Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre

Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobreOctubre de 2012, v 3.0

International CopperAssociationCopper AllianceCu

copperalliance.org | 2

Tabla de contenido

Prioridades en Investigación y Desarrollo (I&D) ................................................ 3

Resumen ejecutivo ........................................ 4

Dirigiendo la innovación: propiedades fundamentales del cobre ..... 8

Prioridades de la Guía de Innovación ..... 12

Oportunidades existentes/en desarrollo 14

Oportunidades emergentes ....................... 17

Posibles aplicaciones futuras .................... 23

Implementación ........................................... 25

Anexo A: La evolución del motor con rotor de cobre moldeado ................... 28

Anexo B: Propiedades fundamentales del cobre ... 32

Anexo C: Tendencias y desafíos que influyen en el uso del cobre ............. 33

Anexo D: Cobre y sociedad .......................................... 35

Anexo E: Ciclo de vida del cobre ............................... 36

Anexo F: El cobre en la actualidad ........................... 37

Anexo G: Colaboradores ............................................... 38

Anexo H: Referencias .................................................... 39

copperalliance.org | PRIORIDADES EN INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO 3

Cátodos terminados

Productos semifabricados

Propiedades fundamentales del cobre:Conductividad eléctrica | Deformabilidad | Color/Apariencia estética | Aleabilidad

Conductividad térmica | Resistencia a la corrosión | Efecto antimicrobiano | Reutilización indefinida Recyclable

Aplicaciones existentes/en desarrollo Aplicaciones emergentes

Industria proveedora

Industria transformadora

Aire acondicionado y sistemas de refrigeración

Transmisión de datos/señales

Superficies antimicrobianas*

Cableado automotor

Combustión a gas

Transmisión de energía eléctrica

Interconexión electrónica

Gestión térmica electrónica

Sistemas propulsados por motor

Energía renovable

Acuicultura

Propulsión eléctrica automotriz

Disipación de energía sísmica

Almacenamiento de energía térmica

Componentes de cobre ultraconductores

Exploración de aplicaciones potenciales futuras

Componentes del sistema de ingeniería/fabricación y productos

terminados

Tendencias y desafíos:

• Reducción del costo de procesamiento

• Maximización del valor agregado del uso del cobre

• Creciente presión competitiva de otros materiales

• Cambio en las regulaciones, códigos y estándares

• Aseguramiento del rendimiento de productos de cobre con diseño de ingeniería

• Aumento del uso de materiales complementarios con diseño de ingenierías

• Diseño para recuperación y reutilización

• Preparación para el cambio climático

Uso de componentes y productos terminados

Gestión de la vida útil

Necesidades sociales de largo plazo:Mejor salud humana | Sustentabilidad ambiental

Mayor eficiencia energética | Mejores estándares de vida

Desechos de cobre (Material secundario) Desechos de cobre (Limpio)

* Los elementos en cursivas se encontraban en ediciones anteriores de la Guía y no son en la actualidad prioridades de I&D

Selección y abastecimiento de materiales

Diseño de ingeniería

Desarrollo de productos y procesos

Prioridades en Investigación y Desarrollo (I&D)

copperalliance.org | RESUMEN EJECUTIVO 4

Resumen ejecutivo

El cobre mantiene un registro notable ininterrumpido como parte integral de la vida de las personas y la civilización1. Posee una combinación única de propiedades que gracias a conocimientos científicos y creatividad se han aplicado en algunas de las mayores innovaciones de la historia: Instrumentos de navegación de precisión, sistemas eléctricos, distribución de agua potable segura, aire acondicionado y comunicaciones de datos. Esta Guía de innovación en aplicaciones de cobre orienta al lector en torno a los nuevos y prometedores desarrollos del cobre con el potencial de aplicación mundial.

Desde que la International Copper Association (ICA) presentó su Guía de innovación en 2007, ésta ha servido como una recopilación de conocimientos y una guía hacia esfuerzos de investigación colaborativa precompetitiva entre productores y fabricantes de cobre, industrias que lo utilizan, universidades, programas de gobierno, empresarios y expertos en tecnologías independientes.

Panorama general

Entre las aplicaciones existentes/en desarrollo que constituyen las prioridades de hoy se cuentan:

• Sistemas de aire acondicionado y refrigeración: la tendencia hacia sistemas más compactos y más eficientes en el uso de la energía y el uso creciente de refrigerantes ecológicos o amigables con el medioambiente nos ofrece a la vez, implicaciones de diseño como oportunidades para el cobre, las que pueden ser abordadas mediante I&D colaborativa. Desde la primera versión de esta Guía de innovación, un equipo organizado por ICA y compuesto por investigadores de la industria y académicos, ha reducido en 40% el contenido de cobre en algunos intercambiadores de calor de sistemas de aire acondicionado con un alto volumen de producción gracias al uso de tubos de cobre con ranura interna de menor diámetro. Este esfuerzo sigue en pie y ahora se está ampliando a equipos de refrigeración. El cobre ofrece ventajas en

El diagrama de la página 3 describe la Guía de Innovación Tecnológica completa de la industria del cobre. La primera sección de la Guía examina más en detalle los extremos del diagrama, específicamente las aplicaciones existentes o en desarrollo y las aplicaciones emergentes. Las áreas en cursiva representan aplicaciones donde se han logrado mejoras considerables en los últimos años. A pesar de que estas áreas ya no son prioridades, se sigue trabajando en promover los avances de la tecnología del cobre en estas aplicaciones.

El Anexo A brinda un estudio de caso respecto de la forma en que un avance en la tecnología del cobre afecta la investigación, desarrollo de procesos y diseño de ingeniería hasta el uso comercial. Los Anexos B, C y D abordan las áreas centrales del diagrama, donde se describen las propiedades fundamentales del cobre, con el análisis de las tendencias y los cambios que influyen en el uso del cobre y el examen de cómo estos atributos pueden ayudar al progreso futuro de la sociedad

Nuevas orientaciones

la eficiencia energética sustentable, facilidad de fabricación, efectos antimicrobianos y calidad del aire circulante.

• Transmisión de datos/señales: los cables de cobre con un mayor ancho de banda y menor consumo de energía que facilitan la instalación y conexión fortalecerán la posición competitiva de la industria. El cobre además ofrece transmisión de energía y datos en el mismo cable, con lo cual se simplifica la conexión del entretenimiento digital, conexiones, procesos informáticos y equipos de seguridad en redes de alta velocidad con una solución rentable.


Las aplicaciones emergentes abren mercados completamente nuevos para el cobre al ampliar y aumentar su uso. Cada área requiere el desarrollo de tecnologías nuevas y mejoradas basadas en el cobre. Entre las oportunidades emergentes principales se incluyen:

• Acuicultura: las jaulas de aleaciones de cobre para acuicultura marina emergen como una solución efectiva a problemas importantes que enfrenta la industria acuícola. A las jaulas típicas construidas con materiales sintéticos con revestimientos antiincrustantes se adhieren organismos marinos luego de varios meses de uso. Las jaulas de aleación de cobre se mantienen sin adherencias durante años, con lo cual mejora la salud de los peces, aumenta su tasa de crecimiento y se elimina la necesidad de limpiar o reemplazar las jaulas. La fortaleza mecánica y resiliencia de una estructura de aleación de cobre también ayuda a evitar el ataque de depredadores y el escape de los peces.

• Propulsión eléctrica automotriz: los sistemas de propulsión eléctrica automotriz están experimentando un considerable desarrollo hacia diseños de ingeniería más sofisticados, compactos y eficientes. Los sistemas de propulsión eléctrica incorporan cobre en las baterías, control eléctrico, puntos y tomas de alimentación de recarga y gestión motriz y térmica. Energizar vehículos eléctricos requiere cambios en la infraestructura eléctrica con lo que se obtendrán ventajas a partir del cobre.

• Disipación de energía sísmica: los daños de los terremotos en edificios, su contenido y ocupantes se pueden controlar mediante el uso de

dispositivos de cobre que absorben energía para limitar los movimientos de la infraestructura. Esta nueva área de aplicación aplica aleaciones de cobre superelásticas y la propiedad de deformación plástica del cobre refinado.

• Almacenamiento de energía térmica: la tecnología térmica basada en hielo ha demostrado ser efectiva en la demanda de energía eléctrica con pausa en directo en sistemas de aire acondicionado. Se están desarrollando sistemas que usan materiales de cambio de fases con varios tiempos de la densidad de la energía de los sistemas de agua/hielo. Los dispositivos compactos de almacenamiento de energía térmica de cambio de fase con intercambiadores de calor de cobre se pueden integrar en sistemas geotérmicos, de calentamiento de agua, térmicos solares y otros para reducir el costo del sistema y aumentar la eficiencia energética. De la misma forma que en una batería eléctrica, estos dispositivos se pueden cargar o descargar en diferentes valores.

• Componentes de cobre ultraconductores: se han hecho progresos en los métodos para la incorporación de nanotubos de carbono con pared simple de cobre de una forma que aumente la conductividad eléctrica de la temperatura ambiente del cobre en un 30% o más- Este avance permitiría una notable mejora en la eficiencia en redes de transmisión y distribución de energía eléctrica; motores y generadores eléctricos más compactos y menos bajos e importantes reducciones en la generación de calor en todos los tipos de sistemas eléctricos.


La industria del cobre, con la acción de ICA, financia investigación y desarrollos precompetitivos que pueden crear o permitir futuras aplicaciones de mercado para el cobre o intensificar las existentes. Se invita a los investigadores a proponer conceptos creativos derivados de avances científicos, transferencia tecnología o necesidades comerciales o de la sociedad. Tales propuestas deben identificar el avance requerido y describir un enfoque confiable. Se prefieren las propuestas que contengan datos de una demostración o un cronograma de desarrollo relativamente rápidos. Sin embargo, también son bienvenidas las propuestas relacionadas con investigación científica de largo plazo.

La Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre seguirá evolucionando a medida que la industria reacciona a tendencias de la sociedad, presiones competitivas, desarrollos técnicos relacionados y oportunidades no previstas. A pesar de que la Guía actual no trata todos los ámbitos tecnológicos, se concentra en las mayores necesidades precompetitivas percibidas por la industria del cobre y sus clientes. Identificar y definir nuevas actividades de investigación sigue siendo un desafío. Teniendo ese objetivo en mente, la tercera sección de este documento describe planes para que un proceso administrado por la industria cree, lance y gestione proyectos de aplicaciones de cobre más allá de los descritos en esta Guía. El éxito de esta Guía se medirá por el número y alcance de proyectos de I&D colaborativos que inspire y los beneficios que reditúen esos proyectos.

Conceptos de aplicación futura


copperalliance.org | DIRIGIENDO LA INNOVACIÓN 8

Dirigiendo la innovación: propiedades fundamentales del cobre

La Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre tiene un enfoque inclusivo que abarca desde minas, fábricas, fundiciones y refinerías hasta fabricantes, procesadores y manufactureros, además de disciplinas, industrias y aplicaciones específicas (consulte el diagrama de Prioridades en Investigación y Desarrollo). La substitución de materiales está en aumento en mercados de cobre tradicionales y es un imperativo que la industria del cobre identifique y evalúe activamente nuevas oportunidades tecnológicas. La Guía de innovación pretende identificar esas áreas en las que la investigación y desarrollos tecnológicos tengas posibilidades de ofrecer un impacto considerable en el valor del cobre en mercados en desarrollo y emergentes.

El cobre mantiene un registro notable ininterrumpido como parte integral de la vida de las personas y la civilización1. Las propiedades fundamentales del cobre han satisfecho las necesidades de la sociedad a lo largo de su historia. Para impulsar la innovación, la industria del cobre debe continuar explorando propiedades fundamentales del cobre como:

• Conductividad eléctrica

• Conductividad térmica

• Efecto antimicrobianot

• Deformabilidad

• Resistencia a la corrosión

• Reutilización indefinida

• Color/apariencia estética

• Facilidad para unir

• Aleabilidad

A medida que la industria avanza, se debe colaborar con sus socios para examinar las formas en que las ventajas intrínsecas que el cobre pueden ayudar a la sociedad a aplicar los beneficios para un mundo mejor y más sustentable. El éxito provendrá de:

• El desarrollo de nuevos materiales: aleaciones, composiciones y compuestos, que proporcionen formas más rentables para producir y procesar esos materiales. La industria de conectores eléctricos y del encapsulado electrónico son dos ejemplos entre muchos en los que se aplica este enfoque regularmente.

• Optimizar la forma en que se usa o fabrica el cobre. El desarrollo auspiciado por International Copper Association (ICA) de moldeado de cobre rentable es un ejemplo del proceso colaborativo de I&D en la industria del cobre (consulte el Anexo A).

• Innovación que aproveche adecuadamente los atributos del cobre y contrarreste la substitución potencial con materiales alternativos.

• Pensamiento innovador que relacione el cobre con nuevas aplicaciones y supere los desafíos técnicos.



Ningún otro metal, ya sea por sí solo o en aleación, ofrece con tanta efectividad la cantidad y amplitud de propiedades útiles del cobre. En las próximas décadas, los progresos tecnológicos dependerán en alto grado de materiales avanzados como metales, aleaciones, composiciones y otras estructuras, muchos de los cuales pueden contener cobre.

Además de tener un rendimiento altamente técnico, estos materiales pueden influenciar positivamente temas como la salud humana, eficiencia energética, sustentabilidad y estándares de vida. El cobre y los materiales basados en cobre cumplen claramente estos criterios. El Anexo B ofrece información adicional sobre propiedades útiles del cobre. El Anexo C analiza las tendencias y desafíos que influyen en el uso del cobre. El Anexo D brinda conocimientos respecto del rol del cobre en la satisfacción de las necesidades sociales. Nota: Los Anexos B, C y D siguen el flujo de la sección central del diagrama de la Guía.

Ventajas intrínsecas del cobre


Cobre reutilizado Jaula para peces

Aleación de cobre laminada Conectores

Cobre extruido Tubos para aire acondicionado

Los cátodos de cobre y el cobre reciclado son las materias primas para aplicaciones transformadoras del cobre. Las empresas de productos semielaborados procesan estos materiales, a menudo con elementos de aleación, para producir una forma intermedia con propiedades adecuadas para la fabricación y uso final. Estos materiales de cobre con valor agregado se fabrican posteriormente en la forma precisa del producto final. Los expertos en materiales de empresas de productos semielaborados y los ingenieros de sus clientes y especialistas en productos interactúan en estrecha colaboración durante el diseño de ingeniería y los procesos de desarrollo con el fin de asegurar la composición y pureza de las aleaciones de cobre para lograr la deseada funcionalidad y rendimiento en la aplicación final.

La industria del cobre, con sus propios representantes y los de docenas de centros del cobre en todo el mundo, ofrece a los usuarios un alto nivel de apoyo para ayudar en la selección de la solución de materiales de cobre más efectiva. Posteriormente se detallan aspectos clave, oportunidades y actividades recomendadas para el cobre que apoyarán la colaboración técnica futura con ingenieros de productos y procesos.

Desde cátodos hasta productos terminados: Diseño de ingeniería y desarrollo de productos/procesos

Transformación visual del cobre:

copperalliance.org | PRIORIDADES DE LA GUÍA DE INNOVACIÓN 12

Prioridades de la Guía de Innovación

Esta Guía orienta sobre programas de I&D colaborativos y precompetitivos que benefician a la industria del cobre y a la sociedad. La industria favorece este enfoque colaborativo y precompetitivo dado que los costos se distribuyen entre las partes que esperan obtener beneficios y una amplia gama de conocimientos técnicos disponibles para equipos de proyectos. ICA busca propuestas de I&D de alta calidad para todas las áreas de oportunidad de prioridades.

Las asociaciones industriales de cobre, productores de productos fabricados y semifabricados y manufactureros de uso final han definido los siguientes criterios generales para seleccionar las actividades de prioridad. Las actividades de prioridad deben ser:

• Abordar temas técnicos que, si se resuelven, deben tener como resultado un impacto positive en la utilización del cobre en áreas de aplicaciones existentes o nuevas.

• Tener una alta probabilidad de implementación comercial debido al involucramiento de una amplia gama de participantes de la industria, organizaciones de investigación y organizaciones de cofinanciamiento.

• Mejorar la imagen positiva del cobre en términos ambientales y sociales. El cobre es esencial para la salud, su uso promueve la eficiencia energética y su reutilización es prácticamente inigualada entre todos los materiales de ingeniería.

Aplicaciones existentes/en desarrollo que mantienen o aumentan el uso actual del cobre a gran escala. Por lo general, la presión de los costos, la competencia entre materiales y las restricciones de diseño (por ejemplo, miniaturización) influyen en el uso del cobre en estas aplicaciones. El objetivo es aplicar las propiedades técnicas del cobre de manera más efectiva a fin de mantener la posición competitiva del cobre como el material preferido.

Las aplicaciones emergentes abren mercados completamente nuevos para el cobre, con lo cual se amplía y aumenta su uso. El enfoque está en la mejora y la aplicación creativa de las propiedades del cobre para solucionar nuevos problemas tecnológicos. La explotación de la eficacia antimicrobiana del cobre para superficies de contacto y la comercialización de dispositivos de disipación de energía basados en cobre es un ejemplo de esta categoría.

copperalliance.org | PRORIEDADES DE LA GUÍA DE INNOVACIÓN 13

Las oportunidades con mayor prioridad descritas en esta Guía se agrupan dos clasificaciones amplias:

Clasificación de oportunidades con mayor prioridad

copperalliance.org | OPORTUNIDADES EXISTENTES/EN DESARROLLO 14

Oportunidades existentes/en desarrollo

Aire acondicionado y sistemas de refrigeración

El uso de tubos de cobre de menor diámetro (≤ 5 mm de diámetro) brinda ventajas considerables en intercambiadores y sistemas de calor, incluidos menor tamaño, menor carga de refrigerante, menores y costos y mayores eficiencias energéticas. Lograr soluciones rentables implica realizar trabajo de I&D en unión de materiales, tubos de metal y fabricación de aletas, diseño de ingeniería de intercambiadores de calor, optimización de transferencia y sistemas de calor de dos fases.

En la actualidad, R410A y otros hidrofluorocarbonos (HFC, hydro-fluorocarbons) son los refrigerantes de mayor uso en aplicaciones para intercambio de calor en artefactos. Los sistemas que usan el refrigerante R410A funcionan a una presión de aproximadamente 60% mayor que los sistemas similares que usan R22. Esto presenta tanto implicaciones como oportunidades de diseño. En el mediano plazo, los nuevos refrigerantes de hidrofluorolefinas (HFO) son los candidatos principales para reemplazar al R410A y R134. En el largo plazo, el dióxido de carbono, los hidrocarburos y el agua pueden convertirse en alternativas preferidas. El creciente interés en refrigerantes a base de hidrocarburos, como el isobutano y el propano para aplicaciones seleccionadas, significa que los sistemas de cobre deben seguir adaptándose a refrigerantes amigables con el medioambiente.

Tendencias, problemas e impulsores• La creciente demanda por sistemas de

aire acondicionados más compactos y eficientes en el uso de la energía con mejor calidad de aire

• Intensificación de la competencia entre materiales

• Reducción de los costos de manufactura

• Reducción de la destrucción de la capa de ozono y el calentamiento global al hacer cambios en los refrigerantes

• Eliminación de las filtraciones de refrigerantes de los sistemas

• Reducción del impacto ambiental de la disposición al final del ciclo de vida y el reciclado de los materiales

Oportunidades y actividades recomendadasLíquidos de trabajo ecológicos de próxima generación• Optimizar los diseños de intercambiadores

de calor de cobre MicroGrooveTM de diámetro pequeño para la próxima generación de líquidos de trabajo y los posibles refrigerantes futuros

• Actualizar y optimizar el software de simulación de diseño de sistemas e intercambiadores de calor para tubos de cobre de diámetro pequeño, adaptando el uso de nuevos refrigerantes (tanto en sistemas de aire acondicionado de habitaciones como de refrigeración)

• Desarrollar configuraciones de tubos con gas integral para sistemas divididos de transferencia de líquidos (por ejemplo, para refrigerante de líquido de trabajo de CO2 y agua)

• Optimizar sistemas de carga pequeña de refrigerante capaces de usar refrigerantes a base de hidrocarburos

Procesos de manufactura• Desarrollar soluciones más eficientes

y de menor costo de mano de obra en soldaduras y ensamblajes para intercambiadores de calor

• Introducir diseños de sistemas y métodos de manufactura para asegurar sistemas intercambiadores de calor sin filtraciones

Eficiencia energética• Mejorar la transferencia de calor y

resolver problemas de distribución de flujo en intercambiadores de calor compactos usando tubos de cobre de 5mm y 4mm de diámetro

• Expandir la aplicación de sistemas de tubos de 5mm/4mm a bombas de calefacción y mayores tamaños como flujo de refrigerante variable y sistemas de azoteas ligeros comerciales

• Desarrollar nuevas geometrías de diseño de intercambiadores de calor para mejorar el rendimiento de MicroGroove, explorar el potencial y las limitaciones de diseños de intercambiadores de calor de cobre de geometría variable y diseños sin aleta

Nuevas aplicaciones y tecnologías• Expandir el uso de sistemas de

tubos de cobre de diámetro pequeño a la refrigeración, sistemas de almacenamiento térmico de materiales con cambio de fase, calentadores de agua con bombas de calefacción, bombas de calefacción de vehículos eléctricos y bombas de calor geotérmicas

• Identificar y explorar nuevas tecnologías de intercambio de calor que pueden afectar los sistemas de aleta con tubos de cobre

• Identificar y evaluar nuevas aplicaciones de aletas de cobre que requieran rendimiento antimicrobiano


Reemplazar el cobre por fibra requiere de dispositivos adicionales de acoplamiento óptico/eléctrico, lo que aumenta el costo y la complejidad. Sin embargo, el costo de instalaciones basadas en fibra sigue disminuyendo y esta realidad de mercado exige desarrollos constantes de sistemas de cableado basado en cobre de mayor velocidad para que el metal siga siendo competitivo. Además de proporcionar ancho de banda adecuado, los nuevos cables basados en cobre deben reducir el consumo de energía y ser más simples y más sólidos que los sistemas actuales con respecto a la fácil instalación y conectividad.

Entre las funcionalidades clave del cobre se incluyen la capacidad para entregar energía y datos simultáneamente y la capacidad para proporcionar una fuente de energía confiable que permite dispositivos de redes como teléfonos con protocolos de Internet, puntos de acceso inalámbricos, cámaras de seguridad, puertos de red de dispositivos portátiles e incluso computadoras de menor consumo de energía que operen donde las fuentes de energía convencionales como cables y tomas CA no son prácticos.

Tendencias, problemas e impulsores

• Aumentos continuos en las velocidades de conexión: 10Gbps (10 mil millones de bits por segundo) ahora están reemplazando los 1Gbps en data centers; se espera que después del año 2020, la regla sea 100Gbps y ya se está discutiendo el 1Tbps

• Los proveedores de fibra óptica también continúan promoviendo las soluciones de conexión de datos de alta velocidad, pero con menores costos

• Los cables de cobre seguirán siendo competitivos mientras sigan coincidiendo con la fibra en velocidad, aunque sea en distancias cortas (<=100m).

• El consumo eléctrico de los data centers se está convirtiendo en una limitación para el crecimiento

Oportunidades y actividades recomendadasInterfaces de cobre de alta velocidad• Desarrollar tecnología para maximizar

la velocidad de datos por sobre los 100 m, que es la distancia estándar de la industria, con cables de datos de cobre y conectores de bajo ruido

• Apoyar el desarrollo de estándares industriales para interfaces de cobre y fomentar el desarrollo de equipos de redes que incluyan interfaces de cobre

Energía a dispositivos de redes remotos• Apoyar el desarrollo de estándares

industriales que incorporen la capacidad de proporcionar 30W o más con cables de datos de cobre estándar

• Ampliar la disponibilidad de productos de redes que aprovechen los cables disponibles de electricidad sobre datos

Menor consumo de energía

• Desarrollar técnicas de señalización de bajo consumo que aprovechen las ventajas de los cables de cobre mejorados para reducir el consumo de energía de los data centers y de las redes

• Explorar el potencial de aplicar cobre ultraconductor en aplicaciones de comunicaciones de datos (consulte Oportunidades emergentes)


Las instalaciones computacionales industriales, comerciales y de consumidores demandan continuamente mayor capacidad de ancho de banda. Más de un 80% de las interconexiones de equipos que transportan señales en los data centers utilizan cables y conectores de cobre. En estos enlaces de breve alcance y densamente poblados, el cobre compite con éxito contra la fibra óptica. Para cables de menos de 100 m (más del 99% de las conexiones en los data centres y enlaces horizontales de redes de área local son de menos de 100m), los cables de cobre con anchos de banda de hasta 10Gbps están disponibles por una fracción del costo de la fibra óptica. Se están desarrollando y se han demostrado anchos de banda de hasta 100Gbps.

Transmisión de datos/señales

copperalliance.org | OPORTUNIDADES EMERGENTES 17

Oportunidades emergentes

Acuicultura

La acuicultura es una industria mundial de miles de millones de dólares. El agotamiento de las reservas nativas de peces y la creciente demanda de peces de cultivos han aumentado la acuicultura cercana a las costas y la expansión hacia el medioambiente en mar abierto. Hay preocupación por el ataque de depredadores, equipos y prácticas de cultivo de peces que no son sustentables desde la perspectiva medioambiental, además de posibles amenazas a la salud humana por los antibióticos y vacunas administradas a los peces cultivados.

Con la combinación de la fortaleza mecánica de las aleaciones de cobre, sumada a la resistencia a la corrosión y su reutilización, se abordan estos problemas. Las mallas de aleación de cobre se mantienen limpias y permiten la oxigenación del agua que fluye a través de las redes jaulas, eliminando la basura y los desechos de los peces, con lo cual se mantiene un entorno saludable. Además las mallas de aleaciones de cobre mitigan la diseminación de enfermedades infecciosas al reducir considerablemente la acumulación de huevos de la mayoría de los parásitos, con lo cual se disminuye o elimina la necesidad de tratamientos terapéuticos. La fortaleza mecánica y resiliencia de una estructura de malla de aleación de cobre resiste los ataques de depredadores, daños de tormentas y el escape de los peces. A diferencia de las redes hechas de materiales sintéticos, las estructuras de aleación de cobre son totalmente reciclables al final de su vida útil.

En el período entre 1960 y 1980, la industria de cobre desarrolló varias jaulas basadas en cobre para la acuicultura. Estas jaulas eran rígidas y no era fácil producirlas en grandes volúmenes.Las actividades de desarrollo recientes en aleaciones de cobre y el diseño de jaulas incluyen redes de alambre tejido y mallas de metal expandido a partir de láminas con vidas útiles de más de seis años. Las redes de aleaciones de cobre han permitido entre 10 a 15% de mayor crecimiento de los peces, 50% de reducción en la mortalidad de los peces debido a mejoras en su salud, uso más eficiente de la alimentación y mayores ganancias para los acuicultores.

Tendencias, problemas e impulsores

• Expansión mundial de la acuicultura de 8% al año durante los últimos 30 años y que se espera continúe

• Automatización y sustentabilidad son las dos principales iniciativas con los mayores productores de peces

• Necesidad de reducción en la pérdida de peces debido a depredadores, tormentas, parásitos e infecciones

• Necesidad de reducción en la mano de obra, específicamente en el buceo

• Demanda de los consumidores por productos de mar más sustentables

• Principales productores de salmón exigiendo a los proveedores equipo que permita mayor sustentabilidad

• Necesidad de lograr la certificación de la industria en seguridad y sustentabilidad

Oportunidades y actividades recomendadasJaulas para peces• Mejorar los diseños de conexiones de

sistemas de mallas para flotación con el fin de simplificar el ensamblaje

• Desarrollar técnicas eficientes de cosecha y selección que apliquen la naturaleza semirrígida de las mallas de aleaciones de cobre

• Investigar el uso eficiente de materiales con jaulas que compartan paredes comunes

• Investigar paneles de redes reemplazables en el lugar para varias opciones de tamaño de redes a medida de que los peces crecen

• Desarrollar sistemas de remoción automáticos para extraer peces muertos de las jaulas con fondo casi plano

• Investigar diseños de jaulas para especies alternativas como pez plano

• Diseñar jaulas de bajo costo para beneficios sociales en regiones en desarrollo

• Desarrollar métodos más económicos y eficientes de instalación de jaulas

Desarrollo de aleaciones y mallas• Desarrollar aleaciones con mejor resistencia

al desgaste mecánico y la corrosión

• Investigar formas de mallas y aleaciones adecuadas para la exclusión de depredadores y resistencia al daño de las tormentas

• Investigar el uso de tubería sellada en comparación con alambres como una posibilidad de compensar mallas pesadas con flotabilidad integrada

• Desarrollar una base de conocimientos o modelo para la proyección de la vida útil de varias aleaciones en diferentes condiciones oceánicas

Salud de los peces e impacto ambiental• Desarrollar actividades de investigación

y publicar resultados relacionados con la comprensión de los efectos de las mallas de aleaciones de cobre en el estrés de los peces, parásitos, patógenos, tasa de mortalidad, tasa de crecimiento y tasa de conversión de alimentos, al igual que niveles seguros de liberación de cobre al medioambiente marino cercano

• Investigar oportunidades en cualquier parte en que la acuicultura aplica los beneficios antimicrobianos del cobre en criadoras, tolvas de alimentación y barcazas de cosecha


Anticipamos un cambio automático en el mediano plazo respecto de la tecnología de motores de tracción de vehículos, este cambio irá de los motores que llevan magnetos permanentes en sus rotores a motores de inducción, que sólo tendrán cobre y acero en sus rotores. Estos motores de inducción con rotor de cobre son menos caros de producir además de que utilizan materiales más ecológicos. Los motores de inducción han sido los principales actores en la tracción automotriz desde su debut a principios de la década de los noventa en el vehículo eléctrico de General Motors, Impact. En la actualidad se encuentran en automóviles de pasajeros con modelos vanguardistas de empresas como Toyota, BMW y Tesla. (consulte el Anexo A).

En el diseño de estatores de motores, los diseñadores de vehículos buscan motores menos costosos y más eficientes. La tasa típica de llenado (por ejemplo, densidad de volumen) de las bobinas de cobre en los estatores de máquinas eléctricas es de alrededor de 50 a 60%. Una tasa de llenado superior al 80 % acelera la transición de sistemas de transmisión eléctrica para automóviles hacia componentes nuevos que utilizan una mayor proporción de cobre y reduce el tamaño y peso de los componentes.

Cargar una batería de 35 kWh en 10 minutos requiere de 250 kW. Una estación de carga para cuatro automóviles eléctricos necesitaría 1 MW. La carga rápida elimina la necesidad de almacenamiento de energía a gran escala y es mucho más atractivo para los consumidores que prefieren cargar sus automóviles en casa o mientras están estacionados. La excelente conductividad

térmica del cobre puede ofrecer soluciones de transferencia de calor que mejoren la capacidad de enfriamiento de las estaciones de carga rápida.

Tendencias, problemas e impulsores• La presión por proteger el medioambiente

y mitigar el cambio climático está aumentando la aceptación de los vehículos eléctricos

• La tecnología de las baterías aún requiere de mejoras para permitir la adopción a gran escala de vehículos eléctricos

• El interés en los vehículos eléctricos varía según los precios del combustible, pero en el largo plazo se espera que impere la tracción eléctrica

• La sensibilidad geopolítica y los niveles de precios de metales de tierras raras está haciendo que los fabricantes de equipos originales se interesen en motores de inducción

• El moldeado de cobre ha madurado como un proceso de producción en masa para rotores de motores de vehículos

Oportunidades y actividades recomendadas• Aumentar la tasa de llenado de cobre en

las ranuras de laminación de estatores de motores para que superen 80%

• Incrementar la vida útil del moldeado para reducir los costos de producir rotores con cobre moldeado

• Apoyar el prototipo de motores de inducción en vehículos de fabricantes de productos originales y proveedores de Nivel 1

• Educar a los tomadores de decisiones en ingeniería automotriz respecto de las ventajas de los motores de inducción para tracción de vehículos

• Desarrollar a nivel mundial la cadena de abastecimiento de rotores de cobre moldeado

• Explorar el rol del cobre en conceptos de baterías avanzadas, incluida la gestión térmica

• Investigar las necesidades de sistemas de control climático en vehículos eléctricos

• Explorar la necesidad de los componentes de cobre en la infraestructura de carga


Los sistemas de propulsión eléctrica incorporan cobre en baterías, baterías, control eléctrico, puntos y tomas de alimentación de recarga y gestión motriz y térmica. Los sectores ferroviario, marítimo, de construcción civil y de automóviles son mercados importantes que utilizan la tecnología de propulsión eléctrica. El área prioritaria de investigación y desarrollo es la propulsión eléctrica automotriz, donde se está trabajando intensamente en sistemas, los que se alejan de aquellos sistemas relativamente simples de motor eléctrico hacia métodos más eficientes, compactos y de diseño sofisticado. Entre las oportunidades adicionales se incluyen componentes de cobre para alta capacidad eléctrica y manejo térmico en componentes electrónicos de alimentación y baterías, así como la infraestructura para respaldar la recarga de los vehículos eléctricos.

Propulsión eléctrica automotriz

Algunos edificios utilizan amortiguadores sísmicos construidos de acero y concreto. Sin embargo, estos amortiguadores carecen de elasticidad y no regresan a su posición original después de un evento sísmico. Los EDD fabricados de aleaciones de cobre superelásticas, como cobre-aluminio-manganeso (80% de cobre), ofrece 8 a 10% de elongación. Este material normalmente agrega fortaleza a un edificio para que conserve su posición, pero sólo se estira cuando se somete a grandes fuerzas que ocurren durante un terremoto. En un terremoto, el edificio se balancea de una forma controlada y el dispositivo de aleación de cobre superelástico regresa a su posición inicial. Esta aleación altamente efectiva también promete ahorros de costos en comparación con materiales competitivos de aleaciones de titanio.

El cobre recocido se deforma de manera plástica debido a vibraciones cíclicas, absorbe energía y mantiene alta ductibilidad. Se está considerando como un material ideal para componentes de EDD en estructuras de acero y estructuras de cemento reforzadas.

Entre las aplicaciones potenciales de EDD basados en cobre se incluyen estructuras flexibles y críticas como grandes edificios de oficinas, hospitales, puentes, estructuras portuarias e instalaciones mineras.

Tendencias, problemas e impulsores• Proteger los edificios y a sus ocupantes en

zonas sísmicas.

• Evitar el colapso y la deformación de los edificios.

• Evitar el colapso catastrófico de la infraestructura vital.

• Desarrollar materiales rentables para edificaciones.

Oportunidades y actividades recomendadas• Desarrollar procesos de producción en masa

para bloques y varillas con aleaciones superelásticas basadas en Cu-Al-Mn, incluido el proceso de tratamiento térmico para alcanzar un gran tamaño granular

• Desarrollar una comprensión más detallada de la aleación superelástica basada en Cu-Al-Mn bajo cargas sísmicas típicas

• Desarrollar una comprensión más detallada del comportamiento del cobre recocido bajo cargas sísmicas típicas

• Diseñar y probar diseños de EDD, caracterizar su comportamiento y proporcionar a los ingenieros estructurales parámetros de ingeniería de manera de que puedan incorporarlos en sus modelos sísmicos

• Buscar la colocación de EDD a base de cobre en grandes edificios de oficinas, hospitales, puentes, estructuras portuarias e instalaciones mineras

• Explorar el uso de cobre superelástico en dispositivos de contrapeso dinámico, por ejemplo, devolviendo los arcos de los puentes al centro de las columnas de apoyo para evitar colapsos catastróficos


Mantener la solidez estructural de los edificios en zonas sísmicas sigue siendo un desafío y una tarea fundamental, dado que más del 50% de la población mundial vive en ciudades. En la actualidad, los ingenieros estructurales de edificaciones usan un rango de EDD (Energy Dissipation Devices, Dispositivos de disipación de energía) para controlar el movimiento de los edificios durante los terremotos. Estos dispositivos aplican enfoques viscoelásticos, hidráulicos y mecánicos para absorber y disipar energía. Dos enfoques distintos a base de cobre tienen el potencial en esta aplicación y brindan mejor rendimiento a un menor costo en comparación con sistemas alternativos. Se investigan ambos enfoques.

Disipación de energía sísmica

La reserva térmica se puede mantener a una temperatura sobre (más caliente) o bajo (más fría) el entorno circundante. Entre las aplicaciones potenciales que implican carga lenta con calor y descarga más rápida se incluyen calentamiento de agua con energía térmica solar y calentamiento de agua con bomba de calefacción con fuente subterránea o aérea. De la misma forma, los sistemas de almacenamiento de frío para aire acondicionado y aplicaciones de refrigeración se pueden cargar cuando la demanda de electricidad sea baja y descargar para proporcionar enfriamiento en momentos de mayor demanda eléctrica para reducir el estrés en la red energética eléctrica.

El mismo tipo de intercambiadores de calor con tubos de cobre en sistemas de aire acondicionado se puede aplicar a sistemas de almacenamiento de energía térmica en la cual los intercambiadores de calor estén inmersos en PCM líquido. Los circuitos de carga y descarga de tubos de cobre también se pueden incorporar en grafito impregnado con materiales PCM, donde el grafito contiene completamente el PCM líquido y también mejora la conductividad térmica del PCM.

Tendencias, problemas e impulsores• Interés continuo por mejorar la

eficiencia energética

• Reducción del espacio requerido para almacenamiento de agua caliente en calentadores de agua con bombas de calefacción

• Reducción del costo de instalación de sistemas geotérmicos al incorporar el almacenamiento térmico

• Desarrollo de nuevos PCM y almacenamiento térmico basado en ceolita que permite cinco veces mayor densidad de energía en comparación con sistemas basados en agua/hielo

• Integración de almacenamiento térmico en paredes, cielos y otros componentes de edificios

Oportunidades y actividades recomendadas• Diseñar y probar módulos de

almacenamiento térmico con PCM usando intercambiadores de calor con tubos de cobre/aletas inmersos en PCM líquidos

• Diseñar y probar módulos de almacenamiento térmico con PCM usando grafito impregnado con PCM en combinación con circuitos de intercambio de calor con tubos de cobre

• Investigar el uso de tubos de cobre con almacenamiento térmico con ceolita

• Informar a gobiernos y organizaciones de investigación de la industria respecto de avances en dispositivos compactos de almacenamiento de energía térmica con cambio de fase mejorados con cobre

• Desarrollar el concepto de suministro de agua caliente y sistemas de aire acondicionado que utilicen dos dispositivos de almacenamiento de energía térmica


Los tanques de almacenamiento de agua caliente y los sistemas de almacenamiento en frío basado en hielo son los tipos más comunes de dispositivos de almacenamiento de energía térmica. Más allá de los sistemas de congelamiento/derretimiento de agua, existen otros materiales de cambio de fase (PCM, Phase Change Material) como enfoques basados en cera y ceolita que pueden almacenar más energía térmica que el agua por volumen de unidad. Sin embargo, la conductividad térmica de los PCM es baja y agregar/quitar calor es más lento de lo deseado. Existe una oportunidad para mejorar la conductividad térmica de los PCM al aplicarlos en combinación con intercambiadores de calor basados en cobre. Esta combinación permite dispositivos compactos de almacenamiento térmico con densidad de alta energía que se pueden cargar y descargar repetida y rápidamente.

Almacenamiento de energía térmica

La adición de nanotubos de carbono para fundir cobre bajo condiciones controladas cuidadosamente también es una promesa. Los nanotubos de carbono conducen electricidad mediante diferentes mecanismos para conducción en cobre y la optimización del flujo de electrones en un nanocompuesto de cobre-carbono requiere ingeniería avanzada a nanoescala. Se están realizando estudios y pruebas escalando la producción desde gramos hasta miles de toneladas de alambre. Al reducir las pérdidas eléctricas, el cobre UC tendría un efecto transformador en una amplia área de tecnología y beneficiaría inmensamente a la sociedad. Se necesita mucho trabajo para lograr que el cobre UC esté ampliamente disponible como material de ingeniería para el uso en componentes y sistemas eléctricos.

Tendencias, problemas e impulsores• Se incentive el cambio al costo relativo

del cobre en comparación con conductores de aluminio. Los fabricantes de productos originales consideran el aluminio como una alternativa al cobre

• Después de 10 años de esfuerzos científicos, en 2011 se demostró el cobre UC con más 130% IACS

• Se sigue trabajando en todo el mundo para disminuir el costo de producción de los nanotubos de carbono de pared simple

• La presión por mayores economías en combustibles de vehículos está incrementando la necesidad de conductores eléctricos de menor peso

• Existe un creciente enfoque global hacia la eficiencia energética en la generación, transmisión, distribución y uso de energía eléctrica

• La creciente inversión en el sector de energía renovable está creando la necesidad de equipos generadores de turbinas de viento más livianas

Oportunidades y actividades recomendadas• Investigación científica aplicada para

lograr mayor transferencia de energía eléctrica entre nanocarbono y fases de cobre

• Métodos para producir cátodos de cobre UC durante los procesos existentes de electrorrefinación y electrobobinado

• Métodos para hacer cobre UC a partir de cobre soldado

• Métodos para producir alambre de cobre UC usando líneas de procesamiento de alambre existentes o mediante electrodeposición directa

• Colaboración con empresas de producción de nanotubos de carbono para optimizar nanotubos adecuados para cobre UC

• Exploración de otras propiedades del cobre UC, incluidas la conductividad térmica, fortaleza, módulos, ductibilidad

• Exploración de aspectos de salud, entorno y desarrollo sustentable de cobre UC

• Formación de estructuras cooperativas para desarrollos de largo plazo en toda industria y su implementación de cobre UC

• Desarrollo de aplicaciones de alto valor para alambre UC y barras colectoras


Se está haciendo progresos en los métodos que incorporan carbono en el cobre de una manera que mejora la conductividad eléctrica del cobre en temperaturas ambientes en 30% o más (130% International Annealed Copper Standard (IACS)). A este material le llamaos cobre Ultraconductor (Cobre UC). Ya se ha producido en escala de laboratorio mediante codeposición electrolítica de nanotubos de carbono de pared simple y cobre.

Componentes de cobre ultraconductores

copperalliance.org | POSIBLES APLICACIONES FUTURAS 23

Posibles aplicaciones futuras

Además de las áreas de oportunidad prioritarias que se presentan en este documento, la industria del cobre busca ideas de investigación que prometan nuevas aplicaciones para el cobre. La industria, a través de la International Copper Association, Ltd., y su red de organizaciones de promoción del cobre nacionales/regionales que forman Copper Alliance2, financia investigaciones precompetitivas que lleven a la creación de aplicaciones nuevas e importantes para el cobre.

Se invita a los investigadores académicos o del sector privado, que trabajan ya sea en investigación básica o aplicada relacionada con el cobre y cuyo trabajo atiende los intereses de la industria del cobre, a comunicarse con ICA para presentar propuestas que identifiquen los avances requeridos y describan una metodología técnica confiable para obtener logros.

Una buena propuesta tecnológica para el cobre reúne lo siguiente: • Necesitará una iniciativa de investigación

y desarrollo para lograr un avance técnico significativo que haga posible su aplicación a escala mundial.

• Creará una nueva aplicación de mercado o defenderá una aplicación actual del cobre frente a materiales o tecnologías alternativas.

• Identificará un plan razonable para su comercialización.

• Aplicará los atributos superiores del cobre. El cobre es esencial para la salud, su uso promueve la eficiencia energética y su reutilización es prácticamente inigualada entre todos los materiales de ingeniería.

• Llevará al uso de al menos 10.000 toneladas métricas de cobre anuales a los cinco años de iniciarse. También se dará preferencia a las propuestas con menor volumen de producción, pero un mayor beneficio social. La tecnología con un mayor plazo de entrada al mercado requiere de un mayor impacto en el mercado y una vía más despejada para su comercialización.

Tendencias, problemas e impulsores• Rápido aumento del intercambio de ideas

y la colaboración en la creatividad a nivel mundial

• Digitalización, comunicación y computación omnipresente

• Simulación y modelado de fenómenos metalúrgicos

• Comprensión científica más profunda de los sistemas vivos

• Mayor preocupación sobre las consecuencias medioambientales

• Difusión mundial del modelo de inversión de capital de riesgo

Posibles áreas de exploración

• Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a escala de redes

• Sistemas de cobre para urbanización, incluidos equipos más compactos y tecnologías de transporte urbano

• Materiales de cobre para captura, uso y transformación del dióxido de carbono

• Materiales basados en cobre eficientes para permitir la producción, purificación y uso de hidrógeno

• Estructuras con nanoingeniería y cobre

• Materiales de composiciones de cobre que contienen varias formas de fibra o partículas para lograr propiedades inusuales o mejoradas

• Nuevas formas fundamentalmente nuevas para superficies y estructuras de intercambiadores de calor

• Diseños basados en cobre eficientes para dar apoyo a la electrificación rural

Actividades recomendadas

• Observación de tecnología mediante la participación en foros y exhibiciones de I&D gubernamentales y de la industria

• Investigación y desarrollo cooperativos de materiales avanzados basados en cobre mediante iniciativas de investigación científica a nivel de gobierno/industria/academia en varios países

copperalliance.org | POSIBLES APLICACIONES FUTURAS 24

copperalliance.org | IMPLEMENTACIÓN 25

Implementación

La Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre sigue evolucionando a medida que la industria reacciona a tendencias de la sociedad, presiones competitivas, desarrollos técnicos relacionados y oportunidades no anticipadas. A pesar de que ésta no trata todas las vías tecnológicas del futuro, se centra en lo que creen sus colaboradores respecto de las necesidades precompetitivas de mayor prioridad de la industria del cobre y de sus clientes. En esa calidad, su fin es guiar la planificación e implementación de programas de investigación y desarrollo colaborativos que congreguen los esfuerzos de productores y fabricantes de cobre, industrias que utilizan el cobre, universidades, laboratorios públicos, empresarios y expertos en tecnologías independientes.

Muchas de las organizaciones que participaron en la creación de esta Guía invierten considerables recursos cada año para desarrollar productos innovadores, nuevas aleaciones de cobre y tecnologías de procesos avanzadas. Su trayectoria de inversiones en tecnología es y seguirá siendo una fuente principal de su propio éxito futuro en el mercado. Al colaborar para desarrollar y perfeccionar esta Guía de innovación, la industria ha dado pasos hacia importantes transformaciones en la tecnología empresarial. Para mantener actualizada esta Guía, ICA seguirá un ciclo de revisiones de dos años. Se invita a los miembros de ICA y de organizaciones de Copper Alliance a revisar contenido y sugerir modificaciones. Por lo tanto, la Guía se actualizará y el contenido revisado estará disponible para el público.

ICA desempeñará tres roles en la implementación de la Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre: • Actividades de difusión y desarrollo

de alianzas que captarán a personas y organizaciones pertinentes para inspirar el desarrollo continuo de ideas respecto de las oportunidades de aplicaciones del cobre y la necesaria investigación y desarrollos.

• Los foros de implementación de la guía ofrecerán instancias focalizadas para analizar ideas sobre áreas específicas de oportunidades y difundirán los hallazgos en las redes creadas.

• La supervisión de la Guía y coordinación de proyectos implica el manejo de las interacciones administrativas entre las distintas organizaciones que participan en el uso de la Guía. ICA siempre ha asumido un rol de coordinación en el desarrollo y la implementación

de la investigación y el desarrollo de las principales aplicaciones de cobre y seguirá cumpliendo ese rol. ICA también estará a la vanguardia de las iniciativas para reunir cofinanciamiento de terceros como gobiernos, organizaciones no gubernamentales y organizaciones pertinentes de la industria.

La Figura 1 (ver más abajo) describe los principales pasos de implementación. Estos pasos han sido diseñados para catalizar el diálogo acerca del cobre y, posteriormente, lanzar y administrar la investigación científica en torno a proyectos de desarrollo y aplicación del cobre. Un liderazgo bien definido y la constancia garantizarán que las oportunidades importantes no se desvanezcan. Además, lograr el éxito temprano ayuda a mantener el impulso generado por la Guía y convencer a las empresas de que el modelo de colaboración tecnológica puede funcionar.


Figura 1: Catalización de conversaciones sobre el cobre. Conexión de individuos y redes en dominios clave y motivación del pensamiento acerca de la tecnología relacionada con el cobre

Ciencias de los materiales, metalurgia y redes de procesamiento de materiales

Redes de ingeniería de diseño y aplicaciones pertinentes para el cobre

Estímulo de I&D de ICA

Supervisión y coordinación de proyectos

Desarrollo de alianzas y comunicaciones

Foros de implementación de la Guía

Fuentes de financiamiento con interés en tecnología relacionada con el cobre


Desarrollo de alianzas y comunicacionesLas alianzas de colaboración pondrán a disposición recursos y capacidades de entre los semifabricantes de cobre, los productores de componentes, los fabricantes de sistemas, los fabricantes de equipos originales u OEM, las organizaciones gubernamentales, las universidades, los productores y otros actores interesados. Combinar la experiencia y las perspectivas de todas las facetas de los mercados relacionados con el cobre garantiza que se satisfagan y anticipen sus necesidades. La información y la distribución de los costos reduce la duplicación de iniciativas de desarrollo tecnológico y maximiza los recursos para lograr soluciones eficaces y eficientes. Aún no se han definido los roles de las empresas y organizaciones en la implementación de esta Guía. Esos roles se definirán a medida de que se diseñan e implementan actividades específicas.

La comunicación constante es importante para mantener a los grupos de la industria de todo el mundo informados y al día acerca de las estrategias y tecnologías eficaces para aumentar la plusvalía de sus productos. Los foros de Internet, los artículos de revistas, los informes publicados, las exposiciones en congresos y las noticias regulares pueden aumentar la conciencia mundial acerca de los últimos avances en la innovación con el cobre.

Foros de implementación de la GuíaUn foro de implementación de la Guía puede solicitar nuevas ideas para acelerar el avance de los proyectos más urgentes. Si se determina que no se está atendiendo una oportunidad particular de la Guía mediante las iniciativas actuales, los líderes de la

industria del cobre, incluida ICA, deberán organizar actividades que reúnan a la gama de expertos necesarios para ofrecer ideas creativas sobre posibles respuestas. Estos esfuerzos puede orientarse a investigación aplicada, comercialización de tecnología, integración de productos, pruebas de campo, capacitación/difusión o cualquier otro medio o método que fomente una oportunidad en particular.

Antes de lanzar proyectos nuevos, la industria del cobre debe definir con claridad los resultados esperados, los recursos y las capacidades necesarias y la manera en que los resultados contribuirán a lograr una meta en particular. Cada uno de estos factores se integrará en solicitudes de propuestas para requerir soluciones innovadoras y proyectos a universidades, empresas privadas, laboratorios públicos, investigadores o la comunidad técnica.

Supervisión y coordinación de proyectos de la GuíaEsta Guía invita a las organizaciones y a personas a participar de maneras que capitalicen mejor sus diversas habilidades, capacidades y recursos para desarrollar oportunidades Esto ofrece a las empresas y organizaciones la flexibilidad para emprender proyectos que correspondan a sus intereses particulares. Sin embargo, la ausencia de una estructura unificada dificulta la identificación, la organización, el financiamiento y el seguimiento adecuados de las distintas actividades y de sus correspondientes beneficios. De acuerdo con su misión, ICA cumplirá este rol proporcionando la supervisión y coordinación necesarias para dar inicio y proveer recursos a los proyectos y las actividades.

Siguientes pasosLa Guía revisada ofrece a la industria del cobre un conjunto actualizado de vías de desarrollo de aplicaciones del cobre. Las iniciativas posteriores pueden brindar un conjunto de directivas más detalladas y una vía eficaz para obtener logros en mercados específicos. Las alianzas de colaboración entre expertos en ciencias de los materiales, metalurgia e investigadores de procesamiento de materiales, ingenieros de aplicaciones y diseño, fabricantes y gobiernos pueden generar la energía suficiente y el impulso necesario para llevar al cobre y sus industrias por esas vías.

A medida que la industria mira hacia el futuro, el éxito de esta Guía se medirá por el número y alcance de proyectos de I&D colaborativos que inspire y los beneficios que reditúen esos proyectos. Entre los beneficios complementarios, pero igualmente importantes, se encuentran la mejora de la percepción del cobre como un material que conecta la vida, que es ecológico y que presenta avances técnicos.

La misión de ICA es compartida por todos los miembros de Copper Alliance: Defender y hacer crecer los mercados para el cobre basándose en su rendimiento técnico superior y su contribución a una mejor calidad de vida en todo el mundo.

Consulte copperalliance.org para información adicional.

copperalliance.org | ANEXO 28

Anexo

Anexo A: La evolución del motor con rotor de cobre moldeadoLa industria del cobre ha estado invirtiendo en el potencial de los rotores de cobre moldeados durante 15 años. Al igual que en otras actividades de investigación y desarrollo, el objetivo técnico ha cambiado con el tiempo así como también lo han hecho sus oportunidades de aplicación. Resolver el desafío técnico inicial fue sólo el principio; lanzar esta nueva tecnología ha requerido un esfuerzo constante y las condiciones de mercado adecuadas.

A mediados de la década de los noventa, se observaba gran interés en el desarrollo de motores de inducción AC que fueran más eficientes, ligeros y de menor tamaño para su uso en sectores industriales y gubernamentales. La aprobación de la Ley de política energética de Estados Unidos (US. Energy Policy Act) de 1992 y de legislaciones similares en Europa reflejaba una creciente toma de conciencia respecto de la importancia de la eficiencia de los motores en el ámbito más amplio del ahorro de energía. Los motores industriales consumen cerca del 40% de la producción mundial de electricidad, por lo que toda mejora en su eficiencia es considerable. La industria respondió a esta legislación con motores más eficientes que usaban mayor cantidad de cobre en el bobinado del estator, con lo cual se reducían las pérdidas resistivas.

copperalliance.org | ANEXO A 29

Cuando se inició este proyecto a mediados de la década de los noventa, las décadas siguientes exhibieron mejoras incrementales en la eficiencia del motor por inducción, pero había pocas oportunidades técnicas de que pudieran lograrse mayores eficiencias significativas a un costo razonable. El rotor de cobre por moldeado parecía ser el mejor enfoque. El cobre en el rotor reduce las pérdidas resistivas en el motor en un orden del 40% y tiene el potencial de disminuir las pérdidas totales en 10-20 %, en comparación con los motores convencionales con rotor de aluminio. Posteriormente, se demostró que los motores con rotores de cobre podían ser más pequeños y ligeros y podían funcionar a temperaturas más bajas con el fin de disminuir las necesidades de mantenimiento. A pesar de estas ventajas, los métodos de moldeado del cobre no eran rentables para la producción a gran volumen. Además, los fabricantes de motores pedían que el rotor de cobre se fabricara en el equipo para moldeado disponible comercialmente.

En la búsqueda de la oportunidadEn 1996, después de reconocer que el rotor de cobre era una plataforma de diseño sólida para aumentar la eficiencia de los motores por inducción industriales, con lo que se obtendrían ahorros de energía y costos en aplicaciones motorizadas, International Copper Association Ltd. (ICA) comenzó a financiar un proyecto de I+D para crear un rotor de cobre para motor adecuado para la producción masiva (a este motor se le conoce también como motor de inducción con rotor de cobre). Liderado por la U.S. Copper Development Association Inc. (CDA), un consorcio conformado por fabricantes de motores, industrias de moldeado y representantes del gobierno iniciaron (y financiaron cooperativamente) el programa de Moldeado de Rotores de Cobre para Motores (Die Cast Copper Motor Rotor).

DesafíosLos investigadores abordaron los desafíos de reducir el costo de procesamiento y asegurar el desempeño adecuado de los rotores de cobre. Durante el proceso de moldeado a alta presión, los aceros para moldeado convencionales son susceptibles de sufrir agrietamiento (como cuarteado térmico) debido a la tensión y al desgaste térmico en la fundición, ya que las temperaturas van desde varios cientos de grados hasta el punto de fundición del cobre (alrededor de 1085ºC o 1984ºF). La vida del moldeado a presión disminuye considerablemente cuando se moldea el cobre en comparación con el aluminio, que se funde a 660ºC y, por lo tanto, induce una tensión térmica y tracción considerablemente menores en el moldeado. También se reconoció que debería modificarse el diseño del rotor y del motor para aplicar el cobre de forma más efectiva.

SolucionesEl equipo de investigadores industriales y académicos bajo la dirección de la CDA determinó que era posible reducir el agrietamiento del molde y prolongar su vida útil con dos cambios: mediante el reemplazo de porciones críticas de molde de acero con una súper aleación en base a níquel, termorresistente y dúctil y el precalentamiento del molde a aproximadamente 600ºC (1100ºF). Estas acciones lograron que el proceso de moldeado del cobre fuera económicamente viable. También se investigó el diseño del motor. La torsión de arranque se reduce en un rotor conductor de alta conductividad, por lo que se modificó la forma de las barras y ranuras del rotor para mejorar aún más las características de funcionamiento del motor. Esto se hizo para incorporar una barra de inicio que permitiera aprovechar la alta conductividad del cobre, facilitando al diseñador del rotor usar el "efecto pelicular": la tendencia del flujo de corriente alterna de acumularse en las superficies externas del conductor. A una determinada eficiencia, el rotor de cobre usa menos laminado de acero en el rotor y los tubos del estator para ahorrar en costos de materiales, con lo cual se reduce el tamaño general del motor.

La oportunidad en los motores industriales estándarEn la primavera de 2006, un importante fabricante mundial de motores, Siemens, había adoptado la nueva tecnología de rotores de cobre moldeados y había introducido en el mercado una línea de motores industriales súpereficientes. En un año, los motores habían logrado su aceptación comercial en los Estados Unidos. Estos motores eran hasta dos puntos porcentuales más eficientes que aquéllos que cumplían los estándares NEMA Premium™ y ofrecían costos sustancialmente inferiores de ciclo de vida útil. A pesar de que el costo inicial de comprar un motor con rotor de cobre puede ser más alto que otras soluciones alternativas, el costo del ciclo de vida para un motor menos eficiente supera con mucho el costo de un motor con rotor de cobre. El costo inicial de un motor industrial representa sólo el 2% del costo total de propiedad. Los costos de energía, mantenimiento y otras variables constituyen el otro 98% del costo en la vida útil del motor.

La oportunidad en motores integralesVarios fabricantes de componentes de sistemas electromecánicos reconocieron el valor de usar un motor con rotor de cobre. Consideraban que se podía reducir el tamaño total del motor para adaptarse exactamente a los requisitos de sus equipos. En vez de continuar usando exclusivamente motores de rotor de aluminio, un fabricante líder de sistemas de engranajes de cambio motorizados, SEW Eurodrive, decidió reducir las alternativas en su línea de productos y

Motor Super-premium de Siemens con rotor de cobre moldeado


usar motores integrales con moldeado de cobre en alrededor de un tercio de su línea de productos. Esto permitió la modificación de los engranajes existentes con motores de alta eficiencia que pudieran caber en el mismo paquete. Esta aplicación comercial a gran escala fue la señal de que el desafío que enfrentaban los rotores de cobre moldeado se había superado. Otros fabricantes siguieron el ejemplo. Las aplicaciones para motores integrales incluyen sistemas electrohidráulicos compactos y ligeros para aviación, compresores de refrigeración y motores de tracción.

La oportunidad en la propulsión automotriz

A medida que aumentaba el interés mundial en los vehículos eléctricos, los ingenieros automotrices se dieron cuenta de que necesitaban diseños de motor especiales para satisfacer los complejos requisitos de producción técnicos, de costo y volumen. El interés en usar motores con rotores de cobre moldeado aumentó gracias a las inquietudes sobre la disponibilidad de materiales de tierras raras como el neodimio y el desempeño magnético a temperaturas elevadas.

Los estudios técnicos muestran que los motores de inducción podrían tener similar densidad compacta de alta potencia y una mayor eficiencia del sistema en un sistema híbrido paralelo, lo que generó interés en el uso de rotores con moldeado de cobre. Con el financiamiento del gobierno de Estados Unidos, Baldor Reliance fabricó un vehículo militar híbrido que usaba cuatro motores de tracción de muy alta densidad energética y refrigeración por fluidos con rotores de cobre moldeado.

En la aplicación de tracción híbrida paralela, el motor con rotor de cobre ofreció ventajas importantes:

• La capacidad de redistribuir pérdidas al estator para un enfriamiento más efectivo debido a su reducido tamaño y peso.

• La capacidad de “des-excitarse” cuando no está funcionando, con lo cual se eliminan las pérdidas rotatorias y magnéticas en vacío

• El cumplimiento de requerimientos de eficiencia en un rango más amplio de cargas y velocidades.

• Mejores propiedades mecánicas y resistencia que los motores con rotores de aluminio.

• Uso de cobre y acero de disponibilidad inmediata.

Casi al mismo tiempo, Tesla Motors presentó su vehículo eléctrico con un sistema transmisor

que incluía un motor con un rotor de cobre con una velocidad operativa máxima de 13.500 RPM, un ondulador de voltaje y paquetes de baterías de iones de litio. (La gran cantidad de cobre en el ondulador, cables, baterías y motor reduce las pérdidas eléctricas y evita el calentamiento en condiciones de alto amperaje). Otros fabricantes de automóviles están investigando sistemas transmisores usando motores de inducción para una serie de vehículos con rotores de cobre moldeado. Los millones de automóviles con motor de rotores de cobre en su interior demuestran el éxito del cobre y representan una contribución importante al transporte sustentable.

Investigación, desarrollo y comercialización continuosICA ha ayudado a desarrollar y transferir la tecnología de motores con rotores de cobre moldeado a empresas fabricantes en todo el mundo. La capacidad para producir rotores moldeados para propulsión automotriz ahora existe en Alemania, Francia, Japón, India, China y Estados Unidos

Se sigue realizando investigación en el proceso de moldeado vertical en el Centro de Desarrollo de Tecnología No Férrea NonFerrous Technology Development Centre (NFTDC) en Hyderabad, India. Este trabajo está patrocinado por CA con cofinanciamiento del Fondo Común para los Productos Básicos de las Naciones Unidas y por el Fondo Global para el Medio Ambiente (Global Environment Facility, GEF). El equipo técnico del NFTDC ha desarrollado métodos sofisticados y rentables para el moldeado de rotores de cobre y ahora está otorgando licencias de esta tecnología a la industria para su aplicación en motores industriales y cadenas de transmisión de vehículos.

En 2006, y con el apoyo de ICA, Yunnan Copper Group y Nanyang Explosion Protection Group crearon una empresa conjunta, Yunnan Copper Die Casting Co. Ltd (YCD), para comercializar los motores con rotores de cobre en China. En los últimos cinco años, con un sofisticado modelo computacional y luego de cientos de experimentos y pruebas, se desarrolló una tecnología madura basada en la prensa horizontal y de la cual ya se han otorgado licencias a la industria. YCD ha producido más de 100 tipos diferentes de rotores para 18 fabricantes de productos originales.

ICA ha apoyado al gobierno de China en el desarrollo de dos estándares nacionales para motores súpereficientes que incluyen rotores de cobre. Estos son los primeros estándares nacionales en el mundo para motores industriales con rotores de cobre.

Motor con rotor de cobre en cadena de transmisión de motores Tesla

Desarrollo de tecnología en NFTDC

Molde de acero para rotores de cobre moldeado


En 2012, los principales fabricantes de vehículos originales en los mercados automotores de alto crecimiento de China, Japón y Corea iniciaron pruebas de motores de inducción con rotores de cobre en sus vehículos de pasajeros. El alto precio y la volatibilidad del precio de metales de tierra rara, junto con inquietudes de la cadena geopolítica, están impulsando a los fabricantes de vehículos originales a avanzar desde el uso actual de motores con magneto permanente para tracción de vehículos hacia motores de inducción con rotores de cobre.

ICA sigue financiando programas de desarrollo que fomentan la aplicabilidad de esta tecnología de motores hacia la tracción de vehículos. En el año 2012, estos programas incluyeron el uso de Mejoras de superficie inducida con láser para aumentar aún más la vida de los moldes, al igual que rediseños de motores para permitir la operación eficiente de motores con rotores de cobre a altas velocidades.

Proyectos tecnológicos colaborativosEl programa de rotores de cobre para motores Die Cast Copper Motor Rotor representa los principios y objetivos de la Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre. Como resultado de necesidades tecnológicas bien definidas, la industria ha organizado un esfuerzo colaborativo para financiar e implementar proyectos que produzcan soluciones innovadoras que beneficien a la sociedad en su conjunto,

Hechos• Financiamiento directo de ICA 1996 –

2012: USD$2,7 millones

• Cofinanciamiento de la industria y gobiernos: >USD$10 millones

• Número acumulado de CMR producidos en los últimos 15 años: 1,6 -2,0 millones

Principales aprendizajes comerciales/tecnológicos• El moldeado de rotores de cobre para

motores es totalmente factible y comercialmente viable en máquinas de moldeado horizontales y verticales.

• Los diseños de motor y rotor deben ser optimizados para usar los rotores de cobre de forma más efectiva. Sustituir el cobre en una geometría de rotor diseñada para aluminio no logra los mayores beneficios.

• El enfoque inicial en los motores industriales estándar de alta eficiencia, que era lo razonable en 1996, sigue siendo atractivo y económicamente viable. El Departamento de Energía de Estados Unidos (U.S. Department of Energy) y organismos reguladores en otros países están estudiando ahora elevar el estándar de eficiencia mínima para los motores industriales a un nivel “súper súper premium”. Se espera el anuncio de este estándar en Estados Unidos para su adopción en el año 2015.

• Los diseños de motores a medida pueden beneficiarse del uso reducido de material, tamaño compacto y peso más ligero que permite el rotor de cobre moldeado. El rotor de cobre moldeado parece ser el más adecuado para las necesidades de los sistemas de propulsión automotriz, lo que no fue un objetivo del esfuerzo inicial de desarrollo tecnológico. La industria automotriz eligió la arquitectura de motor de magneto permanente a fines de la década de los noventa cuando los precios de los metales de tierras raras eran menos del 10% de lo que son actualmente: el motor de inducción con rotor de cobre está demostrando ser un reemplazo atractivo para esa arquitectura.

• Los sistemas motorizados que usan motores con rotores de cobre moldeados en motores de inducción industriales han dejado de ser una prioridad de investigación para la Guía de innovación tecnológica en aplicaciones de cobre. Esto se debe a que la atención se ha desviado desde la investigación hasta la aplicación de ingeniería y la comercialización a gran escala. El desafío de aplicar la tecnología de motor con rotor moldeado en los sistemas de propulsión automotriz sigue siendo un área de interés.

Rotores moldeados con prensa vertical en NFTDC

Vista transversal de las barras de rotor y corona de extremo en un rotor de cobre moldeado para motores

Rotores YCD de cobre moldeados para motores

copperalliance.org | ANEXO B 32

• Conductividad eléctrica: El cobre tiene una capacidad de transmitir corriente excepcional, mejor que la mayoría de otros conductores no superconductores, excepto la plata. El cobre de los cables para edificios que se usa actualmente tiene una calificación de conductividad superior al 100 % según International Annealed Copper Standard, IACS, la clasificación internacional de cobre templado; esto es el máximo aceptado hace un siglo. La excelente conductividad eléctrica del cobre significa que los motores con los nuevos rotores de cobre pueden ser más pequeños y funcionar a menores temperaturas que los motores tradicionales.

• Conductividad térmica: El cobre transmite el calor hasta ocho veces mejor que otros metales usados en ingeniería. Combinado con su inherente alta resistencia a la corrosión y deformabilidad inmediata, la conductividad térmica del cobre lo convierte en el metal ideal para intercambiadores de calor de todos los tipos, incluidos sistemas solares de calefacción de agua. La calefacción a gas o eléctrica es uno de los gastos de energía más altos para cualquier edificio u hogar. El cobre puede reducir considerablemente los costos de la energía.

• Efecto antimicrobiano: Siguen en aumento las preocupaciones por infecciones hospitalarias y las que se originan en el sector de procesamiento de alimentos. Desde hace siglos se conocen las propiedades antibacterianas, fungicidas y, hasta cierto punto, antivirus del cobre, los compuestos de cobre y las aleaciones de cobre. El cobre, en forma de superficies de

cobre o de aleaciones de cobre, es una barrera importante a la transmisión de enfermedades fungicidas y bacterianas en el sector de cuidado de la salud y en los sistemas de tratamiento de aire.

• Deformabilidad: La deformabilidad del cobre puede reducir el tiempo de instalación y disminuir los costos de mano de obra, particularmente en el sector de tuberías. Los tubos y accesorios se unen fácilmente por soldadura fuerte o blanda, y los accesorios de prensa reducen aún más los tiempos de instalación.

El cobre y sus aleaciones están presentes en componentes eléctricos y electrónicos, incluidos interruptores, muelles conductores, conectores y bastidores de conductores. Los productos de cobre forjados en frío o en calor son insumos necesarios para las empresas que requieren confiabilidad y facilidad de maquinabilidad. Una serie de aleaciones de cobre fundido ofrece resistencia a la corrosión, al igual que buena conductividad térmica o eléctrica.

• Resistencia a la corrosión: Los metales de cobre pueden resistir el ataque de una amplia gama de ambientes corrosivos, lo que los hace ideales para el uso en aplicaciones en el sector de energía en alta mar, industrias de petróleo y gas en alta mar e instalaciones de desalinización. En presencia de humedad y de una variedad de componentes naturales y atmosféricos artificiales, el cobre desarrolla con el tiempo una patina protectora y atractiva que retiene su funcionalidad durante siglos.

• Reutilización continua: El cobre tiene la historia de reciclaje más larga que cualquier otro material. Se calcula que el 80% del cobre extraído durante

los últimos 10000 años sigue en uso en algún lugar aún en nuestros días. El reciclaje del cobre no tiene como resultado una reducción de calidad o pérdida de sus propiedades y puede repetirse tanto como sea necesario. El reciclaje protege los recursos naturales, reduce el consumo de energía y evita la pérdida de materiales valiosos.

• Color/apariencia estética: El cobre se utiliza cada vez más por su apariencia estética agradable y la amplia paleta de colores que ofrecen sus aleaciones. A medida que el uso del cobre se extiende a superficies sanitarias, el “aspecto” del cobre ganará mayor aceptación entre los consumidores como un metal “saludable”.

• Facilidad de aleación: La importancia industrial del cobre ha aumentado gracias a su facilidad de aleación con otros metales. El resultado es una amplia familia de más de 400 aleaciones en uso en la actualidad. Estos esfuerzos están lejos de agotarse.

• Abundante y disponible: El cobre es parte integral de la vida humana y la civilización. Las propiedades fundamentales del cobre han satisfecho las necesidades de la sociedad a lo largo de su historia. El cobre se procesa regularmente mediante métodos de manufactura comunes y está disponible en muchas formas y aleaciones que permiten una producción eficiente.

En su estado puro o en aleaciones, en literalmente cientos de composiciones diseñadas para cumplir requisitos específicos, los metales a base de cobre ofrecen propiedades óptimas para innumerables productos.

Anexo B: Propiedades fundamentales del cobre

copperalliance.org | ANEXO C 33

• Reducir el costo del procesamiento: Para seguir siendo competitivos, los fabricantes deben seguir reduciendo sus costos de manufactura al tiempo que mantienen una calidad alta. El cobre se procesa regularmente mediante métodos de manufactura comunes y está disponiblewen muchas formas y aleaciones que permiten una producción eficiente. El cobre se adapta a técnicas de procesamiento del conformado final, y algunos productos de cobre pueden ser semifabricados usando el método de electro-obtención “ascendente” en la producción de cobre electrolítico.

La capacidad del cobre de ser fabricado como productos formados o derivados de polvo/metal (P/M) permite una reducción considerable del costo en una gran variedad de aplicaciones electrónicas. Por ejemplo, los componentes para fundición de fusibles 150A y 200A utilizados en equipos de la minería de carbón se convirtieron de una barra de material de cobre maquinada a una pieza de conformado casi final en polvo/metal P/M, lo que permitió ahorrar el 25% del costo del producto.

• Maximizar el valor agregado del uso del cobre: Los fabricantes naturalmente buscan usar la menor cantidad de material de acuerdo con la funcionalidad óptima. Las mejoras en los análisis de ingeniería, métodos de diseño y simulación de procesos permiten que los materiales se usen sólo donde sean necesarios. En las aplicaciones de cobre del mercado, existe la oportunidad de usar menos metal mientras se mantiene o se mejora el rendimiento del producto. Además, el valor del cobre se puede aumentar gracias a una selección colaborativa de material y proceso, en la cual la industria

del cobre ofrece apoyo técnico y nuevas aleaciones para aplicaciones específicas en la industria general. Por ejemplo, un creciente número de aplicaciones eléctricas requieren nuevas aleaciones que combinen resistencia mecánica y conductividad. El mismo concepto se aplica a aplicaciones de acuicultura donde se requiere alta resistencia mecánica en combinación con resistencia a la corrosión y bioincrustación.

La capacidad del cobre para desempeñarse bien incluso cuando se usa en grosores y pesos reducidos es una característica que presenta valor agregado. Por ejemplo, en los tubos de cobre para agua potable, el grosor de las paredes se puede reducir de 1,0 a 0,3 mm sin perjudicar la funcionalidad. En colectores térmicos solares, reducir el grosor de una lámina de cobre de 0,2 mm a 0,12 mm disminuye la cantidad de cobre necesario y, por tanto, baja el costo del cobre. En las aplicaciones automotrices, la deformabilidad y alta conductividad del cobre ayudan a reducir el tamaño de los circuitos, conectores y los mazos de cables.

• Creciente presión competitiva de otros materiales: Muchos de los mercados tradicionales del cobre se ven enfrentados a metales, compuestos, polímeros, sistemas multicapa y otros materiales alternativos. El cobre ofrece potenciales mejoras sistémicas y/o ahorros imposibles de conseguir con otros materiales. El desafío del diseñador es conseguir el uso más eficiente posible de todos los materiales, incluidos el cobre. Aunque el costo del cobre puede parecer prohibitivo inicialmente, muy a menudo es el material más adecuado para una aplicación específica y el material más rentable en el largo plazo. El cobre, con sus características únicas, debe ofrecer mejoras sistémicas no alcanzables con otros materiales, con lo cual puede

disminuir el efecto de la susceptibilidad al costo en la decisión de compra, Sin embargo, los usuarios finales de cualquier material de insumo, incluido el cobre, enfrentan una presión competitiva constante por mejorar el rendimiento, reducir el costo y demostrar una gestión responsable. Esto lleva a los usuarios finales a intensificar la competencia entre materiales, minimizar el uso del material y concentrarse en aplicaciones de alto valor, lo que impulsa la necesidad de innovación en las aplicaciones de cobre.

• Cambios en las normativas, códigos y estándares: La eficiencia energética y los temas de sustentabilidad siguen estando en primer lugar en las agendas de empresas y de las políticas gubernamentales. El cobre se percibe cada vez más como eficiente en el uso de la energía y reciclable infinitamente.

Se han establecido estándares más altos de eficiencia de motores, y ha crecido el mercado para motores de eficiencia alta, premium y súperpremium. Los motores usan más del 20% más de cobre en el bobinado del estator y barras conductoras en comparación con los motores más antiguos de “eficiencia estándar”. Los aumentos de eficiencia también son importantes para el aire acondicionado, red eléctrica e iluminación.

Otras regulaciones que impactan a la industria del cobre son las que afectan al suelo, agua, desechos y sedimentos. Estas regulaciones incentivan a los gobiernos a apoyar investigaciones científicas para entender los posibles efectos medioambientales del uso del cobre.

Las tendencias del mercado, las regulaciones e innovaciones siguen influyendo en el uso del cobre. Si bien es imposible predecir el futuro, se puede tener una perspectiva sobre las posibles rutas de desarrollo y prioridades si se consideran las fuerzas económicas, sociales y tecnológicas que influyen en las industrias mundiales del cobre. Para información sobre los mercados de uso final del cobre, consulte el Anexo E.

Anexo C: Tendencias y desafíos que influyen en el uso del cobre

copperalliance.org | ANEXO C 34

• Asegurar el rendimiento de productos de cobre con diseño de ingeniería: Se aplica cada vez más la simulación por computador para predecir y validar el rendimiento del cobre en nuevas aplicaciones. La miniaturización y la integración de materiales impulsará investigación adicional sobre las propiedades mecánicas de los sistemas de tamaño pequeño, el comportamiento de las regiones de superficie y subsuperficie de cobre y sus aleaciones, los fenómenos que afectan la interacción del cobre con otros materiales y el impacto de una mayor integración de diferentes materiales con la reciclabilidad. El desarrollo y uso de nuevas aleaciones, combinadas con limitaciones de diseño más estrictas, requiere que las propiedades de estas aleaciones (y de otros materiales convencionales) se conozcan o puedan predecir con gran certeza. Mejorar el control de las propiedades térmicas, eléctricas, físicas y mecánicas también aumenta el rendimiento del cobre en aplicaciones avanzadas.

Existe una gran cantidad de literatura técnica sobre el cobre disponible de forma gratuita en Internet patrocinada por más de dos docenas de organizaciones nacionales y regionales de desarrollo del cobre.

• Aumento en el uso de materiales complementarios con diseño de ingeniería: Los materiales que pueden cambiar el rendimiento del cobre pueden agregarse a la superficie o incorporarse al cobre. El cobre se combina frecuentemente con otros materiales producidos, y las propiedades del sistema de materiales resultante se adaptan a las necesidades de aplicaciones específicas. Los materiales complementarios aplicados a las superficies de cobre pueden permitir capas más finas de aislamiento eléctrico, protección contra la manipulación, protección contra la corrosión y un número de cualidades deseables. La exigencia de materiales con mayores

coeficientes de resistencia-peso ha llevado a un mayor interés en materiales compuestos, en los cuales se agrega un material de refuerzo para aumentar su resistencia y durabilidad, y en algunos casos, conseguir una reducción de peso. El cobre no es intrínsecamente un material con un alto coeficiente de resistencia-peso, y no se usa a menudo cuando se requiere específicamente esta propiedad. Sin embargo, las fórmulas como el material compuesto en base a cobre reforzado con carburo de silicio tiene conductividad térmica y alta resistencia a elevadas temperaturas.

• Diseño para recuperación y reutilización: Los diseños que permitan la reciclabilidad conservarán el valor del cobre al tiempo que beneficiará el medioambiente. El cobre se encuentra entre los metales más eficientemente reciclables en el comercio mundial porque es reciclable al 100% sin ninguna pérdida en rendimiento. El reciclaje cubre el 34% de la demanda mundial de cobre. Cuando se analizan los costos totales del ciclo de vida, la mayor eficiencia energética y la reciclabilidad del ciclo de vida útil convierten al cobre en una alternativa atractiva en aplicaciones asociadas a la energía. El cobre se extrae regularmente de automóviles, artículos electrónicos y edificios al final de su vida útil. Es importante para los ingenieros considerar la forma en que se podrán desarmar los productos para recuperar el cobre. Además, durante los procesos de manufactura, algún cobre se convierte en desecho y este material sobrante debe ser recuperado y reciclado. El material sin contaminar facilita la reutilización.

copperalliance.org | ANEXO D 35

El cobre es esencial para los organismos vivos y desempeña un papel fundamental en la tecnología moderna. Presente desde los sistemas de irrigación de los antiguos reyes egipcios hasta inventos revolucionarios como el teléfono celular, el cobre ha contribuido siempre al desarrollo de la sociedad.

Como casi el único elemento usado en la transmisión eléctrica y de datos, el cobre ayudó a impulsar la era de las telecomunicaciones. El teléfono es un excelente ejemplo de cómo el cobre ha acelerado su desarrollo y comercialización. Utilizado por primera vez en los años treinta, el cable de cobre del teléfono reemplazó al hierro para enviar señales débiles de voz en alta frecuencia a más de 50 millas (80 km. aprox.) sin perder señal. Las telecomunicaciones favorecieron al cobre debido a su cable de alta conductividad, uniforme y resistente.

Combinado con su resistencia, resistencia a la corrosión y su durabilidad, la belleza natural del cobre ha inspirado a innumerables arquitectos y diseñadores para mostrar el metal en las superficies interiores y exteriores de los edificios durante miles de años. El cobre ha recubierto y protegido universidades, instituciones financieras, edificios gubernamentales y lugares de culto construidos hace cientos de años.

El cobre puede ser enrollado en frío en láminas finas y, a pesar de su relativamente alta resistencia (en temples enrollados o moldes tratados con calor en las aleaciones apropiadas), puede ser moldeado rápidamente en componentes de conectores. La combinación única de resistencia y deformabilidad hace del cobre y sus aleaciones, el material ideal para usar en aplicaciones en que los componentes se estresan debido a acciones repetitivas como los elementos de fijación, conectores eléctricos, resortes e interruptores eléctricos.

Necesidades sociales de largo plazoUn gran porcentaje de la población mundial no tiene acceso a electricidad ni al agua

potable. Además, las preocupaciones sociales sobre mejor salud pública, mayor eficiencia energética, sustentabilidad medioambiental y mejores niveles de vida han fomentado el desarrollo de sistemas energéticos más limpios, acuicultura marina, artículos electrónicos portátiles y comunicaciones globales casi ilimitadas. En reconocimiento del profundo efecto que tiene la tecnología en casi todos los aspectos de la vida, la industria del cobre planea continuar participando en el avance de la tecnología. Al mismo tiempo, deben tomarse medidas para fomentar una mayor integración entre la innovación tecnológica y las más amplias preocupaciones sociales, económicas y medioambientales.

• Mejor salud humana: El cobre es necesario para el funcionamiento normal de plantas, animales, humanos y microorganismos. Está incorporado en una variedad de proteínas que desempeñan funciones metabólicas específicas. Puesto que se trata de un metal esencial, varias agencias en todo el mundo han recomendado su inclusión entre los requerimientos dietéticos diarios. El cobre puede controlar el crecimiento de organismos, lo que lo convierte en un efectivo agente antipatógeno y antiplaca en los enjuagues bucales y pastas dentales. Además, las superficies de contacto fabricadas con cobre ayudan a prevenir las enfermedades mediante el control del crecimiento de bacterias infecciosas.

• Mayor eficiencia energética: La energía desperdiciada aumenta los costos para los consumidores y puede tener efectos medioambientales negativos. Las mejoras en la eficiencia energética eléctrica ayudan a garantizar mejores niveles de vida. La conversión a equipos de eficiencia energética, especialmente de los motores con rotores de cobre (CMR) de eficiencia premium y súperpremium al igual que los transformadores de cobre de alta eficiencia, reduce los costos y mitiga las emisiones.

• Sustentabilidad ambiental: El reciclaje se ha usado desde hace mucho para minimizar los desechos y conservar recursos valiosos. El cobre es reciclable al 100% sin pérdida de rendimiento y no se "consume” en el sentido de "desgastarse”.En lugar de eso, se usa, recicla y reutiliza una y otra vez (consulte Figura C.1). El cobre tiene la historia de reciclaje más larga que cualquier otro material. Se calcula que el 80% del cobre extraído durante los últimos 10000 años sigue en uso en algún lugar aún en nuestros días. El cobre recuperado mediante reciclaje también requiere 75-92% menos de energía que la cantidad necesaria para convertir el mineral de cobre a metal.

• Mejores estándares de vida: La proporción de la población mundial que vive en ciudades con más de 10 millones de habitantes sigue aumentando. El crecimiento de la población, en particular cuando se concentra en núcleos que requieren grandes infraestructuras eléctricas, aumenta en gran medida la necesidad de materiales y energía; una necesidad que debería satisfacerse idealmente de manera rentable y amigable con el medioambiente. Además, la creciente población de adultos mayores aumenta la demanda de tecnologías que ayuden a corregir las insuficiencias visuales, auditivas, motoras y de otro tipo, para permitirles que sigan viviendo cómodamente como miembros activos de la sociedad. Lograr niveles de vida más altos en el escenario de un aumento de la población requiere de materiales y productos que ayuden al desarrollo sustentable y permitan una mejor calidad de vida para todos. El cobre estimula el desarrollo económico y mejora los niveles de vida.

El cobre es esencial para los organismos vivos y desempeña un papel fundamental en la tecnología moderna. Presente desde los sistemas de irrigación de los antiguos reyes egipcios hasta inventos revolucionarios como el teléfono celular, el cobre ha contribuido siempre al desarrollo de la sociedad.

Anexo D: Cobre y sociedad

copperalliance.org | ANEXO E 36

• El cobre refinado se origina a través de dos cadenas de proceso muy distintas. La ruta más corta y simple es la electro-obtención, mediante la cual se forma el cobre refinado, casi siempre en la mina, a través de un proceso de lixiviación. La ruta más compleja incorpora refinamiento electrolítico, en el cual el material de cobre es transformado en concentrados en la mina, procesado para hacer cobre ampolloso o ánodos de cobre en la fundición, y después es transformado en cátodos de cobre refinado en la refinería. Tanto en las etapas de fundición como de refinería pueden introducirse desechos.

• El cobre refinado y el desecho de alto grado se combinan para su procesamiento en productos fabricados, especialmente alambres, cables eléctricos y productos

procesados. El material se puede usar directamente (como en tubería de cañerías), puede ir a una manufactura de una sola etapa (como las conexiones de cañerías) o de una o más etapas de manufactura intermedia (como el bobinado de alambre que se usa en el sector automotor). Una vez que el cobre ha pasado por todas sus etapas de procesamiento comienza su vida útil como producto funcional (en stock). Estos productos se clasifican por el mercado de uso final como la construcción de edificios, infraestructuras y manufactura de equipos.

• Al final de la vida útil del producto, pueden pasar tres cosas: Puede ser identificado para recuperación de materiales mediante el sistema de gestión de desechos; puede ser eliminado de manera no productiva;

o puede permanecer en terreno, y no ser usado nunca más. Los desechos pueden dividirse útilmente entre nuevos desechos, desechos de primer ciclo y desechos de final de vida útil. Las dos primeras categorías aplican antes de que el cobre comience la vida útil de producto. La distinción entre las dos categorías es importante, ya que los desechos nuevos, generados durante la fabricación y durante el procesamiento de primera etapa, es normalmente limpio; mientras que en las etapas posteriores, es más probable que los desechos se contaminen con otros materiales.

Al recopilar y agregar datos de ciclo de vida de la industria y de la cadena de valor, ICA ayuda a demostrar de qué forma el cobre crea una sociedad cada vez más sustentable3.

Las prácticas mineras sustentables y una reciclabilidad del 100% añaden valor e importancia al cobre. La amplia gama de propiedades del cobre y las aleaciones de cobre usadas en aplicaciones de productos finales se logra mediante una serie de pasos de procesamiento y puede obtenerse usando cobre de reciente extracción o cobre reciclado. Los materiales de cobre pueden reciclarse repetidamente sin ninguna pérdida de propiedades ni rendimiento. También se ha calculado que al menos el 80% de todo el cobre extraído sigue siendo utilizado, debido a su infinita reciclabilidad.

Anexo E: Ciclo de vida del cobre

Figura 2: Modelo del flujo del cobre: Producción, fabricación, stock y final de vida útil Existencias de productos en uso:

• En edificios• En infraestructura• En manufactureros

Sector de desechos:• Nuevos desechos• Desechos de primer ciclo • Desechos de fin de vida

Fabricación y uso temprano:• Fabrication• Primer uso• Avance a manufactura

Fin de la vida útil:• Gestión de desechos sin recuperar• Gestión de desechos recuperados• En terreno• Perdidos y sin identificar

Producción de cobre:• Nuevo por electro-obtención (mineral)• Nuevo por electrorrefinado (concentrados)• Nuevo a partir de desechos

copperalliance.org | ANEXO F 37

La demanda del cobre se deriva principalmente de la transmisión de energía eléctrica. El alambre y cable fabricados con cobre recién refinado cumple las especificaciones de rendimiento y seguridad más exigentes. La Figura 3 ilustra los usos finales totales del cobre a nivel mundial, por participación de productos, en 20114. Base: 25 millones de toneladas de contenido de cobre (calculadas).

El cobre se usa principalmente para alambre y cable; no obstante, también se usa en tuberías y accesorios sanitarios (por ejemplo, distribución de agua). El mercado eléctrico mundial de cobre, que se ve parcialmente

representado por las tres porciones más grandes de gráfico circular, es mayor en tamaño que el mercado mundial de productos de latón. Los productos de latón se transforman en productos de aleaciones de cobre forjado. Los productos semifabricados se utilizan en las industrias para fabricar bienes terminados y se dividen de acuerdo con su forma física. Del mercado mundial de cobre, el latón es el segundo integrante de mayor tamaño. En el año 2011, el mercado mundial de cobre fue 58% eléctrico, 36% de latón y 7% de fundición y polvo.

Los latones se componen de ocho segmentos: alambre mecánico de aleación; placa, lámina

y banda de aleación; bastón, barra y sección de aleación; tubos de aleación; hoja de cobre; placa, lámina y banda de cobre; bastón, barra y sección de cobre; y tubo de cobre.

Una revisión de la participación del cobre en el mercado global en 2011 demuestra la fabricación de equipos con el 55%, construcción de edificios con el 33% e infraestructura con el 15%.

Figura 3: Mercados de uso final del cobre en 2011 Nota: Las cifras son aproximadasFuente: ICA Global End Use Data Set

Cable para edificios -13,4%

Cables eléctricos – 14,1%

Hilo para bobinado -11,2%

Cables de telecomunicaciones (externo) – 1,5%

Cables y alambres para automóviles -3,6%Conductor en barras -4,4%

Otros cables de comunicaciones (electrónicos/datos/telecomunicaciones internas) -3,1%

Otra energía Lv (alambre para cobres, flexibles, etc.) -6,4%

Tubos de cobre -10,5%

Sección de barras de bandas de cobre (RBS) -2,5%

Placa-lámina de cobre (PSS) -6,6%

Hilo de cobre -1,5%

Tubos de aleaciones -1,6%

Sección de barras de bandas de aleación (RBS) – 7,3%

Placa-lámina de aleación (PSS) -6,4%

Alambre mecánico -1,5%

Fundiciones -3,9% Polvo-0,4%

Durante los últimos cincuenta años, el uso per cápita del cobre casi se ha duplicado, lo que refleja su rol en el progreso de la tecnología, la expansión de la actividad económica y los mejores estándares de vida (consulte la Figura 3) El cobre contribuye a muchos sistemas técnicos en regiones desarrolladas como la construcción, energía, comunicaciones y transporte. En regiones menos desarrolladas, el cobre apoya los elementos estructurales necesarios para elevar los niveles de vida, llevar electricidad, agua limpia y transporte eficiente a fin de fomentar las economías en expansión.

Anexo F: El cobre en la actualidad

copperalliance.org | ANEXO G 38

Colaboradores:

Advanced Technology Institute Mike Stebbins

Amira International Ltd. Joe Cucuzza

Arubis Jo Rogiers

BHP Billiton Cleve Lightfoot

Codelco-Chile Jürgen Leibbrandt

Consultant, Editor Konrad Kundig

Consultants Steve Bone Dale Peters Derek Tyler Jean Marie Welter Richard Holliday

Copper Development Association Andy Kireta Jr. Harold Michels Bob Weed

Copper Development Centre, Australia John Fennell

Deutsches Kupferinstitut Anton Klassert

European Copper Institute Colin Bennett Nigel Cotton Hans De Keulenaer John Schonenberger

Freeport-McMoRan Copper & Gold Inc Stephen Higgins

Golden Dragon Precise Copper Tube Group Inc Deng Bin

International Copper Association, Ltd. John Mollet Tony Lea Malcolm Burwell

International Wrought Copper Council Mark Lovett

Kinghorn, Hilbert & Associates Ted Kinghorn

KME Group Christoph Geyer Heinz Klenen Armando Sbrana

LS-Nikko Copper JeongHa Lee

Luvata Warren Bartel Ed Rottmann

Mitsubishi Materials Corporation Metals Company Kazumasa Hori

Nexans Eric Lawrence Michel Rousseau

Revere Copper Products, Inc. Thomas O’Shaughnessy

Wieland-Werke, AG Uwe Hofmann Gerhard Schuez

Yazaki Corporation Akibumi Sato

Yunnan Copper Industry (Group) Co., Ltd. Wang Qin

Patrocinadores: The International Copper Association, Ltd.

Patrocinadores asociados: Anglo American Chile Ltd. Antofagasta Minerals Aurubis BHP Billiton Boliden AB Chinalco Luoyang Copper Corporación Nacional del Cobre de Chile Compañía Minera Doña Inés Collahuasi Collahuasi Compañía Minera Zaldívar Freeport McMoRan Copper & Gold Golden Dragon Precise Copper Tube Halcor S.A. International Wrought Copper Council Kennecott Utah Copper Corp. KGHM Polska Miedz KME Group LSNikko Copper Luvata Mexicana de Cobre Mexicana de Cananea Mitsubishi Materials Corporation Mueller Industries Inc. Nexans Outotec Oyj Palabora Mining Company Pan Pacific Copper Products, Inc. Revere Copper Products Inc. Rio Tinto Plc Sociedad Contractual Minera el Abra Southern Copper Corporation Sumitomo Metal Mining Co. Teck Resources Tenke Fungurume WielandWerke AG Xstrata Copper Yunnan Copper Industry (Group) Co., Ltd.

Coordinadores: International Copper Association, Ltd. Hal Stillman Nicole Witoslawski

Facilitadores (Guía 2007): Energetics Incorporated Katie Jereza Ross Brindle

International Copper Association agradece y reconoce la importante contribución de las siguientes personas y patrocinadores asociados en la preparación de la presente guía sobre aplicaciones tecnológicas del cobre 2012.

Anexo G: Colaboradores

copperalliance.org | ANEXO H 39

1. Smolders, Jan A. Foreword to Civilization and Copper; The Codelco Collection by Liebbrandt, Alexander, p. 3. Translation by the International Copper Association Ltd. (ICA). Santiago, Chile: Codelco 2001.

2. Sitio web Copper Alliance: www.copperalliance.org

3. Sitio web Copper Alliance: http://copperalliance.org/ core-initiatives/development/

4. ICA Global End Use Data Set

Anexo H: Referencias

International Copper Association 260 Madison Avenue New York, NY 10016 USA

Phone: (212) 251-7240 Fax: (212) 251-7245 copperalliance.org

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