El CSIC fabrica con un método sencillo y barato materiales que convierten el calor residual en electricidad

Un equipo del Instituto de Micro y Nanoelectrónica (IMN-CSIC) ha fabricado, con un proceso sencillo, a temperatura ambiente y en agua, películas de seleniuro de plata y seleniuro de cobre que convierten el calor residual en electricidad con un rendimiento entre los más altos logrados. El trabajo se ha publicado en Materials Today Energy.

El calor que se pierde

Un motor, una fábrica, un centro de datos o un simple cargador de móvil tienen algo en común: se calientan. Ese calor es energía que se ha pagado y que no se aprovecha. Se calcula que más de la mitad de la energía que consume el mundo acaba disipándose así, como calor residual.

Recuperar una parte, aunque sea pequeña, es una de las vías menos vistosas pero más directas para mejorar la eficiencia energética. Los materiales termoeléctricos lo hacen sin piezas móviles, sin ruido y sin mantenimiento: basta con que un lado esté más caliente que el otro.

Cómo se convierte el calor en electricidad

El principio se conoce desde 1821 y se llama efecto Seebeck: cuando un material conductor tiene un extremo caliente y otro frío, las cargas eléctricas se desplazan hacia el lado frío y aparece un voltaje. Un generador termoeléctrico combina dos tipos de material, uno de tipo n (conduce por electrones) y otro de tipo p (conduce por «huecos»), conectados en serie.

El reto es encontrar materiales que conduzcan bien la electricidad pero mal el calor, dos propiedades que suelen ir juntas. Los mejores a temperatura ambiente se basan hoy en teluro de bismuto, que usa telurio, un elemento escaso y caro. Los seleniuros de plata (Ag₂Se) y de cobre (Cu₂Se) son una alternativa prometedora: el primero funciona como tipo n y el segundo como tipo p.

La novedad: fabricarlo como quien croma una pieza

Hasta ahora, obtener estos materiales con buen rendimiento exigía equipos de alto vacío o tratamientos a temperaturas elevadas, procesos caros y difíciles de escalar. El equipo del IMN, en Tres Cantos (Madrid), ha recurrido a la electrodeposición, la misma familia de técnicas con la que se croman o se galvanizan piezas metálicas: se sumerge un soporte en una disolución acuosa con los elementos disueltos y se aplica una corriente eléctrica, de modo que el material se va depositando capa a capa.

«La electrodeposición es una técnica sencilla, que se realiza con equipos relativamente simples y pequeñas cantidades de reactivos», explica Cristina V. Manzano, investigadora del CSIC en el IMN. La clave del trabajo ha sido el control fino de las condiciones electroquímicas, que permite ajustar la composición, la estructura cristalina y la microestructura de la película, y con ellas sus propiedades.

Los resultados

La medida que resume la capacidad de un material termoeléctrico para generar potencia se llama factor de potencia. El del seleniuro de plata obtenido en el IMN se sitúa entre los más altos registrados para un material de tipo n a temperatura ambiente. El del seleniuro de cobre quintuplica las mejores marcas logradas hasta ahora por electrodeposición.

Tan importante como el rendimiento es que dure. Tras ocho meses y 40 ciclos térmicos de calentamiento y enfriamiento, las películas apenas cambiaron: un 2 % en la conductividad eléctrica y un 6 % en el coeficiente Seebeck. «El resultado demuestra el potencial de estos materiales para aplicaciones de aprovechamiento de calor residual», señala Marisol Martín, investigadora del CSIC en el IMN.

La primera autora del estudio es Elena Pérez-Picazo. El trabajo está financiado por el Consejo Europeo de Investigación a través de una ayuda ERC Consolidator Grant, el proyecto COOLed.

Aplicaciones y límites

Al trabajar a temperatura ambiente y en forma de película fina, estos materiales encajan sobre todo en usos de baja potencia: generadores compactos que alimenten sensores autónomos del internet de las cosas sin necesidad de pilas —como los que ya se usan en la ganadería de precisión—, dispositivos wearables que aprovechen el calor del cuerpo o la electrónica portátil. A mayor escala, podrían recuperar parte de la energía que se pierde en procesos industriales.

Conviene dimensionar el avance: se trata de un resultado de laboratorio sobre películas, no de un generador comercial. Los termoeléctricos convierten solo una fracción pequeña del calor en electricidad, y falta demostrar el rendimiento de un dispositivo completo y su fabricación a gran escala. Lo que aporta el trabajo es un camino de fabricación barato y escalable, que es justo lo que ha frenado hasta ahora esta tecnología.

Es un complemento, no un sustituto, de las grandes fuentes de generación. En un sistema eléctrico como el español, donde las renovables ya aportan la mayor parte de la electricidad, aprovechar mejor la energía que ya se produce es la otra mitad de la transición.

Preguntas frecuentes

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