Archivo de abril, 2011

Un nuevo avance para rebajar el coste de las celdas de combustible tipo PEM

Rebajar el coste de las celdas de combustible de membrana polimérica (tipo PEM) es uno de los retos económicos a los que se debe hacer frente para facilitar el uso generalizado de estos dispositivos para la generación de electricidad. En el último número de la revista Science se ha publicado un nuevo avance en el desarrollo de electrodos de bajo coste alternativos a los de platino. Se ha desarrollado un nuevo electrodo constituido por metales de bajo coste, hierro y cobalto, que permite alcanzar corrientes eléctricas comparables a las alcanzadas con los electrodos convencionales de platino además de presentar una excelente durabilidad.

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

Las celdas de combustible de membrana polimérica (PEM) son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química almacenada en el hidrógeno (u otro combustible como metanol, etanol,…) en electricidad (y algo de calor) a baja temperatura (aprox 100ºC). El hidrógeno se alimenta en un electrodo (ánodo) donde se oxida catalíticamente generando electrones y protones (H+). Los electrones generados se conducen hacia el segundo electrodo (cátodo) por un circuito eléctrico externo generando así la corriente eléctrica. Los electrones en el cátodo se combinan con los con los protones –que viajan a través de una membrana polímerica– y con oxígeno del aire, generando agua (Figura 1).

 

 

 

 

 

 

Figura 1- Esquema de funcionamiento de una celda de combustible polimérica alimentada por hidrógeno

Aunque en los últimos años se han logrado notables progresos en el desarrollo de la tecnología de celdas de combustible, el coste y la duración de las mismas son dos de los obstáculos principales a los que se enfrenta para facilitar el uso generalizado de estos dispositivos para la generación de electricidad. Los materiales de los electrodos que catalizan las reacciones de oxidación de hidrógeno y de reducción de oxígeno son los materiales de mayor coste entre los elementos que componen la celda de combustible (alrededor del 55% del coste total de la celda). Estos electrodos están constituidos por partículas nanométricas de platino (y otros metales nobles) soportadas sobre partículas de carbón. La escasez del platino en la naturaleza hace que el cose de este material (1800 $/oz) supere incluso  al del oro (1500 $/oz). Por lo tanto, la reducción del coste de los materiales que integran los electrodos es un paso importante para facilitar la comercialización y uso de este tipo de dispositivos. En este sentido se están desarrollando diferentes líneas de investigación con la finalidad de disminuir el contenido en platino en los electrodos o bien para encontrar formulaciones metálicas alternativas al platino de inferior coste. Dentro de esta segunda línea de investigación, investigadores de Los Alamos National Laboratory (EEUU) han desarrollado un nuevo catalizador basado en metales no nobles para el electrodo de reducción de oxígeno de la celda PEM [1]. Las mejoras en el desarrollo del electrodo de reducción de oxígeno son particularmente importantes ya que la velocidad de reducción del oxígeno en dicho electrodo es determinante en el rendimiento y potencia global de la celda de combustible. El nuevo catalizador desarrollado para el electrodo de reducción de oxígeno esta basado en carbón (derivado de polianilina tratada térmicamente) sobre el que se depositan metales de bajo coste como el hierro y el cobalto. Los investigadores aseguran que la nueva formulación de electrodo no sólo alcanza rendimientos comparables a los alcanzados con los electrodos convencionales de Pt  sino que incluso presenta mejor durabilidad frente a los ciclos de arranque y parada (que son los que más limitan la vida de los electrodos). Los autores del estudio afirman que para todos los efectos, se trata de un catalizador de coste cero en comparación con los catalizadores de platino. El siguiente paso que va a abordar el grupo de investigación es tratar de conocer en profundidad el mecanismo de funcionamiento subyacente en esta nueva formulación de electrodo con el fin de optimizar su eficiencia y durabilidad lo que puede suponer un avance importante para la comercialización de este tipo de dispositivos de generación de electricidad.

Más información

[1] G.Wu, K.L. More, C.M. Johnston, P. Zelenay, High Performance Electrocatalysts for Oxygen Reduction Derived from Polyaniline, Iron and Cobalt, Science, 2011; 332 (6028)

Etiquetas:

Centrales termosolares híbridas de Ciclo Combinado

La mayoría de las formas de producción de energía que se utilizan actualmente no son sostenibles, ya sea porque agotan los recursos del planeta o porque afectan al clima. Estas consecuencias, que resultan inaceptables, se agudizarán con el aumento general de la demanda de energía. Por esta razón, necesitamos formas más eficientes y limpias de dar respuesta a estas necesidades energéticas. Es vital, avanzar en los proyectos de investigación y desarrollo que versen sobre las tecnologías emergentes  que se necesitan para lograr estos objetivos. La solar es una de las energías más infrautilizadas, aunque presenta un gran número de opciones tecnológicas con desarrollos que hay que potenciar como el de la energía solar termoeléctrica de concentración y sus posibilidades de hibridación con Ciclos Combinados.

[Carmen García Gonzalo-INTA]

La mayoría de las formas de producción de energía que se utilizan actualmente no son sostenibles, ya sea porque agotan los recursos del planeta o porque afectan al clima. Estas consecuencias, que resultan inaceptables, se agudizarán con el aumento general de la demanda de energía. Por esta razón, necesitamos formas más eficientes y limpias de dar respuesta a estas necesidades energéticas. Es vital, avanzar en los proyectos de investigación y desarrollo que versen sobre las tecnologías emergentes  que se necesitan para lograr estos objetivos. La solar es una de las energías más infrautilizadas, aunque presenta un gran número de opciones tecnológicas con desarrollos que hay que potenciar como el de la energía solar termoeléctrica de concentración y sus posibilidades de hibridación con Ciclos Combinados.

Las Centrales Solares Termoeléctricas o también llamadas Centrales Termosolares, producen electricidad de forma bastante similar a las centrales convencionales. La diferencia es que obtienen su energía, concentrando la radiación solar y convirtiéndola en vapor o gas a alta temperatura para accionar una turbina o un motor. Así, estos sistemas de energía solar térmica de concentración producen calor o electricidad mediante el uso de cientos de espejos de gran tamaño que concentran la luz solar en una línea o en un punto a unas temperaturas que oscilan entre 400 y 1.000º C. Existe una gran variedad de formas de espejos, métodos de seguimiento solar y de generar energía útil (torres, cilindro-parabólicas, Fresnel, disco parabólico), pero todos ellos funcionan bajo el mismo principio que es el calentamiento de un fluido que al evaporarse hace moverse a una turbina de vapor o de gas o un motor Stirling. En la actualidad, una central de energía solar térmica de concentración tiene una potencia entre 50 y 280 MW.

Las plantas solares termoeléctricas se están percibiendo en muchos países del mundo como una alternativa real para la generación eléctrica a medio plazo. Según estimaciones de la Asociación Europea de la Energía Solar Termoeléctrica (ESTELA), la capacidad instalada en Europa de las plantas solares termoeléctricas va a crecer rápidamente alcanzando más de 62.000 MW en el año 2030.

A continuación, se muestra un gráfico en el que se representan estas estimaciones sobre la capacidad de instalación de plantas solares termoeléctricas en Europa. (Fuente: ESTELA)

España ha logrado apuntarse como un referente en la materia, pues hoy es líder mundial en energía termosolar, generando una potencia instalada de 432 megavatios (MW). Los planes del Gobierno (Plan de Acción Nacional de Energías Renovables de España: Paner) prevén que para el año 2020 haya en España 5.100 MW termosolares operativos.

Pese a haber limitado el número de instalaciones previstas y restringido las primas que recibirán las fuentes de energía renovable, el sector  prevé que España disponga de 60 plantas termosolares en el año 2013.

La utilización combinada de la energía solar térmica de alta-media temperatura y un combustible fósil o renovable como la biomasa, forma parte de las posibles alternativas de obtención de energía eléctrica de forma más eficiente y con menores consecuencias medioambientales, considerando un futuro a medio-largo plazo. Esta hibridación aporta una serie de ventajas para la instalación solar, como son: una mayor gestionabilidad de la energía, adaptación de la generación a la demanda de electricidad, estabilidad de la producción en los transitorios, apoyo en arranques y mayor utilización de los equipos de generación eléctrica.

El grado de hibridación puede ser muy variable: desde plantas que sólo recurren al combustible fósil para eliminar o reducir al mínimo imprescindible el almacenamiento térmico y cuya función principal es absorber los transitorios producidos por variaciones más o menos bruscas de la radiación solar y garantizar la producción, hasta ciclos combinados convencionales apoyados por energía solar, en los que el aporte de esta última fuente energética está entre el 10 % y el 20 % de la producción.

Las plantas mixtas solar termoeléctrica–biomasa constituyen una excelente oportunidad para mejorar la despachabilidad de la generación solar sin perder su carácter totalmente renovable. Este tipo de plantas híbridas es para muchos expertos la opción más renovable y sostenible que puede presentar la termosolar.

El rendimiento global de una central termosolar de generación de electricidad está en el rango del 16-20%. Los fluidos y ciclos termodinámicos escogidos en las configuraciones experimentales que se han ensayado, así como los motores que implican, son variados, y van desde el ciclo Rankine (centrales nucleares, térmicas de carbón) hasta el ciclo Brayton (centrales de gas natural) pasando por muchas otras variedades como el motor de Stirling, siendo las más utilizadas las que combinan la energía termosolar con el gas natural.

La tecnología de la hibridación de las Centrales Solares Termoeléctricas es un desarrollo relativamente nuevo que ha evolucionado desde sólo cinco o seis proyectos hace un par de años hasta cerca de 15 en todo el mundo, en la actualidad. El concepto de hibridación se basa en el empleo de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre para el calentamiento de un fluido que se hace pasar posteriormente por una etapa de turbina. Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador óptico y receptor solar, este esquema tiene muchas similitudes con las tecnologías termoeléctricas convencionales basadas en la conversión mecánica del calor, y posteriormente la generación eléctrica, en un alternador a partir de un movimiento mecánico rotativo.

En concreto, la idea es combinar los beneficios medioambientales de la energía solar con las ventajas operativas de una planta “convencional” de ciclo combinado con turbina de vapor y turbina de gas. Básicamente, se beneficia de una infraestructura existente en una central de energía térmica convencional, que incluye la conexión de las líneas de transmisión energética a la red de suministro. Esto hace que la hibridación sea rentable y también proporciona un camino hacia la generación de energía convencional menos contaminante.

Existen diferentes posibilidades de configuración en modo hibridación ya sea con turbinas de vapor, turbinas de gas, con motor Stirling, Ciclos Combinados, etc. Así, una planta convencional de ciclo combinado, está formada por una turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor. En el caso de una planta híbrida de ciclo combinado-solar, el funcionamiento, es semejante al de una planta de ciclo combinado convencional, el combustible  se quema normalmente en la cámara de combustión de la turbina de gas. A los gases de escape que se dirigen al recuperador de calor, se les añade el calor proveniente del campo solar, dando lugar a un aumento en la capacidad de generación de vapor con el consiguiente ahorro de combustible y una disminución de las emisiones, así como, a una reducción de costes de operación y de costes globales de la electricidad solar térmica. Gracias a esta combinación se aúnan las ventajas de las térmicas de combustibles de poder producir energía de forma constante y de las térmicas solares, coste del combustible cero.

A modo de ejemplo, el siguiente esquema es representativo de una planta termosolar de receptor central de torre con receptor volumétrico presurizado integrado con un ciclo combinado de turbina de gas y un ciclo de turbina de vapor.

 

En el siguiente esquema, se muestra una Central Termosolar con tecnología de colectores cilindro-parabólicos: (Fuente: Proyecto ISCC Hassi R’Mel)

Etiquetas:

Computación fluidodinámica en el desarrollo de sistemas solares de concentración

La Fluidodinámica Computacional es, en la actualidad, una de las grandes áreas de investigación debido a su amplio espectro de aplicación, siendo capaz de abarcar disciplinas de influencia tanto en el ámbito científico como en el industrial. Ejemplo de ello es la energía solar térmica.

(M.I. Roldán, Plataforma Solar de Almería)

El análisis de procesos técnicos o científicos es imprescindible para operar adecuadamente un sistema, predecir su comportamiento y optimizar el proceso que se va a llevar a cabo. Es bien sabido que para este fin se requiere un trabajo previo de investigación, el cual puede ser abordado de forma experimental y/o mediante simulación teórica. En la experimentación, la información se obtiene examinando los fenómenos por sí mismos y, en la simulación, el análisis de dichos fenómenos se lleva a cabo mediante programas de ordenador basados en modelos matemáticos. Dichos modelos, a su vez, proceden de teorías científicas que explican fenómenos reales; por lo que la selección de la estrategia a emplear para analizar el proceso debe basarse en la precisión obtenida, coste de cálculo que implique y viabilidad del método [1].

A diferencia de la experimentación, la predicción teórica de un fenómeno viene dada por un modelo matemático procedente de un modelo físico para cuya resolución, se emplean métodos numéricos capaces de resolver las ecuaciones diferenciales del modelo. Las principales ventajas de los cálculos teóricos frente a la investigación experimental son [2]:

  • Bajo coste ya que en la mayoría de las aplicaciones, el coste de computación es de varios órdenes de magnitud inferior al coste de las investigaciones experimentales.
  • Mayor rapidez en la logro del diseño, debido a la disponibilidad de ordenadores potentes.
  • Suministro de información completa y detallada, ya que la solución computacional puede proporcionar valores de las variables relevantes en prácticamente todo el dominio de interés.
  • Capacidad de simular condiciones reales muy distintas, puesto que en un análisis computacional se puede trabajar tanto a pequeña como a gran escala, con temperaturas muy altas o muy bajas, manejar sustancias tóxicas y peligrosas, o seguir procesos muy rápidos o muy lentos sin que implique una transformación completa de la instalación.
  • Capacidad de simular condiciones ideales, de forma que en el estudio de un fenómeno puedan evaluarse únicamente los parámetros que se consideren esenciales y descartar las características irrelevantes, pudiendo realizar una idealización del proceso, algo imposible de obtener en el análisis experimental.
  • Capacidad de simular condiciones extremas; ya que, en ciertos sistemas, puede ser muy útil realizar simulaciones computacionales para predecir cuál será el comportamiento del mismo en casos extremos y emergencias, debido a que la realización de dichos experimentos puede implicar riesgos de seguridad.

Con respecto a las desventajas del análisis computacional, es necesario destacar que la utilidad de dicho análisis depende de la validez de los modelos matemáticos en los que se sustenta y de los métodos numéricos de resolución que utiliza. Por lo que en los casos en que el estudio del comportamiento de un sistema implique la construcción de prototipos para abarcar los objetivos de la investigación y, en consecuencia, requiera un elevado gasto de tiempo y dinero, la mejor opción es emplear para la investigación la simulación teórica computacional, usando métodos numéricos [3].

El tipo de método numérico más empleado es el método de elementos finitos por su mayor facilidad para introducir dominios de cálculo complejos. Además, es fácilmente adaptable a problemas de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y presiones, así como a problemas de transferencia de calor o de campo electromagnético; por lo que, usando un programa de computación fluidodinámica (CFD), se puede construir un modelo que resuelva este tipo de problemas y obtener una predicción de la dinámica del fluido y de los fenómenos físicos asociados [4][5].

De esta forma, la Fluidodinámica Computacional es uno de los métodos más apropiados para estudiar diferentes procesos tales como la transferencia de calor [6][7] y el flujo de fluidos [8][9]. En el área termosolar la simulación CFD es aplicable en multitud de estudios; de modo que da la posibilidad de, por ejemplo, desarrollar un análisis térmico tanto para un dispositivo solar de alta concentración, destinado a aplicaciones industriales de alta temperatura, como para tubos receptores de media concentración. Estos trabajos actualmente se están desarrollando en la Plataforma Solar de Almería, en el contexto de diferentes proyectos de investigación, con el objeto de emplear la versatilidad de este tipo de simulación en el diseño de instalaciones más seguras y mejor adaptadas a los requerimientos concretos de cada aplicación.

La utilidad de esta herramienta de simulación dentro del campo solar ha sido comprobada en estudios de producción de hidrógeno a partir del craqueo de metano, mediante reactores solares, [10] en los que se analiza la distribución tanto de temperatura como de concentración de sustancias en el interior del reactor (Figura 1). También se ha empleado la simulación CFD para el diseño de colectores solares poliméricos, en los que se ha analizado la distribución de temperatura y velocidad del fluido, con objeto de evaluar y mejorar la eficiencia del colector [11]. Otra área de aplicación es la optimización de la geometría y dimensión de nuevos tipos de cavidades receptoras para el colector lineal Fresnel, mediante la evaluación de la transmisión de calor en la instalación [12].

Figura 1. Ejemplo del estudio de la distribución de temperatura y de especies en un reactor solar mediante simulación CFD [10]

Los ejemplos anteriormente citados muestran la amplia versatilidad y aplicabilidad de la Fluidodinámica Computacional en el desarrollo de instalaciones solares, puesto que permite un análisis pormenorizado del conjunto de variables implicadas en el proceso. Esto se traduce en una reducción de coste en la optimización y puesta a punto de la instalación, lo que promueve la aplicación generalizada de esta herramienta en el campo solar y que sea cada vez más necesaria en el desarrollo de estudios científicos.

REFERENCIAS

  1. Ueberhuber, C.W. (1997). Numerical computation: methods, software and analysis. Ed. Springer.
  2. Patankar, S.V. (1980). Numerical heat transfer and fluid flow. Ed. McGraw-Hill.
  3. Solano, F.J; Jiménez, P.A; Rey, P.L; García, R. (2006). Utilización de la fluidodinámica computacional (CFD) como herramienta para la determinación de parámetros de los depósitos en modelos de calidad de agua. Universidad Politécnica de Valencia.
  4. Chung, T.J. (2003). Computational Fluid Dynamics. Ed. Cambridge University Press.
  5. Wesseling, P. (2000). Principles of CFD. Ed. Springer. 1ª Edición.
  6. Zhang, J.; Haghighat, F. (2009). Convective heat transfer prediction in large rectangular cross-sectional area Earth-to-Air Heat Exchangers. Building and Environment, 44, 1892-1898.
  7. Zhai, Z.; Chen, Q. (2004). Numerical determination and treatment of convective heat transfer coefficient in the coupled building energy and CFD simulation. Building and Environment, 39(8), 1001-1009.
  8. Haghighat, F.; Jiang, Z.; Wang, J.C.Y.; Allard, F. (1992). Air movement in buildings using computational fluid dynamics. The ASME Journal of Solar Energy Engineering, 114 (2), 84-92.
  9. Hsieh, K.J.; Lien, F.S. (2004). Numerical modelling of buoyancy-driven turbulent flows in enclosures. International Journal of Heat and Fluid Flow, 25(4), 659-670.
  10. Abanades, S.; Flamant, G. (2007). Experimental study and modeling of a high-temperature solar chemical reactor for hydrogen production from methane cracking. International Journal of Hydrogen Energy, 32, 1508-1515.
  11. Martinopoulos, G.; Missirlis, D.; Tsilingiridis, G.; Yakinthos, K.; Kyriakis, N. (2010). CFD modeling of a polymer solar collector. Renewable Energy, 35, 1499-1508.
  12. Facão, J; Oliveira, A.C. (2011). Numerical simulation of a trapezoidal cavity receiver for a linear Fresnel solar collector concentrator. Renewable Energy, 36, 90-96.
Etiquetas:
Categorias: General

Simposio internacional sobre Biotecnología aplicada a la producción de biocombustibles y productos químicos

Los próximos 2 a 5 de Mayo tendrá lugar en Seattle (Washington, EEUU) el congreso “33rd Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals”, organizado por el National Renewable Energy Laboratory (NREL) y el Oak Ridge National Laboratory (ORNL) de EEUU, sobre el tema de la biotecnología en la producción renovable de combustibles y productos químicos.

[Paloma Manzanares -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]

El “33rd Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals” tiene como objetivo discutir el papel de la biotecnología avanzada en la mejora técnica y económica de los procesos de producción de biocombustibles y productos químicos a partir de biomasa.  Este congreso es una edición más de la serie de simposios que se vienen celebrando en EEUU desde hace más de treinta años con la colaboración de organizaciones y centros de investigación estadounidenses relevantes en el ámbito de la producción de combustibles y productos derivados de alto valor añadido a partir de biomasa, tales como el National Renewable Energy Laboratory (NREL), el Oak Ridge National Laboratory (ORNL) y la Society for Industrial Microbiology (SIM).

 La organización del simposio prevé la participación como conferenciantes de numerosas personalidades de reconocido prestigio a nivel mundial en el tema de la utilización de biomasa para la producción de combustibles renovables y otros productos de interés en la industria química, lo que confiere al evento un elevado nivel científico. Los participantes en el mismo tendrán una excelente oportunidad de conocer los últimos avances en el tema, así como de presentar y discutir los resultados de sus investigaciones ante un importante panel de expertos.

Como en otras ediciones, los contenidos técnicos del simposio están organizados alrededor de tres categorías temáticas generales: materias primas, procesos de conversión y productos, estando enfocada la programación técnica en los aspectos aplicados de estos tres temas y su interacción con la biotecnología.

La Unidad de Biocarburantes de Ciemat, que participa regularmente en las ediciones de este simposio, en esta ocasión presentará dos trabajos de investigación, cuyos títulos son: “Enzymatic hydrolysis of steam exploded cereal straw at high solid loading” y “Effect of nutrient addition on preinoculum growth of Saccharomyces cerevisiae for application in SSF processes”

Etiquetas:

Nuevos avances en la producción de biocombustibles a partir de basura

Dada la situación energética actual, si hay una buena forma de aprovechar los residuos que generamos es produciendo biocombustibles.

 [Arturo J. Vizcaíno – Universidad Rey Juan Carlos]

 Investigadores del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) de México han desarrollado un proceso para transformar la basura orgánica en hidrógeno, gas natural y otros productos útiles para la industria, simultáneamente. Esto supone un paso más hacia el desarrollo de biorrefinerías para la producción de biocombustibles de segunda generación.

 El principal interés de este proceso es la obtención de diferentes productos a partir de una misma materia prima, al igual que sucede en una refinería tradicional. Los investigadores del Cinvestav aseguran que todas las basuras orgánicas pueden ser utilizadas en la biorrefinería que proponen. El proceso se basa en la fermentación anaerobia de los desechos orgánicos con ayuda de cultivos de diferentes microorganismos. Tratando de aprovechar al máximo estos desechos, los investigadores proponen que, tras la obtención de hidrógeno, metano y bioproductos, el residuo puede ser utilizado como compost. Se estima que una tonelada de basura puede generar entre 25 y 50 kWh de hidrógeno; de 600 a 700 kWh de metano; de 10 a 50 kg de preparado enzimático de uso industrial y 400 kg de composta.

 El trabajo resultó ganador en la Student Paper Competition, que otorga Battelle, una de las organizaciones mundiales más grandes para el desarrollo e investigación, enfocada al avance y aplicación científica en diversos campos, incluyendo las tecnologías energéticas.

 Fuentes:

Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1000–1013.

http://www.eluniversal.com.mx

http://www.cronica.com.mx/

Etiquetas:

Estudio de durabilidad en pilas de metanol directo (DMFCs)

Autores: [Ricardo Escudero Cid, Pilar Ocón-Universidad Autónoma de Madrid]

Las llamadas DMFCs son pilas de combustible de membrana polimérica alimentadas con metanol y aire. Una de las aplicaciones más estudiadas para las pilas de combustible, es la posibilidad de implantarlas en el sector transportes permitiendo así reducir la dependencia del petróleo. Teniendo en cuenta esta aplicación una de las cualidades fundamentales necesarias de los combustibles es su facilidad de manejo y transporte. El metanol se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente a diferencia de lo que ocurre con el hidrógeno, por lo que presenta mejores propiedades para su implantación como vector energético, ya que la adaptación para el repostaje de combustible puede realizarse más fácilmente. A pesar de esta ventaja, la realidad es que las pilas de metanol directo son menos eficientes que las de hidrógeno ya que las potencias alcanzadas son menores y su durabilidad más baja. Esto ocurre debido entre otros problemas, al crossover de metanol, es decir, el paso del metanol desde el ánodo al cátodo contaminando el material catalítico y empeorando su funcionamiento.

La mayoría de los estudios que se realizan hoy en día, centran su interés en mejorar la potencia de las pilas o en la búsqueda de catalizadores más baratos para una mejor implantación en el mercado. Normalmente, la durabilidad de las pilas no se tiene demasiado en cuenta, pese a ser una de los parámetros más importantes a la hora de implantar el dispositivo. Esto, se debe a la dificultad para evaluarla, ya que se debería mantener trabajando el sistema como si de uno real se tratase por lo tanto, un largo número de horas, siendo todo ello demasiado costoso tanto en tiempo como en dinero para poder llevarse a cabo.

Para realizar los estudios de durabilidad de las DMFCs, se desarrollan diferentes perfiles de trabajo. En primer lugar están aquellos que trabajan a un potencial o intensidad fija durante horas, presentando durabilidades muy altas pero alejándose mucho del tipo de operación normal de una aplicación real, en esta se llevan a cabo situaciones de parada/arranque y demandas con picos altos. En segundo lugar se realizan estudios con comportamientos similares a los de un vehículo convencional, teniendo en cuenta las paradas y arranques, durante largos periodos de tiempo y así reflejar la durabilidad de las pilas trabajando de manera similar a su aplicación final. Por último, para evitar largos periodos de estudio se realizan ciclos de stress en los que se simula el comportamiento esperado de una aplicación pero se obliga al sistema a permanecer cortos periodos de tiempos en cada uno de los puntos de trabajo. Esto, provoca un mayor desgaste del ensamblaje membrana electrodos (MEAs) y por tanto una durabilidad mucho menor. Este tipo de evaluación es muy útil para llevar a cabo comparaciones entre diferentes pilas, y/o diferentes materiales electrocatalíticos siendo un proceso más rápido, obteniendo resultados mucho antes, que reflejan perfectamente la viabilidad del dispositivo.

Las condiciones de trabajo que se exigen a las baterías en los automóviles, por parte de las casas comerciales son muy exigentes por lo que el estudio de durabilidad para pilas de combustible de nueva generación para uso en coches con diferentes grados de hibridación, es cada vez más importante. Deben de realizarse estudios más metódicos y severos con el fin de poder extrapolar los resultados de laboratorio a una aplicación real. Para poder llevarlo a cabo hacen falta normativas que obliguen a las compañías a hacer mejores estudios e incluir a las DMFCs como alternativa para los nuevos coches con diferentes grados de hibridación o completamente eléctricos.

Más información

N. Wongyao, A. Therdthianwong, S. Therdthianwong. Fuel 89 (2010) 971-977.

J. Park, J. Lee, J. Sauk, I. Son. Int. J. Hydrogen Energy 33 (2008) 4833-4843

Etiquetas:

Baterías de flujo: un impulso hacia la implantación y consolidación de tecnologías energéticas limpias y sostenibles

En menos de un año todo el planeta ha sido testigo de las graves consecuencias que implica la utilización de combustibles fósiles o la energía nuclear como principales fuentes de abastecimiento energético a nivel mundial. Catástrofes como la que tuvo lugar en Abril de 2010 debida a la fuga de petróleo en el Golfo de Méjico o el desastre nuclear que se está viviendo en Japón en estos momentos, dejan secuelas que perdurarán durante décadas y hacen que la sociedad se pare a reflexionar sobre la forma en la que la energía es generada y consumida. Las infraestructuras energéticas que predominan en la actualidad comienzan a quedarse obsoletas, contamos con distintos sistemas de producción y distribución de energía térmica, eléctrica y para el transporte que funcionan en paralelo pero con independencia entre sí. Parece claro que es necesario apostar por nuevas tecnologías y modelos de negocio capaces de generar y gestionar el mercado energético global de una forma más eficiente y rentable, a nivel económico y medioambiental.

[Laura Sanz Rubio – Instituto IMDEA Energía]

Recientemente se están llevando a cabo importantes avances en el desarrollo de nuevas fuentes de energía limpias e inagotables que aprovechan los recursos naturales como el Sol o el viento, sin embargo el porcentaje de energía producida por estas vías es aún minoritario, en parte debido a su naturaleza impredecible e intermitente. Simultáneamente a la aparición de estas nuevas tecnologías empiezan a surgir nuevos conceptos como ‘generación distribuída’, ‘redes inteligentes’ o ‘automoción eléctrica’ que día a día toman más fuerza y se presentan como firmes candidatos para solventar el problema de la creciente demanda energética, disminuyendo la dependencia de combustibles fósiles o de energía nuclear en el futuro.

Si bien es cierto que estas nuevas tecnologías evolucionan con rapidez, no existe ninguna firmemente consolidada capaz de igualar en prestaciones a las fuentes no renovables.  Ambiciosos proyectos de ingeniería proponen distintas estrategias basadas en la combinación de tecnologías de producción  de energía eléctrica y sistemas de almacenamiento capaces de incrementar notablemente la eficiencia en plantas solares y eólicas. De esta forma, la idea de un futuro panorama energético limpio y sostenible comienza a convertirse en realidad.

En este punto, el almacenamiento de energía eléctrica se presenta como una necesidad para afrontar este reto. La ventaja de utilizar dispositivos electroquímicos tales como baterías y supercondensadores frente a otras formas de almacenamiento es que la transformación de energía en electricidad es directa y por tanto, la eficiencia global es muy superior a cualquier otra tecnología de almacenamiento utilizada en la actualidad en centrales de generación eléctrica. La integración de dispositivos electroquímicos  en centrales eólicas y solares o en la propia red eléctrica permitiría la gestión de la producción y la demanda mediante el almacenamiento de los excedentes de producción para su posterior utilización en periodos de mayor consumo y/o menor  generación. De esta forma se evitaría la inversión de grandes cantidades de dinero en la construcción de enormes plantas que la mayor parte del tiempo trabajan por debajo de su capacidad, permitiendo la descentralización de la generación eléctrica para pasar a diseños de plantas modulares de origen renovable, más sencillas de gestionar.

Dentro de los dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía, las baterías de flujo son las que presentan mayor potencial para su integración en plantas de generación eléctrica o en redes de distribución. Son capaces de almacenar cantidades  de energía muy superiores a otras baterías y su gran flexibilidad permite obtener electricidad a partir de la energía almacenada en su interior, instantáneamente y en cualquier momento que sea necesario. Tal como se puede observar en la Figura 1, los electrolitos, que contienen pares redox en altas concentraciones, son recirculados desde los tanques de almacenamiento al interior del reactor electroquímico mediante bombas y allí son transformados en una especie u otra según si el ciclo es de carga o de descarga, es decir, si queremos almacenar o liberar energía.

  

Figura 1. Esquema de una batería de flujo

 Las baterías de flujo no requieren apenas mantenimiento durante su vida útil y pueden trabajar en condiciones de carga/descarga profunda a diferencia de otras baterías, por lo que son capaces de suministrar energía eléctrica durante horas en caso de parada de la planta o apagón. El paso definitivo para el desarrollo de baterías de flujo con posibilidad de comercialización es reducir los elevados costes de construcción, utilizando materiales más baratos y optimizando los procesos de fabricación. Es también importante la elección de electrolitos compatibles con el medio ambiente y fáciles de reciclar.

Dentro del proyecto SOLGEMAC se apuesta por el acoplamiento de baterías de flujo y discos Stirling en plantas solares modulares que puedan ser instaladas casi en cualquier lugar, núcleos urbanos o poblaciones aisladas. La energía almacenada en las baterías durante los periodos de exceso de producción de los motores Stirling asegura el suministro eléctrico día y noche, minimizando las pérdidas en la transformación de la energía solar en electricidad. La compatibilidad y simplicidad de ambos dispositivos hace más interesante la elección del almacenamiento electroquímico en baterías de flujo frente a un almacenamiento térmico, por ejemplo.

Por otro lado, si pensamos en un futuro próximo en el que comiencen a utilizarse vehículos eléctricos de manera generalizada, debemos plantearnos también  la necesidad de modificar las redes de distribución eléctrica. Si miles o millones de coches recargasen sus baterías al mismo tiempo, con seguridad, saturarían la red. Sin embargo, si se integran baterías de flujo que funcionen como amortiguadores de picos de potencia en la propia red o bien se utilizan como puntos de recarga independientes, podríamos evitar este problema y dar un paso más en la implantación definitiva del trasporte eléctrico.

En definitiva, las nuevas tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica en baterías evolucionan continuamente y poco a poco empiezan a tomar una gran relevancia en el mercado, cambiando el concepto de generación y uso de la energía que manejamos en estos momentos. En concreto las baterías de flujo pueden suponer una revolución importante en el campo de la generación de electricidad a partir de fuentes renovables e impulsando también el desarrollo del vehículo eléctrico, como medio de recarga en ‘electrolineras’. Estas son sólo algunas de las posibilidades de las baterías de flujo, ya que la versatilidad y escalabilidad que poseen permiten adaptar los diseños en función de la aplicación a la que se van a destinar.

Etiquetas:

Catalizadores que producen hidrógeno y carbón “a la carta”: De grafito a grafeno

El Hidrógeno es una de las principales alternativas a los combustibles fósiles. Dentro de los procesos de producción de H2 el de Descomposición catalítica de metano es uno de los más viables desde el punto de vista económico y medioambiental. Este proceso fija el carbonen forma sólida  ya que no produce CO2.  Con el fin de aumentar la vialidad del proceso se han diseñado catalizadores que permiten obtener H2 y carbón como subproducto de alto valor añadido.

[Víctor A. de la Peña O’Shea; Prabhas Jana– Instituto IMDEA Energía-Grupo de Procesos Termoquímicos]

El Hidrógeno es considerado como una de las alternativas más viables a los combustibles fósiles, por lo que en los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo al desarrollo de materiales y métodos dirigidos a la producción y almacenamiento del mismo. El metano derivado tanto de recursos fósiles como de Biomasa (Biogás) es la principal fuente de almacenamiento de H2 debido a su elevada relación H/C (4:1) y el reformado de gas natural es tecnología más usada para la producción de Hidrógeno. Sin embargo, el principal problema de este proceso es la formación de grandes cantidades de CO2, (principal responsable del efecto invernadero) que debe de ser capturado lo que incrementa el coste del proceso. Por lo tanto, es necesario el uso de nuevos procesos que den lugar a una producción de hidrógeno, a partir de recursos renovables, y libre de emisiones de CO2. Dentro de este contexto, la Descomposición Catalítica de Metano (DCMe) se presenta como una vía de producción de hidrógeno muy prometedora y respetuosa con el medioambiente [1]:

CH4 (g) →H2 (g) + C(s)

Por lo tanto esta tecnología permite producir un H2 de alta pureza (apto para su uso en las pilas de combustible) y no genera emisiones directas de CO2. Por otro lado, se producen grandes cantidades de carbón como subproducto que puede ser utilizado con diversos fines (agricultura, construcción, pilas de combustible entre otros).

En los últimos años se han desarrollado distintos sistemas catalíticos (basados en carbón y metales de transición) activos en DCMe que incrementen la producción de H2  Aunque, el reto actual es el diseño de nuevos catalizadores que controlen las propiedades físicas del carbón producido durante la reacción. Esto es relevante porque la valorización del carbono producido es crucial para aumentar la viabilidad del proceso.

En general los materiales basados en carbono juegan un papel muy importante en la ciencia y la tecnología sobre todo desde el punto de vista energético. Desde su uso ancestral como combustibles hasta la su aplicación en nuevos materiales como la fibra de carbono. El carbono es un elemento que presenta una serie de propiedades especiales que dependen en una gran medida de su estructura. Los compuestos de carbono tienen varias formas alotrópicas: Diamante, grafito (3D), grafeno (2D), nanotubos (1D) o fullerenos (0D). En los últimos años, se ha prestado una gran atención a las formas nanotubos y fullerenos por sus numerosas aplicaciones en nanotecnología. Pero en los desde su descubrimiento en 2004 [2] la estrella de los materiales de carbono es el Grafeno debido a sus propiedades electrónicas que permiten su uso en: Ultracapacitadores, celdas solares, Circuitos integrados, transistores entre otras aplicaciones.  En el año 2010 los investigadores Prof. A.K. Geim and Dr. K. S. Novoselov de la Universidad de Manchester recibieron el Premio Nobel de Física pos sus trabajos pioneros en la estabilización de monocapas de grafeno. El principal problema es que el coste derivado de la síntesis de estos compuestos es muy elevado y las cantidades que se producen son muy pequeñas.

Con el fin de unificar ambas tecnologías, producción de H2 y de materiales basados en carbón con alto valor añadido, se han desarrollado una serie de catalizadores basados en cobalto que permiten por medio de la DCMe a obtención de H2 de alta pureza y la producción de materiales de carbón “a la carta” en función de las propiedades morfológicas y estructurales del catalizador y de las condiciones de reacción [3].

 

 

Diseño de catalizadores de cobalto activos en la producción de H2 y de diferentes formas alotrópicas del carbón  1) Grafito, 2) nanotubos;  3) Grafeno.


References

  1.  N.Z. Muradov, T.N.Veziroglu “From hydrocarbon to hydrogenecarbon to hydrogen economy”. Int J Hydrogen Energy, 30 (2005) 225-237
  2. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, ¨Electric field effect in atomically thin carbon films¨ Science, 306 (2004) 666-669.
  3. P. Jana, V. A. de la Peña O’Shea, J. M. Coronado, D. P. Serrano, ¨Co-production of graphene sheets and hydrogen by decomposition of methane using cobalt based catalysts¨ Ener. & Environ. Sci., 4 (2011) 778-783.
Etiquetas: