Archivo de abril, 2010

La utilización de pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) para uso residencial

El concepto de generación de energía distribuida, en particular dentro del rango de 1-100 kW de potencia, es un factor decisivo en el escenario de energía del futuro y se caracteriza por la producción de esta con ventajas considerables tanto para los proveedores como para los usuarios finales de la misma. Incluye el suministro de gas, electricidad, calefacción y aire acondicionado con ventajas considerables en términos de coste. Además, gracias a la posibilidad de disminuir las pérdidas de transmisión en la red eléctrica y las reducciones drásticas de las emisiones de gases contaminantes (NOx, SO, CO2, etc), la generación distribuida representa una interesante alternativa al actual modelo de producción de energía centralizado.

Autor: [Pilar Ocón-Universidad Autónoma de Madrid]

El sistema de pilas de combustible garantizar tanto la alta eficiencia de conversión de energía química en eléctrica como la reducción del impacto ambiental de los productos generados. Por lo tanto, estos dispositivos pueden ser utilizados para producir energía in situ para el abastecimiento, de la cada vez mayor demanda energética por microgeneración. Los sistemas de pilas de combustible pueden trabajar en este escenario futuro, ya sea a corto y/o a medio plazo, utilizando gas natural o a largo plazo mediante la explotación de fuentes de energía renovables.

El trabajo de V. Antonucci y colaboradores, ilustrar la arquitectura y el funcionamiento de un sistema de pilas de membrana polimérica (PEMFC) de 5 kW de celdas de combustible para uso en viviendas residenciales, desarrollado por Nuvera FC y el CNR-ITAE, y se centra tanto en el rendimiento del sistema  como en los principales parámetros característicos, realizando evaluaciones además de pruebas de resistencia.

Un sistema de 5-kW (PEMFC) puede considerarse como un producto pre-comercial, las conclusiones del estudio permiten entrever tanto los límites como la potencialidad a medio y largo plazo para la aplicación a gran escala de dichos sistemas de pilas de combustible. Tanto la evaluación de la eficiencia como la pérdida de funcionamiento del stack y del sistema en su conjunto son las características que un cliente considera en términos de rentabilidad de una inversión de dichos dispositivos en comparación con otras soluciones técnicas disponibles en el mercado.

En este estudio, los métodos estándar descritos en la literatura de pilas de combustible se utilizan para identificar ambos parámetros, además de otros como tiempo de respuesta y capacidad de autodesarrollo del funcionamiento.    

Se realizan pruebas con el fin de identificar las características e inconvenientes del sistema PEMFC en condiciones reales de funcionamiento por ejemplo: cargas extremadamente variable e integración a la red eléctrica. El objetivo es desarrollar un sistema duradero y fiable que se pueda comercializar a corto y medio plazo. Los resultados del examen de una PEMFC de 5-kW en condiciones reales de funcionamiento aplicable a una vivienda son reportados. En conclusión, las pruebas demuestran que:

  • El sistema es capaz de suministrar potencia dentro de un rango de 0-5 kW y permitir la puesta en marcha y apagado de forma automática.
  • La eficiencia varía considerablemente con cargas bajas, pero es generalmente constante y aproximada a un 50%, cuando los niveles de energía están comprendidos entre 2,5 y 5,0 kW.
  •  La respuesta a cargas variables es comparable a las baterías, y la capacidad de respuesta a las variaciones extremas de estrés muestra un excelente potencial para el suministro de las cargas residenciales.
  • Al llegar a 1000 horas de trabajo, no muestran reducción significativa en el rendimiento global del sistema. Un decrecimiento de 40 mV/h celda es observada y se concluye que deben realizarse mejoras significativas antes de implantarse.
  • Se debe de aumentar la fiabilidad de los componentes electrónicos y el balance de planta: componentes como el tablero de control o el cartucho desionizador afectan gravemente las operaciones del sistema de pila, haciendo paradas inesperadas y poniendo en peligro la fiabilidad general.
  • Se debe mejorar la gestión del agua en la pila y en todo el sistema.

Las pruebas realizadas han demostrado que los sistemas PEMFC alimentadas con hidrógeno pueden cumplir los requisitos de comercialización a corto plazo, en aplicaciones estacionarias.  

Más información:

M. Ferrano, F.Sergi, G. Brunaccini, L. Andaloro, V. Antonucci. Journal of Power Sources 193 (2009) 342.

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Transformación de azúcares en biocarburantes no oxigenados de elevada densidad energética

Virent Energy Sistems y Shell han desarrollado un proceso catalítico (® Bioforming) que permite la transformación de azúcares de diferente procedencia en carburantes con propiedades similares a la gasolina, diesel o jet-fuel. Se trata de un proyecto de demostración en el que la materia prima utilizada es la misma que para fabricar etanol pero sin necesidad de un proceso de fermentación y destilación.

Autor:  [Juan Antonio Melero Hernández-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos]

Uno de los principales retos a afrontar en el transporte es la producción sostenible de biocarburantes de forma que se puedan obtener con costes competitivos, resulten eficientes en  términos de emisiones de CO2 y al mismo tiempo que sean compatibles con los motores de combustión interna actuales. Para ello se requieren procesos y tecnologías innovadoras de producción. Resulta esencial promover la transición hacia los biocarburantes de segunda generación que se producen a partir de una amplia variedad de materias primas, p. ej. residuos agroforestales y urbanos, de manera que se evite la competición con materias primas de uso alimentario como es el caso de los cereales y los aceites vegetales convencionales. En esta transición, la investigación y el desarrollo de nuevos conceptos y procesos desempeñan un papel esencial. Se perfilan a corto plazo una serie de cambios en la utilización de las materias primas, en la producción y comercialización de los biocombustibles de segunda generación y su integración con las denominadas biorrefinerías, en las que la co-producción de los biocombustibles con electricidad y calor deberá contribuir a mejorar su competitividad.

El proceso ® Bioforming es un interesante ejemplo de tecnología de transformación eficiente y con costes de producción competitivos utilizando biomasa lignocelulósica como materia prima. Y un paso hacia delante en la producción integrada de biocarburantes, energía y productos químicos a partir de biomasa de diferente naturaleza, en lo que constituiría una biorrefinería.

La tecnología patentada por Virent (® Bio-Forming) utiliza catalizadores heterogéneos para convertir los azúcares de las plantas en moléculas de hidrocarburo, en un proceso similar al que se sigue en una refinería al convertir petróleo en carburantes fósiles. Esta tecnología permite utilizar azúcares procedentes de materias primas no alimentarias de origen lignocelulósico y bajo coste, como restos herbáceos de maíz, paja de trigo o bagazo de caña de azúcar. Dentro de los diferentes beneficios de esta tecnología, es importante destacar que permite el procesado de todo tipo de azúcares y no sólo hexosas como la tecnología convencional de producción de bioetanol y por tanto, utilizar materia prima lignocelulósica con mejores rendimientos másicos y energéticos.

El proceso ® BioForming  (ver figura adjunta) se basa en la combinación de la tecnología novedosa de reformado catalítico en fase acuosa (APR) con tecnologías catalíticas convencionales como son hidrotratamientos, condensaciones, deshidrataciones y alquilaciones. Cada una de las etapas del proceso puede ser optimizada y modificada para producir la mezcla de hidrocarburos deseada compatible con las infraestructuras de distribución de los carburantes convencionales y con los motores de combustión actuales.

Imagen1

Diagrama de flujo simplificado del proceso ® BioForming

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Desertec – El reto de hacer realidad un sueño

En las conferencias o seminarios de divulgación sobre energías renovables es común presentar de forma gráfica el enorme potencial que representa la energía solar por medio de un par de imágenes: una del llamado cinturón solar (fig. 1), la región del globo que combina la mayor cantidad de horas de sol al año con la más elevada intensidad de la radiación solar; la segunda, de la superficie dentro de dicho cinturón que recibe radiación solar suficiente como para satisfacer las necesidades de la población mundial. Esta superficie suele aparecer mostrada como un área cuadrada en la región MENA (Oriente Medio y Norte de África) (fig.2). Cabe preguntarse si, más allá de un mero ejercicio de divulgación, la explotación de este recurso es posible. Los miembros de la iniciativa Desertec lo afirman rotundamente y pretenden convertirlo en una realidad de aquí al 2050.

Autor: [José Gonzalez-Aguilar-IMDEA Energía]

 En 2009, se presentó la iniciativa industrial Desertec (Dii) (www.desertec.org), con un amplio eco en los medios de comunicación [1]. Desertec plantea una cooperación entre Europa, Oriente Medio y Norte de África (región EU-MENA) para la producción y transmisión de electricidad de origen termosolar y fotovoltaico con el objeto de abastecer la demanda interna de energía, desalinizar el agua del mar y exportar energía limpia a Europa mediante Corriente Continua de  Alta Tensión (HVDC).

 El concepto no parte de cero. Antes de la constitución de la sociedad limitada Dii, se creó en 2008, la Fundación Desertec, formada por la cooperación Trans-mediterranea en Energías Renovables (TREC) (a su vez, una iniciativa del Club de Roma), la Fundación para la protección del Clima de Hamburgo y el Centro Nacional de Investigación sobre la Energía de Jordania. Hay que remontarse hasta 2003, para encontrar los objetivos de la Dii en el documento fundador de TREC.

 En el pistoletazo de salida, Desertec englobaba la participación de empresas como las alemanas E.ON, Deutsche Bank, MAN Solar, RWE, Münchener Rück, M+W Zander, Schott Solar y Siemens (todas ellas alemanas), ABB (Suiza), Abengoa Solar (España) y  Cevital (Argelia).

 Desde su lanzamiento, la iniciativa Desertec ha levantado cierta polémica. Entre los aspectos más criticados, hay quien ve una ocasión perdida por Europa para evitar la dependencia energética exterior, corriendo un peligro de aprovisionamiento energético similar al existente hoy con el gas o el petróleo al implantar los sistemas de generación eléctrica en países políticamente inestables. Se advierte además del potencial riesgo de neocolonialismo de Europa, al entender que los países europeos podrían desembarcar en la región MENA con la única intención de implantar sus tecnologías para aprovecharse de recurso solar disponible sin tener en cuenta ni las necesidades locales, ni el apoyo al desarrollo de un tejido industrial local. Por último, en el ámbito nacional, se percibe el temor a una estrategia de ciertos países europeos tecnológicamente menos avanzados que España para impulsar e implantar su propia industria solar.

 Entre los argumentos de apoyo, cabría destacar que Desertec representa un reto único que permitiría impulsar las economías de los países de la región MENA y mejorar la calidad de vida de sus habitantes. Dados los plazos de tiempo marcados, un paulatino cambio de las sociedades, la economía y las políticas podrían ser favorecidas con este ambicioso proyecto.

 Desertec se ha fijado seis años para obtener los primeros resultados en una primera fase basada en la introducción de las tecnologías termosolares en el mercado. Mientras tanto nuevas empresas se están sumando a dicha iniciativa, tal es el caso de Enel Green Power (Italia), NAREVA Holding (Marruecos), Red Eléctrica de España (España) o Saint-Gobain Solar (Francia). Habrá que estar atento a la evolución de los acontecimientos para observar quién tiene (tenía) razón.

 [1] Europa inicia la carrera para explotar el sol del Sáhara, El País, 8/7/2009. Doce empresas y un destino: Hacer que el sol del Sahara llegue a Europa, abc, 13/7/2009.

[2] Cuatro empresas, entre ellas Red Eléctrica de España, entran en Desertec, El Economista, 22/03/2010. Saint-Gobain se suma al ‘Desertec’ para promover las energías limpias, El Economista, 14/04/2010.

 Figura 1. Cinturón solar

Figura 1. Cinturón solar

 

fig 2 

Fig. 2. Superficies que cubiertas con plantas termosolares proporcionarían energía eléctrica suficiente como para satisfacer la demandas energética del Mundo, Europa y los países MENA (www.desertec.org)

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Microalgas: perspectivas y retos de una energía verde

Cada vez que llenamos el depósito de nuestro coche somos conscientes de la importancia que tienen los combustibles en nuestro modo de vida. Pero su influencia va más allá de nuestra comodidad y nuestra autonomía y tiene efectos globales. De hecho nuestra dependencia de los combustibles fósiles condiciona la economía mundial y contribuye a incrementar día a día las emisiones de efecto invernadero. Pero ¿Existen alternativas?

Autor: [Juan M. Coronado-IMDEA Energía]

 El coche eléctrico, asociado al uso de las energías renovables, es una apuesta prometedora para un futuro cercano y los híbridos (enchufables o no) pueden acelerar la transición. Pero ¿Qué pasará con los camiones y los tractores? ¿Y los aviones? ¿Hay un plan B? La respuesta que daremos a estas preguntas en los próximos años está aún por definir, pero posiblemente no será única y sin duda pasará por la utilización de algún combustible alternativo que sea más respetuoso con el medio ambiente. Los biocombustibles de primera generación parecen haber perdido la partida después de las recientes distorsiones que han introducido en lo mercados de los alimentos, junto con su implicación en la deforestación y pérdida de biodiversidad tropical. Sin embargo existen alternativas que pueden solventar, al menos en parte, algunas de los problemas generados por la competencia entre la alimentación y los productos bioenergéticos. En este contexto las microalgas parecen de tener todos los indicadores de su parte: según una estimación optimista podría generarse hasta 50000 L de aceite por hectárea y año frente a los 5000 producidos por la palma de aceite1, que es el cultivo que actualmente produce el mayor rendimiento en aceite, al mismo tiempo que amenaza la selva de Borneo. Como consecuencia de este mayor rendimiento la extensión de tierra cultivable se puede reducir en igual medida, y el hecho que pueda utilizar terrenos marginales contribuye a evitar una competencia directa con la agricultura más tradicional. Además su contenido en aceites puede ser superior al 70 % en base seca, pero en general es de aproximadamente un 30%.2 Por otra parte, estos microorganismos crecen en agua salada o salobre, por lo que en principio, su influencia en el stress hídrico es mínima. Entonces cabe preguntarse ¿Porqué no usamos ya combustibles basados en microalgas? Una respuesta sencilla sería que el precio del litro de biodiesel derivado de las microalgas dista mucho de ser competitivo, ya que se estima que costaría no menos de 2 €/L. Pero existen numerosos aspectos tecnológicos y comerciales que abarcan desde la selección de especies, como en los aspectos de bioingeniería, que sería conveniente analizar en profundidad. Con este objetivo IMDEA Energía (www.energia.imdea.org) en colaboración con la Escuela de Organización Industrial (EOI) (www.eoi.es) organizó el pasado 8 de Abril unas jornadas tituladas “Microalgas ¿Una fuente de petróleo verde?” en la expertos internacionales tanto de la industria como del ámbito científico aportaron una visión actualizada de este tema.

Pierpaolo Cazzola de la Agencia Internacional de la Energía analizó el retorno energético y el ciclo de vida de los biocombustibles de microalgas y destacó el impacto significativo que el uso de los fertilizantes y del proceso de secado de la biomasa tiene en estas estimaciones. El profesor Miguel García Guerrero del centro mixto de la Universidad de Sevilla y el CSIC, recordó las diferencias taxonómicas entre microalgas propiamente dichas y cianobacterias, y habló de los avances en la ingeniería genética de estos microorganismos para maximizar la producción de hidratos de carbono para su transformación en etanol.  Antonio Fernández del Instituto Biomar destacó los esfuerzos realizados por su empresa en la conseguir especies de microalgas más adecuadas para la producción de biocombustibles aprovechando la enorme biodiversidad natural y seleccionando las cepas más interesantes obtenidas en expediciones por todo el planeta. El profesor Emilio Molina, de la Universidad de Almería describió su experiencia en la puesta a punto un invernadero experimental para cultivar microalgas en reactores tubulares y producir biodiesel por transterificación a escala piloto. Por otra parte, el profesor René Wijffels de la Universidad de Wageningen (Paises Bajos) puso de manifiesto la importancia de considerar el aprovechamiento global de la biomasa de microalgas para obtener no solo productos bioenergéticos sino también sustancias con interés farmacéutico o alimentario con el fin de de aumentar la rentabilidad del proceso, ya que según sus estimaciones sería posible alcanzar un valor de mercado de 1.65 €/Kg de biomasa generada. Finalmente Enrique Espí de Repsol YPF manifestó la apuesta de su compañía por el desarrollo de reactores biológicos simples y de coste reducido que permitan acercar esta tecnología  a la viabilidad comercial.

 En resumen, podría decirse que las expectativas de las microalgas como fuente de biocombustibles de menor impacto ambiental son muy elevadas, pero los existen todavía retos tecnológicos y económicos importantes que será preciso resolver antes de podamos encontrar estos productos en nuestra estación de servicio.

 Referencias

  1. Y. Chisti, Trend Biotechnol., (2008), 26, 126–131.
  2. Rafael Luque, Lorenzo Herrero-Davila, Juan M. Campelo, James H. Clark, Jose M. Hidalgo, Diego Luna, José M. Marinas and Antonio A. Romero, Energy Environ. Sci., (2008), 1, 542–564.
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Nuevos desarrollos para aumentar la eficiencia y disminuir el coste de las células solares fotovoltaicas

Un grupo de investigadores ha logrado una apreciable mejora en la eficiencia de un tipo células solares llamadas célula solar sensibilizada por colorante o célula solar Grätzel, mucho más baratas de fabricar que las habituales células solares de silicio.

[R. M. Navarro – Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)]

La tierra recibe en una hora más energía procedente del sol que la que consume en un año. Sin embargo, a pesar de este enorme potencial, la energía solar está poco aprovechada ya que la electricidad producida mediante las células fotovoltaicas convencionales, compuestas de materiales semiconductores como el silicio, es 5 o 6 veces más cara que la obtenida mediante fuentes de energía convencionales como los combustibles fósiles o la hidráulica. Por esta razón en los últimos años numerosos equipos de investigación han trabajado en el desarrollo de nuevas células solares con mejor eficiencia en el aprovechamiento de la radiación solar y para rebajar los elevados costes de su fabricación.

 Una de los nuevos diseños más prometedores para rebajar los costes y aumentar la eficiencia de las células solares es el propuesto por el Profesor Michael Grätzel de la Escuela Politécnica Federal de Lausana(Suiza) basado en el principio de la fotosíntesis. Este tipo de célula (Figura 1) está compuesta de: (1) un electrodo plano transparente (ánodo) compuesto de nanopartículas de óxido de titanio cubiertas de un colorante molecular que adsorbe luz, al igual que la clorofila en las plantas,  (2) un electrodo plano simple de Pt (cátodo) a una distancia entre 20-40 μm y, (3) un líquido conductor (electrolito) entre los electrodos.  En este tipo de células (Figura 1), la luz solar pasa a través de ella generando electrones en el colorante sensitizador e inyectándolos hacia el electrodo de TiO2 a partir del cual viajan a través de un conductor hacia el electrodo simple de Pt generándose de esta forma la corriente eléctrica.  

celula solar

Figura 1 Esquema de funcionamiento de la célula solar Grätzel

La mayoría de los materiales para realizar este tipo de células son de bajo coste, de fácil manufactura y flexibles, permitiendo que este tipo de células se puedan instalar en una amplia variedad de objetos y materiales (ventanas, tejados,….). Desde el punto de vista teórico las células solares de Grätzel ofrecen tremendas posibilidades para lograr células solares baratas de alto rendimiento pero sin embargo este tipo de diseños presenta dos problemas principales de durabilidad y eficiencia que impiden su comercialización a gran escala y derivados de: (i) el electrolito (I3-/I-) es extremadamente corrosivo lo que resulta en una baja durabilidad de los materiales de la célula y además absorbe parte de luz y, (ii) el cátodo esta recubierto de Pt un material que es caro, no transparente y raro.

Un equipo de investigadores liderados por el Profesor Marsan de la Universidad de Quebec ha desarrollado dos tecnologías para hacer frente a los problemas de eficiencia y durabilidad que impiden el desarrollo industrial de las células solares de Grätzel.  Así a nivel de electrolito han desarrollado nuevos materiales transparentes a la luz solar y no corrosivos que permiten por lo tanto aumentar la durabilidad y el fotovoltaje de salida de la célula. También han desarrollado nuevos cátodos en los que sustituyen el caro y escaso Pt por sulfuro de cobalto más económico, eficiente y estable. Con la utilización de estos elementos, las células solares creadas por el equipo alcanzaron una eficiencia del 6.5 %, todo un record para este tipo de células.  Si bien las células  solares típicas de silicio tienen una eficiencia del 12%, con estos nuevos desarrollos se abre una puerta alternativa para la obtención de células solares eficientes con menor coste de fabricación que las actuales basadas en Si.

 Más información

M.Wang et al, Nature Chemistry, 4 Abril 2010

M. Wang et al. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 15976-15977

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