Recientemente, se escucha con frecuencia el término “transición energética”; en la mayoría de las situaciones se asume simplemente como el cambio de los sistemas de generación de energía desde los combustibles fósiles hacia fuentes renovables. Pero en realidad el concepto de transición energética tiene una connotación más amplia. Se deben considerar: la creciente demanda global de energía, el cambio climático, la crisis de recursos, la necesidad de descarbonizar los sistemas de producción y consumo de energía, que no se resolverán solamente sustituyendo los combustibles fósiles por energías renovables.
Si bien, para avanzar rumbo a la descarbonización en la generación de energía, las fuentes de energía renovables son una alternativa viable, su uso a gran escala aún presenta desafíos como intermitencia, regionalidad y desfasamiento. Por ejemplo, en el caso de la energía solar, el sol no brilla con la misma intensidad todos los días ni a todas horas, lo que se traduce en intermitencia de la producción de energía; las horas del día de mayor aprovechamiento de energía solar no coinciden con las de mayor consumo, por lo que existe un desfasamiento, y no en todas las zonas del planeta se puede aprovechar la energía solar para generar la máxima cantidad de electricidad, lo que se conoce como regionalidad.
Para enfrentar esos desafíos es indispensable contar con tecnologías eficientes para producir, almacenar y transformar esa energía, pero no basta con optimizar los sistemas actuales, es necesario repensar el origen de los materiales empleados. Normalmente, los materiales que se emplean en su fabricación resultan costosos y tienen repercusiones ambientales debido a la minería intensiva para su fabricación y a la disposición final al término de su vida útil.
Existen diversas tecnologías de conversión y almacenamiento de energía, de las cuales los dispositivos electroquímicos, como baterías, celdas de combustible, electrolizadores y supercapacitores resultan indispensables en aplicaciones de electromovilidad, hidrógeno verde, así como para estabilizar la red eléctrica y diversificar la matriz energética. En el caso del hidrógeno verde, puede ser obtenido a partir de agua y empleando fuentes renovables de energía, gracias a los electrolizadores. Mientras que las celdas de combustible utilizan el hidrógeno para producir energía eléctrica mediante la reacción química entre hidrógeno y oxígeno, es decir, realizan el proceso inverso a los electrolizadores. Por otro lado, las baterías y los supercapacitores pueden almacenar energía eléctrica con alta densidad de potencia y de energía mediante procesos electroquímicos.
Estos cuatro dispositivos tienen en común que se conforman de dos electrodos (ánodo y cátodo), un electrolito y un separador, por lo que su desempeño en general depende de los materiales empleados en los electrodos (Figura 1). El carbono es uno de los materiales más utilizados como electrodo en estos dispositivos electroquímicos, debido a sus propiedades físico-químicas como áreas superficiales elevadas, estructura porosa, estabilidad térmica y buena conductividad eléctrica. La función de los carbonos en las celdas de combustible y electrolizadores es principalmente de soporte para los catalizadores que promueven las reacciones químicas que se llevan a cabo; en los supercapacitores se utilizan carbones activados para almacenar carga eléctrica con una velocidad de carga y descarga; en el caso de las baterías, se emplean en el ánodo para intercalar y retener los iones durante los ciclos de carga y descarga de la batería.
Tradicionalmente, se han empleado carbonos sintéticos generados mediante procesos complejos y con altos costos, tales como nanotubos de carbono, grafeno y carbones activados y dopados. No obstante, la fabricación masiva de los dispositivos mencionados requiere buscar alternativas a los materiales de carbono empleados. Cabe resaltar que la obtención de nuevos materiales con desempeños al menos similares a los usados comercialmente en dispositivos electroquímicos de almacenamiento y conversión de energía es un punto clave en el impulso del uso de estas tecnologías. Además, otro aspecto a considerar es la sustentabilidad de estos nuevos materiales. Y es aquí donde se resalta la investigación realizada sobre la transformación de residuos agroindustriales en biocarbones, que son materiales carbonosos derivados de biomasa.
Miles de toneladas de subproductos agrícolas e industriales, tales como cáscaras de frutos, tallos, podas, bagazos, y residuos forestales, entre otros, se desechan al aire libre, queman o incluso deben ser dispuestos por empresas especializadas, generando pasivos ambientales y económicos. Esta biomasa residual contiene estructuras ricas en carbono como celulosa, hemicelulosa y lignina, por lo que mediante tratamientos térmicos y de activación pueden transformase en biocarbones para emplearse como electrodos en dispositivos electroquímicos. Además, la síntesis resulta un poco más amigable con el ambiente, dado que la biomasa ya contiene diversos heteroátomos que contribuyen a su actividad electroquímica y, por lo tanto, no hay necesidad de realizar un proceso extra de dopado.
Es importante resaltar que, al emplear estos biocarbones, al final de la vida útil de los dispositivos, su disposición tendrá un impacto menor en el ambiente, incluso se podrían recuperar los materiales y usarlos para enriquecer el suelo. Sin embargo, se necesita diseñar rutas que produzcan los biocarbones con las características más adecuadas dependiendo del tipo de dispositivo en el que se usarán, además de escalar los procesos de producción para satisfacer la demanda que implicaría fabricación masiva de los dispositivos electroquímicos.
En resumen, la valorización de residuos para la producción de biocarbones demuestra que es posible conectar la gestión de residuos con las demandas tecnológicas de la transición energética; ya que, por un lado, reduce los costos de fabricación de los dispositivos electroquímicos en comparación con los materiales convencionales, y por el otro mitiga los problemas ambientales asociados a la disposición de la biomasa residual.
La doctora Diana C. Martínez Casillas es profesora Escuela Nacional de Estudios Superiores Juriquilla de la UNAM
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