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¿Sabía que un vehículo eléctrico moderno contiene, en promedio, 80 kg de cobre? ¿O que un avión puede llegar a tener 7,5 toneladas de este metal, y un aerogenerador marino hasta 24 toneladas?
En la transición energética hacia un futuro más sostenible, el cobre es un material esencial. La Agencia Internacional de la Energía (AIE) señala que estamos dejando atrás los combustibles fósiles y entrando en una nueva “era de la electrificación”. Se prevé que, antes de 2030, la mitad de la demanda mundial de electricidad provenga de fuentes de bajas emisiones.
Pero surge una pregunta crítica: ¿tenemos suficientes materias primas, como el cobre, para realizar esta transición?
Un material con más de 10 000 años de uso
Denominado hoy en día como el “metal de la electrificación”, los humanos han estado utilizando el cobre desde el 8 000 a. e. c.
Altamente conductor, maleable, resistente a la corrosión y fácil de moldear, el cobre tiene propiedades que lo han hecho inestimable desde su uso en las primeras herramientas hasta en aplicaciones industriales, domésticas y tecnológicas modernas.
Incluso en el siglo XXI, es el único mineral crítico presente en todas las tecnologías energéticas limpias más importantes: vehículos eléctricos, energía solar fotovoltaica y eólica, redes eléctricas, etc.
En los vehículos eléctricos, el cobre está presente en el colector de corriente del ánodo de las baterías de ion litio, el cableado de las baterías o en algunos de los componentes clave de los motores.
El aumento de la demanda del cobre refinado, que crecerá de las casi 26 millones de toneladas (Mt) en 2023 hasta alcanzar alrededor de 40 Mt en 2040 en el escenario de cero emisiones netas (NZE por sus siglas en inglés).
Esto se debe principalmente al rápido despliegue de los vehículos eléctricos, junto con el crecimiento de las energías renovables y una importante expansión de las redes eléctricas. Además, el cobre es crítico para el desarrollo de las tecnologías digitales que se están implantando a un ritmo vertiginoso a lo largo y ancho de todo el planeta.
La tecnología basada en la inteligencia artificial procesa grandes volúmenes de datos y ejecuta cálculos complejos, lo que exige ordenadores más potentes y rápidos, con un consumo energético considerablemente mayor.
Como el cobre es un material clave en estos dispositivos por su excelente conductividad y capacidad de disipación térmica, este incremento en el consumo energético impulsará su demanda en centros de datos, que se espera sea hasta seis veces mayor para 2050. Por lo tanto, la seguridad del suministro de cobre es primordial para realizar la doble transición verde y digital que ha impulsado Europa.
Déficit de suministro
A pesar de su importancia, el análisis de la AIE indica un posible déficit de suministro primario de cobre a partir de 2025. Incluso considerando el crecimiento esperado para el suministro secundario (uso de residuos), este déficit podría llegar a las 4,5 Mt (20 %) para satisfacer la demanda en el escenario de cero emisiones netas en 2030.
Y estos déficits seguirán aumentando. Para 2040 será necesario duplicar el suministro de cobre respecto al nivel actual para cumplir con el acuerdo de París de no alcanzar 1,5⁰ C de aumento de la temperatura en 2050.
Por otro lado, el precio del cobre se verá fuertemente afectado por estas circunstancias. De hecho, el coste por tonelada ya ha pasado del rango de los 2 000 euros en 1990 a los 10 000 a partir de 2020.
Las alternativas al cobre como material conductor
Existen materiales alternativos que podrían aliviar la presión sobre el cobre. Entre ellos, el aluminio es la opción más estudiada. Aunque tiene solo el 60 % de la conductividad del cobre, su abundancia y baja densidad lo hacen un conductor atractivo, en especial para cables de transmisión, y cada vez más en vehículos eléctricos y turbinas eólicas. En aplicaciones donde el peso es un factor importante, como en el sector automotriz y aeroespacial, el aluminio ya está sustituyendo al cobre en gran medida.
Sin embargo, hay aplicaciones en las que el cobre no puede sustituirse, como los colectores de corriente de ánodos de baterías, debido a que a bajos potenciales se genera la aleación del litio con el aluminio.
Por otro lado, en las redes eléctricas, la menor conductividad eléctrica del aluminio exige cables más gruesos y, por tanto, de mayor peso, lo que unido a sus inferiores propiedades térmicas y mecánicas exige un mayor mantenimiento.
Y por último, pero no menos importante, hay que señalar que la transformación del aluminio es casi cinco veces más intensiva en energía que la del cobre.
Las aleaciones avanzadas como las de Al-Cu (aluminio-cobre), Cu-Al (cobre-aluminio) o Au-Cu (oro-cobre), también podrían ser soluciones tecnológicas para aplicaciones específicas.
Las aleaciones de Al-Cu tienen una mayor resistencia mecánica que el aluminio puro y buena resistencia a la corrosión. No obstante, su conductividad eléctrica también es significativamente menor (~40-50 % la del cobre), por lo que son utilizadas principalmente en aplicaciones estructurales y aeroespaciales donde se prioriza la resistencia mecánica sobre la conductividad eléctrica.
Por otro lado, las aleaciones de Cu-Al cuentan con una excelente resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes marinos, y una mayor resistencia al desgaste que el cobre puro. Pero de nuevo, la menor conductividad eléctrica, solo un 30-40 % comparada con el cobre puro, hace que su uso en conductores eléctricos se limite a aplicaciones muy específicas
Los nanotubos de carbono como solución
En este contexto, uno de los materiales más prometedores son los nanotubos de carbono (CNT).
Los avances en la nanotecnología y la fabricación avanzada están haciendo posible que los cables de CNT se presenten como una alternativa muy interesante y viable a la escasez del cobre.
Actualmente, se ha conseguido fabricar cables continuos de CNT de kilómetros de longitud con una combinación de propiedades excepcionales (conductividad superior a la del cobre y mejor resistencia térmica y mecánica), ideal para las exigencias de la transición energética.
Estos materiales pueden ser usados en la transmisión de energía de largo alcance, contactos eléctricos, cables de alta resistencia, cables ultraligeros, bobinas de componentes de motores eléctricos, etc.
Además, como subproducto del proceso de fabricación de estos cables se genera hidrógeno, que puede ser recogido y utilizado como fuente de energía limpia.
Los cálculos indican que se puede obtener hidrógeno a partir de la división directa de gas natural (metano) utilizando ocho veces menos energía renovable que el hidrógeno “verde” obtenido por electrólisis del agua.
Desde el punto de vista de su final de ciclo de vida, estos materiales son completamente reciclables, con una pérdida mínima de propiedades en las fibras fabricadas a partir de los CNT reciclados.
Aunque parezca una paradoja, la fabricación de materiales conductores a base de nanotubos de carbono ofrece una solución innovadora para descarbonizar la economía, utilizando carbono, como el gas natural, para generar hidrógeno de forma eficiente.
Esta tecnología no solo permite utilizar los recursos fósiles de manera más eficaz, sino que ofrece una alternativa para aprovecharlos de forma sostenible, contribuyendo a un futuro más verde y menos dependiente de la quema de combustibles.
Las personas firmantes no son asalariadas, ni consultoras, ni poseen acciones, ni reciben financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y han declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado anteriormente.