La Reducción de Costes en las Centrales Termosolares


Autor: Eduardo Zarza-PSA-CIEMAT

Con el fin de evitar posibles confusiones en el lector no especializado en estas tecnologías, parece oportuno empezar aclarando la diferencia fundamental existente entre las centrales fotovoltaicas y las centrales termosolares. Su principal diferencia es que mientras en las centrales fotovoltaicas la radiación solar es utilizada para generar electricidad directamente en las placas o módulos fotovoltaicos, en las centrales termosolares la radiación solar es primeramente concentrada y convertida en energía térmica, usando posteriormente dicha energía térmica para producir electricidad a partir de un ciclo termodinámico. Así pues, en una central termosolar la radiación solar es previamente convertida en energía térmica. En esta doble conversión, primero a energía térmica y después en electricidad, radica en buena medida la mayor complejidad de las centrales termosolares si se comparan con las centrales fotovoltaicas.

A principios del año 2016 existían en el Mundo centrales termosolares en operación rutinaria con una potencia total instalada cercana a los 5 GWe, mientras que los proyectos en construcción o promoción suponían una potencia total similar. Teniendo en cuenta el tiempo medio de construcción de una central termosolar comercial (unos 2 años, dependiendo de su tamaño), esto indica que la potencia total instalada para finales del año 2018 será del orden de 10 GWe.

La rapidez con la que aumentará en los próximos años la potencia total instalada de centrales termosolares, depende en gran medida de hasta qué nivel se logre reducir el coste de la electricidad de origen termosolar. Aunque es cierto que en los últimos años ya se ha conseguido una importante reducción de costes, y buena prueba de ello es el precio medio del PPA de las centrales NOOR-II y III que actualmente se están construyendo en Marruecos (150€/MWh), debemos tener presente los bajísimos costes que presenta ya hoy en día la electricidad de origen fotovoltaico. Hace solamente unas semanas se anunciaba la planta fotovoltaica que ha sido adjudicada por la Dubai Electricity and Water Authority (DEWA) a la oferta presentada por la empresa ACWA Power, con un precio inferior a los 30 €/MWh, para la próxima planta fotovoltaica del parque solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum. Este precio es tan solo el 20% del PPA de las plantas NOOR-II y III. Aunque es cierta la ventaja innegable que representa la gestionabilidad (capacidad de producir electricidad cuando no hay radiación solar) de las centrales termosolares, gracias a sus sistemas de almacenamiento térmico, así como su gran impacto dinamizador en la economía de la zona donde se instala una central termosolar, no es posible compensar hoy en día con estas ventajas esta gran diferencia en el coste del kWh producido. Es por este motivo que el principal reto con el que se encuentran actualmente las centrales termosolares es la necesidad de conseguir con rapidez una importante reducción de costes.

La figura siguiente muestra el proceso y los elementos que intervienen en la reducción de costes de las centrales termosolares. De todos los que intervienen en el proceso, el despliegue comercial (instalación de nuevas centrales termosolares) es el que juega un papel más importante, pues es precisamente dicho despliegue el que permite al sector adquirir la experiencia y el conocimiento práctico necesario para desarrollar su curva de aprendizaje. Sin despliegue comercial, la experiencia y el conocimiento acumulado por la industria desaparece, al verse obligadas las empresas a trabajar en otros campos donde haya actividad comercial. Sin despliegue comercial, son los centros de I+D los que mantienen el germen de la tecnología, promoviendo mejoras y avances que tardan en tener un repercusión importante en el coste, pues sin despliegue comercial dichas mejoras no pueden implementarse, salvo las directamente relacionadas con la operación y mantenimiento de las centrales ya existentes.

 

Como se muestra en la figura, la curva de aprendizaje influye en la reducción de costes mediante tres mecanismos diferentes:

  1. Implantando directamente en las nuevas centrales aquellos resultados y conocimiento fruto de la experiencia con las centrales existentes y que no necesitan un desarrollo adicional. Ejemplos de esta vía son las mejoras en los procedimientos de operación y mantenimiento que son fruto de la operación y mantenimiento de las centra existentes. Otro ejemplo son las mejoras en los procedimientos de ensamblaje de los concentradores solares, detectadas durante el montaje de centrales anteriores
  2. Introduciendo en los procesos de escalado la experiencia previa obtenida con elementos de menor tamaño. En las centrales termosolares que se están construyendo actualmente se ha puesto de manifiesto lo beneficioso que resulta, desde el punto de vista de la reducción de costes, un aumento del tamaño de las centrales, así como de los propios concentradores solares. Este aumento de tamaño debe hacerse siempre basándose en la experiencia previa con centrales y elementos de menor tamaño, evitando dar saltos excesivamente grandes. En el proceso de escalado hay que ser muy cautelosos para no pasar por alto efectos secundarios adversos que pudiera tener el aumento de tamaño. Un ejemplo de esto es el aumento de tamaño de campos de captadores cilindroparabólicos, en los que al aumentar el tamaño también se aumentan las dificultades de control hidráulico del campo para mantener un caudal lo más uniforme posible en todas las filas de captadores que componen el campo solar. También debe tenerse en cuenta a la hora de aumentar de tamaño los receptores centrales la mayor complejidad del control de dicho receptor, tanto en lo relacionado con el perfil de flujo de radiación sobre el mismo, como con el control del caudal en los diversos paneles que componen el receptor.
  3. Sirviendo de base para las actividades de I+D. Cualquier nuevo desarrollo o innovación debe basarse en la experiencia previa, pues de lo contrario sería como construir una casa exenta de cimentación. En esta vía, es necesaria una fructífera colaboración entre el sector industrial, aportando su experiencia, y los centros de I+D aportando sus instalaciones experimentales y sus conocimientos científico-técnicos..

 

Analizando globalmente el gráfico de la figura, y teniendo en cuenta que ya hoy en día se ha realizado un proceso de escalado importante, construyendo centrales termosolares de incluso más de 200 MWe de potencia unitaria, y desarrollando heliostatos de más de 150m2 y captadores cilindroparabólicos con un área de captación superior a los 2000 m2, parece que la mayor reducción de costes puede alcanzarse mediante dos vías principalmente:

  1. con nuevos desarrollos que sean fruto de proyectos de I+D+i (nuevos fluidos de trabajo, nuevos ciclos de potencia, nuevos reflectores con menos requerimientos de lavado, nueva turbomaquinaria especialmente diseñada para los requerimientos de las centrales termosolares, etc..), y
  2. a partir de la curva de aprendizaje fruto de un despliegue comercial sostenido en el tiempo y de suficiente importancia.

 

Ambas vías requieren del apoyo público, en un caso apoyando financieramente las actividades de I+D+ì (las cuales deben contar con la aprobación del sector industrial para que quede garantizada la utilidad de los resultados perseguidos), y en el otro caso apoyando el despliegue comercial con ayudas que permitan compensar la diferencia de costes entre la electricidad termosolar y la convencional, hasta que se haya desarrollado la curva de aprendizaje suficientemente y se consiga reducir los costes hasta el nivel requerido.

El objetivo de coste marcado por ESTELA (la asociación europea de la electricidad termosolar) es conseguir en el año 2020 un coste de 100 €/MWh para centrales termosolares con almacenamiento térmico instaladas en países del Sur de Europa, con una insolación anual debida a la radiación solar directa de unos 2055 MWh/m2·año. Un pre-requisito para poder conseguir este objetivo, según ESTELA, es que se alcance una potencia total instalada en el Mundo de 30 GWe. Este pre-requisito es de enorme importancia, por la curva de aprendizaje que conllevaría, pero está siendo obviado en muchos documentos oficiales en los que se recuerda el objetivo de reducción de costes marcado por ESTELA, pero se omite en dichos documentos que alcanzar una potencia total instalada de 30 GWe es un pre-requisito definido claramente por ESTELA:

Como se ha puesto de manifiesto al principio de este Post, parece razonable esperar que la potencia total instalada a nivel mundial sea de unos 10-12 GWe en el año 2020. Si somos muy optimistas, podríamos incluso pensar en 15 GWe, pero en cualquier caso parece claro que la cifra que se alcanzará en el año 2020 será muy inferior a la pedida por ESTELA para poder alcanzar el objetivo de reducción de costes. De acuerdo con todo esto, parece lógico pensar que no se logrará el objetivo de costes marcado para 2020. Pero a pesar de esto se sigue indicando en documentos oficiales, muchos de ellos emitidos por la Comisión Europea, que el sector termosolar ofrece conseguir un coste de 100 €/MWh en el año 2020, para centrales instaladas en el Sur de Europa, y no se hace referencia a la condición de que se logre alcanzar una potencia total instalada en el Mundo de 30 GWe

Personalmente me preocupa esta situación, pues se está poniendo toda la atención en el objetivo de costes, mientras se ignora, o al menos eso es lo que parece, algo tan importante como que para lograrlo será necesario un despliegue comercial que en estos momentos no parece que vaya a darse, ni mucho menos, para el año 2020. Es innegable el gran potencial de reducción de costes que tiene la electricidad termosolar, pero debemos ser realistas y no poner objetivos imposibles de lograr debido a su plazo excesivamente corto, pues ello no hará sino dañar al sector y perder credibilidad de cara al futuro. Debemos pedir que al sector de la electricidad termosolar se le permita desarrollar adecuadamente su curva de aprendizaje, como ya está haciendo y como anteriormente han hecho otras tecnologías que empezaron mucho antes su despliegue comercial, como la eólica y la fotovoltaica, pero sin plantear atajos artificiales y ficticios que no conducirían a ningún buen puerto.

Etiquetas:

Defensa de Tesis Doctoral


El próximo 1 de Julio el investigador de la Unidad de Procesos Biotecnológicos de IMDEA Energía defenderá su Tesis Doctoral.

Título: Integración de enzimas lacasas en el proceso de producción de etanol de lignocelulosa: efecto sobre la hidrólisis enzimática y la fermentación

Doctorando/a: Alfredo Oliva Taravilla

Director/es: Dra. Elia Tomás                            

Co-director/es: Dra. Marie Demuez

Tutor/es: Dra. Maria José Valderrama (UCM)

Lugar: Universidad Complutense de Madrid, Sala de Grados de la Facultad de Ciencias Biológicas

Fecha: 1 Julio 2016

Hora: 10:ooh

Etiquetas:

“EFICIENCIA ENERGÉTICA: LA ASIGNATURA PENDIENTE EN UN SISTEMA ENERGETICO SOSTENIBLE” Aranjuez, 4 a 8 de julio 2016


Dentro de apenas 1 mes se celebrará, el curso de verano de la Universidad Rey Juan Carlos sobre Eficiencia Energética, dirigido por el profesor D. Guillermo Calleja Pardo, Catedrático de Ingeniería Química y en el que participaran ponentes relevantes del sector científico-tecnológico, del sector productivo y de la administración, que aportarán su visión y expectativas en un tema de tanta trascendencia como éste.

Autor: Alicia Carrero Fernández-Universidad Rey Juan Carlos

Un sistema energético sostenible pasa necesariamente por el abastecimiento de energía limpia que cubra la demanda creciente, basada en las energías renovables y en el uso eficiente de la energía. La sustitución de combustibles fósiles por fuentes renovables de energía basadas en el uso de tecnologías limpias para la producción de electricidad y combustibles limpios como el hidrógeno, es algo en lo que se viene trabajando con intensidad, pues el objetivo claro y prioritario es la preservación del medio ambiente y la calidad de vida. Sin embargo, parece que hasta ahora se le viene prestando menor atención a otra parte clave en un sistema energético de calidad: la mejora de la eficiencia energética.

En efecto, entre los retos energéticos planteados en el horizonte 2020, considerados como prioridad mundial, además de la diversificación de las fuentes de energía primaria con un fuerte impulso a las energías renovables, destaca el desarrollo de una política basada en medidas que fomenten la mejora de la eficiencia en el uso de la energía. La regulación normativa necesarias para acometer estos retos es también clave, y debe marcar la pauta de los desarrollos tecnológicos y su implantación en el mercado.

El curso abordará los aspectos más destacados de la situación actual en la cuestión de la eficiencia energética, analizando los retos, las oportunidades y los beneficios esperados de una mejora en el uso eficiente de la energía. Se tratará en cada jornada un aspecto temático de especial interés, como es la eficiencia energética en la edificación, el alumbrado, el papel de las TICs (Tecnologías de la Información y la Comunicación), particularmente en las “Smart cities”, los sistemas de gestión energética y la regulación normativa del sector.

Etiquetas:

Workshop: Biomass Resources For Renewable Energy Production


En estos días, 2-3 de Junio se está celebrando el Workshop sobre la utilización de los recursos biomásicos para la producción de energía renovable en el Instituto IMDEA Energy. Este Workshop engloba El RESTOENE-2 e INSPIRA-1 consorcios que están incluidos en el programa de actividades de I + D entre grupos de investigación en Tecnología de la Comunidad de Madrid.

Autor: Felicia Sáez -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT

Este foro pretende ser un encuentro entre los expertos en biomasa para la producción de energías renovables y dar a conocer las actividades de investigación llevadas a cabo dentro de los proyectos Restoene-2 e Inspira-1.

El Consorcio RESTOENE-2 presenta una estrategia para la “Producción de biocombustibles limpios para el transporte a partir de biomasa lignocelulósica ” apoyado por el Ministerio español de Economía y Competitividad. Entre sus objetivos está la producción de biocombustibles limpios a partir de residuos agroforestales.

El proyecto Inspira-1 tiene como objetivo el desarrollo tecnológico para optimizar la producción de biomasa a partir de bacterias Arthrospira (Spirulina). Desarrollando herramientas biotecnológicas que mejoren la producción de esta biomasa, para su uso directo como alimento humano y animal y lograr la plena utilización de estos compuestos en usos nutracéuticos, farmacéuticos y en energía.

La contribución de Ciemat a este Workshop ha sido la presentación oral del trabajo realizado dentro del Proyecto RESTOEN2 titulado “ Xylooligosaccharides from cereal xylans produced by GH Family 10 and 11 xylanases and GH Family 43 and 51 arabinofuranosidase to obtain XOS prebiotic”. Asi mismo se ha presentado en la sesión de pósters el trabajo denominado “A first approach to the use of extracted olive oil pomace as raw material in a biorefinery”.

Etiquetas:

Se adelanta la apertura de la Gigafactoría de Tesla a finales de Julio de este año


Autor: José Antonio Villajos Collado-Universidad Rey Juan Carlos

En el año 2014 se hizo público que Tesla, el conocido fabricante de vehículos eléctricos de alta gama, pretendía crear la mayor factoría de baterías y vehículos eléctricos del mundo, bautizada como Gigafactory debido a los 35 GWh (1 GWh equivale a la energía que consumen 10.000.000 de bombillas de 100 W de potencia durante 1 h) de capacidad eléctrica que serán capaces de almacenar las baterías que salgan de su cadena de producción anualmente. La idea inicial era realizar la inauguración parcial para 2017, pero esta fecha se ha adelantado a este mismo verano: 29 de Julio de 2016.

Lo sorprendente de la fábrica no es sólo su tamaño, superior al de cualquier fábrica existente de baterías de litio en la actualidad, sino que la misma será energéticamente autosuficiente, ya que el 100 % de la energía que utilice para su funcionamiento procederá de energías renovables, produciendo una nula huella de carbono. Para ello, el techo de la fábrica se encuentra totalmente recubierto de paneles solares fotovoltaicos con el apoyo de un parque de aerogeneradores cercanos a la instalación. Para poder financiar este ambicioso proyecto, ha sido además necesaria la participación con 1.400 M€ de Panasonic, de modo que la corporación japonesa se convierte en socia de este proyecto.

 

Vista aérea del proyecto de la Gigafábrica de Tesla, donde se aprecia el recubrimiento del techo con paneles solares fotovoltaicos, y la presencia cercana de un parque de aerogeneradores.

Aunque en un principio la fábrica arrancará destinada a la producción de las baterías para el hogar Powerwall, con una octava parte de la capacidad máxima de producción, se espera que para el año 2020 se alcance la completa operatividad, fabricando 500.000 coches eléctricos al año. Además, la misma factoría se encargará de la producción de las baterías necesarias, superando la fabricación mundial de celdas para baterías de ion litio que se alcanzó en el año 2013. Para ello se estima que serán necesarios 6.500 empleados, lo que ha hecho que varias ciudades de Europa (entre ellas las españolas Galicia y Valencia) se hayan ofrecido para albergar la nueva fábrica que Tesla quiere abrir en el viejo continente.

En principio, la idea de Tesla con la Gigafábrica es la de aplicar las economías de escala para la reducción de costes de producción tanto del coche eléctrico, como de las baterías de litio con las que funcionan. De este modo, se espera reducir en un 30 % el coste unitario del kWh de almacenamiento de las baterías actuales, lo que repercutirá en el coste del vehículo. Así pues, se espera que el nuevo modelo de automóvil Tesla Model 3 que la compañía de Elon Musk comenzará a comercializar en el año 2017 se convierta en la berlina ejecutiva eléctrica más barata del mundo, con un precio estimado en 35.000 $ (aproximadamente 26.000 €), y que contará con menor tamaño de sus baterías y una menor autonomía que sus predecesores de marca  (350 km, por recarga, por debajo de los 500 km de otros modelos de Tesla). Aun así, una semana después del inicio de aceptación de reservas, Tesla ya había recibido peticiones para más de  325.000 vehículos, lo que supone ventas por valor de más de 14.000 M$ (aproximadamente 11.000 M€), convirtiéndose en el record de ventas alcanzadas en una semana de cualquier producto en su lanzamiento. Que estas cifras se hayan alcanzado a pesar de no haberse realizado campañas de promoción de producto, como suele ser habitual en los éxitos de lanzamiento, da una idea de la imagen de marca que posee esta compañía y del interés del público por el vehículo eléctrico y la sostenibilidad medioambiental.

Tesla Model 3.

Fuente: Teslamotors

Etiquetas:

El Congreso Mundial del Hidrógeno se celebrará el próximo mes de Junio en Zaragoza


Autor: J.L.G. Fierro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC, Cantoblanco, Madrid

El Congreso mundial del hidrógeno (WHEC 2016) tendrá lugar del 13 al 16 de Junio 2016 en Zaragoza. Este congreso que se celebra cada dos años es el referente a nivel mundial en energías renovables. Reúne a profesionales de las principales empresas del sector, centros de investigación y entidades públicas y privadas relacionadas con las tecnologías del hidrógeno. Al igual que en sus ediciones anteriores, es el foro más apropiado para dar a conocer los avances logrados en las tecnologías de producción, almacenamiento/distribución y uso en aplicaciones tanto fijas como móviles. Además de la faceta científico-técnica, el congreso cuenta con zonas de exposición y exhibición de nuevos prototipos, productos y servicios de empresas del sector del automóvil, así como aplicaciones ya reales y otras de futura comercialización.

La 21a edición del Congreso Mundial del Hidrógeno (WHEC 2016) tendrá lugar entre el 13 y el 16 de junio de 2016 en Zaragoza. Este congreso está organizado por la Asociación Española de Hidrógeno (AeH2), con la colaboración de la Fundación para el Desarrollo de Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón (FHa) y bajo el auspicio de la Asociación Internacional de la Energía del Hidrógeno (IAHE). El congreso, que tiene lugar cada dos años y se celebra por primera vez en España, es el referente a nivel mundial en energías renovables, que reúne a profesionales de las principales empresas del sector, centros de investigación y entidades públicas y privadas relacionadas con las tecnologías del hidrógeno. Al igual que en sus ediciones anteriores, es el foro más apropiado para dar a conocer los avances logrados en las tecnologías de producción, almacenamiento/distribución y uso en aplicaciones tanto fijas como móviles.

Durante los cuatro días de duración, se presentarán alrededor de 800 ponencias procedentes de 58 países, junto a sesiones plenarias a cargo de prestigiosos especialistas y responsables de I+D de empresas e instituciones. Se tratarán temas clave del sector tales como el estado de la tecnología de las celdas de combustible aplicadas al transporte y la infraestructura de repostaje del hidrógeno con responsables de BMW Group, Toyota Motor Europe y NEL ASA.  Igualmente se revisarán las estrategias nacionales y las legislaciones puestas en marcha en torno al hidrógeno. Para ello cuenta con el concurso de representantes de diversas instituciones internacionales tales como la Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) Europea, el New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), California Fuel 3 Cell Partnership (CaFCP), Canadian Hydrogen and Fuel Cell Association (CHFCA) y el National Organisation Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW GmbH). En otra sesión a cargo de responsables de Hydrogenics Europe e ITM Power se abordarán retos tan importantes del sector como el almacenamiento del hidrógeno y los sistemas Power-to-Gas.

Además de la componente científico-técnica, el congreso cuenta con zonas de exposición y exhibición de nuevos prototipos, productos y servicios de empresas del sector del automóvil, y de producción, desarrollo, almacenamiento, transporte y usos finales del hidrógeno, así como aplicaciones ya reales y otras de futura comercialización. Se podrán contemplar los nuevos desarrollos y avances de algunas empresas como como BMW Group, Toyota, Hydrogenics o ITM Power. Incluso se podrá ver el funcionamiento de una estación de repostaje de hidrógeno para vehículos equipados con celda de combustible (Figura 1).

Figura 1. Modelo de automóvil (Toyota Prius Aqua FT-86) equipado con celda de combustible alimentada con Hidrógeno y provisto de tanque de almacenamiento a presión elevada.

Las tecnologías del hidrógeno han experimentado un gran impulso a  nivel mundial durante la última década. El motor de este impulso radica en la aplicación en las celdas de combustible que se presentan como la mejor opción de lograr la seguridad de suministro energético y la reducción de la dependencia de los precursores fósiles, así como la necesidad de avanzar hacia un mix energético sostenible y con menor huella de carbono. La Unión Europea, con una fuerte dependencia de las energías fósiles, ha impulsado medidas dirigidas a incrementar el uso de las energías renovables dentro de la Estrategia Energética 2020 y de marcos como la Energy Roadmap 2050, donde se contemplan sistemas de almacenamiento de energía entre los que se encuentra el hidrógeno. También la Directiva 2014/94/UE para la implantación de una infraestructura para los combustibles alternativos contempla el hidrógeno, si bien la apuesta decidida de la UE se situó en 2007 con la creación del Séptimo Programa Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la EU, la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, que ha tenido su continuación en una segunda fase dentro del programa de Investigación e Innovación H2020, establecida para el periodo 2014-2020. En el caso de España, referente en energías renovables, está siendo un gran campo de investigación para el avance en la producción y almacenamiento de hidrógeno a partir de fuentes renovables y mediante procesos sostenibles, gracias a un activo tejido de empresas y centros de referencia, junto a proyectos innovadores puestos en marcha en Comunidades Autónomas como Andalucía, Castilla-La Mancha o Aragón.

Para más información, contactar la página: http://www.whec2016

 

Etiquetas:

Curso de verano en Santander


El próximo mes de julio se impartirá en Universidad Internacional Menéndez Pelayo un curso de verano con el título: Retos de los Procesos Químicos en el siglo XXIen el que se trata de poner de manifiesto la relevancia de la catálisis como herramienta clave a la hora de afrontar los retos energéticos y medioambientales que tiene planteada la sociedad actual. 

En este curso se trata de buscar soluciones catalíticas a los problemas planteados, con el fin de mejorar la sostenibilidad mediante la implementación de nuevas tecnologías tanto en el diseño de procesos nuevos, como en la mejora de los ya existentes.   

A lo largo de este curso se intentará dar respuestas concretas a las siguientes cuestiones:

El curso está dirigido a estudiantes de último curso, grado, master y doctorado en Química e Ingeniería Química, de Física y de Medioambientales, ya que la catálisis se encuentra en el punto de intersección entre estas disciplinas.

Está prevista la concesión de becas, tanto de matrícula como de estancia para alumnos, pudiéndose encontrar toda la información referente al programa del curso, así como al procedimiento de inscripción y solicitud de becas en el siguiente enlace:

http://www.uimp.es/agenda-link.html?id_actividad=632E&anyaca=2016-17

Etiquetas:

Investigando el efecto volumétrico en medios porosos metálicos: proyectos SOLGEMAC y ALCCONES


Autores: Jesús Fernández-Reche, Antonio Ávila-Marín. CIEMAT-Plataforma Solar de Almería

Los receptores volumétricos supusieron, allá por los años 90, una alternativa prometedora a los típicos receptores de tubos empleados en la tecnología solar de receptor central hasta esa fecha. En primer lugar porque abría la tecnología al empleo de aire (u otros gases) como fluido refrigerante en este tipo de sistemas, ampliando las temperaturas de operación hasta los 1000 ºC, mientras que en los sistemas que emplean agua/vapor o sales fundidas se encuentra limitada a temperaturas inferiores a los 600 ºC.

Por otro lado, el proceso de intercambio térmico entre el material absorbente y el fluido refrigerante presenta ciertas diferencias respecto a los receptores tubulares, permitiendo una mayor eficiencia en dicho intercambio, al menos desde el punto de vista teórico:

  1. El proceso de intercambio de calor entre el medio metálico y el fluido se produce en la misma superficie, no está presente el proceso de conducción de calor entre la cara externa e interna los receptores tubulares. Esto hace que la diferencia de temperaturas entre metal y fluido sea muy pequeña, permitiéndose alcanzar en el fluido temperaturas muy altas y similares a las temperaturas del absorbedor (Fig.1).
  2. Por otro lado, la absorción de la radiación no se produce únicamente en la superficie externa del receptor, sino que se absorbe en un volumen a distintas profundidades. Esto hace que las temperaturas máximas, tanto del fluido como del material absorbedor se produzcan en el interior del absorbedor, minimizando considerablemente las pérdidas térmicas por radiación en estos receptores (Fig.1).

Fig. 1. Intercambio de calor en receptores tubulares (izda.) y volumétricos (drcha.)

En la mayoría de prototipos ensayados hasta la fecha (en la PSA se han ensayado más de 20 prototipos diferentes), este efecto volumétrico teórico no se ha corroborado experimentalmente, alcanzando dichos prototipos eficiencias menores a las predichas teóricamente, incluso en los rangos de temperatura de 500-600 ºC.

Es por todo esto, que CIEMAT-PSA empezó hace más de 5 años a investigar cuales son los parámetros del medio poroso absorbente (porosidad, tamaño de hilo, grosor,…) que afectan en mayor medida al efecto volumétrico (Fig.2); y que geometrías son las que consiguen una mayor eficiencia en el proceso. Para ello, y dentro de los proyectos SOLGEMAC y más recientemente ALCCONES (ambos financiados por la Comunidad de Madrid), se abordó el problema desde dos vertientes complementarias:

  1. Por un lado, construyendo un modelo de intercambio radiativo/convectivo que nos permita, una vez parametrizado el absorbedor, poder analizar la influencia de dichos parámetros en el efecto volumétrico y como optimizar el diseño o la geometría de este tipo de absorbedores.
  2. Y por otro, equipando un laboratorio con sendos simuladores solares que nos permitan corroborar experimentalmente los modelos teóricos desarrollados.

 

Fig. 2. Absorbedores ensayados en los simuladores solares y modelado geométrico de los mismos para el análisis CFD del proceso.

Los primeros resultados obtenidos en los simuladores nos han permitido corroborar la validez de los modelos desarrollados, de manera que, en este momento, nos encontramos en disposición de simular fácil y rápidamente decenas de configuraciones geométricas diferentes, apilamientos de distinta porosidad, distintos tamaños de hilo, profundidades de absorbedor, etc.

Una vez identificados los resultados más prometedores, se ensayaran en los simuladores solares existentes con el objeto de corroborar experimentalmente los resultados y, posteriormente, una serie de prototipos a escala se ensayaran en el horno solar de la PSA bajo radiación solar concentrada y en condiciones reales de operación.

Etiquetas:

Oxidación de hidrógeno en medio alcalino: Ni/N-CNT


Autor: Manuel Montiel. Universidad Autónoma de Madrid

Las pilas de combustible son dispositivos capaces de transformar en energía eléctrica y de manera efectiva la energía química almacenada en combustibles como hidrógeno o alcoholes de baja masa molecular. Dentro de las pilas de combustible, las que operan a baja temperatura (~100 ºC), han sido tradicionalmente dispositivos de membrana polimérica que trabajan en medio ácido. Para llevar a cabo el proceso electroquímico se han empleado catalizadores de Pt o metales del grupo del platino (PGMs), tanto para la oxidación de combustibles en el ánodo como para la reducción de oxígeno en el cátodo. Pero el empleo de nuevos dispositivos de membrana polimérica que trabajan en medio básico ha permitido abrir el abanico de catalizadores que se pueden emplear, tanto en el ánodo como en el cátodo [1]. Sin embargo, mientras que para el cátodo se han conseguido catalizadores con actividad comparable a la del Pt, solo algunos PGMs (Pt, Ir, Pd…) presentan una actividad adecuada para la oxidación de hidrógeno en medio alcalino, donde la reacción es más lenta.

Una alternativa al empleo de PGMs como ánodos en pilas de hidrógeno alcalinas son los catalizadores basados en níquel, como aleaciones de NiMo, NiTi o NiCoMo, o también nanopartículas de níquel decoradas con óxidos metálicos. Aunque la actividad de estos materiales es inferior a la obtenida con PGMs, se pone de manifiesto la posibilidad de abaratar los costes de las pilas de combustible de hidrógeno en medio alcalino. Recientemente Zhongbin Zhuang y colaboradores han presentado un trabajo en el que se describe la síntesis y caracterización de nanopartículas de Ni soportadas sobre nanotubos de carbono dopados con N (Ni/N-CNT) y con las que logran una actividad comparable a la del Pt en las mismas condiciones de medida [2]. Aunque los nanotubos de C dopados con N (N-CNT) tienen una actividad frente a la oxidación de hidrógeno tan baja como los nanotubos de carbono sin dopar (CNT), su empleo como soporte produce un efecto sinérgico que no se observa con estos últimos.

En este trabajo se llevaron a cabo cálculos DFT (Density Functional Theory) con dos modelos de nanopartículas cuboctaédricas de Ni (Ni13 y Ni37), investigando el efecto de la localización de los átomos de N en relación con la nanopartícula (en el centro: Nc, o en los bordes: Ne). Se observó que los clúster de Ni sin soportar o soportados sobre CNT presentan una distribución de energías de enlace Ni‑H más amplia, lo que implica mayor heterogeneidad de sitios a los que se une el H, además de que la unión a dichos sitios es más fuerte en la mayoría de los casos. Mientras, en los modelos con carbono dopado no se observan energías tan altas. Estas diferencias tienen un origen tanto electrónico (debido a transferencias de carga) como geométrico (relajación del clúster).

 (a) Distribution of site-dependent hydrogen-binding energies for each model system. (b) Distribution of relaxation energies for each model system on hydrogen-binding to each site. (c) Shifts in the d-band centre with respect to the Fermi level and binding energy at adjacent Ni sites (1,2,3) and (2,3,4).

Zhuang, Z. et al. Nickel supported on nitrogen-doped carbon nanotubes as hydrogen oxidation reaction catalyst in alkaline electrolyte. Nat. Commun. 7:10141 doi: 10.1038/ncomms10141 (2016)

Los cálculos teóricos también indican que los átomos de N que interaccionan con el centro de la nanopartícula (Nc) producen una relajación de la estructura del clúster de menor grado que para Ni o Ni/CNT, mientras que los Ne producen una relajación con una reconstrucción mínima de la estructura, relacionado con la menor fortaleza de los enlaces Ni-H que se forman. Estos efectos electrónicos y estructurales se traducen en una mayor activación de los centros implicados frente a la reacción de oxidación de hidrógeno. Así mismo, estos cálculos predicen que tamaños más pequeños de nanopartículas podrían proporcionar mayor actividad frente a esta reacción, debido a un mayor número de interacciones Ni-Ne. Como se muestra en la siguiente figura, los cálculos teóricos predicen de buen grado los resultados obtenidos para la densidad de corriente de intercambio en la reacción de oxidación de hidrógeno.

 

Unpatterned bars are the calculated exchange current densities and patterned bars are the measured values. The calculated exchange current density of Ni/Ne-graphene is shown for Ni/N-graphene. Error bars are 75% confidence intervals resulting from the regression of the volcano relationship in Supplementary Equation 2.

Bibliografía

[1] Montiel M. Materiales carbonosos dopados con N como catalizadores para pilas de combustible. 2016.

[2] Zhuang Z, Giles SA, Zheng J, Jenness GR, Caratzoulas S, Vlachos DG, et al. Nickel supported on nitrogen-doped carbon nanotubes as hydrogen oxidation reaction catalyst in alkaline electrolyte. Nature Communications. 2016;7:10141. This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 

Etiquetas:

El difícil equilibrio entre el control de la contaminación y la eficiencia energética


El reciente escándalo de los motores trucados para eludir los controles de emisiones contaminantes pone de manifiesto que las soluciones tecnológicas para la eliminación de NOx,a pesar de los enormes avances conseguidos, no son aun plenamente satisfactorias. Para hacer frente al difícil reto de reducir el consumo de combustibles y simultáneamente potenciar la eliminación de los gases contaminantes será necesario desarrollar sistemas catalíticos más eficientes.

Autor: Juan M. Coronado-Instituto IMDEA Energía

En septiembre de 2015,  la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) reveló que Volkswagen había modificado fraudulentamente el software  de sus automóviles con motor diésel para superar las pruebas de emisiones. Los estudios realizados indican que algunos de estos vehículos emitían en condiciones reales hasta 40 veces más NOx (una combinación NO y NO2) que el límite  legalmente admitido.1 

La exposición a corto plazo a dióxido de nitrógeno se vincula con a la inflamación de las vías respiratorias y el aumento de los síntomas de asma. En la atmósfera, el dióxido de nitrógeno contribuye a la formación de ozono troposférico y partículas, que también tienen efectos perjudiciales para la salud. Un estudio reciente estima que exceso NOx liberado por los coches trucados de Volkswagen en los Estados Unidos podría causar 46 muertes adicionales sobre las esperadas por efecto de la contaminación,  y daños por un valor de 430 millones de dólares.2 En Europa, sin embargo, el exceso de NOx debido a las manipulaciones ilegales no sería tan evidente debido a la peor calidad media del aire, causado por la mayor proporción de vehículos diésel y una legislación menos restrictiva.

El  escándalo de las emisiones ha causado una lógica oleada de  indignación ente los usuarios y la sociedad en general, que no puede entender y mucho menos justificar el uso de trucos informáticos para falsificar los datos de emisiones.  No cabe duda que no hay excusa posible para el fraude, y mucho menos si pone el riesgo la salud de las personas, pero estas manipulaciones muestran que existe un problema de fondo con la contaminación de los automóviles. Estas prácticas ilegales  se usaron para ocultar la incapacidad de encontrar soluciones técnicas adecuadas para el control efectivo de las emisiones de los vehículos con motores diésel.

Los motores diésel son de 15 a 20% más eficientes que los motores de gasolina convencionales, en parte porque emplean un exceso de aire durante la combustión. La mezcla rica en oxígeno de los productos de la combustión de un motor diésel se expande más y transfiere más energía al empujar el pistón que un motor de gasolina, generando más energía mecánica para una cantidad dada de combustible. Después de la combustión, la temperatura dentro de los motores, tanto de gasolina como diésel, es lo suficientemente alta como activar la reacción del nitrógeno con el aire y generar NOx. Pero el exceso de oxígeno presente en un motor diésel crea un ambiente oxidante que hace difícil dar marcha en el proceso y reducir NOx a nitrógeno. Estas circunstancias crean la necesidad de un sistema de retrocontrol de emisiones. Si los sistemas funcionan bien, entonces el motor puede trabajar eficientemente mientras que la mayor parte de los NOx generados se eliminan de los gases de escape. Pero incluso con el mejor ajuste posible, estos sistemas electrónicos de control de mezcla reducen la eficiencia y aumentan el consumo de combustible. Es por ello que se hace imprescindible el empleo de sistemas catalíticos de control de las emisiones.

El sistema de tratamiento post-combustión de NOx más común se conoce como reducción catalítica selectiva (SCR según el acrónimo inglés). Este proceso se basa en un catalizador que combina NOx y amoníaco para producir nitrógeno de forma selectiva. Para ello es preciso llevar a bordo un depósito de urea, que se descompone térmicamente en amoníaco y permite  inyectar este componente en el sistema de escape. Pero el mayor problema es que los catalizadores basados en zeolitas de estos sistemas no funcionan a temperaturas por debajo de unos 200 °C. Sin embargo, tales temperaturas se dan en numerosas circunstancias de la conducción como durante el arranque frío o con el motor al ralentí, y su contribución a las emisiones acumuladas durante toda la vida de un vehículo es significativa.

Otro tipo de dispositivo para el tratamiento de emisiones son las trampas de NOx. Estos sistemas, evitan el uso del depósito de urea, que es difícil de acoplar en los vehículos más pequeños, y aprovechan a su favor las condiciones oxidantes que hacen difícil reducir químicamente los NOx. Cuando el motor está en marcha con una mezcla pobre en combustible, la trampa utiliza nanopartículas de platino para catalizar la conversión del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno, que rápidamente forma nitratos sólidos con las nanopartículas de óxido de bario. Posteriormente es posible reducir los nitratos alimentando mezclas ricas en combustible en intervalos cortos. Durante estos períodos, las nanopartículas de platino catalizan la reacción de los  hidrocarburos de la gasolina liberando los NOx de la trampa para producir nitrógeno y agua.

Las trampas de NOx se han utilizado en algunos de los nuevos turismos diésel vendidos en Europa y Estados Unidos, incluyendo al menos uno de los modelos VW implicados en el escándalo, pero la inyección del combustible necesaria para regenerar la trampa afecta a la eficiencia del motor, por lo que esta estrategia han sido menos popular que los sistemas SCR. Más importante aún, las trampas son sensibles al envenenamiento por azufre, una impureza presente a nivel de trazas en el combustible diésel, y que puede acumularse limitando la regeneración del sistema. Aumentando la temperatura de trabajo del motor y añadiendo una dosis adicional de combustible es posible eliminar los sulfatos formados en la trampa, pero esto supone también reducir la economía de combustible.

Estas limitaciones indican que, a pesar de los enormes avances conseguidos, las tecnologías existentes no son aun plenamente satisfactorias para hacer frente al reto de reducir simultáneamente el consumo de combustibles y las emisiones de gases contaminantes. Es preciso, por tanto, seguir investigando en el desarrollo de catalizadores cada vez más eficaces, que nos permitan desterrar para siempre las nubes gris anaranjadas que producen los NOx en los horizontes urbanos.     

Referencias

1. Melissae Fellet. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 185−187 DOI: 10.1021/acscentsci.6b00098

2. S. P. Holland et al., Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 1111−1117 DOI: 10.1021/acs.est.5b05190

Etiquetas: