deseable para la producción de electricidad, pero persiste en los residuos de combustible, denominados “combustible gastado”, y puede ser perjudicial si no se contiene y se controla. 

Después de entre 3 y 5 años de actividad nuclear continua en un reactor, la concentración de isótopos fisibles del combustible termina por caer por debajo del nivel mínimo necesario para mantener una reacción en cadena que permita producir electricidad. El combustible gastado se descarga del reactor y se clasifica como residuo radiactivo de “alta actividad”. Estos residuos solo representan el 3 % de todo el volumen de residuos radiactivos, pero son responsables del 95 % de su radiactividad total. Por tanto, los residuos radiactivos de alta actividad son una de las principales prioridades de las estrategias de gestión de residuos radiactivos en todo el mundo.   

Una central nuclear media con una capacidad de 1000 MWe (suficiente para cubrir las necesidades energéticas de más de un millón de personas), produce entre 25 y 30 toneladas métricas de residuos de alta actividad al año sin emisiones de carbono. Una central eléctrica de carbón libera 300 000 toneladas de cenizas y más de 6 millones de toneladas de CO₂ a la atmósfera cada año. Reducir la huella y la potencia radiactiva de los residuos nucleares mediante el reprocesamiento y la reutilización del combustible gastado permitiría resolver el complejo desafío de la gestión de los residuos peligrosos. 

Opciones de reciclaje del combustible nuclear gastado

La tecnología de reprocesamiento del combustible nuclear gastado existe desde finales de la década de 1940. Se conoce bien y su eficacia técnica está demostrada, pero son muy pocos los países que han invertido en el reprocesamiento. Francia y Rusia son los dos principales países que reprocesan y reutilizan el combustible gastado. En promedio, aproximadamente el 95 % de los residuos de combustible gastado son uranio (en su mayoría ²³⁸U), el 1 % es plutonio y el resto se compone de una amplia selección de productos de fisión con un número atómico más bajo y actínidos minoritarios (figura 4). La tecnología de reprocesamiento del combustible gastado permite separar los isótopos de uranio y plutonio de los otros actínidos y productos de fisión.  

La opción de reprocesamiento predominante se denomina PUREX (las siglas en inglés de “extracción por reducción de plutonio y uranio”). PUREX usa una tecnología de separación hidrometalúrgica para separar el combustible gastado en tres fases:  

1. Isótopos de uranio
2. Isótopos de plutonio
3. Productos de fisión con actínidos minoritarios

Esta tercera fase se clasifica como residuo radiactivo de alta actividad por la presencia de estos actínidos minoritarios y de productos de fisión de alta actividad con periodos de semidesintegración radiactiva medios (es decir, ⁹⁰Sr y ¹³⁷Cs con semividas radiactivas de unos 30 años). La principal ventaja de PUREX es el reciclaje de grandes cantidades de uranio utilizable que de no ser por este proceso se considerarían residuos, lo que se traduce en una importante reducción del volumen de residuos de alta actividad. 

PUREX reduce el volumen de los residuos, pero no soluciona el problema de la radiactividad. Además, la separación del ²³⁹Pu de otros actínidos preocupa por la posible proliferación del armas nucleares. 

Se han propuesto algunas variantes del proceso PUREX que ya se han implementado en distintos lugares del mundo para hacer frente a la radiactividad de los residuos de alta actividad y a los riesgos relacionados con la proliferación del plutonio. En estas variantes de PUREX se fusiona el ²³⁹Pu con actínidos minoritarios que impiden su uso como arma y se genera una mezcla aceptable de combustible de actínidos reprocesado. Otras variantes mezclan el uranio, el plutonio y todos los transuránicos (los elementos con un número atómico superior al del uranio), con lo que los residuos se reducen a los productos de fisión. 

El reciclaje de los residuos de alta actividad tiene sentido, dado que más del 90 % del uranio no se ha “quemado” cuando las barras de combustible gastado se descargan del reactor. El reciclaje del uranio y el plutonio que no se han utilizado permite generar entre un 25 % y un 30 % más de electricidad. A finales de 2020, se habían generado en todo el mundo 400 000 toneladas de combustible usado en los reactores de las centrales nucleares comerciales. De ellas, alrededor de 120 000 toneladas (30 %) se han reprocesado y reutilizado como combustible nuclear.  

Avances en el diseño de los reactores nucleares

Los avances recientes en el diseño de los reactores nucleares han mejorado la eficiencia y la seguridad de la producción energética. La CAS Content Collection™ muestra un aumento notable de la actividad de patentes y revistas en este campo desde 2018, lo que refleja un interés renovado impulsado principalmente por organizaciones de Asia (figuras 5a y 5b).  

La figura 6 muestra el volumen de publicaciones relacionadas con los nuevos diseños avanzados de reactores nucleares. Los datos confirman una creciente actividad investigadora sobre estas nuevas tecnologías de reactores nucleares.  

 

El potencial futuro de la energía nuclear

El renacimiento de la energía nuclear es desde hace tiempo un tema recurrente, pero algunos obstáculos y desafíos siguen dificultando la materialización de todas las esperanzas que se pusieron hace décadas en esta energía. La ingente inversión inicial de capital, las regulaciones cambiantes, los sobrecostes y la polarización política han convertido la construcción de centrales nucleares en un proceso tortuoso que se prolonga durante décadas. Esto frena a los gobiernos y los inversores a la hora de plantearse el uso de la energía nuclear a pesar de que sus ventajas y su potencial se han demostrado y son incuestionables. Un artículo reciente del Wall Street Journal aborda también algunos de estos desafíos y avances recientes en el campo de las tecnologías de la energía nuclear.

La necesidad de contar con fuentes de energía sin emisiones de carbono, los avances en las nuevas tecnologías de reactores y las nuevas alternativas de reciclaje y reutilización del combustible gastado podrían impulsar la energía nuclear y convertirla en un arma crucial en el arsenal empleado para combatir el cambio climático. 

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Mi agradecimiento a Elaine McWhirter por su asesoramiento científico.

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Referencias para la animación nuclear

IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (consultado el 09-01-2023)

World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx (consultado el 09-09-2022)

NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (consultado el 09-09-2022)

World Nuclear Association. https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx (consultado el 09-09-2022) IAE,

World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (consultado el 09-01-2023)

 

Un repaso a los métodos actuales y los avances globales

Se cree que, hoy en día, solo se recicla en todo el mundo el 5 % de las baterías de iones de litio, lo que tiene implicaciones medioambientales y financieras dramáticas para los 8 millones de toneladas de residuos proyectados. Aunque los desafíos del reciclaje incluyen aspectos financieros y políticos, este informe técnico profundiza en los retos científicos y en el panorama de investigación emergente relacionado con esta enorme oportunidad.  

Casi un 10 % de los combustibles fósiles del mundo se usan en la producción de plásticos. Por este motivo, encontrar una alternativa viable a los plásticos derivados de combustibles fósiles es un objetivo prioritario desde hace veinte años. Los biopolímeros, obtenidos de recursos de biomasa renovables, han despertado un gran interés como sustitutos ideales. Estos polímeros se han usado para crear bioplásticos, que son una alternativa prometedora y sostenible a los plásticos derivados del petróleo y que podrían además beneficiar a los países con una fuerte dependencia del petróleo extranjero.

En este artículo de ChemRxiv se describen tres tipos de biopolímeros, sus fortalezas y debilidades, los avances más recientes en su investigación y las tendencias de este campo de estudio. Como los bioplásticos se enfrentan a menudo al escepticismo del público, probablemente debido a la desinformación, este artículo trata de aclarar los malentendidos y concienciar sobre la importancia de los biopolímeros para la sostenibilidad.

Los modelos de aprendizaje automático diseñados para las aplicaciones de planificación de síntesis están generalmente limitados a la química que se ha visto en el entrenamiento, y la precisión y la diversidad de sus predicciones suelen ser inferiores en subespacios químicos poco poblados. Medir cómo afectan al rendimiento de los modelos entrenados diferentes conjuntos de datos nos permite realizar deducciones más sólidas sobre la cobertura y la novedad esperables para las soluciones de planificación de síntesis, además de diseñar conjuntos de datos que darán acceso a áreas de la ciencia tradicionalmente difíciles. 

En este estudio, los científicos de Bayer demostraron el importante efecto que las reacciones seleccionadas por científicos en la CAS Content Collection puede tener en el poder predictivo de un modelo de planificación de síntesis. La precisión de la predicción de los resultados en clases de reacciones infrecuentes aumentó sustancialmente —un incremento de 32 puntos porcentuales— y contribuyó a mejorar la comprensión de áreas nuevas y útiles de la química.

Con la finalidad de ofrecer información exclusiva sobre un campo emergente de la ciencia, este informe técnico de CAS presenta distintos tipos de reacciones bioortogonales, aplicaciones y tendencias incluidas en la CAS Content Collection™. La química bioortogonal permite entender más a fondo la estructura y el funcionamiento de nuestros sistemas biológicos, y muestra cómo se podrían optimizar en el futuro las aplicaciones de desarrollo y administración de fármacos y las técnicas de obtención de imágenes.

Dado que más del 90 % de la producción mundial de plásticos requiere combustibles fósiles, los biopolímeros generados con fuentes renovables tienen grandes ventajas sobre los plásticos tradicionales, desde la reducción de emisiones de CO2 a la mejora de la biodegradabilidad y la disminución de la dependencia de los combustibles fósiles. Obtenga más información en nuestra visión panorámica de este campo emergente.

La sostenibilidad del sistema global de patentes se enfrenta a la presión generada por el rápido aumento del volumen y la complejidad de las solicitudes de patentes. En los países con un crecimiento más rápido, las deficiencias en cuanto a capacidad demoran el examen de las patentes —en algunos casos durante años—, suponen un riesgo para la calidad de estas y amenazan con ralentizar el ritmo de innovación e inversión. 

En este informe técnico se exploran los desafíos y las oportunidades que se abren ante las oficinas de patentes de todo el mundo en la búsqueda de sostenibilidad y la planificación del crecimiento futuro, y se analiza el uso de soluciones de flujo de trabajo basadas en la IA para mejorar la productividad. Detalla las informaciones y conclusiones derivadas de una colaboración entre CAS y el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) de Brasil dirigida a reducir el retraso en la gestión de las solicitudes y aumentar la eficiencia del flujo de trabajo de examen de patentes, una iniciativa que se ha traducido en importantes mejoras operativas: 

• Hasta un 50 % de reducción de los plazos de análisis
• Un 77 % de todas las solicitudes nacionales procesadas requirieron menos tiempo de búsqueda por parte de los examinadores
• El 29 % de todas las solicitudes nacionales procesadas requirieron pocas búsquedas adicionales o ninguna
• Las cargas de trabajo se han gestionado de un modo eficiente sin ampliar la plantilla 
• Los examinadores se liberaron de una parte de su carga de trabajo y pudieron centrarse en otras prioridades
• Las mejoras de la productividad contribuyeron a una reducción del 80 % del retraso acumulado en la oficina

Ante el objetivo, ampliamente publicitado, de alcanzar la neutralidad de las emisiones de carbono antes de 2050, el interés por la captura, el almacenamiento y la reducción del carbono para luchar contra el cambio climático ha dado pie a un nuevo campo científico que tendrá importantes consecuencias para las generaciones venideras. Obtenga más información en nuestra visión panorámica de este nuevo campo de investigación, con información exclusiva y un repaso de las oportunidades futuras.

La degradación de proteínas diana es una nueva estrategia de descubrimiento de fármacos cuyo uso está creciendo rápidamente. Es una nueva forma de utilizar las proteínas causantes de enfermedades para hacer frente a algunas de las enfermedades más graves, como el cáncer o las enfermedades neurodegenerativas.

En este estudio de la American Chemical Society se utilizan CAS Content Collection y las investigaciones recientes sobre degradadores de proteínas para ofrecer información detallada sobre el uso de los pegamentos moleculares como herramienta en el descubrimiento de nuevos fármacos. Se analizan las ventajas y desventajas del pegamento molecular como referencia para impulsar nuevas investigaciones.