Los motores eléctricos se han convertido en una pieza clave de la transición energética y en un elemento omnipresente en fábricas, hogares y carreteras. Están detrás de buena parte de la electricidad que se consume en Europa y también de la maquinaria que mueve la industria o los electrodomésticos más cotidianos. Su peso en el balance energético es tan grande que cualquier mejora en su rendimiento se traduce en cifras muy abultadas.
Por eso, la investigación y la industria del continente llevan tiempo trabajando en dos frentes que van de la mano: exprimir al máximo la eficiencia de estos sistemas y soltar lastre respecto a materias primas críticas, como las tierras raras. Menos pérdidas y menos dependencia externa son, ahora mismo, los grandes objetivos.
Los motores eléctricos se comen más de la mitad de la luz en la UE
Los números ayudan a entender la dimensión del asunto. Según las estimaciones de la Comisión Europea, los motores eléctricos representaron en 2020 en torno al 53 % del consumo eléctrico de la Unión Europea. Los 380 millones de equipos de entre 0,12 y 1.000 kilovatios cubiertos por la normativa de ecodiseño gastaron unos 1.326 teravatios-hora, una cifra que equivale a más de la mitad de toda la electricidad utilizada en el bloque comunitario.
Conviene tener en cuenta que hablamos de datos de hace unos años y que, desde entonces, el parque instalado no ha dejado de crecer. Estos aparatos accionan la maquinaria industrial, pero también las bombas de cualquier electrodoméstico, los sistemas de energías renovables o la propulsión de los vehículos eléctricos. Con semejantes magnitudes, incluso una mejora modesta de rendimiento tiene un impacto considerable: ganar unos pocos puntos porcentuales podría ahorrar decenas de teravatios-hora al año.
El reto encaja, además, con las metas internacionales. La conferencia COP28 reclamó duplicar de aquí a 2030 el ritmo anual de mejora de la eficiencia energética, lo que supone pasar de un avance de alrededor del 2 % a más del 4 % cada año. La pregunta es cómo lograrlo cuando los motores modernos ya funcionan con rendimientos elevados.
Dónde se escapa la energía dentro de un motor
Como los motores actuales ya rinden a buen nivel, el margen de mejora está en los puntos concretos donde se producen pérdidas. Los principales son el calentamiento de los materiales que forman los circuitos, es decir, la resistencia de los devanados; las pérdidas magnéticas en el núcleo; las corrientes de Foucault, esos pequeños remolinos que se generan solos dentro del núcleo cuando el campo magnético cambia; y las pérdidas mecánicas y adicionales.
La solución pasa por diseñar mejor todo el conjunto electromagnético y térmico, buscando materiales que permitan nuevas geometrías y menos desperdicio energético. En ese terreno entra en juego una familia de materiales poco habitual.
Vidrios metálicos, el material que promete menos pérdidas
Hablamos de los vidrios metálicos. La mayoría de los metales, incluidos los aceros eléctricos al silicio que se usan hoy en los motores, tienen una estructura cristalina con un orden atómico que se repite. Los vidrios metálicos, en cambio, se solidifican muy rápido y acaban con una estructura amorfa: sus átomos mantienen un orden local, entre vecinos, pero sin ese patrón periódico propio de los cristales. Y ahí está la ventaja.
Esa diferencia estructural tiene consecuencias. En un motor, el campo magnético del núcleo cambia sin parar a medida que la electricidad se convierte en movimiento. Cada vez que cambia el sentido de la corriente, el material magnético tiene que reordenarse una y otra vez. Cuanto más le cueste hacerlo, más energía se pierde en forma de calor en cada ciclo. En el caso de los materiales cristalinos, su estructura dificulta ese movimiento y dispara las pérdidas; además, los campos variables inducen corrientes de Foucault que se disipan como calor. La pérdida de un solo motor parece pequeña, pero multiplicada por miles de millones de equipos el efecto agregado es enorme.
Los vidrios metálicos pueden recortar parte de esas pérdidas y los basados en hierro se perfilan como candidatos atractivos para máquinas eléctricas avanzadas, sobre todo en diseños de alta velocidad o alta densidad de potencia.
Imprimir estos materiales en 3D, el reto europeo
Si los vidrios metálicos se conocen desde hace décadas, ¿por qué no se emplean de forma generalizada? La respuesta está en la fabricación. Para evitar que se formen cristales durante la solidificación hay que enfriar a velocidades muy altas, lo que en la práctica limita la producción a cintas o láminas. El desafío es lograr que conserven esa estructura amorfa en geometrías tridimensionales útiles para, por ejemplo, los motores de un coche eléctrico.
Ese reto ha sido uno de los focos del proyecto europeo AM2SoftMag, financiado por el programa Horizon Europe, que reúne a especialistas en ciencia de materiales, fabricación y diseño de máquinas eléctricas. En el Instituto IMDEA Materiales han trabajado con impresión 3D para motores, un proceso que permite un entorno inerte para evitar la oxidación y crear geometrías complejas con muy poco desperdicio.
En un trabajo reciente, el consorcio desarrolló un nuevo vidrio metálico basado en hierro, silicio, boro, niobio y níquel, con una capacidad de formación vítrea mejorada. La composición alcanza un grosor de aproximadamente un milímetro sin añadir fósforo, cobalto ni tierras raras, lo que evita la dependencia de materiales críticos. Se lograron densidades relativas superiores al 92 % y fracciones amorfas por encima del 87 %, con una coercitividad que llegó a valores tan bajos como 44 amperios por metro. Queda trabajo por delante, como reducir la porosidad y escalar la producción, pero la vía se antoja prometedora.
Motores sin tierras raras para camiones y autobuses
Mientras la investigación avanza en el laboratorio, la industria también mueve ficha. La empresa Mahle presentó en la feria IAA Transportation un motor eléctrico que no recurre a las tierras raras para funcionar. Se llama MCT, siglas de Mahle Contactless Transmitter, y está pensado para los ejes eléctricos de vehículos industriales pesados.
Al no utilizar imanes permanentes, este motor prescinde de las tierras raras y resulta más ligero, ya que permite ahorrar hasta tres kilos por vehículo de esos materiales y minimiza la dependencia de materias primas críticas. Con una potencia máxima de 370 kilovatios, unos 495 caballos, y un par superior a 900 newton metro, ofrece la densidad de potencia que exigen las aplicaciones más duras del transporte pesado. Además, reduce hasta diez kilos el peso del sistema de propulsión frente a soluciones comparables.
En el ciclo VECTO, la herramienta europea que calcula consumo y emisiones de CO₂ de los camiones pesados, el motor alcanza una eficiencia del 95 %. Y en ciclos de conducción reales que abarcan múltiples aplicaciones, el sistema logra niveles de eficiencia superiores a los de motores eléctricos comparables con imanes permanentes. La compañía defiende que esta tecnología combina ahorro de recursos, altas prestaciones y eficiencia energética.
Sumando las piezas, el panorama europeo muestra una misma dirección: motores cada vez más eficientes y menos atados a las tierras raras. Desde los nuevos materiales que se investigan en los laboratorios hasta los diseños que ya se presentan en ferias del sector, el objetivo compartido es gastar menos electricidad y depender menos de unas materias primas cuyo suministro resulta delicado. Los avances concretos aún requieren tiempo y escalado, pero la hoja de ruta parece clara.
