Captura de CO2 mediante separación criogénica
Autora: Rosalía Rodríguez- Universidad Rey Juan Carlos
Tras los procesos de combustión con aire de un combustible fósil (carbón, gas natural, etc.), el CO2 producido conjuntamente con el resto de los gases de escape a alta temperatura (principalmente nitrógeno proveniente del aire) debe separarse para reducir su emisión al medio ambiente, siendo este gas uno de los responsable del efecto invernadero. Para su captura posterior, entre los procesos más desarrollados se encuentran la absorción química con aminas y los ciclos de carbonatación-calcinación. Otros procesos serían la separación por membranas o la separación criogénica, que son procesos muy interesantes desde el punto de vista tecnológico aunque no están tan implantados a nivel industrial.
La separación criogénica consiste en que el CO2 se separa físicamente de la corriente de gas condensándolo a bajas temperaturas para producir CO2 líquido, listo para su almacenamiento. Esto se lleva a cabo en una serie de etapas de compresión, enfriamiento y expansión, en las cuales los componentes del gas se pueden separar en una posterior columna de destilación.
La principal ventaja de este proceso es que permite obtener directamente CO2 líquido facilitando considerablemente el transporte (barco) uno de los principales problemas que tienen las diversas etapas de captura y almacenamiento de CO2. Por el contrario, una de las desventajas más importantes que presenta esta tecnología es la gran cantidad de energía requerida para llevar a cabo el proceso. Además, otra de las desventajas sería la necesidad de retirar algunos de los componentes de las corrientes, como el agua, previamente a su enfriamiento, con el fin de evitar bloqueos en el sistema.
Por las desventajas mostradas, esta tecnología, aunque se plantea como procedimiento postcombustión, se utiliza sobre todo para separar las impurezas de una corriente de CO2 que ya se ha separado en una primera etapa y que posee alta pureza, normalmente valores superiores al 90%. Este es el caso de las corrientes obtenidas mediante la tecnología de captura denominada proceso de oxicombustión, donde se pueden obtener concentraciones de CO2 finales entre el 75-90%. Este procedimiento de separación criogénica no suele usarse para corrientes más diluidas.
En Australia, Air Liquide es socio del proyecto Callide Oxyfuel proporcionando dos Unidades de Separación del Aire y una Unidad de Purificación Criogénica (CPU) de CO2 para la tecnología de oxicombustión.
Europa ante un posible nuevo objetivo de reducción de emisiones
Un estudio realizado por Bloomberg New Energy Finance [1] ha evaluado el impacto que tendría un incremento del objetivo europeo de reducción de emisiones para el año 2020, considerando una subida de un 20 a un 30%. Esta medida permitiría una reducción del 21% de las emisiones de gases de efecto invernadero, que según este estudio llevaría asociado un coste inferior al 0.04% del PIB medio europeo, equivalente a unos 7-9€ por persona al año [2].
Autora: Laura Collado [Instituto IMDEA-Energía]
Según un estudio recientemente publicado por Bloomberg New Energy Finance [1], la Unión Europea podría hacer frente de forma más ambiciosa al objetivo de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) con un bajo coste económico asociado. En la actualidad, el paquete de medidas 20-20-20 establece un compromiso de reducción de emisiones de un 20% con respecto a los niveles del año 1990. Sin embargo, en los últimos años están surgiendo propuestas para que la Comisión Europea incremente este objetivo hasta un 30%. El debate surge en este punto ante la necesidad de una mayor reducción de las emisiones de GEI, pero también ante los costes que llevaría asociado este nuevo objetivo en el momento de recesión económica actual.
El estudio ha evaluado el impacto que tendría el establecimiento del objetivo del 30% a través de un modelo de reducción de costes que considera los mercados de carbono, las mejoras tecnológicas y el precio de la electricidad, entre otros. En el modelo se asume que cada Estado Miembro sólo se comprometería a la reducción de emisiones en los casos en los que el coste marginal de reducción fuera menor al coste de compra de permisos en otro estado. Si esta medida se llevara a cabo y el objetivo de reducción de emisiones se incrementase del 20 al 30%, el coste medio anual estimado según este estudio aumentaría aproximadamente un 15%, pasando de un total de 23.3 MM€ a 26.7 MM€. La mayor parte de los costes de reducción se centrarían en los sectores energético, transporte y construcción, y tan sólo equivaldrían a una pequeña proporción del PIB, siendo de un 0.21% para el objetivo 20% y de un 0.24% para el objetivo del 30%. La Tabla 1 muestra la reducción de emisiones de CO2 que se lograría para diferentes escenarios con distintos objetivos de reducción.
Tabla 1. Emisiones UE-27 y proyección del año 2020 según diferentes objetivos de reducción de emisiones. Fuente: Comisión Europea/ Bloomberg New Energy Finance.
En el modelo planteado, los quince Estados Miembros con mayor índice de bienestar sufragarían la mayoría de los costes asociados a alcanzar los objetivos, principalmente debido a la importación de créditos de carbono fuera de Europa y a la compra de los excedentes de derechos de emisión de otros países, mayoritariamente aquellos con PIB inferiores.
Así, Bloomberg New Energy Finance estima que si la implantación del objetivo del 30% se hiciera efectiva, las emisiones de gases de efecto invernadero en la UE27 para el año 2020 se reducirían en un 21% con respecto a los niveles de 1990, en comparación con la actual reducción del 13% prevista con el objetivo del 20%. El incremento del objetivo supondría un coste medio adicional de 3.5 MM€/año para el conjunto de la UE durante el periodo 2011-2020, equivalente a un 0.03-0.04% de la media del PIB europeo y equiparable según este estudio a un coste de 7-9€ por persona al año [2].
Fuentes:
[1] The cost of meeting a 30% emission reduction target in Europe, Bloomberg New Energy Finance White Paper, 2012.
[2] www.energiasrenovables.com
Electricidad y CO2 para generar combustibles
Investigadores de la Universidad de California han mostrado por primera vez un método integrado para convertir CO2 en combustible líquido (isobutanol) usando electricidad.
Autor: [R.M. Navarro – Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)]
La energía eléctrica generada por diferentes métodos renovables (hidráulica, eólica, fotovoltaica…) presenta la dificultad de su almacenamiento en los momentos en los que la producción sobrepasa la demanda. Los métodos de almacenamiento de electricidad actuales basados en baterías, bombeo hidráulico y electrolisis para producir hidrógeno tienen el inconveniente de su baja densidad y su baja eficiencia de almacenamiento.
Para superar estos inconvenientes, se ha presentado en la revista Science [1] un método alternativo de almacenamiento de electricidad basado en la producción de alcoholes líquidos. Esta forma de almacenamiento permite una elevada densidad de acumulación de electricidad en forma química (alcoholes) además de poder ser una vía para la utilización de la electricidad renovable en los sistemas de transporte sin modificar la infraestructura actual.
El nuevo método de almacenamiento propuesto se inspira en la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso de conversión de energía solar en energía química y su almacenamiento en forma de enlaces químicos en moléculas de azúcares. El proceso de fotosíntesis se desarrolla en dos fases, la fase luminosa, en la que la energía lumínica se transforma en energía química, y la fase oscura en la que se convierte el CO2 en azúcares.
Siguiendo el esquema de la fotosíntesis, los investigadores de la Universidad de California, proponen un método de almacenamiento (Figura 1) en el que usan paneles solares para la transformación de la luz solar en electricidad que es utilizada para generar electroquímicamente ácido fórmico (simulando la fase luminosa de la fotosíntesis) y después utilizar este ácido fórmico para fijar el CO2 en forma de isobutanol y otros alcoholes usando microorganismos (fase oscura fotosíntesis).
Figura 1- Método integrado de almacenamiento de energía solar en alcoholes
El microorganismo utilizado en el proceso requiere poseer elevada selectividad para la producción de alcoholes así como estabilidad al crecimiento en un medio con corriente eléctrica. El microorganismo desarrollado por los autores del estudio es la Ralstonia eutropha H16 modificada genéticamente para producir isobutanol y 3-metil-1-butanol. Utilizando esta aproximación los autores alcanzan una producción superior a los 140 mg/l de alcoholes usando electricidad y CO2 como únicas fuentes de energía y carbón.
El estudio publicado es el primero que permite la conversión de CO2 en alcoholes líquidos usando electricidad lo que lo convierte en una interesante opción para el almacenamiento químico de la electricidad. Adicionalmente también abre una interesante puerta en el campo de la valorización química del CO2 de importancia en la lucha contra el cambio climático así como en los procesos de bio-refinería.
Más información
“Integrated electromicrobial conversion of CO2 to higher alcohols”, H. Li et al, Science, March 2012, vol 335 1596
Figura 1- Método integrado de almacenamiento de energía solar en alcoholes
El microorganismo utilizado en el proceso requiere poseer elevada selectividad para la producción de alcoholes así como estabilidad al crecimiento en un medio con corriente eléctrica. El microorganismo desarrollado por los autores del estudio es la Ralstonia eutropha H16 modificada genéticamente para producir isobutanol y 3-metil-1-butanol. Utilizando esta aproximación los autores alcanzan una producción superior a los 140 mg/l de alcoholes usando electricidad y CO2 como únicas fuentes de energía y carbón.
El estudio publicado es el primero que permite la conversión de CO2 en alcoholes líquidos usando electricidad lo que lo convierte en una interesante opción para el almacenamiento químico de la electricidad. Adicionalmente también abre una interesante puerta en el campo de la valorización química del CO2 de importancia en la lucha contra el cambio climático así como en los procesos de bio-refinería.
Más información
“Integrated electromicrobial conversion of CO2 to higher alcohols”, H. Li et al, Science, March 2012, vol 335 1596
Aprobada la orden de apoyo a la producción de biodiesel europeo
El pasado 21 de abril se publicó en el BOE la Orden IET/822/2012 por la que se regula la asignación de cantidades de producción de biodiesel para el cómputo del cumplimiento de los objetivos obligatorios de los biocarburantes.
Autor: [José Miguel Oliva -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]
En esta orden se regula el procedimiento de asignación de cantidades de producción de biodiesel apto para el cómputo del cumplimiento de los objetivos obligatorios de biocarburantes para un periodo de dos años, asignación que podrá ser prorrogada por otros dos años.
Así, para la certificación de una cantidad de biocarburante se deberá acreditar previamente que el biodiesel ha sido producido en su totalidad en plantas con cantidad asignada y no podrán certificarse cantidades producidas en una misma planta por encima de la cantidad anual que le haya sido asignada.
La cantidad anual máxima de producción asignada a cada planta es de 5 millones de toneladas al año y se determinará en función de los siguientes criterios: protección del medio ambiente, garantía de suministro, seguridad de abastecimiento del mercado petrolero, capacidad productiva anual de biodiésel debidamente auditada y viabilidad económica-financiera de la planta.
La aprobación definitiva de esta orden, redactada desde junio de 2011, se adivinaba como una de las medidas que impulsaría el ejecutivo español como respuesta a la expropiación de Repsol YPF por parte del Gobierno argentino. Uno de los primeros en reaccionar a esta aprobación ha sido Alfonso Ausín, presidente de la sección de Biocarburantes de la Asociación de Productores de Energías Renovables (APPA), el cual ha declarado: “La puesta en marcha de esta normativa permitirá a la industria española volver a la actividad en unas condiciones de competencia justa y leal, que venía reclamando desde hace años”. Y es que hay que recordar que Argentina se ha convertido en los últimos años en el principal exportador de biodiésel a España, favorecido por unos impuestos a la producción y exportación que benefician la salida del producto elaborado frente a la materia prima, soja principalmente. Se estima que durante 2011 el 75% del biodiésel consumido en España procedió de Argentina e Indonesia y que el valor de las importaciones desde Argentina asciende a 750 millones de euros. De esta forma la tendencia de la importación del producto elaborado acabará tras la entrada en vigor de la orden, ya que como se ha comentado anteriormente, no admite que se certifiquen dentro de la obligación de biocarburantes los procedentes de plantas que no tienen cuota asignada.
Por otro lado recordar que la capacidad de producción de biodiesel instalada en España es de 4,5 millones, aunque la producción en 2011 estuvo por debajo de las 650.000 toneladas, un 14% con respecto a esa capacidad.
Fuente: www.energias-renovables.com; www.boe.es
Pilas de combustible para aplicaciones de transporte: Evolución tecnológica y perspectivas
Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de convertir de forma directa la energía química almacenada en un combustible, en electricidad, calor y agua.
[Autora: Carmen García Gonzalo-INTA]
Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de convertir de forma directa la energía química almacenada en un combustible, en electricidad, calor y agua. Esta transformación utiliza directamente la energía libre disponible en el combustible a su temperatura de operación y no está limitada por el ciclo de Carnot, alcanzándose en la práctica valores entre el 40% o 60%, consiguiendo así un mejor aprovechamiento de los combustibles.
El uso de pilas de combustible es poco contaminante ya que reduce las emisiones de dióxido de carbono (debido a la mejora de rendimiento) y además presenta una reducción drástica de emisiones de otros contaminantes (CO, óxidos de nitrógeno, partículas, etc.). Son modulares y silenciosas, no producen ruido ni vibraciones, y versátiles en cuanto al combustible utilizado.
Generalmente el combustible utilizado es el hidrógeno, que puede obtenerse a través de la electrólisis del agua mediante energías renovables o partir de biocombustibles, hidrocarburos o alcoholes mediante un proceso de reformado. El comburente u oxidante es siempre el oxígeno, a veces puro y casi siempre mezclado con nitrógeno (aire).
En los procesos convencionales, la energía química del combustible se transforma en primer lugar en energía térmica de un fluido, posteriormente en energía mecánica de un eje (turbina o motor) y finalmente en energía eléctrica. En las pilas, se pasa directamente de energía química a eléctrica sin las conversiones intermedias de energía térmica y mecánica. Además, el combustible y oxidante no reaccionan en un proceso rápido de combustión sino que reaccionan por etapas en electrodos separados, cátodo y ánodo. Un electrolito separa estos dos electrodos y la velocidad de reacción queda limitada por el tiempo que tardan las especies en difundirse entre los electrodos a través del electrolito y por la cinética de la reacción.
Aunque una pila de combustible tiene componentes y características similares a los de una batería típica, se diferencian en algunos aspectos. En una batería, la máxima energía disponible esta determinada por la cantidad de reactante químico almacenado dentro de la propia batería, por lo que ésta dejará de producir energía eléctrica cuando se consuman los reactantes químicos, es decir, cuando se descargue. Estos reactantes se pueden regenerar cuando la tecnología es recargable, lo cual supone introducir energía en la misma, mediante una fuente externa. A diferencia de las baterías, que son un dispositivo de almacenamiento de energía, las pilas de combustible no se agotan ni requieren recarga, sino que producen energía en forma de electricidad y calor mientras se les suministre combustible. Por tanto, son dispositivos de conversión de energía que teóricamente tienen la capacidad de producir energía eléctrica indefinidamente mientras se les suministre combustible y oxidante a los electrodos. No obstante, en la práctica, la degradación, corrosión, o mal funcionamiento de los componentes, limitan la vida práctica de operación de las mismas.
Se esta realizando un importante esfuerzo en I+D en el ámbito de las pilas de combustible. Siendo la reducción de costes y el incremento de fiabilidad de los equipos los principales objetivos. Actualmente la tecnología de membrana de intercambio protónico (PEMFC), es una de las más desarrolladas dentro del campo de las pilas de combustible. Estas pilas pueden operar a relativamente bajas temperaturas (por debajo de 1000 C), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su potencia de salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de carga y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, como en el caso de las aplicaciones de transporte.
El electrolito en esta pila es una membrana de intercambio iónico (polímero de ácido sulfónico fluorado y otros polímeros similares) que es un excelente conductor de protones, en la actualidad fundamentalmente, se utiliza la membrana de Nafion® (DuPont). El único líquido en esta pila es agua; de este modo, los problemas de corrosión son mínimos. Los electrodos, ánodo y cátodo, son porosos para facilitar la difusión de los gases hacia zonas activas donde se encuentra el catalizador disperso soportado sobre carbón, este material catalizador esta basado en el platino y otras aleaciones metálicas. Aunque el catalizador más usado es el platino ya que se logra una mayor eficiencia, se están realizando esfuerzos a nivel de investigación y desarrollo para lograr disminuir el contenido de este catalizador con objeto de disminuir los costes globales de esta tecnología. A este respecto, cabe indicar que la carga de Pt ha disminuido desde un contenido de 1mg Pt/cm2 a 0.2 mg Pt/ cm2 entre los años 2000 y 2010.
A continuación, se muestra un gráfico en el que se refleja la disminución del contenido de Pt en esta tecnología en función de los años.
Comparativa anual del contenido total de Pt en stacks de pila de combustible (PEM)
Fuente: DoE (USA)
En términos de componentes, hay tres principales áreas en las que se concentra la investigación y el desarrollo, como son: el apilamiento de celdas en el stack, el procesado de combustible y el sistema de acondicionamiento de potencia.
En relación al stack, las pilas de baja temperatura, particularmente la tecnología PEMFC, necesitan reducir costes, disminuir la cantidad de platino como catalizador, y optimizar el stack para la operación con combustibles reformados, así como, desarrollar membranas de alta temperatura, que reduzcan la carga del Pt como catalizador ya que con la temperatura, la cinética de reacción aumenta y se evita la presencia de agua en fase líquida formada en el cátodo con la consiguiente reducción de pérdidas por transferencia de masa, lo cual permitirá la operación en condiciones más favorables respecto a la eficiencia y tolerancia al monóxido de carbono.
Cuando la pila no se alimenta directamente con hidrógeno puro, el procesado del combustible utilizado, fundamentalmente se realiza a través de un proceso de reformado del mismo, siendo este un elemento crítico en esta tecnología, ya que representa un componente decisivo del coste total del sistema y tiene una influencia muy importante sobre su eficiencia. Los combustibles principales utilizados son el gas natural y el metanol, pero para acceder a otros segmentos de mercado como es el trasporte, se necesita además la posibilidad de utilizar otros combustibles como la gasolina y el gasóleo. Se requiere además desarrollar sistemas de bajo coste, fiables, y que puedan ser fácilmente integrados.
Los avances en la electrónica del acondicionador de potencia, a su vez, beneficiarán a las pilas a través de la disminución de pérdidas y la reducción de costes de los conversores de potencia.
La mayor parte de la investigación que se está llevando a cabo en este tipo de componentes por diferentes centros de investigación y compañías privadas de todo el mundo, fundamentalmente de la industria del automóvil, tienen como principal aplicación el área del transporte, tratando de convertir la ineficiente y altamente contaminante industria actual del petróleo en una mucho más sostenible y a la vez respetuosa con el medio ambiente. Con este tipo de planteamiento las pilas de combustible pueden jugar un papel muy importante debido a que son capaces de proporcionar una potencia eléctrica libre de contaminantes, con un alto rendimiento y de una manera silenciosa. De igual modo, la utilización de las pilas de combustible conjuntamente con el hidrógeno resulta más eficiente que la utilización del hidrógeno en motores de combustión interna similares a los actuales.
La tecnología de pila de combustible de membrana polimérica PEMFC es, la que más esfuerzo en inversiones está recibiendo a nivel internacional. Sin embargo, existen una serie de dificultades técnicas y económicas que es necesario resolver antes de su comercialización masiva como son la disminución de costes, el incremento de la durabilidad y la mejora de las prestaciones específicas. El otro gran problema de las pilas PEMFC está relacionado con la infraestructura necesaria para la producción y almacenamiento del hidrógeno.
A nivel internacional, los principales polos de desarrollo se encuentran en Norteamérica, Japón y Europa. La tendencia parece indicar que Norteamérica –EEUU y Canadá- están más avanzados en el desarrollo de pilas y sistemas para automoción y aplicaciones estacionarias (generación distribuida), y Japón en el desarrollo de pilas para aplicaciones portátiles y de microelectrónica (teléfonos móviles, PDAs, ordenadores portátiles).
Funcionalización superficial de nanotubos de carbono mediante enlace covalente para supercondensadores electroquímicos de alta densidad de energía
Desde su descubrimiento, los nanotubos de carbono han atraído la atención de los científicos de todo el mundo. Este extraordinario interés proviene de sus extraordinarias propiedades estructurales, mecánicas y electrónicas, que hace a estos materiales atractivos para su uso en múltiples aplicaciones. Aunque los nanotubos de carbono son químicamente inertes, su funcionalización les hace adquirir propiedades físicoquímicas adicionales.
Autora: [Süheda ISIKLI. Instituto IMDEA Energía]
Los nanotubos de carbon (CNTs) son estructuras cilíndricas con un radio que puede ser de solo unos pocos nanómetros y una longitud que puede ser de hasta 20 cm. Los CNTs se pueden ver como una lámina de grafeno enrollada, formando los llamados nanotubos de pared sencilla (SWNTs, Fig.1a). Si hay más de una lámina de grafeno enrollada en el mismo tubo se forman los llamados nanotubos de pared múltiple (MWNTs, Fig.1b), que incluyen los de doble pared (DWNTs) (Fig.1c)1.
Fig. 1. (a): SWNTs con diferentes helicidades, (b): MWNT, and (c): DWNT1
Los nanotubos de carbono pueden ser metálicos o semiconductores lo que, junto a sus propiedades mecánicas y estructurales, los hacen especialmente atractivos. Su poca reactividad química también es atractiva para muchas aplicaciones, pero la posibilidad de su funcionalización química y las propiedades y aplicaciones que se derivan de la misma (almacenamiento de hidrógeno, almacenamiento y conversión de energía, etc) hace de este un campo muy importante de la química actual.
En almacenamiento de energía el uso de diferentes tipos de CNTs permite el desarrollo de diferentes clases de supercondensadores. Por ejemplo, los nanotubos de por sí ya se han usado como electrodos en supercondensadores de doble capa electroquímica, mientras que nanotubos modificados con, por ejemplo, ciertos polímeros u óxidos metálicos se pueden usar en pseudocondensadores.
En los supercondensadores de doble capa electroquímica la energía se almacena por atracción electrostática, lo que hace que las densidades de potencia y los ciclos de vida de estos dispositivos sean muy altos. La buena conductividad eléctrica y la alta área superficial de los CNTs los hace muy prometedores como materiales de electrodo de estos dispositivos.
En los pseudocondensadores la energía se almacena por reacciones electroquímicas de oxidación y reducción, por lo que son dispositivos que tienen mayores densidades de energía. Los nanotubos modificados o funcionalizados con compuestos electroquímicamente activos son unos materiales de electrodo muy prometedores para estos dispositivos.
Para optimizar los CNTs usados en los pseudocondensadores es necesario encontrar un método químico de funcionalización adecuado. Los métodos sin enlace covalente entre el CNT y el compuesto que lo modifica2 son menos adecuados que aquellos que forman un enlace covalente, como puede ser una oxidación química3 o una reducción de sales de diazonio aromáticas4. Este último método tiene la ventaja adicional de que los grupos funcionales añadidos a los CNTs pueden usarse en otras reacciones químicas, como por ejemplo para la adición de diferentes moléculas5.
Sin embargo ninguno de los métodos de funcionalización de los CNTs desarrollados hasta ahora son suficientemente adecuados, lo que hace de éste uno de los campos de más interés en la química de materiales, ya que repercutiría no solo en mejores supercondensadores sino en la posible viabilidad de todo un abanico de aplicaciones para los nanotubos.
- Harris, P.F. (1999). Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials for the Twenty-first Century, Cambridge University Press: Cambridge.
- N. Karousis, N. Tagmatarchis, Chem. Rev. 110 (2010) 5366.
- W. Xia, C. Jin, S. Kundu, M. Muhler, Carbon 47 (2009) 919
- P. Abiman, G.G. Wildgoose, R.G. Compton, Int. J. Electrochem. Sci. 3 (2008)
104.
5. Ghanem.A,M.Kocak,I.Mayouf,A.Alhosan,M.Bartlett,P, Electroquimica Acta, (2012) 74– 80
Células Solares Esféricas
Las nuevas células solares con forma esférica, desarrolladas en Japón líder en tecnología fotovoltaica, podrían suponer una importante revolución en los campos de aplicación de la energía solar fotovoltaica, así como en la expansión a otros campos.
[Mª Belén Gómez Mancebo – CIEMAT]
Uno de los problemas que tienen las placas solares es que son planas. Debido a eso, sólo recogen energía del sol mientras están en el ángulo correcto al menos que estén montados en sistemas de seguimiento motorizados, que por supuesto engullen parte de la energía que las células están produciendo. Pero la compañía nipona Kyosemi ha creado unas novedosas células solares semiesféricas que son capaces de cosechar la luz desde prácticamente cualquier ángulo y con un tamaño inferior al de las células tradicionales pasando de los 72 mm a 1-1.5 mm.
Sphelar, que así se llama el nuevo producto, es una matriz de pequeñas celdas solares, esféricas que están diseñadas para absorber la luz solar desde cualquier ángulo. El diseño y la geometría de las células Sphelar se traduce en el aprovechamiento de la luz reflejada y la indirecta. También van montadas en una base semiesférica, lo que aumenta su capacidad de captar energía a su alrededor. Así es posible cosechar luz tanto por las mañanas como por las tardes, aumentando la energía total que se puede conseguir. Este diseño hace innecesario el movimiento de la base, lo que simplifica la instalación y ahorra costes, al prescindir del motor necesario para moverla.
Otra ventaja es que se reduce la superficie ocupada por las celdas. Este hecho amplía el campo de aplicaciones para la energía solar fotovoltaica, con la posibilidad de incorporarlas en pequeños aparatos electrónicos o convertir grandes superficies acristaladas como generadores de electricidad, también resulta muy interesante para las instalaciones en hogares. Su aplicación en España permitiría reducir el impacto visual, especialmente en grandes ciudades y zonas de interés turístico.
El diseño y la geometría de las células Sphelar hacen que la conversión de energía se acerca al 20% de eficiencia, mayor que la de tecnologías fotovoltaicas tradicionales. Según la empresa, los costes de producción se reducen a la mitad, comparándolo con la fabricación de las células de silicio convencionales, ya que el silicio empleado se aprovecha eficientemente tanto en la fabricación de las células como en la producción posterior de energía.
Quizás así, con avances como este que atraerán a más usuarios, podamos dar el salto a las energías renovables en lugar de seguir anclados en antiguas fuentes energéticas.
De importadores de petróleo a exportadores de Sol
[Autora: Loreto Pazos Bazán-INTA]
Para salir de la recesión en la que estamos inmersos necesitamos que nuestra economía sea competitiva y crezca. Necesitamos producir bienes para los que exista demanda, utilizando recursos propios, que otros no tengan. Este recurso puede ser “EL SOL ESPAÑOL”, que además de servir como reclamo para el turismo, es un recurso que puede promover una industria capaz de crear miles de puestos de trabajo.
A finales del 2011, la potencia eléctrica instalada en España era de unos 106 GW.
El día de máxima demanda se necesitaron 44 GW.
El seguir invirtiendo en energías renovables, a pesar de que la cobertura de nuestra punta máxima de demanda esté sobrepasada, está justificado en base a la necesidad de ir sustituyendo el gas natural por este tipo de energías, para poder cumplir con los compromisos de la Directiva Europea 20-20-20.
Pero además, tenemos la ocasión de aprovechar la oportunidad que ofrece Alemania tras su decisión de abandonar su programa nuclear y aprobar una ley, en la que establece unos ambiciosos objetivos para el uso de energías renovables, fijando un 80 por ciento para el 2050.
España es el país de Europa con el mayor nivel de irradiación solar, así que una parte de la energía que necesita Alemania podría proceder de la energía termosolar o eólica producida aquí. Nuestro país ofrece una cercanía a los mercados de consumo y una seguridad jurídica, garantizada por la normativa comunitaria, mayores que las que ofrecen los países del norte de África.
Así pues, el sector de la Energía Renovable puede convertirse en el nuevo motor de la economía española. Nuestro saldo exportador de energía eléctrica, que a día de hoy se sitúa en unos 6.105 GWh, podría incrementarse considerablemente en el futuro si seguimos apostando por la energía renovable.
Esto nos proporcionaría:
Independencia energética y seguridad de suministro. Un corte en el suministro de gas natural por parte de nuestro principal proveedor, Argelia, representaría una pérdida del 0.03% del PIB de España en 2010, y de hasta un 1% si el corte se prolongase a 39 días. Esto nos da idea del riesgo al que está sometida nuestra economía y la capacidad limitada de reacción ante una situación como la descrita. Por otro lado estamos continuamente expuestos al aumento de precio de este combustible, que además se prevé que continúe creciendo en los próximos años. El reducir las importaciones de combustibles permitiría una mejora de nuestra balanza de pagos, ya que el 50% de nuestro déficit comercial proviene de las importaciones de combustibles y materias fósiles.
Innovación. En algunas de estas tecnologías, nuestra industria se encuentra a la vanguardia mundial con empresas líderes a escala global. Se prevé que el desarrollo de la tecnología solar termoeléctrica sea muy importante en nuestro país, identificándose oportunidades de exportación de equipos y conocimiento a otros mercados, principalmente Estados Unidos.
Creación de riqueza y empleo de calidad de forma directa e indirecta, ya que permite el desarrollo de industrias auxiliares de componentes y servicios que complementan toda la cadena de valor de la producción.
Contención de la contaminación: como puede observarse en las siguientes gráficas, la reducción de emisiones de CO2 , se ha visto muy favorecida por la evolución de las energías renovables.
Por todo ello, la energía proveniente del Sol ofrece la posibilidad de conseguir un nuevo modelo de desarrollo económico, social y ambientalmente sostenible.
Fuentes:
IDEA. Estudio técnico PER 2011-2020 “Impacto económico de las energías renovables en el sistema productivo español”.
REE. “El sistema eléctrico español. Avance del informe 2011”.
Por todo ello, la energía proveniente del Sol ofrece la posibilidad de conseguir un nuevo modelo de desarrollo económico, social y ambientalmente sostenible.
Fuentes:
IDEA. Estudio técnico PER 2011-2020 “Impacto económico de las energías renovables en el sistema productivo español”.
REE. “El sistema eléctrico español. Avance del informe 2011”.
Producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos: CoFe2O4/Al2O3
[Autores: Carolina Herradón y Raúl Molina-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]
En la actualidad, la mayor parte de la energía que se produce en el mundo proviene de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) por lo que existe una fuerte dependencia de éstos como fuentes de energía. Sin embargo, los problemas de contaminación ambiental asociados a su combustión y el progresivo agotamiento de las reservas mundiales, así como su localización en zonas geográficas de elevada inestabilidad política y social, han provocado que la atención de los investigadores se desvíe hacia la búsqueda de otros recursos energéticos alternativos.
En esta línea, el hidrógeno se presenta como una opción muy prometedora al resultar un vector energético alternativo y potencialmente sustituto de los combustibles fósiles, en las próximas décadas, ya que no tiene impacto sobre el medio ambiente, sobre todo si se obtiene por un método limpio (renovable y sostenible), como por ejemplo a partir de agua y energía solar [1].
La disociación de la molécula de agua a través de energía solar térmica para producir hidrógeno es una tecnología particularmente prometedora ya que las máximas eficiencias teóricas del sistema se encuentran entre el 65 y el 80 %. Sin embargo, se trata de una reacción muy endotérmica que se encuentra favorecida a temperaturas superiores a 4500 K, lo cual dificulta el proceso por la incapacidad de los materiales de soportar dichas temperaturas y porque, en estas condiciones, el H2 y O2 pueden recombinarse o dar lugar a mezclas explosivas si no se separan e forma adecuada.
Una alternativa a la termólisis directa del agua es la disociación de dicha molécula por medio de ciclos termoquímicos. Ferritas de tipo MxFe3-xO4 (donde M es generalmente Co, Ni, Mn, Zn o Fe) han mostrado la capacidad de disociar la molécula de agua para generar hidrógeno empleando la energía solar térmica según las reacciones redox que se muestran a continuación.
MxFe3-xO4 + Energía solar térmica → x MO + (3-x) FeO + 0,5 O2 (1)
x MO + (3-x) FeO + 0,5 O2 → MxFe3-xO4 + H2 (2)
La ferrita es térmicamente reducida en una primera etapa a elevada temperatura (1400-1600 °C) en la que se libera oxígeno. En la segunda etapa, a menor temperatura (900-1100 °C), la ferrita reducida reacciona con vapor de agua para generar H2 y re-oxidar la ferrita a su estado de partida. De esta forma, las entradas netas del sistema serían H2O y energía solar térmica, mientras que los únicos productos que saldrían del sistema serían H2 y O2. Este proceso es ventajoso respecto a la disociación directa del agua porque opera a menores temperaturas y además H2 y O2 se generan en etapas separadas por lo que desaparece la necesidad de separar los productos gaseosos a elevada temperatura.
Estos ciclos han sido estudiados empleando el material en polvo. Sin embargo se ha observado que el material en polvo no es apropiado para cerrar el ciclo debido a la sinterización que tiene lugar cuando se trabaja a tan elevada temperatura, la cual da lugar a una pérdida de área superficial. Como consecuencia, se han empleado técnicas de síntesis en las que las ferritas son depositadas sobre sustratos como ZrO2 [2-4], YSZ [3,4] y SiC [5,6], con la idea de que el área superficial se mantenga constante a lo largo del ciclo a elevada temperatura.
En 2010, Weimer y col. [7], probaron el funcionamiento de una ferrita de cobalto depositada sobre Al2O3 en un nuevo ciclo termoquímico de dos etapas para la disociación de la molécula de agua (reacciones 3 y 4):
CoFe2O4 + 3 Al2O3 + Energía térmica → CoAl2O4 + 2 FeAl2O4 + 0,5 O2 (3)
CoAl2O4 + 2 FeAl2O4 + H2O→ CoFe2O4 + 3 Al2O3 + H2 (4)
En este trabajo, se pudo ver que la ferrita de cobalto depositada sobre Al2O3 presenta una baja descomposición a temperaturas entre 200300 °C, en comparación con la ferrita en polvo obtenida por co-precipitación, lo cual es consecuencia de la formación de la especie FeAl2O4. Además se generó hidrógeno a partir de temperaturas de operación de 1200 °C, mientras que a estas temperaturas no se obtuvo nada de hidrógeno cuando el material empleado era ferrita en polvo. De hecho, empleando CoFe2O4 en polvo no se generó hidrógeno hasta 1400 °C. Además el material CoFe2O4/ Al2O3 se pudo ciclar realizando la reducción a 1200 °C y la oxidación a 1000 °C sin cambios significativos en la conversión de hidrógeno [7] lo que supone una clara ventaja frente a los de ciclos termoquímicos de ferrita tradicionales.
[1] Perkins, C.; Weimer, A.W.; “Likely near-term solar-thermal water splitting technologies”. International Journal of Hydrogen Energy 2004; 29: 1587.
[2] Miller J.E., Allendorf M.D., Diver R.B., Evans L.R., Siegel N.P., Stuecker J.N.; “Metal oxide composites and structures for ultra- high temperature solar thermochemical cycles”. Journal of Materials Science 2008; 4714.
[3] Gokon N., Murayama H., Nagasaki A., Kodama T.; “Thermochemical two-step water splitting cycles by monoclinic ZrO2-supported NiFe2O4 and Fe3O4 powders and ceramic foam devices”. Solar Energy 2009; 83: 527.
[4] Kodama T., Nakamuro Y., Mizuno T.; “A two-step thermochemical water splitting by iron-oxide on stabilized zirconia”. Journal of Solar Energy Engineering 2006; 128: 3.
[5] Alvani C., La Barbera A., Ennas G., Padella F., Varsano F.; “Hydrogen production by using manganese ferrite: evidences and benefits of a multi-step reaction mechanism”. International Journal of Hydrogen Energy 2006; 31: 2217.
[6] Roeb M., Sattler C., Kluser R., Monnerie N., de Oliveira L., Konstandopoulos A.G., et al.; “Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides”. Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the Asme 2006; 128: 125.
[7] Scheffe, J.R., Li, J., Weimer, A.W.; “A spinel ferrite/hercynite water-splitting redox cycle”. International Journal of Hydrogen Energy 2010; 35: 3333.
Conferencia Bio-refinerías 2012
Durante los días 28 de Febrero a 1 de Marzo se ha celebrado en Copenhague la Conferencia “Advanced Biofuels in a Biorefinery Approach”, donde se han presentado los últimos desarrollos en la tecnología de producción de biocombustibles avanzados y bio-refinería, con especial atención en la integración de la tecnología, biología e infraestructuras.
Autora: [María José Negro -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]
La conferencia ha estado organizada por la Universidad de Copenhague (Dinamarca) y el Bio4Bio (Centro para el desarrollo y aplicación de la Biotecnología para la Bioenergía). En la Conferencia han participado más de 220 investigadores pertenecientes tanto del sector público como privado, e industrias especializadas en la innovación, de reconocido prestigio a nivel mundial en el tema de la utilización de biomasa para la producción de combustibles renovables y otros productos de interés en la industria química. Se han presentado los últimos desarrollos en biocombustibles avanzados y en tecnologías de producción de etanol, con especial énfasis en la biología y la biotecnología, la integración de tecnologías y la distribución y comercialización. Asimismo, la Conferencia ha contado con una sesión especialmente dedicada a la presentación de los últimos avances en dos redes de Bioenergía de la Agencia Internacional de la Energía (IEA), la tarea 39 (Comercialización de biocombustibles líquidos procedentes de la biomasa) y la tarea 42 (Bio-refinerías).
Durante la conferencia se ha tenido la oportunidad de visitar dos compañías relacionadas con el tema de producción de etanol: la planta de demostración de la empresa Inbicon, localizada en las instalaciones de DONG Energy, y la planta de producción de enzimas de la compañía Novozymes. Ambas instalaciones están localizadas en Kalundborg (Dinamarca).
Investigadores de la Unidad de Biocarburantes de Ciemat y de la Unidad de procesos biotecnológicos para la producción de energía del IMDEA han participado en la conferencia mediante la presentación de dos comunicaciones cuyos títulos son: “Second-generation etanol production from olive tree pruning” y “Laccase detoxification of steam-exploded wheat straw for etanol production by SSF process with the thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus”.
