Las inversiones federales de la Ley bipartidista de Inversión en Infraestructuras y Empleo y la Ley de Reducción de la Inflación han proporcionado un respaldo sin precedentes al futuro de la energía limpia de la nación, sobrealimentando los esfuerzos para reducir drásticamente las emisiones de carbono relacionadas con el transporte a través de una profunda descarbonización en todo el país y revitalizando la investigación, el desarrollo y el despliegue en las áreas de energía limpia, transporte y medio ambiente. En el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), estos fondos han catalizado los esfuerzos para ofrecer tecnologías transformadoras que reharán el sistema de transporte estadounidense tal y como se conoce. Dar prioridad a proyectos que permitan avanzar hacia un sistema de transporte eficiente y equitativo que sea inclusivo y accesible para todos sigue siendo fundamental para la misión y la estrategia del NREL. No se puede negar que se está en medio de una revolución del transporte limpio como no se ha visto en décadas. Armado con estas inversiones concretas en soluciones de energía limpia, se animan las perspectivas del camino que se tiene por delante: Esta es la oportunidad como nación de lograr un impacto duradero, y el NREL está a la cabeza. Los históricos objetivos federales de energía limpia han renovado el interés por el sector del transporte en un momento en que la investigación pionera del NREL sobre la descarbonización del transporte ha alcanzado nuevas cotas. El enfoque transversal del NREL para la descarbonización del transporte va más allá de los vehículos ligeros de carretera. Los investigadores del laboratorio, de categoría mundial, trabajan también para superar los obstáculos técnicos más difíciles a la movilidad limpia de los vehículos todoterreno y no de carretera. Esto incluye esfuerzos para reducir las emisiones de carbono en sectores denominados «difíciles de descarbonizar», como la aviación, el ferrocarril, la marina, la construcción y la agricultura. Los recientes avances en investigación, como el lanzamiento del primer software de código abierto totalmente integrado del mundo para explorar la descarbonización profunda del ferrocarril y la hibridación del primer pequeño pesquero comercial de Alaska, ponen de relieve el impacto pionero del NREL en los vehículos no de carretera. Otras iniciativas, como la evaluación de las necesidades de recarga de vehículos eléctricos (VE) en todo el país, ponen de manifiesto la destacada contribución del laboratorio a las estrategias federales de energía limpia. Los prometedores diseños de baterías de iones de litio (LIB) de próxima generación utilizan silicio (Si) como alternativa al material de ánodo de carbono grafítico para aumentar la densidad energética y la autonomía de los VE. El proyecto Silicon Consortium, dirigido por el NREL, aborda las barreras críticas que impiden el desarrollo de baterías de Si más pequeñas, baratas y de mejor desempeño, utilizando modelos electroquímicos y de ciclado para comprender mejor la formación y evolución de la interfase sólido-electrolito. Los últimos avances en técnicas de modelización incorporan conocimientos atomísticos y de redes de reacción física con algoritmos de aprendizaje automático para investigar cómo afecta la descomposición del electrolito a la vida útil de los ánodos de Si.
Guiados por los nuevos conocimientos del HPC y los modelos de envejecimiento del calendario, los investigadores del NREL están desarrollando nuevos diseños de electrodos y celdas para liberar todo el potencial del Si. Un nuevo método de detección rápida utiliza retenciones potenciostáticas para evaluar posibles materiales electrolíticos mucho más rápidamente que las pruebas tradicionales de tensión en circuito abierto. Además, los investigadores están utilizando análisis de deconvolución de retención de tensión y experimentos de cribado para evaluar cómo afecta la arquitectura de la célula a la vida útil prevista de las células de Si. Los resultados también han impulsado a los investigadores a desarrollar una interfaz electrolítica de Si de ingeniería superficial para evitar el contacto directo entre los materiales activos y aumentar la estabilidad de la vida útil de los diseños de Si. Los sistemas de almacenamiento detrás del contador (BTMS) combinan las ventajas del almacenamiento de energía, la carga rápida de vehículos eléctricos, la generación fotovoltaica y la demanda de los edificios para minimizar los costos y el impacto en la red de las iniciativas de electrificación a escala nacional. Como líderes del Consorcio BTMS del DOE, los investigadores del NREL están estudiando todos los aspectos de los sistemas BTMS, incluidos los materiales, el diseño completo del sistema y los controles. Los proyectos de análisis de BTMS ayudan a visualizar los flujos de energía, comparar posibles compensaciones entre actualizaciones y optimizar componentes y diseños de sistemas para diferentes climas, tipos de edificios y estructuras de tarifas de servicios públicos. Las especificaciones únicas del almacenamiento estacionario de energía permiten a los investigadores del NREL explorar diseños prometedores sin materiales críticos -como las baterías de ánodo de titanato de litio y de cátodo de óxido de manganeso y litio- junto con las baterías de estado sólido (SSB) y otras tecnologías emergentes. Un nuevo diseño de bastidor de batería BTMS desarrollado en el NREL combinará las ventajas de los sistemas nuevos y antiguos, al tiempo que combinará las químicas de níquel manganeso cobalto y fosfato de iones de litio. El innovador diseño ha demostrado hasta ahora un prometedor equilibrio del estado de carga para acomodar las cargas cambiantes de los sistemas BTMS. NREL liderará numerosos esfuerzos de divulgación en 2024, incluyendo la organización de la cuarta reunión semestral del consorcio para identificar oportunidades de I+D junto con líderes de opinión del gobierno, la academia, la industria y más. El primer año de I+D del consorcio se documenta a través de varias publicaciones y presentaciones, incluido un estudio sobre los costos de rentabilidad para cargar los tractores de Clase 8.
En el segundo año, el equipo del consorcio del NREL desarrolló una plataforma de carga de CC a escala de kilovatios que puede integrar varios convertidores CC-CC conectados a un sistema común de distribución de CC. Este tipo de equipo de carga es vital para diseñar y validar un hardware eficiente, de bajo costo e interoperable para la próxima generación de vehículos eléctricos pesados que funcionen mediante arquitecturas de carga, comunicación y control de centros de CC de alta potencia. Para investigar las necesidades de transporte de los conductores de Virginia, el equipo del consorcio del NREL también adquirió y procesó millones de conjuntos de datos de viajes utilizando EVI-Pro, la herramienta de proyección de infraestructura de vehículos eléctricos del NREL, para desarrollar 30 millones de itinerarios de viaje diarios. Al describir las distancias diarias recorridas, los tiempos de conducción y los periodos de permanencia, estos itinerarios identifican las futuras necesidades de energía de los vehículos eléctricos y las oportunidades de recarga. El informe se basó en veinte escenarios diferentes, que identificaron un rango de costo de carga de 0,17 a 0,38 dólares/kWh y crearon un proceso simplificado para determinar los costos de equilibrio específicos de cada emplazamiento y flota. Ahora, las partes interesadas pueden utilizar el marco desarrollado por el informe para considerar los parámetros específicos de cada emplazamiento y caso de uso y desarrollar un caso de negocio para la electrificación viable de la flota.
El informe destaca los avances significativos en tecnologías vehiculares y su impacto en la movilidad sostenible. El informe subraya el compromiso continuo con la investigación y el desarrollo de tecnologías innovadoras para vehículos que reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero y mejoren la eficiencia energética. Una de las áreas clave de enfoque fue el avance en la electrificación de vehículos, con un énfasis particular en el desarrollo de baterías más eficientes y asequibles. El destaca los avances en la investigación de materiales para baterías de próxima generación, así como en el diseño de sistemas de gestión térmica más eficaces para mejorar el esempeño y la vida útil de las baterías. Además de la electrificación, el informe también destaca los esfuerzos en tecnologías de combustibles alternativos, como el hidrógeno y los biocombustibles. Se resalta la investigación en la producción sostenible de hidrógeno y su aplicación en vehículos de pila de combustible, así como el desarrollo de biocombustibles avanzados con bajo impacto ambiental. Otro aspecto destacado en el informe es el progreso en la integración de vehículos y la red eléctrica, incluyendo investigaciones sobre la carga inteligente y la gestión de la demanda para optimizar el uso de la energía y reducir los costos operativos. Se mencionan también los avances en la conectividad vehicular y la automatización, con un enfoque en mejorar la seguridad y la eficiencia del transporte. En resumen, el informe destaca los esfuerzos continuos de Vehicle Technologies en el avance de tecnologías vehiculares sostenibles, destacando los logros alcanzados en el año fiscal 2023 y señalando las áreas clave de investigación y desarrollo para el futuro.