Los materiales tetraédricos de alto rendimiento producidos de forma escalable respaldan el liderazgo de la UE en innovación termoeléctrica.
El proyecto START está impulsando la innovación europea en materiales termoeléctricos (TE) al ser pionero en el uso de materiales de tetraedrita (TH) sin telurio procedentes de residuos mineros. Con una fuerte alineación con los objetivos de sostenibilidad de la UE y los principios de la economía circular, START está entrando en una fase crucial, preparándose para ensamblar su primer prototipo de dispositivo y dando un paso importante hacia la preparación para el mercado.
Como ya se detalla en un artículo anterior¹, este proyecto Horizonte Europa aprovechará la amplia gama de experiencia e innovación del consorcio, desde la geología hasta el procesamiento de minerales, el diseño compositivo y la integración de materiales en polvo, y el diseño y montaje de dispositivos, para convertir su concepto en realidad e impulsar la industria termoeléctrica europea con una alternativa sólida a los materiales actuales con cadenas de suministro no garantizadas.
Aquí puede leer información sobre los últimos resultados del proyecto. Dado que el proyecto apenas está entrando en su último año de funcionamiento, se espera que se anuncien más detalles en los meses previos al final del proyecto.
Principales resultados hasta el momento
Desarrollo de materiales avanzados.
START ha producido materiales TH tipo p de alto rendimiento mediante métodos escalables como el fresado de bolas de alta energía (HEBM) y la tecnología mejorada de sinterización asistida en campo (U-FAST) (Figuras 1 y 2). La muestra sintética logró una cifra récord de mérito (zT) de 1,16 a 354 °C, mientras que la muestra derivada de minerales con un enriquecimiento del 20 % en peso (a partir de minerales que contienen TH recuperados de desechos mineros en una mina europea) alcanzó zT = 0,97, lo que demuestra la viabilidad de utilizar materias primas secundarias. Se procesaron más de 40 kg de concentrado mineral, lo que demuestra el concepto de conversión de residuos en energía.
Estos resultados no solo superan significativamente los valores zT promedio de TH informados en la literatura (generalmente en el rango de 0,3 a 0,7 para materiales producidos a escala de laboratorio, según la composición y la temperatura), sino que también demuestran una mayor eficiencia del proceso de fabricación, con 12 muestras producidas en un ciclo de sinterización. Aunque la muestra sintética está por encima de la línea de tendencia del percentil 99 (zT ≈ 0,308 + 0,002T), la muestra mineral/sintética 20/80 con zT = 0,97 está ligeramente por debajo del valor del percentil 99 de 1,012 a 352 °C, y sigue mostrando el mejor rendimiento entre los materiales TE a base de TH.
Comparación con sistemas comerciales.
Los materiales TE disponibles comercialmente basados en Bi2Te3 o PbTe suelen alcanzar valores de zT entre 0,8 y 1,2, pero dependen de materias primas críticas como el telurio (Te), poco común y geopolíticamente sensible. El enfoque tetraédrico de START iguala este rendimiento sin el uso de telurio, ofreciendo una alternativa más sostenible de origen europeo.
Diseño y simulación de dispositivos.
Se desarrolló un modelo del módulo TE basado en COMSOL para integrar datos reales de materiales dependientes de la temperatura para TH de tipo p y materiales seleccionados de tipo n (materiales basados en Mg3(Sb, Bi)2). Mediante simulación termoeléctrica, el factor de empaquetamiento de los pellets y la altura se optimizan para que coincidan con la densidad del flujo de calor entrante en una aplicación combinada de calor y energía. Además, se incorporan al modelo capas interfaciales que incluyen barreras de difusión y capas de unión. También se realizaron exhaustivas simulaciones termomecánicas para optimizar el espesor del sustrato cerámico. Como referencia, el tamaño de los elementos rojo y verde del módulo optimizado para aplicaciones de temperatura media (Figura 3) es de aproximadamente 40 mm3, y el tamaño del módulo es de 45×45 mm2, que consta de unipares de 31 patas tipo p y tipo n.
Evaluación ambiental/económica
Se realizó un modelo de evaluación del ciclo de vida (LCA) para medir el impacto ambiental de los módulos tetraédricos de START que utilizan sistemas convencionales BiTe y PbTe. El método ReCiPe.² 2016, que adopta un enfoque de la cuna a la tumba según los estándares internacionales ISO 14040:2006 y 14044:2006, se adoptó con Ecoinvent 3.11 como software y base de datos SimaPro 9.4.
Se desarrolla un inventario del ciclo de vida (LCI) utilizando la producción de 1 kWh de electricidad mediante un módulo generador TE (TEG) como unidad funcional e incluye etapas clave como la extracción de materia prima, la preparación y el ensamblaje del módulo y la fabricación de TEG. Con respecto a los diferentes pasos de la producción de TEG, se utilizó la literatura para identificar y caracterizar los TEG más comunes disponibles comercialmente (a base de telurito, como PbTe y BiTe), mientras que los datos sobre los TEG basados en TH se obtuvieron tanto de la literatura como de los socios de START.
Los resultados preliminares mostraron que las placas de alúmina utilizadas para construir el módulo tuvieron un impacto significativo en el potencial de calentamiento global (GWP), la toxicidad cancerígena humana (HCT) y la escasez de recursos fósiles (FRS). Este impacto ambiental asociado se debe al elevado consumo energético necesario para la extracción de materia prima. Además, aunque la producción de TH de alta pureza es un proceso que consume mucha energía, observamos que el tramo sin TH de tipo n contribuye significativamente a la escasez de recursos minerales (MRS), que es significativamente mayor que el tramo de tipo p.
Al comparar el GWP de TEG a base de telurito y TH TEG, la fabricación del módulo TH redujo las emisiones de CO2 (CO2 eq. 63 kg) en comparación con las de los módulos BiTe y PbTe (329 kg y 99 kg CO2 eq., respectivamente) (Tabla 1). El módulo BiTe también tiene una alta toxicidad para los humanos (12 kg de 1,4-DCBeq.), que es significativamente mayor en comparación con los valores de PbTe (3 kg de 1,4-DCB) y los dispositivos basados en TH (0,5 kg de 1,4-DCB) y, por lo tanto, este último tiene un impacto negativo significativamente menor en la salud humana. También se ha demostrado que los módulos TH tienen el menor impacto en la categoría de escasez de recursos minerales (MRS) (0,1 kg Cu eq.) en comparación con los módulos BiTe y PbTe (2 kg y 1 kg Cu eq., respectivamente). Del mismo modo, los TEG basados en TH también exhiben valores más sostenibles ambientalmente en términos de FRS (equivalente a 13 kg de petróleo), mientras que los TEG de BiTe y PbTe exhiben valores significativamente más altos. De acuerdo con la investigación en curso, se concluyó que es probable que la inclusión de TH reduzca el impacto ambiental y mejore la sostenibilidad del TEG entregado.
siguiente paso
El objetivo de los últimos meses del proyecto es probar el dispositivo durante el montaje y verificar el rendimiento esperado con mediciones reales.
Además de la clara ventaja de TE en la alimentación de dispositivos electrónicos donde el uso de energía de red o baterías no es práctico, el consorcio también es muy activo en la promoción de la aceptación de la generación de energía termoeléctrica como una ruta viable de producción de energía verde incluida en la Estrategia Europea para la Transición Verde. El proyecto ya ha estimulado una acción COST de seguimiento (CA24120³) que ayudará a fomentar la creación de redes y la aceptación en la comunidad TE, y planea establecer una organización específica para apoyar a la industria TE y ayudar a conectar a los productores europeos con los posibles usuarios finales.
Descargo de responsabilidad
El proyecto START está cofinanciado por la Unión Europea. Sin embargo, los puntos de vista y opiniones expresados son únicamente los de los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista y opiniones de la Unión Europea o de la Agencia Europea para la Administración Digital de la Salud. Ni la Unión Europea ni las autoridades que otorgan licencias pueden ser responsables de ello.
Contribuyente:
Bruno Vicenzi
INICIO responsable de difusión
Asociación europea de pulvimetalurgia
Filipe Nieves
coordinador del proyecto INICIO
LNEG – Instituto Nacional de Geología Energética, IP
Alvise Bianchin y Serena Busatto
Miembros del proyecto INICIO
MBN Nano Materialia SRL
Marcin Rozinski
Miembros del proyecto INICIO
Zoológico Genicore Sp.
Patricia Almeida Carvalho
Miembros del proyecto INICIO
Shintef
Rayo Aniruddha
Miembros del proyecto INICIO
RGS Desarrollo BV
hao ying
Miembros del proyecto INICIO
TEGnología ApS
Giovanni Borsoi
Miembros del proyecto INICIO
3 destornillador
Referencias
The Innovation Platform, número 18, junio de 2024, páginas 36-38 Huijbregts, MAJ, Steinmann, ZJN, Elshout, PMF, et al. ReCiPe2016: Una metodología armonizada de evaluación del impacto del ciclo de vida en los niveles medio y final. Int J Life Cycle Assesses 22, 138–147 (2017) CA24120 – Red Europea Termoeléctrica Sostenible (SUSTENET)
Este artículo también se publicará en el número 24 de la revista trimestral.
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