Archivo de agosto, 2010

Materiales para receptores volumétricos de plantas solares de torre

Autora: [Mónica Álvarez de Lara Sanchez. CIEMAT]

En cualquier desarrollo tecnológico, la viabilidad de los sistemas pasa, entre numerosos factores, por la existencia, disponibilidad y selección adecuada de los materiales para su construcción.

En general, tanto el desarrollo de nuevos sistemas de producción de energía, como el aumento de la eficiencia de los ya existentes, implican un aumento de las temperaturas de operación. En el caso de la energía solar concentrada, una de las lineas principales de investigación está centrada ademas, en desarrollar una generación de centrales y sistemas termosolares que permitan la obtención de energía de forma más eficiente, gestionable y modular y, dentro de ésta, en la investigación en receptores solares volumétricos diseñados para su aplicación a muy altos flujos de radiación solar y alta temperatura. Estos receptores estás formados por estructuras porosas tridimensionales que reciben la radiación concentrada y transfieren el calor a un fluido, normalmente gas, que atraviesa la estructura. Los absorbedores volumétricos multiplican considerablemente la superficie de contacto entre el material del absorbedor y el fluido que lo atraviesa, permitiendo potenciar la transferencia de calor convectivo y, por ello, trabajar a grandes flujos solares. La elección de materiales cerámicos para los receptores volumétricos permite incrementar la temperatura de trabajo hasta 1200-1300 ºC, muy por encima de la temperatura típica de los metálicos, 700-800ºC.

La producción de electricidad a partir de estos sistemas se encuentra todavía en el umbral del desarrollo de su capacidad real ya que, actualmente, los sistemas comerciales de producción están funcionando tambien como proyecto piloto para propietarios, fabricantes, ingenierías y, en general, todo el sector involucrado en su diseño, construción y explotación. Una de las razones para esta falta de conocimiento preciso y experiencia en operación es la gran diversidad de diseños existentes.

Ademas, está demostrado que la viabilidad de un desarrollo tecnológico depende, entre otros factores, de la disponibilidad y selección correcta de los materiales para su construcción. Tanto el medio como las condiciones de operación, son factores determinantes en la resistencia del material construcción de un componente frente a los procesos de degradación que puede sufrir durante su vida estimada. Éstos han de ser tenidos en cuenta a la hora de establecer los principios de selección. Un primer criterio es el rango de temperatura en el que se quiera operar. Así, se están desarrollando diferentes tipos de absorbedores:

- Absorbedores volumétricos metálicos para uso entre 600 y 800oC

- Absorbedores volumétricos cerámicos para uso entre 900 y 1200oC

El empleo de aleaciones metálicas para la construcción de los absorbedores supone, una serie de ventajas que abarcan desde las puramente tecnológicas hasta las comerciales. Por una parte, las aleaciones metálicas han sido ampliamente estudiadas y desarrolladas para su utilización en multitud de aplicaciones industriales, por lo que existen aleaciones diseñadas específicamente para su utilización a alta temperatura en diferentes tipos de atmósferas (oxidantes reductoras, gases ácidos, …). Esto supone, que también el grado de desarrollo de los procesos de fabricación y conformado está muy avanzado, lo que implica que los costes de construcción y montaje de sistemas e instalaciones basadas en aleaciones metálicas son más reducidos.

Desde el punto de vista del rendimiento del absorbedor, para la selección de la aleación se tendrá también en cuenta el requisito de alta absortividad, es decir, materiales que tengan lo que se denomina una oxidación en “negro”. Las aleaciones mas utilizadas hasta la actualidad son los aceros inoxidables, con alto contenido en cromo y níquel, y algunas aleaciones de níquel, con alto contenido en cromo, ya que ambos elementos tienen capacidad para formar fácilmente óxidos de color negro.

Los absorbedores volumétricos cerámicos trabajan en el entorno de los 1000ºC, con focos localizados que pueden alcanzar 1400ºC y atmósfera oxidante. Estas exigencias reducen considerablemente los materiales candidatos para la fabricación de absorbedores, siendo los más adecuados las cerámicas oxídicas. De entre estos la alúmina sería un material ideal, por sus prestaciones y su bajo coste. Sin embargo es un material de color blanco, siendo sus características ópticas y de absortividad muy poco satisfactorias. No obstante, existen técnicas superficiales que permiten recubrir esta alúmina para otorgarle propiedades ópticas superficiales adecuadas, manteniendo el material base sus propiedades. También se pueden usar materiales cerámicos no oxídicos, cuyo problema fundamental radica en su baja resistencia a la oxidación, muy acusada en los nitruros. De la familia de los carburos cerámicos nos encontramos el carburo de silicio como el mejor. Este material posee una mayor conductividad térmica, así como mejores propiedades ópticas y de absortividad que la alúmina. Sin embargo, su oxidación puede iniciarse levemente a temperaturas muy inferiores a la de servicio, formándose una capa de óxido de silicio con comportamiento diferente al material base, que reduce la vida útil del componente.

 Por todo esto, existe una gran necesidad en aumentar el conocimiento y el desarrollo de materiales que permitan la obtención de energía eléctrica a partir de la radiación solar concentrada.

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La importancia de la energía en clave sociopolítica

La implementación de las fuentes de energía renovables que se requiere para solucionar el efecto invernadero y la cada vez mayor escasez de petróleo no va a ser posible sin dispositivos de almacenamiento de energía adecuados. De entre ellos las baterías basadas en litio son los más prometedores para un futuro a medio y largo plazo. La gran pregunta es si habrá suficiente litio.

 Autor: [R. Díaz – IMDEA Energía]

 La generación de electricidad a partir de fuentes renovables es intrínsecamente intermitente (p. ej., ciclos día-noche en la solar), por lo que requieren sistemas de almacenamiento de la energía que permitan un mejor ajuste entre la producción y la demanda. Entre las numerosas tecnologías de almacenamiento de energía que existen, las baterías son de las más utilizadas para diversas aplicaciones.

 En concreto, cuando se trata de maximizar la densidad de energía que se puede almacenar, las baterías basadas en litio (sean las actuales, basadas en litio-ión, o la posible futura generación basada en litio/aire) son probablemente los dispositivos potencialmente más adecuados. En la Figura 1 se muestra el funcionamiento básico de estas baterías.

  Imagen1

Figura 1 Esquema simplificado de (a) una batería de ión litio1 y (b) una batería de Li-aire2.

 Además de los obstáculos científicos y tecnológicos que todavía quedan por solventar para optimizar el rendimiento de estas baterías y permitir su entrada masiva en el mercado,  una de las grandes dudas es si habrá suficiente materia prima (Litio y Cobalto, por ejemplo) para ello. Y esta duda no se refiere sólo a la cantidad de materia prima disponible en el planeta, o la que se pueda extraer y aprovechar, sino dónde estarán los yacimientos de los elementos más escasos y el control que sobre ellos se pueda tener.

 Por ejemplo, en el escenario actual donde la mayor parte de yacimientos de petróleo está ubicado en unos pocos países, ya se producen tensiones para fijar precios, controlar su extracción y distribución, etc. En el caso del Litio, dados los pocos yacimientos conocidos hasta la fecha y su ubicación geográfica, estos movimientos ya se han empezado a producir3.

 La gran pregunta que quizás nos deberíamos plantear es si con el advenimiento de las renovables, una de cuyas ventajas es la posibilidad de ser instaladas en cualquier país, puntos cruciales de la implementación de las mismas como es el almacenamiento energético deben dejarse al control de unos pocos y qué estrategias deberíamos emplear si no queremos que sea así.

 Más información

 (1) Spectrum.

 (2) http://www.sciencedaily.com/releases/2009/05/090517152557.htm

 (3)http://www.elpais.com/articulo/internacional/nuevo/tesoro/Afganistan/elpepuint/20100614elpepuint_9/Tes

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Estados Unidos financia con 100 millones de euros a un grupo de Centros de Investigación de California para reproducir el proceso de fotosíntesis con fines energéticos

El Instituto Tecnológico de California (CalTech) liderará un grupo de laboratorios, entre los que se encuentran el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y otras instituciones de California, bajo la denominación de Centro Común de Fotosíntesis Artificial (Joint Center for Artificial Photosynthesis, JCAP) para llevar a cabo investigaciones para obtener sistemas que simulen la fotosíntesis natural con el fin de producir energía de forma práctica. El objetivo del JCAP es desarrollar un sistema integrado de conversión de energía solar en combustible químico y llevar este sistema desde la fase inicial de laboratorio a una escala que pueda ser comercializado.

 Autor: [Alberto José Quejido Cabezas - CIEMAT]

El JCAP es un clúster de laboratorios financiado por el Departamento de Energía con una inversión de unos 100 millones de euros (122 millones de dólares) durante los próximos 5 años, según anunció el Secretario Adjunto del Departamento de Energía, Daniel Poneman. En sus palabras de anuncio de este nuevo grupo, “la idea es encontrar una forma rentable de producir combustible como lo hacen las plantas, combinando luz solar, agua y dióxido de carbono”.

Las investigaciones del JCAP se dirigirán hacia el descubrimiento de todos los componentes funcionales necesarios para su integración en un sistema fotosintético artificial: compuestos cromóforos absorbentes de radiación, catalizadores, moléculas que actúen de intermediarios y membranas de separación. El objetivo último es impulsar el campo de los combustibles solares desde la investigación fundamental, donde ha residido durante décadas, hasta la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico, que permitan sentar las bases para la creación de una industria de combustibles solares directos.

Imagen1

La investigación básica ya ha proporcionado grandes avances en la comprensión de la fotoquímica asociada con el sistema de fotosíntesis natural. También se han obtenido avances similares utilizando métodos inorgánicos fotocatalíticos para disociar  el agua o reducir el dióxido de carbono. Sin embargo, todavía se carece de conocimientos suficientes para diseñar sistemas solares de generación de combustible con la eficiencia y la sostenibilidad necesarias para la viabilidad económica. El JCAP debe desarrollar un sistema de conversión efectiva de energía solar en un combustible químico. El sistema debe funcionar con una eficiencia global y producir combustible de contenido de energía suficiente para permitir la transición de escala de laboratorio hasta prototipos de concepto. La magnitud de este desafío es de enormes proporciones, pero no insuperables, y requerirá de la experiencia de grupos de excelencia en diversas disciplinas en química, física, ciencias de los materiales, biología molecular e ingeniería.

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“Análisis del mapa de ruta del H2 para España según HyWays”, informe del Grupo de Análisis de Capacidades de la PTE HPC

Próximamente se publicará un informe elaborado por el Grupo de Análisis de Capacidades (GAC) de la PTE HPC en el que se han analizado los resultados que se obtuvieron en el proyecto europeo HyWays, cuya finalidad era desarrollar una “hoja de ruta” validada y bien aceptada para la introducción del hidrógeno en los sistemas energéticos europeos, teniendo en cuenta las condiciones de la vida real de cada país, las barreras y oportunidades  tecnológicas, así como las geográficas, socioeconómicas e institucionales.

Autor: [Loreto Pazos Bazán-INTA]

El Grupo de Análisis de Capacidades de la Plataforma Tecnológica Española de Hidrógeno y Pilas de Combustible, ha examinado con detenimiento los resultados de las prospectivas planteadas para España en el HyWays, para los distintos eslabones de la cadena energética del hidrógeno y ha comparado estos resultados con la realidad actual del panorama energético nacional. Las conclusiones de este análisis se recogen en el documento “Análisis del mapa de ruta del H2 para España según HyWays”, que será publicado próximamente y que podrá consultarse a través de la web: http://www.ptehpc.org/.

Este documento, entre otros resultados relevantes, ha  identificado los recursos energéticos con potencialidad para producir hidrógeno, los primeros centros de usuarios de hidrógeno, así como las oportunidades que representaría para España la introducción de estas tecnologías en el mercado energético.

En cuanto a las cadenas de producción de hidrógeno, las que se han identificado como más interesantes para España han sido las siguientes:

  •  La de biomasa: debido a la flexibilidad y versatilidad del recurso como energía de transición en el futuro.
  •  La eólica centralizada: por el crecimiento continuo esperado de la potencia instalada y por los problemas de integración en la red eléctrica que está sufriendo la energía eólica, se considera que la producción de hidrógeno en los grandes parques eólicos existentes en el país, supondría una buena alternativa para facilitar la integración del recurso eólico en el sistema energético.
  •  La del carbón con captura de CO2: por los importantes avances que se están realizando en la tecnología de captura y secuestro de CO2 y al carácter autóctono del recurso carbón.

 

Los costes actuales del gas natural, la electricidad y el carbón son sustancialmente mayores que los previstos por el HyWays, por lo que los resultados de aquellas cadenas en las que el hidrógeno se produce a partir de estos recursos, deben ser considerados con cautela.

En cuanto a los primeros centros de usuarios de hidrógeno, los resultados obtenidos por el GAC difieren ligeramente de los obtenidos por HyWays. En HyWays, los representantes de los Estados Miembros seleccionaron una serie de indicadores para analizar la localización de los primeros centros de usuarios de cada país y como resultado de ello, para España se seleccionaron Madrid, Barcelona, Navarra, Zaragoza y Valencia. Teniendo en cuenta que esta selección se hizo en el año 2006 y que la realidad política y económica regional de España podía haber cambiado, se realizó un estudio más detallado a nivel regional de las posibilidades, recursos, tendencias, actuaciones y política, en un análisis similar al de HyWays, pero por Comunidad Autónoma. Uno de los cambios más significativos del resultado del análisis del GAC, fue la introducción de las Islas Canarias entre los cinco primeros centros de usuarios, por ser una región turística, con experiencia en actividades de hidrógeno, fuentes renovables y apoyo político, en sustitución de Valencia, cuya actividad inicial se había visto disminuida. Pero a pesar de ello, la evolución de las zonas de demanda del hidrógeno y su infraestructura sigue siendo similar, existiendo unos primeros núcleos entre Madrid, Barcelona y Aragón, que se despliega rápidamente a Navarra y el País Vasco, y de ahí se expande hacia regiones más al oeste como Galicia y al sur como Valencia.

Y por último, en lo referente a las oportunidades que representaría para España la introducción de estas tecnologías en el mercado energético caben destacar las siguientes:

  • Respecto a las previsiones que hace HyWays del PIB, el resultado de un aumento del 0,3% en el PIB para el 2050, se considera aceptable.
  • Respecto a los efectos en el empleo, dependerá  del escenario considerado (optimista o pesimista), por lo que el escenario que predomine será el que marque la tendencia. La inversión en estas tecnologías no implicará un aumento sustancial de empleo, sino  que evitará una pérdida importante de puestos de trabajo.
  • Respecto a la competitividad económica de las tecnologías del hidrógeno, se considera que la existencia de un apoyo político efectivo, junto con un precio elevado del petróleo, pueden hacer que la fecha para que esto ocurra se alcance en un periodo más o menos cercano.
  • Respecto al la posición de España en el desarrollo de estas tecnologías y el papel que pueda tener en el proceso de su implantación, se destaca una posible vía de liderazgo en el sector de la producción de hidrógeno, integrando hidrógeno y fuentes de energía renovables. España tiene el conocimiento y la capacidad tecnológica para iniciar la entrada en el mercado en el caso de que este mercado sea favorable. Esto puede poner al país en una posición de ventaja respecto a otros países que todavía no han tomado mucha iniciativa.
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