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El Blog de Ignacio Mártil

Los minerales de las nuevas tecnologías

17 junio, 2021 Ignacio Mártil HAZ UN COMENTARIO

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Europa afronta un reto de gran calado: tras su dependencia pasada y presente del petróleo, la transición hacia las energías renovables y hacia la digitalización de su economía se verá limitada en el futuro por la disponibilidad de minerales y elementos químicos escasos:

Materiales que se usan para fabricar vehículos y en plantas de producción eléctrica.
Minerales utilizados en la fabricación de vehículos y en plantas de producción de energía eléctrica, comparados con los utilizados en tecnologías convencionales. En la gráfica, no están incluidos el hierro ni el aluminio, dos minerales que no son escasos.

El papel de estos elementos tiene importantes consecuencias no solo para la transición medioambiental y digital, sino también para la geopolítica y la política industrial, tanto en Europa como en el resto del mundo.

La necesidad de minerales de las renovables

Para construir un aerogenerador o un panel fotovoltaico o un vehículo eléctrico o un circuito integrado son necesarios muchos materiales. Por ejemplo, para instalar 1 GW de potencia eléctrica con turbinas eólicas se requieren unas 160.000 toneladas de acero, 2.000 de cobre, 800 de aluminio, 100 de níquel, 90 de neodimio y 10 de disprosio para su fabricación. El hierro y el aluminio no son precisamente escasos, pero los otros cuatro sí y mucho en el caso del neodimio o el disprosio. En comparación, para instalar una central térmica de la misma potencia nominal (1 GW), se necesitan 5.500 toneladas de acero, 750 toneladas de cobre y 750 de aluminio aproximadamente. Como se puede apreciar, las tecnologías convencionales son mucho menos demandantes de minerales escasos que las renovables.

No obstante, la cantidad de elementos químicos necesarios no es el aspecto esencial del problema, sino la variedad de los mismos. Mientras que en una central térmica entran en juego metales convencionales y relativamente abundantes, las nuevas tecnologías renovables son muy demandantes de muchos elementos diferentes, algunos de ellos muy escasos en la naturaleza o cuyas fuentes están situadas en muy pocos países.

En el caso de la fotovoltaica, la otra tecnología renovable hegemónica, si los paneles están fabricados con silicio, las necesidades de metales escasos se limitan a la plata, que no es precisamente de los menos abundantes, con lo que, en ese sentido la tecnología fotovoltaica goza de una situación de privilegio, pues a la abundancia de la materia clave, el silicio, se le une la no necesidad de otros metales escasos en el planeta. Sin embargo, ese no es el caso para las otras dos tecnologías fotovoltaicas comerciales: CdTe y CuInGaSe2. En estos dos últimos casos, un panel requiere de multitud de elementos químicos, algunos de los cuales son extraordinariamente escasos:

Gráfico en forma de cubo que muestra la escasez de elementos como el telurio, el cadmio, el indio y el selenio.
El cubo de la figura representa la distribución de un millón de átomos, en las mismas proporciones que se encuentran en la corteza terrestre. Obsérvese lo extraordinariamente escasos que son Te, Cd, In y Se (telurio, cadmio, indio y selenio).

La demanda de las “tierras raras” hoy

Si nos vamos a la tecnología microelectrónica, cada año esta industria consume más de 300 toneladas de oro y 7.500 toneladas de plata. Sólo la fabricación de ordenadores y teléfonos móviles absorbe el 20 % de la producción mundial de metales raros como el paladio y cerca del 25 % del cobalto. Un teléfono móvil contiene en su interior cerca de 40 metales diferentes, aunque en cantidades insignificantes. Pero como cada año se venden cientos de millones (1.571 millones en 2020) de estos dispositivos, el problema se agranda.

Buena parte de los elementos químicos más escasos en la Tierra son las denominadas tierras raras, un conjunto de 17 elementos de la tabla periódica compuesto por los denominados lantánidos (lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometeo, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio), más el itrio y el escandio. Al grupo de las tierras raras pertenecen varios elementos esenciales para el desarrollo de las tecnologías renovables modernas, como los ya indicados anteriormente: el neodimio y el disprosio, que incorporan los imanes permanentes que deben instalarse en un aerogenerador eólico.

También se utilizan profusamente en la tecnología microelectrónica, ya que los circuitos integrados son muy demandantes de algunos de esos elementos. Además, encontramos cada vez mayor número y variedad de tierras raras y de elementos muy escasos en dispositivos de iluminación led (In, Ga) o en vehículos eléctricos (Cu, Li, Ni, Co, Cr, etc.).  No es de extrañar, por tanto, que su producción haya crecido muy significativamente en las últimas décadas. Estos elementos se extraen fundamentalmente de ciertos minerales que requieren de mucha energía para poder obtener los elementos por separado; esto añade un problema más a la ya de por sí compleja cadena de suministro.

Control comercial y geoestratégico de China

Otro aspecto clave vinculado a estos elementos químicos, es que su producción está hoy día mayoritariamente en manos de China; este país controla alrededor del 80 % de ese mercado y desde hace más de una década ha limitado drásticamente las exportaciones de esos materiales. La razón es muy evidente: tener el control de una gran cuota del comercio global de estos elementos químicos proporciona una herramienta de presión geoestratégica de primer nivel.

Además, en vez de exportar minerales, resulta más rentable en términos económicos exportar aerogeneradores o paneles fotovoltaicos, cuyo valor añadido es muchísimo mayor. No se olvide que 6 de los 10 mayores fabricantes de aerogeneradores del mundo son chinos; y 7 de los 10 primeros fabricantes de paneles fotovoltaicos del planeta son también de China.

Este, y otros problemas, constituyen uno de los lados no tan amables de la nueva economía que se viene tras la crisis del COVID-19.

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Ignacio Mártil

Ignacio Mártil

Soy Doctor en Física (1982) y Catedrático de Universidad (2007) en el área de Electrónica. Realizo mi actividad investigadora en la Universidad Complutense de Madrid, de carácter marcadamente experimental, en el campo de la física de los semiconductores. Soy especialista en propiedades eléctricas y ópticas de estos materiales, así como en dispositivos electrónicos y opto-electrónicos basados en ellos, siendo mi principal objetivo en la actualidad el estudio de conceptos avanzados en células solares.

Mi trabajo científico se concreta en los siguientes indicadores principales: soy co-autor de más de 150 artículos científicos publicados en revistas de alto impacto de ámbito internacional; he presentado cerca de 100 ponencias en congresos internacionales; he participado y participo, como Investigador Principal o como miembro del equipo investigador, en 22 proyectos de investigación financiados con fondos públicos en concurrencia competitiva; he dirigido 7 Tesis Doctorales; finalmente, soy evaluador de publicaciones (“referee”) de 15 revistas científicas internacionales.

Soy miembro de la Real Sociedad Española de Física y realizo un intensa labor divulgativa mediante mi blog personal "Un poco de Ciencia, por favor", que se encuentra alojado en el diario Público

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