Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica: proceso BIOFINE
El proceso Biofine, propiedad de Biofine Renewables (Waltham, Massachusetts, EE.UU.) una compañía de desarrollo de tecnología para procesos de biorrefinería, se presenta como una tecnología eficaz, desde el punto de vista económico y de emisiones de carbono, para la conversión de materia lignocelulósica renovable en productos químicos y combustibles tradicionalmente preparados a partir de combustibles fósiles. El proceso propuesto presenta un ciclo de vida del carbono con un ahorro próximo al 100% con respecto a la producción equivalente a partir de materias primas fósiles.
Autor: [Gabriel Morales, Universidad Rey Juan Carlos]
Proceso Biofine
El proceso Biofine es un proceso de hidrólisis ácida para la conversión de celulosa en ácido levulínico, una molécula plataforma con docenas de usos potenciales conocidos. Como subproducto se obtiene ácido fórmico, pudiéndose obtener también furfural si la materia prima contiene hemicelulosa. Es un proceso termoquímico sencillo que permite la conversión de celulosa a partir de una amplia variedad de materias primas. Se trata de un proceso de hidrólisis, por lo que la presencia de agua (hasta un 50% en peso) en la materia prima no es un problema para la economía del sistema. Al tratarse de un sistema químico no necesita tiempos largos de reacción como los procesos enzimáticos o de fermentación biológica utilizados. De hecho, la reacción se produce en cuestión de minutos, reduciendo considerablemente la inversión y el tamaño de la instalación.
Figura 1. Diagrama del proceso Biofine (www.mainebioproducts.com)
Química del proceso:
El proceso funciona mediante la “ruptura” de cualquier materia lignocelulósica de partida en presencia de un catalizador ácido mineral (p.ej. ácido sulfúrico) diluido en agua, y empleando una temperatura moderada con un diseño de reacción basado en un reactor dual que permite una elevada producción con un alto rendimiento. La fracción de celulosa es transformada en ácido levulínico y ácido fórmico, mientras que la fracción de hemicelulosa se descompone en furfural, que se puede aprovechar como tal o que puede convertirse a su vez en ácido levulínico. Cada uno de estos productos primarios presenta potencial como “plataforma” para la producción de otros productos de valor añadido. La lignina, junto con otros componentes inertes de la biomasa, se extrae en forma de alquitrán de alto contenido en carbono que puede valorizarse energéticamente o transformarse en otros productos (negro de humo, carbón activado, fibra de carbono, etc.).
La tecnología se basa en un sistema de reacción continua de dos etapas que opera a las condiciones de temperatura, concentración de catalizador ácido y tiempo de residencia adecuados para obtener elevados rendimientos de ácido levulínico, ácido fórmico y furfural. Las condiciones de operación típicas son:
Temperatura: de 190 a 220 ºC
Concentración de ácido: de 1 a 5 % en peso
Tiempo de residencia: 15 minutos (total de las dos etapas de reacción)
Figura 2. Planta piloto del proceso Biofine (Old Town, Maine, EE.UU.)
Ventajas tecnológicas
Empleando solo calor y presión en un entorno químico cuidadosamente controlado, el proceso Biofine de conversión de lignocelulosa evita muchos de los problemas que afectan a otros procesos de conversión de biomasa. Los procesos de gasificación que convierten la biomasa en un gas y que a continuación transforman catalíticamente el gas en combustibles líquidos se pueden ver afectados por la variabilidad natural de la biomasa. Por otro lado, la conversión biológica afronta el reto de crear microorganismos que puedan digerir y soportar la variedad de materias primas y contaminantes naturales.
Ventajas en la materia prima
Una de las principales ventajas de este proceso es la flexibilidad en la materia prima. Se puede emplear cualquier tipo de biomasa con celulosa suficiente (o cualquier otro carbohidrato), incluyendo residuos forestales de bajo coste, astillas de árbol enteras, residuos agrícolas, restos de comida, papel reciclado, incluso residuos sólidos urbanos clasificados.
Estrategia de desarrollo
Los proyectos actualmente planteados emplearían biomasa forestal y residuos orgánicos para producir ácido levulínico, que se transformaría mediante reacción con etanol en levulinato de etilo, compuesto con excelentes propiedades como biocombustible. El ácido fórmico y el furfural se venderían a la industria química, y el alquitrán carbonoso se podría quemar en la propia instalación para generar vapor y energía para el proceso.
Se contempla la construcción de una primera instalación de este tipo (biorrefinería) de gran capacidad para reducir los costes unitarios, lo que requerirá, en primer lugar, una salida comercial para el ácido levulínico producido. No obstante, el interés en este producto ha aumentado enormemente en los últimos años. El reto actual se encuentra en encontrar la financiación necesaria para la construcción de la primera instalación de este tipo, y por ello la empresa Biofine Renewables se ha centrado en minimizar tanto los costes de inversión como los riesgos técnicos.
España cierra 2012 con un 8,5% de biocarburantes
La Comisión Nacional de la Energía (CNE) acaba de publicar el informe sobre certificación y comercialización de biocarburantes correspondiente a diciembre de 2012. Aparte de las mensuales, las cifras más relevantes adelantadas de 2012 son la participación con un 8,5 % de los biocarburantes en el transporte (el Gobierno la ha rebajado al 4,1 % para 2013) y el descenso generalizado de su venta: biodiésel (un 8 % menos) y bioetanol (un 11 % menos).
Autora: [Felicia Sáez Angulo. Unidad Biocarburantes. Ciemat]
Otra de las confirmaciones que ofrecen estos datos provisionales es el cumplimiento holgado de las obligaciones de incorporación de biocarburantes en el transporte en contenido energético, que para 2012 se habían establecido en 6,5 % en el general, 7 % en gasóleos de automoción y 4,1 % en gasolinas. Diciembre de 2012 concluyó con 9,5 %, 10,8 % y 3,8 %, respectivamente, lo que deja el cumplimiento de 2012 en un 8,5 %, 9,5 % y 4,1 %. Es decir, se cumplen los objetivos y los porcentajes se alejan de los nuevos aprobados por el Gobierno para el presente año: 4,1 % (general), 4,1 % (biodiésel en gasóleos) y 3,9% (etanol en gasolinas).
Se mantiene el 900 % de incremento de ventas de hidrobiodiésel. Sigue destacando sobremanera en las cifras aportadas por la CNE el 872 % (886.495 m3) de subida de este biocarburante con respecto al vendido en 2011 (91.196 m3). Sin embargo, tanto el biodiésel (-8,39 %) como el bioetanol (-11,06 %) se mantuvieron a la baja durante el pasado año, pasando de 1.831.000 a 1.677.000 m3 en el primer caso y de 445.000 a 396.000 m3 en el segundo. Las cifras del hidrobiodiésel en 2012 duplican las del bioetanol.
La información de la CNE también aporta datos sobre la producción nacional. En cuanto a los biocarburantes susceptibles de mezclar con gasóleos, alcanza su máximo en marzo (69.391 m3) y el último trimestre muestra una tendencia descendente hasta los 51.622 m3 de diciembre, “motivado por el fuerte descenso de la producción de hidrobiodiésel (1.504m3), compensado sólo parcialmente por el aumento de la de biodiésel (50.118 m3)”. Sobre las importaciones, el máximo se da en mayo (247.146 m3), “mostrando a partir de octubre una tendencia descendente que las sitúa en diciembre en los 127.208 m3, como consecuencia del fuerte descenso de las de hidrobiodiésel(39.010m3).
En el caso del etanol, la producción nacional aparece con un ligero aumento en diciembre de 2012 hasta alcanzar el valor máximo de producción en todo el año (42.142 m3). Con respecto al balance exterior, la CNE afirma que “en diciembre aumentan las importaciones doblando casi la cifra del mes anterior (6.323 m3) y disminuyen, por el contrario, las exportaciones (19.109 m3)”. Por último, solo el 2,93 % del biodiésel y el 0,16 % del bioetanol expedido en las estaciones de servicios presentaban mezclas etiquetadas.
Fuente: Boletín Energías Renovables [newsletter@energias-renovables.com]
Inaugurada la mayor planta de aprovechamiento de energía solar del mundo
Autora: Gemma Gómez-Universidad Rey Juan Carlos
Después de tres años de construcción, el pasado 17 de marzo fue inaugurada en Madinat Zayed, a unos 120 kilómetros al sureste de Abu Dhabi (Emiratos Árabes Unidos), Shams 1, la mayor planta de aprovechamiento de energía solar en todo el mundo. El coste del proyecto ha ascendido a unos 440 millones de euros y ha contado con la participación de la empresa española Abengoa (20 %), la emiratí Masdar (60 %) y la francesa Total (20 %), que también serán las encargadas de la operación y actividades de mantenimiento de la planta.
La planta ocupa una superficie de 2,5 kilómetros cuadrados (comparable con la extensión de 285 campos de futbol) y consta de 258.048 espejos parabólicos agrupados en 768 colectores cilindroparabólicos. Tiene una capacidad de producción de 100 MW de energía limpia y se espera que sea capaz de abastecer las necesidades de más de 20.000 hogares.
Shams-1 cuenta con la tecnología de última generación cilidroparabólica y cabe destacar, entre otras innovaciones, el sistema de refrigeración seca, la existencia de una caldera auxiliar de calentamiento y el empleo de una pequeña cantidad de gas natural para conseguir un aumento de su eficiencia durante el día y permitir la generación de electricidad por la noche.
Los beneficios que conlleva la inauguración de esta planta solar son la introducción de energías renovables en Abu Dhabi y, desde el punto de vista medioambiental, evitar la emisión de 175.000 toneladas de CO2 al año.
“La inauguración de Shams 1 es un gran avance para la energía renovable en Oriente Medio. Como en el resto del mundo, la región se enfrenta al reto de satisfacer una creciente demanda de energía a la vez que trabaja para reducir su huella de carbono. Shams 1 constituye un importante hito demostrando que es posible suministrar energía renovable a gran escala de forma sostenible, asequible y segura”, declaró el consejero delegado de Masdar.
Shams 1 es un ejemplo de cómo la colaboración de empresas puede conseguir soluciones energéticas limpias a gran escala que ayudan a satisfacer la creciente demanda de energía.
Vista aérea de Shams 1, en Abu Dhabi, con una capacidad de 100 MW.
Materias residuales para la producción de Biodiésel
Autor: José Iglesias-Universidad Rey Juan Carlos
El biodiesel es probablemente, desde una perspectiva histórica, el biocarburante más antiguo que existe. El primer ejemplo del uso del biodiesel en motores de combustión interna fue llevado a cabo por el propio Rudolf Diesel, que empleó como combustible para las demostraciones de los primeros prototipos de su invención un aceite refinado de cacahuete. Así pues, lo que podría considerarse el primer ejemplo de uso de un biocarburante (biodiesel) de la historia se produjo hace ahora más de 100 años. Esta idea revolucionaria de Diesel, el uso de aceites vegetales como carburantes, se topó con una coyuntura económica muy desfavorable, puesto que el desarrollo de la industria petrolera en esos momentos, en fase de expansión exponencial, llenaba el mercado de destilados medios del petróleo a muy bajos precios. De este modo, el uso de biocarburantes en automoción no ha sido una prioridad hasta hace bien poco, que se ha renovado el interés por los métodos de fabricación y el uso de estos productos. Parte de este interés reside en un crudo petrolífero cada vez más escaso, costoso y de menor calidad, que obliga a procesos de refino y transformación cada vez más complejos, y que se traduce en un importante traslado de costes de fabricación hacia los productos finales, entre los que se encuentran los carburantes. Por otro lado, las normativas que fomentan, promueven y, en ocasiones, obligan al uso de biocarburantes, son también un importante incentivo para el estudio, la innovación y la investigación en el desarrollo de nuevos procesos, cada vez más eficientes y rentables, para la producción de biocarburantes.
El biodiesel se obtiene convencionalmente a partir de la reacción de los triglicéridos presentes en materias primas oleaginosas con alcoholes de cadena corta, dando lugar a esteres alquílicos lineales con estructuras moleculares ciertamente parecidas a la del diesel obtenido a partir del petróleo. De forma habitual, las materias primas oleaginosas empleadas para la producción de biodiesel suelen ser aceites vegetales mientras que, como alcohol de cadena corta, el más empleado es el metanol, dando lugar por tanto a ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME, acrónimo de su denominación en inglés), que son los componentes fundamentales del biodiesel. Finalmente, el principal proceso de producción de biodiesel implantado a escala industrial hace uso de catalizadores homogéneos básicos, fundamentalmente sosa o potasa. Este método de producción, aunque es el más extendido, conlleva serias desventajas, siendo probablemente la más importante la necesidad de partir de un aceite de elevada calidad, con bajo índice de acidez e impurezas, para evitar la generación de productos indeseados y asegurar el buen progreso de la transformación química. Estas características demandadas para la materia prima hacen que, en muchas ocasiones, el aceite vegetal de partida para la fabricación de biodiesel sea en realidad un alimento, lo que ocasiona un grave problema de competencia entre dos sectores, el de la alimentación y el de los biocarburantes, por una misma materia prima, derivando en el incremento del precio de la misma.
Como alternativa a las materias primas tradicionales empleadas en la fabricación de biodiésel, numerosos trabajos de investigación se han centrado en la búsqueda de otras fuentes de material oleaginoso que no tengan aplicación en el sector de la alimentación. En este sentido, las más interesantes son probablemente aquellas que surgen como residuo de una primera utilización, y por lo tanto el proceso de producción del biodiesel se convierte a su vez en un proceso de revalorización de un residuo. Quizás la materia prima representativa de este grupo de materiales oleaginosos es el aceite usado de cocina, cuya composición química es esencialmente la misma que el aceite vegetal de partida, pero que no tiene aplicación en el sector de la alimentación humana y, por lo tanto, su transformación en biocombustible constituye un excelente destino final. Sin embargo, el aceite usado de cocina, aun siendo el más renombrado, no es la única fuente alternativa de material oleaginoso para la producción de biodiesel. Otras materias primas son grasas animales sin valor alimenticio, grasas amarillas y marrones entre otras muchas. Respecto de las grasas animales, diversas investigaciones han confirmado la posibilidad de producir biodiesel a partir de un gran número de ellas como aceites de pescado, pollo, grasas de cerdo y sebo de ternera. Las grasas amarillas y marrones son mezclas de aceites vegetales usados y grasas animales con diferentes grados de acidez, mucho mayor en el caso de las grasas marrones. Ambas se obtienen como residuos del procesado industrial de alimentos, y por tanto no se emplean en el sector de la alimentación humana. Aparte de estos materiales, existen otros muchos que contienen una importante cantidad de lípidos y que podrían constituir un buen aporte de material oleaginoso con el que producir biodiesel. Ejemplos de ello son los lodos de depuradora, que llegan a contener un 10% de lípidos en base seca, o los posos de café usados, que como semilla vegetal originalmente, llegan a contener hasta un 20% de lípidos en base seca.
Respecto de la disponibilidad de todos estos materiales, muchas de estas sustancias se encuentran disponibles en una elevada cantidad. Sólo en Europa, 8,5 millones de toneladas de estos residuos oleaginosos se producen de forma anual, mientras que en Estados Unidos, la cantidad disponible es de 8,0 millones de toneladas anuales. La transformación de todos estos residuos, cuyo destino principal es el vertedero, en biodiesel, podría dar lugar a la duplicación de la producción europea de biodiesel, mientras que, en los Estados Unidos el incremento supondría cuadruplicar la producción actual de biodiésel.
El biodiesel resultante del empleo de estos materiales residuales no difiere significativamente de aquel que se obtiene a partir de materias primas más convencionales, pero exige el empleo de tecnologías de producción más avanzadas que las actualmente en uso (pretratamientos, esquemas de procesado, catalizadores,…), por lo que el esfuerzo de desarrollo para poder utilizar estas materias primas residuales en la fabricación de biodiesel es aún importante. Por el contrario, el beneficio resultante de obtener biodiesel a partir de una materia prima residual, tanto desde un punto de vista económico como medioambiental, parece compensar los esfuerzos necesarios.
La aeronave que funciona con energía solar “Solar Impulse” realiza su primer vuelo de prueba en EE.UU
“Solar Impulse”, el avión solar desarrollado desde 2005 en Suiza, realizó su primer vuelo en Estados Unidos este sábado, en una gira de entrenamiento para realizar su meta de dar la vuelta al mundo en 2015.
Autor: [Miguel Sánchez Sánchez - CIEMAT]
El ‘Solar Impulse’, gracias a 12.000 celdas fotovoltaicas distribuidas en sus alas que cargan las baterías del avión puede volar tanto de día como de noche, sin necesidad de utilizar combustibles fósiles. El avión tiene la envergadura de un Airbus A340 y tiene el peso de un automóvil utilitario, una combinación que permite alcanzar una velocidad de crucero de 70 kilómetros por hora. Lógicamente, el diseño del avión tiene sus limitaciones y el fuselaje del avión es bastante ligero, un aspecto que lo hace vulnerable a los cambios meteorológicos lo que podría suponer un problema para su gira mundial.
Alrededor del 2% de las emisiones de carbono a nivel mundial proceden de la industria aeronáutica, es por ello que la búsqueda de nuevas vías que permitan compatibilizar el transporte aéreo con el desarrollo sostenible se hace imprescindible. Los gestores del proyecto han realizado una gran cantidad de vuelos de prueba, la mayoría de ellas en Europa. Ahora, trasladándolo a Estados Unidos, sus gestores pretenden encontrar nuevos socios.
Si bien el avión solar aún sigue siendo sólo un prototipo experimental, puede abrir el camino hacia aviones mucho más eficientes y, sobre todo, respetuosos con el medio ambiente. El Solar Impulse está diseñado para mostrar el potencial de la energía solar y nunca sustituirá a los vuelos comerciales impulsados por combustibles fósiles.
Considerado el aeroplano solar más avanzado del mundo, el Solar Impulse despegó de Moffett Field en Mountain View, California, en la madrugada del 19 de abril, con las primeras luces del día, volando sobre la Bahía de San Francisco durante dos horas. Este vuelo de prueba es previo al inicio de un viaje que comenzará el 1 de mayo y que le llevará desde la Bahía de San Francisco hasta el aeropuerto de JFK de Nueva York, su destino final, a principios de Julio, con diversas escalas en Phoenix, Dallas y Washington, DC. Entre Dallas y Washington, el avión también se detendrá en una de estas ciudades Atlanta, Nashville o St. Louis. Cada etapa de vuelo durará entre 20 y 25 horas, con paradas de 10 días en cada ciudad.
André Borschberg y Bertrand Piccard, cofundador y presidente del Solar Impulse, respectivamente, manifestaron después de este vuelo, que están cerca de ser capaces de poner en marcha los vuelos sin escalas, necesarias para dar la vuelta al mundo. Objetivo que mantienen para dentro de dos años.
Ciclos termoquímicos basados en carbonatos alcalinos y óxidos metálicos para la producción de H2 y gas de síntesis
En los últimos años han comenzado a aparecer nuevos ciclos termoquímicos para producción de hidrógeno y gas de síntesis, basados en los procesos originales propuestos en los años 70 pero con modificaciones en los materiales, con el fin de aumentar la eficiencia, empleando sustancias menos tóxicas y corrosivas que suponen una mejora medioambiental.
Autora: [Alicia Bayón Sandoval– Instituto IMDEA Energía]
La producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos constituye una tecnología libre de emisiones contaminantes, y capaz de ser acoplada a los sistemas de concentración de energía solar, y que por tanto puede considerarse como un almacenamiento de esta fuente de energía en forma de enlaces químicos.
Dentro de los ciclos termoquímicos, los basados en óxidos metálicos están cobrando especial importancia en los últimos años. Estos procesos suponen el empleo de materiales los cuales son capaces de ser reducidos a temperaturas elevadas para, posteriormente, descomponer el agua (y el dióxido de carbono) y producir hidrógeno (o gas de síntesis, mezcla de H2 y CO) según sea conveniente dependiendo del producto demandado. En esta etapa se lleva a cabo la oxidación del material correspondiente, que estaría disponible para iniciar un nuevo ciclo. En los ciclos de dos etapas, requieren de las elevadas temperaturas de reducción >1500ºC, las cuales se encuentran lejos de los valores de temperatura de trabajo de las plantas de concentración solar actuales y de los reactores nucleares (700-1000ºC).
En este contexto, los investigadores del Instituto Tecnológico de California han propuesto una modificación de los materiales del ciclo termoquímico original de Na-Mn (NaOH-MnO), con el fin de facilitar la descomposición del agua en hidrógeno siguiendo el siguiente proceso:
Figura 1: Esquema del ciclo termoquímico de Mn3O4/Na2CO3 [1]
En el esquema se observa cómo en una primera etapa, el Mn3O4 reacciona con carbonato para producir el óxido mixto NaMnO2 y MnO (1), formado a partir de la disociación del Mn2+ presente en la espinela Mn3O4. Posteriormente, el MnO junto con el Na2CO3 restante reaccionan con el H2O para producir hidrógeno y NaMnO2 a 850ºC(2). En la siguiente etapa, el óxido mixto formado se descompone mediante la extracción del Na+ de la estructura, empleando H2O a 80ºC, (3), formando materiales libres de sodio como el carbonato de manganeso y Mn3O4 inicial. Finalmente estos materiales se calcinan a 850ºC para recuperar todo el óxido de partida (4) mientras que el carbonato de sodio extraído es recirculado a la etapa de producción de hidrógeno (1), previa etapa de evaporación del agua.
Sobre este esquema inicial, los investigadores han estudiado varias modificaciones, como el empleo de carbonatos de potasio y litio (K2CO3 y Li2CO3), cuyas propiedades son similares a las del carbonato de sodio. En primer lugar se evaluó la producción de hidrógeno a partir de las distintas fuentes de carbonatos observándose que el carbonato de litio es el más activo de los tres compuestos para la formación de hidrógeno y que en la reacción con carbonato de potasio, el óxido de manganeso no fue capaz de oxidarse para producir hidrógeno. Sin embargo, el empleo del carbonato de litio en lugar del carbonato original, no supuso una ventaja añadida a la extracción iónica. En el óxido mixto LiMnO2, los iones Li+ no pueden intercambiarse por el H2O tan fácilmente como el sodio. Además en este estudio, se ha mejorado la eficacia de la extracción de sodio, mediante un burbujeo de CO2 en la suspensión del sólido NaMnO2.
También se ha sustituido el óxido metálico Mn3O4 por varias espinelas Fe3O4 y Co3O4. Cuando se empleó la espinela de cobalto (Co3O4) no se observó producción de H2 debido a que no se producía la oxidación del Co2+ a Co3+. En el caso de la espinela de hierro (Fe3O4) la producción de hidrógeno fue más efectiva para el empleo de las tres fuentes de carbonato, que la espinela de manganeso. Sin embargo, la extracción de iónica fue similar para el NaFeO2, comparado con el óxido mixto NaMnO2, y menos efectiva con el LiFeO2. De estos resultados se puede concluir que, para los óxidos estudiados cuanto mayor es la actividad en producción de hidrógeno el óxido mixto formado es más difícil de descomponer.).
Además de la producción de hidrógeno, la descomposición conjunta de CO2 y H2O se llevó a cabo con los sistemas anteriormente planteados. Se determinó que para esta reacción, la espinela de hierro es más activa para la descomposición. Sin embargo, el sistema Mn3O4/Na2CO3 ofrece unos rangos de temperatura de trabajo mucho más adecuados para la ser acoplados con la energía solar concentrada (reducción a 850ºC del Mn2O3, frente a 1150ºC del Fe2O3), lo cual minimiza las pérdidas energéticas derivadas del calentamiento y enfriamiento de los reactivos, concluyéndose que este sistema es el más apropiado para su aplicación en las condiciones de trabajo actuales.
[1] Biungjun X, Bhawe Y, Davis M. E. PNAS. 2012. DOI: 10.1073/pnas1206407109
[2] Biungjun X, Bhawe Y, Davis M. E. Chem Mat. 2013. DOI: 10.1021/cm3038747
Modelo de Aerogenerador instrumentado para ensayo en túnel
La problemática surgida para realizar estudios exhaustivos sobre distintos perfiles de pala en condiciones de funcionamiento poco analizadas como un amplio rango de números de Reynolds, de ángulos de ataque y de ángulos de calado, provoca la necesidad de realizar un prototipo demostrador capaz de adaptar su funcionamiento a distintos modos de operación.
Autores: Borja Plaza Gallardo / Rafael Bardera Mora
Actualmente, se observan distintas necesidades por parte de la industria en el diseño de aerogeneradores. Los nuevos diseños están orientados a conseguir mayor rendimiento energético, menores costes de energía anual producida y de implantación, reducción de cargas, aumento de fiabilidad…
El estudio aerodinámico es esencial para lograr estos objetivos, por lo que la calidad del aerogenerador dependerá en gran medida de la capacidad predictiva de las herramientas que se utilizan para su diseño y análisis, siendo imprescindible resolver los problemas que plantea la física del problema y crear un modelo que responda a las expectativas de simulación numérica. Para ello es necesario disponer de datos experimentales que validen los modelos de cálculo.
En el caso de los experimentos en campo, es necesario usar una instrumentación cara, que debe estar expuesta a la intemperie durante largos períodos de tiempo y en condiciones de ensayo no controladas. Los ensayos en túnel de viento presentan condiciones de trabajo bien definidas, elemento necesario para validar los modelos de cálculo. El problema es que apenas se dispone de datos experimentales que provengan de ensayos de aerogeneradores lo que no permite realizar estudios exhaustivos sobre distintos perfiles de pala en condiciones de funcionamiento poco analizadas como un amplio rango de números de Reynolds, de ángulos de ataque y de ángulos de calado.
Para resolver esta problemática, el Intituto Nacional de Técnica Aeroespacial ha desarrollado un prototipo demostrador capaz de adaptar su funcionamiento a distintos modos de operación con el objeto de abaratar los costes de ensayos, ya que posibilita la prueba de palas con diversos perfiles y configuraciones para obtener sus coeficientes globales de trabajo.
Los ensayos realizados sobre distintos perfiles permitirán una aproximación computacional y experimental que consiga validar las herramientas de cálculo y estudiar problemas particulares de investigación de alto nivel, como son la actuación de perfiles a bajo número de Reynolds y sus características a altos ángulos de ataque, los modelos de estimación de pérdidas en punta de pala y el efecto de aumento de la sustentación y retraso en la entrada en pérdida debido a la rotación. Esto evitará la dispersión que se produce en los resultados dependiendo del modelo utilizado.
La validación de las herramientas de cálculo y la posibilidad de realizar ensayos de distintas configuraciones, permite, además, abordar uno de los grandes problemas de la industria de aerogeneradores de gran potencia en la actualidad, el escalado de palas para la optimización del diseño aerodinámico.
En cuanto al equipo, el prototipo está compuesto de un buje de eje horizontal de0.12 mde diámetro preparado para funcionar con tres palas (tripala) con un diámetro total de rotor inferior a1,4 m. Además, está equipado con la instrumentación necesaria para la obtención de la curva característica y los coeficientes globales (coeficiente de par mecánico y coeficiente de potencia mecánica) para diferentes regímenes de giro del rotor y en función de la velocidad de la punta de la pala.
El eje de aerogenerador está conectado a un motor eléctrico situado en el extremo opuesto al rotor. Este motor eléctrico junto con un sistema de control asociado, tienen como misión mantener constante el régimen de giro del aerogenerador durante los ensayos, siendo doble la función del motor, al actuar como motor o como freno, dependiendo de la energía extraída o comunicada del viento del túnel en cada momento. Cuando el motor impulsa el rotor total o parcialmente, tanto el par como la potencia serán negativos.
El medidor de par y el encoder se encuentran intercalados en el eje del aerogenerador con objeto de proporcionar simultáneamente la medida de par mecánico y régimen de giro (rpm) en el eje del aerogenerador. El ensayo en vacío (sin palas ni viento en el túnel) permite determinar el par resistivo (rozamiento de rodamientos) con el objetivo de restar el valor obtenido a las medidas de par obtenidos durante el ensayo. El calado de las palas debe ser variable con el objetivo de probar distintas configuraciones de ángulo de pitch.
El eje del rotor va alojado en el eje horizontal del aerogenerador, el cual está soportado por un mástil cilíndrico vertical que se apoya en una torre de celosía, la cual tiene una altura necesaria para elevar el eje del rotor a la altura del eje del túnel.
Los ensayos realizados sobre el prototipo de aerogenerador instrumentado se realizan en el túnel de viento del INTA. Este túnel se caracteriza por ser de circuito cerrado con opción de cámara de ensayos abierta o cerrada, de sección rectangular de 2,8 x 1,9 m2. El flujo continuo de aire es impulsado hasta 50 m/s por un ventilador accionado por un motor eléctrico de 480 kW.
Esta instalación permite realizar, además de los expuestos anteriormente, distintos ensayos como la visualización del flujo en la superficie del perfil realizado mediante aceites (oil film) y pinturas fluorescentes que proporcionan información del patrón de flujo sobre dicha superficie (desprendimiento, burbujas,…); los ensayos de medidas de presión alrededor del perfil para determinar experimentalmente la distribución del coeficiente de presión Cp, sobre la superficie del perfil y calcular los coeficientes de sustentación, resistencia y momento; el método óptico de visualización de flujo PIV (Particle Image Velocimetry) para medir la velocidad a partir del desplazamiento en el tiempo de las partículas sembradas en el fluido estudiado; y la visualización mediante inyección de humo aguas arriba del rotor para obtener información cualitativa del flujo en la estela del rotor del aerogenerador cuando se encuentra inmerso en la corriente de viento del túnel.
Figura. Visualización de la estela de rotor mediante humo
Figura. Visualización del flujo en la superficie del perfil
Primeros pasos hacia la extracción de metano del fondo oceánico
Los hidratos de metano que tapizan el fondo de los océanos constituyen una reserva de energía fósil inexplorada, cuya magnitud es muy superior a las reservas probadas de gas natural en la corteza terrestre. Recientemente una compañía de exploración submarina japonesa ha anunciado la puesta en marcha del concepto de la extracción y un modelo adecuado de plataforma para la extracción segura del metano atrapado estos hidratos. Para muchos países que carecen de gas natural, carbón y petróleo, este recurso puede y debe aportar seguridad durante décadas a los respectivos sistemas energéticos.
[Autor: J.L.G. Fierro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC, Cantoblanco, Madrid]
Los hidratos de metano (clatratos) están formados por moléculas de metano atrapadas en una red de hielo. Cuando el hielo funde al poner el hidrato de metano a temperatura superior a0 ºCy presión ambiental, el gas metano es liberado. Estos compuestos sólidos se encuentran tapizando el fondo oceánico donde la temperatura de la masa de agua se mantiene alrededor de2 ºCy la presión de la columna de agua es elevada (10 atmósferas por cada100 mde profundidad).
Esta reserva energética extraordinaria, al menos un orden de magnitud superior a las reservas probadas de gas natural en la corteza terrestre, ha permanecido inexplorada hasta la actualidad dada la dificultad tecnológica que entraña la extracción de estos compuestos desde el fondo oceánico. Recientemente la empresa japonesa Japan Oil, Gas and Metals National Corporation anunció la extracción de metano del fondo del mar en las proximidades de la isla de Honshu al sur de Japón. Una vez que esta compañía ha demostrado la prueba del concepto de extracción, el paso siguiente es la instalación de un sistema piloto de extracción de10.000 metros cúbicosde metano al día y que seguirá progresando hasta tener la tecnología comercializada en un horizonte de cinco años. Enla Figura1 se muestra la plataforma utilizada por Japan Oil, Gas and Metal National Co. para la exploración de estos hidratos así como una imagen que muestra cómo se quema el metano en el momento que se libera cuando funde el hidrato.
La extracción de hidratos de metano del fondo del océano no está exenta de ciertos riesgos debido al hecho de que estos sólidos son inestables. Una de las razones argumentadas para explicar la explosión de la plataforma de BP en el año 2010 en el golfo de Méjico ha sido la sublimación explosiva de un depósito de hidrato de metano. Un segundo riesgo de la extracción de estos hidratos en áreas próximas al litoral es la inducción de tsunamis localizados. A ello hay que añadir el potente efecto invernadero del metano gas no quemado que puede escapar a la atmósfera en el proceso de extracción transporte y almacenamiento. Ciertamente un determinado volumen de metano tiene un potencial de efecto invernadero equivalente a 22 volúmenes de dióxido de carbono.
Figura 1. Izquierda plataforma usada en la exploración de hidratos de metano, Cortesía del METI, Japón. Derecha: muestra de hidrato de metano en la que se quema el metano en el instante que funde el hidrato. Cortesía de US DoE.
No obstante, una vez que se minimicen estos riesgos, los hidratos de metano pueden y deben aportar seguridad durante décadas a los sistemas energéticos de muchos países que no disponen de combustibles fósiles y que dependen básicamente de las importaciones de carbón, gas natural y petróleo.
Jornada SOLGEMAC de divulgación tecnológica: “Tecnología en Receptores Volumétricos”
Autora: M. Álvarez de Lara, SSC-CIEMAT
“España es líder en el desarrollo tecnológico en energía solar concentrada: empresas españolas son las que construyen las plantas más novedosas en el mundo y es un acierto celebrar estas jornadas en el CIEMAT, donde surgieron estas tecnologías”, con estas palabras abrió Ramón Gavela, Director General Adjunto y Director del Departamento de Energía del CIEMAT, la Jornada “Tecnología en Receptores Volumétricos”, celebrada el 4 de abril en el CIEMAT. Esta jornada se ha realizado en el marco del programa Aprovechamiento térmico de la energía solar de manera gestionable, eficiente y modular en sistemas de alta concentración (SOLGEMAC), financiado por la Comunidad de Madrid y el Fondo Social Europeo.
Este proyecto tiene por objeto sentar las bases científicas y tecnológicas que permitan abordar el desarrollo de nuevos sistemas de aprovechamiento térmico y químico de la energía solar concentrada de una forma más eficiente, gestionable y modular, intentando mejorar alguno de estos tres aspectos de los sistemas termosolares: la modularidad, los sistemas de almacenamiento de energía y la integración de los esquemas: comparativa de opciones tecnológicas e integración de los diferentes dispositivos y sistemas de concentración, receptores y acumuladores. La modularidad en la generación lleva necesariamente asociada la obligatoriedad de utilización de sistemas más eficientes en el aprovechamiento de la radiación solar concentrada y, por tanto, se necesita seguir trabajando en el diseño de nuevos receptores y reactores capaces de operar con mayores flujos de radiación solar concentrada y temperatura. En este sentido, y a modo de resumen, lo que se requiere es incrementar el efecto volumétrico de los receptores.
Durante la Jornada se hizo un repaso completo a todas las actividades de I+D+i relacionadas con el desarrollo de este tipo de receptores, desde una “Evolución histórica de los receptores volumétricos”, ponencia presentada por D. Antonio Ávila, investigador de la Plataforma Solar de Almería, PSA-CIEMAT, a la “La necesidad de I+D+i en la tecnología Solar de Concentración”, presentada por el Dr. Eduardo Zarza, responsable de la Unidad de Concentración Solar de la PSA-CIEMAT. Asimismo, se celebraron varias charlas técnicas, todas ellas enmarcadas en el objetivo 2 del programa SOLGEMAC, receptores/reactores solares adaptados a grandes flujos y altas temperaturas. Las charlas fueron: “Receptores Volumétricos en el marco del proyecto SOLGEMAC”, a cargo de la Dra. Mónica Álvarez de Lara, coordinadora tarea 2 de SOLGEMAC, PSA-CIEMAT; “Aspectos tecnológicos de los receptores volumétricos de aire presurizado”, presentada por el Dr.-Ing. Marc Röger, DLR (German Aerospace Center, Centro Aeroespacial Alemán); “Opciones de la tecnología de receptor volumétrico abierto para su implantación comercial y líneas de investigación futuras”, cuyo ponente fue el Dr. Xavier García; y por último, la titulada “Caracterización de receptores volumétricos: de W a MW, una realidad en el CIEMAT”, presentada por D. Jesús Fernández, PSA-CIEMAT. Todas las presentaciones realizadas se encuentran disponibles en http://www.psa.es/webesp/index.php. Al final de esta página, en novedades, jornadas SOLGEMAC.
Al final de la jornada, se contó con un tiempo de debate en la que los asistentes, tanto empresas del sector como centros de investigación, pudieron contrastar opiniones del estado actual de la tecnología y las necesidades de investigación e inversión. Una de las conclusiones principales extraídas fue que, con el esfuerzo sostenido de los centros de investigación y las empresas españolas, se espera que para el año 2020-2025 las tecnologías solares de concentración no necesitarán apoyo económico para se competitivas en el mercado libre.
Prototipos de hornos solares para producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos de dos etapas
[Autora: Carolina Herradón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]
La producción termoquímica de H2 y O2 a partir de agua involucra una serie etapas endo- y exotérmicas, que convierten dicha materia prima en cantidades estequiométricas de H2 y O2 empleando el calor como única fuente de energía. Se trata de un proceso muy atractivo porque convierte directamente la energía térmica en energía química almacenable a temperaturas que, en función del ciclo termoquímico empleado, pueden ser alcanzadas por diferentes fuentes de energía (energía nuclear y energía solar principalmente) [1].
Los ciclos termoquímicos para disociación de la molécula de agua se han estudiado desde los años 1960-1970, existiendo en la actualidad más de 2000, que se clasifican en función del compuesto químico con el que se inicia el ciclo [2,3].
En los últimos años han cobrado significativa importancia los ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos que transcurren, generalmente, a través de dos etapas:
La primera etapa, reacción (1), consiste en la reducción térmica del óxido metálico, denominada también etapa de activación, con la consecuente liberación de oxígeno. Normalmente es endotérmica y, dependiendo del óxido metálico utilizado, se requiere una temperatura determinada como, por ejemplo, 900 ºCpara el sistema Co3O4/CoO, 1200 ºC en el caso de los sistemas Fe2O3/Fe3O4, y de hasta 3700 ºC en el caso del TiO2.
Durante la segunda etapa, reacción (2), se lleva a cabo la hidrólisis mediante la cual se produce H2 y se recupera el óxido metálico inicial. Es una reacción exotérmica que suele producirse a temperaturas inferiores a1000 ºC [4].
Las temperaturas “moderadas” requeridas por los ciclos basados en óxidos de hierro (ferritas) hacen que sea muy atractivo para ser combinado con tecnologías de energía solar concentrada, obteniendo así una forma totalmente limpia y renovable de obtener hidrógeno. Por todo ello, en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) han sido diseñados, construidos y probados dos prototipos de horno solar, para la producción de hidrógeno a través de ciclos termoquímicos principalmente basados en óxidos de hierro. El primer reactor, mostrado en la Figura1.(a), consta de una única cámara monolítica y un soporte de canales de carburo de silicio (SiC) con forma de panal de abeja dentro de un reactor-receptor solar. Dicho soporte es recubierto con ferrita en polvo, en una configuración similar a la del convertidor catalítico de los tubos de escape en los coches. Con esta configuración se consigue llevar a cabo todo el proceso de producción de hidrógeno en un único receptor-reactor solar, se reduce significativamente la temperatura del proceso y se minimiza la recombinación de O2 e H2 fijando el oxígeno en el óxido metálico. La dificultad que presenta esta instalación es que, a elevadas temperaturas, el óxido de hierro no es químicamente inerte al SiC. Sin embargo, no está muy claro dónde y por qué puede afectar este componente al desarrollo de la reacción.
Con el fin de disponer de un sistema semi-continuo con suministro continuo de hidrógeno, el DLR ha construido un segundo reactor que consta de dos canales separados con absorbedores en forma de panal de abeja en cada uno de ellos (Figura 1.(b)) [5]. De este modo, mientras en uno de los canales tiene lugar la reacción de disociación de la molécula de agua a unos800 ºC, en el otro canal el material está siendo regenerado a temperaturas de hasta1200 ºC. Los resultados experimentales obtenidos del reactor prototipo, así como las simulaciones realizadas con el modelo de reactor correspondiente, apoyan el desarrollo y verificación de una estrategia de proceso para la producción continua de hidrógeno a gran escala [6].
Figura 1. Reactor solar con (a) único soporte de canales de SiC en disposición de panal de abeja y (b) dos canales con absorbedores en forma de panal de abeja, construidos por DLR, Colonia, Alemania [6, 7].
[1] Bingjun, X.; Yashodan, B., Mark, E.D.; Low-temperature, manganese oxide-based, thermochemical water splitting cycle; www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1206407109 (2012).
[2] Montes, M.J.; Abánades, A.; Martínez-Val J.M.; Producción de hidrógeno a partir de energía solar. Centro de Ançalisis de Desarrollo Energético Sostenible FFII, grupo de termotecnia, ETSII-UPM, (2010).
[3] Kodama, T.; Nobuyuki, G.; Thermochemical Cycles for High-Temperature Solar Hydrogen Production; Chemical reviews (2007)
[4] Charvin, P.; Abanades, S.; Lemort, F.; Flamant,G.; Hydrogen Production by Three-Step Solar Thermochemical Cycles Using Hydroxides and Metal Oxide Systems; Energy and Fuels 21 (2007) 2919-2928.
[5] Xiao, L.; Wu, SY.; Li, YR.; Advances in solar hydrogen production via two-step water-splitting thermochemical cycles based on metal redox reactions; Renewable Energy 41 (2012).
[6] Roeb, M.; Neises, M.; Säck, J-P.; Rietbrock, P., Monnerie, N.; Dersch, J.; Operational strategy of a two- step thermochemical process for solar hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009).
[7] Roeb, M.; Sattler, C.; Klüser, R.; Monnerie, N.; Oliviera, L.; Konstandopoulos, AG.; Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides. Journal of Solar Energy Engineering 128 (2) (2006) 125-33.
