Leyre Catalán Ros, Grado Internacional en Ingeniería en Tecnologías Industriales y Máster en Ingeniería Industrial por la Universidad Pública de Navarra (UPNA), ha desarrollado en su tesis doctoral por primera vez generadores termoeléctricos capaces de aprovechar el calor geotérmico de origen volcánico para producir energía eléctrica. La solución planteada ha sido demostrada con varios prototipos instalados en el volcán del Teide (Tenerife) y en el Parque Nacional de Timanfaya (Lanzarote), y ya ha sido patentada. Las principales aplicaciones de este desarrollo son suministrar energía a estaciones de vigilancia volcánica y generar electricidad renovable, a media escala, en yacimientos de roca caliente seca.

zoom Leire Catalán

Leyre Catalán Ros

Los generadores termoeléctricos son dispositivos que permiten transformar directamente un flujo de calor en electricidad. Para ello, el elemento principal son los módulos termoeléctricos, que se encargan de realizar esa transformación gracias al efecto Seebeck. “Como la eficiencia de estos módulos aumenta con la diferencia de temperatura entre sus caras, es necesario incluir intercambiadores de calor para maximizar esa diferencia acercando la cara caliente de los módulos a la temperatura de la fuente de calor y la cara fría, a la temperatura ambiente”, explica Leyre Catalán.

En esta tesis doctoral se ha realizado un profundo análisis de intercambiadores de calor y se ha concluido que los más adecuados para extraer el calor superficial del suelo son aquellos basados en el cambio de fase. “Gracias a esta solución, que está patentada, se consigue maximizar el salto de temperaturas disponible sin ningún equipo auxiliar (bombas, ventiladores…) ni partes móviles, obteniendo así un equipo muy robusto y que requiere un mantenimiento mínimo”.

La tesis “Design and experimental development of thermoelectric generators for shallow geothermal anomalies of volcanic origin” ha sido codirigida por el catedrático David Astrain Ulibarrena y la profesora Patricia Aranguren Garacochea, ambos del Departamento de Ingeniería de la UPNA, y ha obtenido la calificación de sobresaliente “cum laude” con mención internacional. La tesis ha sido financiada gracias a las ayudas para la formación de profesorado universitario (FPU) del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, y se enmarca dentro del proyecto de investigación “Diseño y desarrollo experimental de prototipos para la generación eléctrica mediante efecto termoeléctrico en anomalías geotérmicas superficiales de origen volcánico: aplicación en los sistemas volcánicos de Timanfaya (Lanzarote) y Teide (Tenerife)”, ELECTROVOLCAN (RTC-2017-6628-3), cofinanciado por FEDER/Ministerio de Ciencia e Innovación,el Instituto Tecnológico de energías Renovables de Canarias (ITER) y el Instituto Volcanológico de Canarias (INVOLCAN), y en el que participan, además, el Grupo de Investigación en Ingeniería Térmica y de Fluidos de la UPNA, la Agencia Insular de la Energía de Tenerife (AIET) y el Instituto Geológico y Minero de España (IGME).

Dos aplicaciones muy diferentes

La tecnología desarrollada se ha empleado para dos aplicaciones muy diferentes. En primer lugar, ha permitido hacer autónomos los equipos de vigilancia volcánica. Un 10% de la población mundial se encuentra en riesgo por una erupción volcánica. Hoy en día, se puede predecir cuándo van a ocurrir estas erupciones, ya que los volcanes envían continuamente señales de su estado. “El problema es que normalmente están situados en lugares remotos, donde no existe suministro de energía para los equipos de vigilancia —indica la autora del trabajo—. Aunque a veces se emplean paneles fotovoltaicos y baterías para transformar la energía del sol en electricidad, esta solución no es válida para todos los volcanes del mundo, ya que hay veces que se encuentran a altas latitudes donde no hay sol durante meses o con grandes altitudes, donde se producen nevadas que cubren los paneles fotovoltaicos e inhabilitan este tipo de suministro de energía”.

zoom Prototipo Teide

Imagen del prototipo instalado en El Teide (Tenerife)

La solución por la que se ha optado en esta tesis doctoral consiste en aprovechar uno de los signos de actividad volcánica, la emisión de calor en forma de fumarolas, para transformarlo directamente en electricidad con los generadores termoeléctricos. “Esta solución ha sido demostrada con un prototipo instalado en el volcán del Teide (Tenerife) —que lleva un año funcionando de manera ininterrumpida—. Recoge diferentes variables de vigilancia volcánica y las transmite a 14 km de distancia, todo ello gracias a la energía generada con solo dos módulos termoeléctricos. De esta manera, la viabilidad y robustez de la solución ha quedado demostrada; el siguiente paso será llevarlo a otros volcanes del mundo para asegurar su correcta vigilancia”.

En segundo lugar, y en una escala totalmente diferente, esta tecnología ha demostrado también ser viable para generar electricidad en yacimientos de roca caliente seca. Hasta ahora, el único método para generar electricidad en este tipo de yacimientos era mediante sistemas geotérmicos estimulados, “pero es un método que requiere la fractura de la roca, lo cual podría inducir terremotos”, explica Leyre Catalán. En yacimientos de roca caliente seca superficiales, como es el caso del existente en el Parque Nacional de Timanfaya (Lanzarote), donde se alcanzan temperaturas de hasta 500°C a tan solo 2 metros de profundidad, los generadores termoeléctricos han demostrado ser una alternativa viable.

“Al igual que en la aplicación anterior, la viabilidad de la tecnología propuesta ha sido demostrada no solo en laboratorio, sino también en campo, con la instalación de un prototipo en uno de los sondeos ubicados en el Parque Nacional de Timanfaya”. Concretamente, este sondeo tiene una temperatura de 170°C y en él se han generado entre 30 y 35 W de potencia con un total de 16 módulos termoeléctricos. Una de las ventajas de este sistema de generación es que es totalmente modular, por lo que un incremento de la potencia generada se puede conseguir simplemente aumentando el número de módulos termoeléctricos instalados. “Gracias a un modelo computacional, también desarrollado en esta tesis doctoral, se ha estimado que en los 5000 m2 del Parque Nacional de Timanfaya de los que se conocen las anomalías geotérmicas, se podría generar suficiente electricidad como para abastecer a 200 hogares”.

Breve curriculum vitae

Leyre Catalán Ros es Ingeniera en Tecnologías Industriales por la UPNA, con premio extraordinario al mejor expediente y estancia de movilidad en Högskolan i Gävle (Suecia). En esta misma universidad cursó el Master in Energy Systems en 2015. En 2015-2017 cursó el Máster en Ingeniería Industrial por la UPNA, con premio extraordinario al mejor expediente y estancia de movilidad en University of Technology of Sydney (Australia). Asimismo, cursó el título propio de Experto Universitario en Ciencia de Datos y Big Data por la UPNA. En el transcurso de sus estudios de doctorado ha realizado estancias de investigación en el Instituto Tecnológico y de Energías Renovables (Tenerife), gracias a una ayuda de movilidad predoctoral del Gobierno de Navarra, y en Cardiff University (Reino Unido).

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Imagen del prototipo instalado en el Parque Nacional de Timanfaya (Lanzarote)

Entre los méritos de investigación, ha desarrollado una patente, ha publicado más de una docena de artículos en revistas científicas de alto impacto y actas de congresos y es autora de un capítulo de libro y un libro. Además, ha presentado una treintena de contribuciones en congresos internacionales y ha participado en 11 proyectos de investigación (3 estatales y 8 regionales). Gracias a estos méritos, Leyre recibió el premio Graduate Student Award 2020 de la International Thermoelectric Society, y es beneficiaria de la Beca Fuentes Dutor del Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Navarra.

Leyre Catalán interpreta a Hipatia de Alejandría en la obra de teatro “Yo quiero ser científica” y es miembro del equipo de trabajo de la Cátedra Mujer, Ciencia y Tecnología de la Universidad Pública de Navarra. Ha participado en numerosos eventos de divulgación científica (Jakin-Mina, Naukas Universidad, Pint of Science, etc.) y ha sido presidenta de APERNA (Asociación para la promoción de las energías renovables en Navarra) entre septiembre de 2017 y septiembre de 2019.