Archivo de febrero, 2011

La urea como fuente de hidrógeno: beneficios y retos tecnológicos para su implantación.

La urea puede ser empleada como una fuente de hidrógeno sostenible y segura debido a su nula toxicidad, estabilidad y facilidad de transporte y almacenamiento. La descomposición de la urea genera, en una primera etapa, amoniaco que posteriormente puede descomponerse a hidrógeno y nitrógeno. Además, la urea es un recurso barato y, muy abundante si se obtiene biológicamente de los residuos urbanos, o mediante la transformación de los productos de desecho de organismos ureotélicos.

 [Alicia Bayón Sandoval, y Juan M. Coronado – IMDEA Energía]

 Las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno constituyen una opción muy atractiva para la generación eléctrica, ya que se trata de una tecnología fiable y eficiente que permite una producción de energía distribuida. Sin embargo, la puesta en marcha de la denominada economía del hidrógeno requiere superar las barreras tecnológicas que impiden su pleno desarrollo dentro del sistema energético actual. Desde el punto de vista de la producción y almacenamiento de hidrógeno, recientemente se están desarrollando estudios que proponen el empleo de la urea para este fin [1], destacando los beneficios de su empleo, así como la necesidad de continuar con la investigación y el desarrollo para su implantación real.

 La urea es un compuesto orgánico nitrogenado que responde a la fórmula (NH2)2CO. Su descubrimiento, en 1727 por Herman Boerhaave, supuso la fundación de la química orgánica moderna. Puede sintetizarse a partir de cianato amónico (síntesis de Wöhler) cuyo mecanismo de reacción es aún desconocido. Además, la urea produce en la naturaleza a partir del catabolismo de las proteínas en el hígado de los mamíferos y las aves, y se excreta en la orina de los mismos. Por calentamiento suave la urea se descompone de acuerdo con la reacción:

(NH2)2CO + H2O → CO2 + 2NH3, ∆H0298=-179.3 kJ mol-1

El amoniaco generado de esta manera podría ser posteriormente disociado según la reacción:

NH3 + ½ N2 + 3/2 H2, ∆H0298=+46 kJ mol-1

Este proceso tiene ventajas respecto al reformado de metano, que es actualmente la ruta habitual para la producción de hidrógeno, ya que su cinética es más rápida, la descomposición no requiere aditivos y el hidrógeno generado está libre de CO [2]. Por otra parte, en comparación con otros productos químicos que pueden ser empleados para la producción de hidrógeno, las principales ventajas del empleo de la urea residen en sus propiedades químicas (no es tóxica, ni inflamable, ni dañina para el medio ambiente, ni explosiva, ni corrosiva) y su estabilidad en condiciones ambientales.

 La producción industrial de urea para el año 2014 se espera que alcance las 222 Mt, suponiendo la instalación efectiva de 55 nuevas plantas de producción ya planificadas en Asia, Latino-América y África. Este alto grado de demanda se debe a su utilización en la síntesis de fertilizantes, y constata la madurez de la tecnología empleada para su producción. El coste actual de este producto está ligado al del gas natural como materia prima, y actualmente alcanza un valor de 160-214 € por tonelada de urea.

Sin embargo, la abundancia de urea en la biomasa residual es tal que excede en 500 veces la demanda actual, y este hecho permite plantear la posibilidad de su producción a través de rutas alternativas al proceso Wöhler mencionado anteriormente. Una de estos procesos es la producción de urea a partir de la orina de aves y animales mamíferos como se mencionaba anteriormente. Esta vía de producción destaca por los beneficios tanto ambientales como económicos que supone recuperar y reconvertir un residuo en un producto de alta demanda. El reto en esta investigación se centra principalmente en la separación de la orina del resto de excrementos, y en la inhibición de la ureasa, bacteria capaz de descomponer la urea pH neutro. Desde el punto de vista industrial, se han patentado algunos procesos químicos que permiten la separación de la orina del resto de los desechos para su aprovechamiento como fuente de producción de urea. Otra vía alternativa de producción biológica de urea es el empleo de bacterias ureotelicas capaces de producir la hidrólisis catalítica de la arginina contenida en la biomasa en forma de cianoficinas, que son polímeros del ácido aspártico y la arginina. El desarrollo de estos procesos podría hacer viable en el futuro el empleo de la urea como una forma de almacenamiento y producción de hidrógeno.

 [1] Andrew N. Rollinson, Jenny Jones, Valerie Dupont and Martyn V. Twigg. Energy Environ. Sci.  2011. DOI: 10.1039/c0ee00705f.

[2] P. F. Ng, L. Li, S. Wang, Z. Zhu, G. Lu, and Z. Yan, Environ. Sci. Technol., 2007, 41 (10), 3758–3762.

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“Las emisiones de CO2 en el sector eléctrico descendieron por tercer año consecutivo. El sistema eléctrico español ha cumplido el compromiso de Kioto gracias a las renovables”

Las emisiones de CO2 en el sector eléctrico descendieron por tercer año consecutivo. El sistema eléctrico español ha cumplido el compromiso de Kioto gracias a las renovables Los beneficios tanto económicos como ambientales que las energías renovables reportan a nuestro país son indiscutibles.

[Autora: Loreto Pazos Bazán-INTA]

En el año que acaba de terminar, el sistema eléctrico español ha producido unas emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) equivalentes a 56 Mt de CO2, claramente inferior a los 74,2 Mt de CO2 que era el objetivo al que se había comprometido España cuando firmó el Protocolo de Kioto (ajustar el total de las emisiones de gases de efecto invernadero a un nivel no superior a un 15% más del correspondiente al año de referencia, 1990, durante el periodo 2008-2012. En España, en 1990, las emisiones del sistema eléctrico fueron 64,5 MT de CO2).

El año 2010 en España se ha caracterizado en términos de producción y consumo de energía eléctrica por:

  • Un aumento del consumo total de energía eléctrica en un 3%, situándose en 260.696 millones de kWh.
  • La ruptura de la tendencia de años secos que se venía registrando desde 2004, las abundantes lluvias registradas en gran parte del 2010 han situado la producción hidráulica en el valor más elevado desde 1997. La producción ha sido un 65% superior a la de 2009. Esto ha permitido cubrir el 14% de la demanda.
  • Subida de la producción nuclear en un 17,4%, como resultado de un menor número de paradas para recarga de combustible.
  • Descenso respecto al año anterior de las producciones con carbón y gas natural del 34% y 17% respectivamente.
  • Aumento de la producción del Régimen Especial (Renovables y Cogeneración) del 12,1%. Las energías renovables, favorecidas este año por la elevada producción hidráulica, han cubierto, según datos provisionales, el 35% de la demanda del 2010, seis puntos más que el año anterior. Por tecnologías, destaca la eólica con un crecimiento del 18.5% de su generación, ha elevado su participación en la cobertura de la demanda al 16%.
  • Reducción en más de un 20% de las emisiones de CO2 debido al aumento de generación con energías renovables y a la menor producción de las centrales térmicas, para situarse en torno a 56 millones de toneladas y, por tanto, en niveles inferiores a los de 1990.

Los beneficios tanto económicos como ambientales que las energías renovables reportan a nuestro país son indiscutibles, ya que se evitan costes asociados a la compra de derechos de emisión, disminuyen la dependencia energética de España del extranjero, contribuyen a la lucha contra el cambio climático y además, son un potencial para la generación de empleo. La industria termoeléctrica emplea en España, en estos momentos, a unas 17.905 personas (cálculos basados en el número de centrales en operación y construcción avanzada en 2010 y a la generación de empleo asociado a su construcción y mantenimiento). Esta cifra pone de manifiesto el potencial de esta industria como motor de generación de riqueza nacional.

Por todo ello, no se entiende como todavía hay quienes ponen en duda la conveniencia de seguir fomentando las energías renovables en nuestro país.

Pero para que se sigan produciendo inversiones en energías renovables se necesitan regulaciones estables y predecibles así como mercados sólidos y estables que permitan la recuperación de las inversiones.

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LA COMISIÓN EUROPEA ANALIZA EL FUTURO Y EVENTUAL REEMPLAZO DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES POR ALTERNATIVAS MÁS ECOLÓGICAS

Según el reciente informe del “European Expert Group” sobre Biocombustibles para el Transporte en el futuro presentado por la Comisión Europea en enero de 2011, hay suficientes alternativas para sustituir los combustibles fósiles en el transporte, de aquí a 2050, por otros más ecológicos  como la electricidad y los biocarburantes.

 Autora: [Mª José Negro-CIEMAT-Unidad de Biomasa]

 Por primera vez, el grupo de expertos en combustibles para el transporte del futuro ha desarrollado un enfoque amplio que abarca todo el sector del transporte. La demanda esperada de todos las formas de transporte podría alcanzarse a través de una combinación de electricidad (baterías o células de combustible de hidrógeno) y biocombustibles como opciones principales, combustibles sintéticos (cada vez más de los recursos renovables) como una opción puente, metano (gas natural y biometano) como combustible complementario y GLP como suplemento. 

 De acuerdo con el estudio “Future transport fuels”, los biocombustibles están situados en una buena posición, ya que son los únicos que pueden generar energía para todos los modos de transporte: automóviles, aviones, trenes y embarcaciones.

 Entre las diferentes opciones que baraja el informe para alimentar esas modalidades, la electricidad sólo aparece en el transporte por carretera (para distancias cortas) y en los ferrocarriles. Al hidrógeno se le cita también como una alternativa a los automóviles para distancias medias y en embarcaciones ligeras, en especial destinadas a aguas interiores. A los biocombustibles se les considera idóneos para cubrir largas distancias en el transporte por carretera, para algún tipo de ferrocarril, para la aviación y en todo tipo de embarcaciones, marinas y fluviales.

 En un escenario de “descarbonización” ideal, como el que plantea el informe para 2050, la biomasa sustituiría paulatinamente a los combustibles fósiles menos contaminantes, como los sintéticos, el metano y los gases licuados del petróleo, gas y carbón. Las alternativas que se citan en el ámbito de los biocombustibles para cubrir un transporte “descarbonizado” son muchas y todas conocidas, aunque con diferente grado de desarrollo e implantación comercial: biodiésel, bioetanol, biometano, aceites vegetales hidrogenados (HVO, en sus siglas en inglés), alcoholes superiores a partir de procesos sintéticos, DME (dimetiléter a partir de la biomasa) y biocombustibles BTL (del inglés, Biomass to Liquids).

 Los autores de este estudio no dejan pasar la oportunidad de reincidir en que todos estos biocarburantes deben reunir las máximas garantías de sostenibilidad, sean de primera o de segunda generación. “Los principales combustibles alternativos considerados deben producirse a partir de bajas emisiones de carbono y, finalmente, a partir de fuentes libres de carbono”, se señala. Además, entienden que el cambio indirecto de uso del suelo también se debe considerar para medir dicha sostenibilidad.

Fuente: http://ec.europa.eu

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Aplicación de la energía solar a ciclos termoquímicos

Autor: [Alfonso Vidal Delgado-CIEMAT]

1. LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO

Desde el punto de vista medioambiental, la combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisión de gases de efecto invernadero. Uno de los mayores factores de contaminación se encuentra en el sector transporte y la mayor preocupación en los paises industrializados está centrada en encontrar opciones viables al vigente sistema de transporte.

En efecto, el transporte, representa más del 30% del total de consumo de energía y depende de un 98% de los combustibles fósiles; este sector es la principal causa del incumplimiento de los objetivos y compromisos del Protocolo de Kyoto. Ademas, el  transporte representa una fuente de emisiones móvil, aspecto que obliga a un tratamiento distinto de reducción de emisiones con respecto a las procedentes de la generación de energía, donde la estaticidad de la fuente posibilita tratamientos menos costosos.

Una de las respuestas a este problema es el uso de hidrógeno como fuente de energía y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. Esta propuesta reduciría la dependencia actual sobre los combustibles fósiles, ya que el hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las renovables o la nuclear. Igualmente se disminuiría la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero, puesto que el único residuo generado por una pila de combustible es agua. Sin embargo, la producción masiva de hidrógeno ha de ir necesariamente asociada a garantizar un prolongado desarrollo sostenible, generando este combustible sin el consumo de combustibles fósiles.

2. CICLOS TERMOQUÍMICOS

Actualmente se está investigando procesos alternativos, a los comercialmente disponibles (reformado, gasificación, etc) cuyo interés reside en garantizar una producción de este producto sin emisiones, tal es el caso de los ciclos termoquímicos. Los ciclos termoquímicos son los procesos en los que se tiene depositada toda la confianza como gran solución a medio-largo plazo para la producción masiva de H2 límpio a partir de energía solar mejorando los rendimientos alcanzados en la disociacíon electrolítica del agua (con eficiencias en el entorno del 25-30%).

 Los ciclos termoquímicos constan de una serie de reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas que tienen como objetivo la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno de forma separada (en dos etapas distintas) y no necesita temperaturas tan altas como las requeridas para el proceso de disociación térmica. Entre los más de 100 ciclos posibles que se encuentran descritos en bibliografía, merece la pena destacar los ciclos basados en óxidos metálicos cuyo esquema se resume en el diagrama siguiente: (Fig. 1):

Imagen1

Figura 1. Esquema general de un ciclo termoquímico basado en óxidos.

 Una de las experiencias mas prometedoras en este grupo se está realizando dentro del proyecto Europeo denominado HYDROSOL, en cuya segunda fase denominada Hydrosol-II (Solar Hydrogen via Water Splitting in Advanced Monolithic Reactors for Future Solar Power plants (HYDROSOLII) FP6-2004-ENERGY-3 – Proposal No 020030) participa CIEMAT con sus instalaciones en la Plataforma Solar de Almería.  El objetivo de esta segunda fase es la evaluación de un reactor de 100 kW en la Plataforma Solar de Almería.

Uno de los retos de HYDROSOL-II fue la integraciíin del receptor de 100 kW en una planta de torre central situada en la Plataforma Solar de Almería. Esta planta consta de campo de helióstatos formado por 91 unidades de de 39 m2 de superficie cada una. Además dspone de una torre metálica de 42 m donde se disponen varias plataformas de ensayos.  El reactor de HYDROSOL se compone de dos cámaras de reacción adyacentes y está soituado a 32 m de altura. El concepto HYDROSOL II prevé que estás cámaras de reacción permanezcan en posiciones fijas, mientra que los helióstatos esten periódicamente enfocando a uno u otro modulo en función de los requerimientos térmicos de cada etapa. 

 A lo largo de este año se han llevado a cabo diversas campañas de ensayos con distintos tipos de recubrimientos en los monolitos demostrando la capacidad operativa del rector HYDROSOL II con la tecnología de torre central para una producción continua de hidrogeno. Los logros alcanzados en estos proyectos, que han introducido el concepto de reactores solares monolíticos multi-canal para la generación de hidrógeno por disociación de la molécula de agua, han permitido al Consorcio obtener una nueva financiación EC (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) que lleva por título HYDROSOL 3D cuyo objetivo principal es la preparación en detalle de una planta de energía solar térmica de producción termoquímica de hidrógeno a partir de agua en una escala de 1 MW en una torre solar.

 Los socios que participan en este nuevo proyecto son el APTL (Grecia), DLR (Alemania), TOTAL (Francia), HYGEAR (Holanda) y CIEMAT. El proyecto HYDROSOL-3D se centra en el próximo paso hacia la comercialización e implica todas las actividades necesarias para preparar la construcción de una planta solar de demostración de 1 MW, basada en la tecnología-HYDROSOL.  Fig. 2 Vista del campo CRS con los helióstatos en primer término y la torre metálica.

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Combustibles “Solares” con elevada eficiencia

Autor: [Juan Ángel Botas-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

 Investigadores del Swiss Federal Institute of Technology (ETH, Zurich) y del California Institute of Technology (Pasadena) han desarrollado un nuevo reactor capaz de convertir dióxido de carbono y agua en compuestos químicos precursores de combustibles líquidos con elevada eficiencia relativa, empleando la radiación solar.

 El principal interés de este descubrimiento se basa en la posibilidad de emplear energía solar para obtener combustibles líquidos hidrocarbonados de forma más eficiente que otros métodos alternativos como la fotocatálisis o la fermentación microbiana. Además, es de destacar su posibilidad de operar de forma continua, lo que posibilitaría su desarrollo a gran escala acoplado a sistemas de concentración solar de torre.

 Este nuevo sistema emplea energía solar concentrada para disociar termoquímicamente las moléculas de CO2 y H2O, mediante reacciones redox promovidas por óxido de cerio, para producir CO, H2, y O2 como subproducto. La mezcla de CO y H2, conocida como Gas de Síntesis, puede ser tratada mediante procesos Fischer-Tropsch para producir combustibles líquidos como metanol y gasolina.

 William C. Chueh, et al.; Science 330, 1797 (2010)

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La Biomasa como materia prima para obtener hidrógeno

Autor: [Juan José Espada- Universidad Rey Juan Carlos]

 La creciente presión sobre los combustibles fósiles ha llevado a la búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas para abastecer las necesidades de mercado. Entre las más prometedoras se encuentra el hidrógeno ya que a partir del mismo se puede obtener electricidad sin emisiones peligrosas empleando pilas de combustible. Actualmente, la mayor parte el hidrógeno (aprox. 96% de la producción mundial) se obtiene a partir de combustibles fósiles, siendo el gas natural la materia prima más empleada (> 75% de la producción). Las tecnologías empleadas para la obtención de hidrógeno a partir de gas natural se basan en alguno de los siguientes procesos: Reformado de metano con vapor, oxidación parcial y reformado autotérmico. De todos ellos, el reformado con vapor es el más ampliamente utilizado, aunque las elevadas emisiones de gases con efecto invernadero, cuyo potencial de calentamiento global es de entorno 13,7 kg CO2 equivalente/kg de H2 producido, hacen que no sea un proceso sostenible. Estas elevadas emisiones hacen que sea necesario emplear técnicas para la captura y el almacenaje de CO2.

El elevado potencial contaminante del reformado de metano ha planteado la necesidad de reducir los impactos medioambientales no sólo desde el punto de vista de las emisiones, sino también de las materias primas empleadas para su obtención. Así una de las alternativas que podría ser adecuada es el uno de biomasa como materia prima para la obtención de metano. De esta manera el impacto medioambiental asociado a la obtención y uso de los combustibles fósiles se vería minimizado. Entre las diferentes alternativas (residuos sólidos urbanos, lodos procedentes de estaciones depuradores, etc.). Estos materiales presentan una fracción orgánica que puede aprovecharse para obtener metano mediante digestión anaerobia. Este proceso ha sido ampliamente investigado utilizado como vía de aprovechamiento de residuos por lo que su implantación no supone grandes dificultades. Como resultado de este proceso se obtiene biogás (rico en metano) que puede utilizarse como materia prima en el proceso de reformado para obtener hidrógeno. Sin embargo, el uso de biogás lleva asociado una serie de inconvenientes, principalmente los motivados por la cantidad de CO2 presentes en el biogás. Por ello, antes de su utilización es necesario llevar a cabo su depuración para obtener un biogás refinado con elevado contenido de metano (>96% vol.). Además, la separación del CO2 implica su posterior captura para reducir los efectos nocivos de su emisión. En la Figura 1 se muestra un esquema para obtener hidrógeno a partir de metano y de biomasa residual.

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Figura 1. Diagrama de bloques de la producción de hidrógeno a partir de diferentes materias primas

El análisis medioambiental del proceso empleando gas natural y biomasa residual como materia prima revela que, a pesar de los mayores requerimientos en cuanto a la captura de CO2 al emplear biogás, los impactos ambientales se reducen.

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