Archivo de junio, 2011

Energía solar concentrada aplicada a la producción de hidrógeno. 2ª Parte: Procesos y reactores termoquímicos solares.

[Carolina Herradón - Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

La reducción carbotérmica de óxidos metálicos utilizando coque, gas natural y otros materiales carbonosos como agentes reductores hace posible la reducción de óxidos a temperaturas mucho más moderadas que las requeridas de forma exclusivamente térmica.

MxOy + y C → x M + y CO                                                                                             (1)

MxOy + y CH4  → x M + y (2 H2+ CO)                                                                           (2)

La utilización de gas natural como agente reductor combina en un único proceso la reducción de óxidos metálicos con el reformado del gas natural para la co-producción de metales y gas de síntesis (Steinfeld y col. 1998). Las reducciones carbotérmicas de Fe3O4, MgO, y ZnO con C (grafito) y CH4 para producir Fe, Mg, Zn y gas de síntesis, respectivamente, se han llevado a cabo en hornos solares de lecho fijo/fluidizado y reactores tipo vortex (Steinfeld 2005). Estas reacciones son altamente endotérmicas y se completan a velocidades razonables a partir de 1500 K para el Zn y el Fe, y 1800 K para Mg. A continuación, en las figuras 1 y 2,  se muestran dos conceptos de reactor químico solar para obtener Zn mediante las reacciones 1 y 2.

Figura 1. Esquema de un reactor solar de “doble cavidad” para la reducción carbotérmica de ZnO. (Fuente: Instituto Paul Scherrer, Suiza).

Figura 2. Esquema de un reactor solar tipo vortex para la combinación de la reducción de ZnO y el reformado de CH4. (Fuente: Instituto Paul Scherrer, Suiza).

Con la disposición mostrada en la figura 1 la cavidad interna, fabricada en grafito, protege a la ventana a través de la cual se produce el paso de la radiación solar concentrada, de partículas y gases condensables provenientes de la cámara de reacción o de la cavidad externa, que es donde se encuentra la mezcla ZnO/carbón que va a ser sometida al calentamiento por radiación. Sin embargo, en la configuración que se muestra en la figura 2 las partículas de ZnO se introducen en la cavidad del reactor arrastradas por una corriente de gas natural que sigue una trayectoria helicoidal. En este caso la ventana se mantiene limpia mediante un flujo auxiliar de gas que se inyecta de forma radial y tangencialmente en la ventana y en los planos de apertura, respectivamente. La energía absorbida por los reactivos se utiliza para elevar su temperatura hasta 1300 K y para llevar a cabo la reacción (Steinfeld 2005).

Los reactores de irradiación indirecta, como el que se muestra en la figura 1, tienen la ventaja de que se elimina la necesidad de utilizar una ventana transparente. Las desventajas de este tipo de reactores vienen dadas por las limitaciones que imponen los materiales de construcción de las paredes del reactor: máxima temperatura de operación, conductividad térmica, absorción radiante, inercia, resistencia a los choques térmicos e idoneidad para la operación en estado transitorio.

Por su parte, los reactores de radiación directa, como los que se muestran en las figura 2, proporcionan una eficiente transferencia de calor al lugar de la reacción donde se necesita la energía, evitando de esta forma las limitaciones que supone el transporte de calor por medio de cambiadores de calor. El principal inconveniente se produce al trabajar en atmósferas reductoras o inertes por la necesidad de emplear en estos casos una ventana transparente, que es un componente crítico cuando se trabaja a elevada presión o en atmósferas gaseosas agresivas (Steinfeld 2005). 

Primera parte del artículo:

 http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2011/06/01/131220

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Conferencia Europea de Biomasa

Durante los días 6 a 10 de Junio se ha celebrado en la ciudad de Berlín (Alemania) la 19th European Biomass Conference and Exhibition from Research to Industry and Markets. Donde se ha puesto de manifiesto la situación actual y expectativas en la aplicación de la Biomasa como recurso energético, con la participación de 67 países.

[Felicia Sáez -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]

En dicha Conferencia se presentaron los últimos avances en las cinco áreas en las que está organizado el aprovechamiento energético de la biomasa.  Los contenidos técnicos incluyeron desde materias primas, potencial y costes de producción, tecnologías de conversión para la obtención de calor y electricidad y biocarburantes, hasta política, mercado y sostenibilidad.

Asimismo, la Conferencia contó con una sesión dedicada al potencial de las algas como cultivo energético dedicando una gran actividad en esta área que ha creado grandes expectativas en el sector de los biocombustibles. Se presentaron tres grandes proyectos a escala de demostración de algas como materia prima para biocarburantes.

Otro de los aspectos destacables durante la Conferencia fue el interés en la producción de biogás y biometano para la producción de calor y electricidad. El biometano puede ser inyectado en la red de gas natural para su uso en el sector del transporte y además de proporcionar beneficios medioambientales. Se hizo hincapié en la fuerte penetración del biogás en el mercado alemán, que actualmente tiene la capacidad eléctrica de generación más alta en Europa, con una capacidad instalada de 2.500 MWe,

La Unidad de Biocarburantes de Ciemat, que participa regularmente en las ediciones de este Congreso, ha presentado un trabajo de investigación, cuyo título es: “Enzymatic hydrolysis of carbohydrates from steam exploded olive tree pruning”.

La Unidad de Biomasa de Ciemat, presentó, en la sesión plenaria del Congreso, una ponencia sobre un estudio preliminar de la introducción de los cultivos energéticos en doble siembra en algunas zonas en España con el objetivo de aumentar rendimientos de producción y reducir costes para su futura aplicación energética tanto en el sector del transporte, como para la generación de calor y electricidad, titulada: “Energy and Economic analysis of a double cropping system for biomass production under two different spanish conditions”.

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Energía azul: energía renovable sin problemas de discontinuidad

La energía azul es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua de río con el uso de ósmosis retardada a presión. Esta es una técnica esbozada por Pattle en 1954 y desarrollada por Norman y Loeb en la década de los 70, pero que no ha recibido especial atención hasta la actual crisis energética. Consiste en la permeación de agua de una disolución de baja salinidad a otra de gran salinidad presurizada, la energía se obtiene al despresurizar el permeado en una turbina. Se trata de una energía renovable que no presenta los problemas de discontinuidad de la eólica o la solar.

[Javier Dufour-GIQA-Universidad Rey Juan Carlos]

Cuanto mayor sea el gradiente salino entre las dos disoluciones, mayor será la presión que se pueda alcanzar, y cuanto mayor sea el caudal de agua que se alimente al sistema, mayor cantidad de energía se generará. Uno de los principales problemas de este diseño de proceso es la compresión necesaria, cuyo consumo energético puede llegar a superar la energía producida. Este factor se ve resuelto con el empleo de cambiadores de presión, típicos de las instalaciones de ósmosis inversa.

El aspecto más importante de este tipo de instalaciones es la membrana que debe reunir una serie de características como alta permeabilidad al agua, baja a las sales y baja resistencia de la capa soporte, así como resistencia al ensuciamiento y formación de costras. El proceso de ósmosis retardada a presión parece ser el contrario a la ósmosis inversa; mientras que ésta última emplea la presión hidráulica para vencer la presión osmótica de una disolución concentrada (agua de mar) para dar agua purificada, la primera utiliza la presión osmótica del agua de mar para salinizar el agua dulce e inducir presión hidráulica y, por tanto, energía. Esta similitud hizo que en los primeros desarrollos se emplearán membranas de ósmosis inversa, pero producían menos energía de la inicialmente esperada, debido fundamentalmente al grosor del soporte, a que no soportan una alta velocidad de flujo en la superficie y a que las sales se acumulan en las capas de membrana y reducen la diferencia de presión osmótica.

Un gran avance en este sentido ha sido el desarrollo de membranas de ósmosis directa, que se acercan al comportamiento deseado para la retardada, por Hydration Technology Innovations. Asimismo Statkraft, junto con Osmotic Power, está desarrollando nuevas membranas, habiendo pasado de densidades de corriente de 0,1 a 3 W/m2 en pocos años. De hecho, si se pudiera desarrollar una membrana con la permeabilidad de una para nanofiltración y baja permeabilidad a las sales, así como un soporte que tuviera la décima parte de grosor de las actuales, se podrán alcanzar valores de 30 W/m2, en este caso se obtendría una producción de energía cercana a los 3 kWh/m3. En cualquier caso, lo prometedor de los resultados ha llevado a Statkraft a inaugurar en 2009 la primera planta prototipo en Tofte (Noruega) y tenga prevista la inauguración de la primera planta industrial en 2015.

R.E. Pattle, Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile, Nature 174, 660 (1954).

R.S. Norman, Water salination: a source of energy, Science 186, 350–352 (1974).

S. Loeb, F. Van Hessen, D. Shahaf, Production of energy from concentrated brines by pressure-retarded osmosis, II. Experimental results and projected energy costs. Journal of Membrane Science 1, 249–269 (1976)

A. Achilli, A. E. Childress. Pressure retarded osmosis: From the vision of Sidney Loeb to the first prototype installation — Review. Desalination 261, 205–211 (2010).

A. Achilli, T. Y. Cath, E. A. Marchand, A. E. Childress. Osmotic MBR and Pressure-Retarded Osmotic MBR for Wastewater Treatment, International Congress on Membranes and Membrane Processes, Honolulu, 2008

A. Achilli, T. Y. Cath, A. E. Childress. Power generation with pressure retarded osmosis: An

experimental and theoretical investigation, Journal of Membrane Science, 343, 42-52 (2009)

Ø. S. Skråmestø, S. E. Skilhagen, W. K.Nielsen. Power production based on osmotic pressure. Waterpower XVI, Spokane (EE.UU), 2009.

Statkraft. http://www.statkraft.com/energy-sources/osmotic-power/ (accedida el día 16 de junio de 2011)

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Catalizadores catódicos para pilas de combustible tipo PEM basados en metales no nobles

[P. Hernández-Fernández, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid]

Uno de los factores limitantes en una pila de combustible de membrana polimérica (PEMFC) es la formulación del catalizador catódico. Éstos están basados en nanopartículas de Pt dispersas sobre un soporte tipo grafito. La cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) es seis órdenes de magnitud más lenta que la cinética de la reacción de oxidación de hidrógeno. Por este motivo, se necesitan elevadas cantidades de Pt en los cátodos de las pilas de combustible. Reducir la cantidad de Pt de los electrocatalizadores es un requerimiento clave para la implementación de las pilas tipo PEMFC. Para conseguir este objetivo tradicionalmente se han seguido dos estrategias. Una de ellas consiste en alear el Pt con diferentes elementos de transición que provoquen un aumento de la actividad electrocatalítica de la reducción de oxígeno. Otra estrategia consiste en la búsqueda de soportes que ayuden a maximizar el área superficial a la vez que disminuyen el contenido total de Pt empleado. Aun así, debido a que en ambas estrategias no se plantea la eliminación del metal noble, el coste de estos catalizadores estará directamente relacionado con el precio del Pt en un mercado altamente monopolizado. Como ejemplo de los elevados costes que representan estos materiales dentro de una pila de combustible cabe decir que actualmente el precio del Pt se sitúa en torno a los 1830 USD/onza, y que fue de 2280 USD en su momento más alto (Marzo de 2008).

Debido a esto, la mejor opción sería la formulación de catalizadores que no contengan metales nobles. En este sentido se están intentando sintetizar materiales activos en la reacción de reducción de oxigeno formados por nitrógeno, carbono y abundantes y baratos metales de transición como son el hierro o el cobalto. Aunque hay un debate abierto sobre la actividad catalítica en la ORR de los sitios N-M-C, no hay duda sobre que dicha actividad está directamente relacionada con el tipo de precursor de nitrógeno y de metal de transición usados, la temperatura o las condiciones de la síntesis.

Recientemente, Wu y colaboradores han sintetizado electrocatalizadores basados en polinanilina, carbón de elevada área superficial, nitrato de cobalto y cloruro de hierro. Dichos materiales fueron calcinados a distintas temperaturas (entre 400 y 900oC).La actividad de los mismos en la ORR puede verse en la Figura 1. La línea gris (8) representa un catalizador de Pt/C, mientras que el resto son catalizadores PANI-Fe-C, PANI-Co-C y PANI-FeCo-C. Se puede observar que el catalizador PANI-Fe-C tratado a 900oC (7) es el que presenta un mejor comportamiento de toda la serie en todo el rango de polarización. Además, la producción de agua oxigenada es prácticamente cero en este caso, lo cual indica que la ORR tiene lugar vía 4 electrones. El catalizador PANI-FeCo-C (6) también presenta un comportamiento cercano al alcanzado por el PANI-Fe-C. Un ventaja del bimetálico respecto al formado solo por Fe, es que se ha comprobado que el primero tiene una mayor estabilidad en condiciones de operación de una pila de combustible: El potencial a circuito abierto permanece estable tras 100 horas de trabajo (0.95 V) y la pérdida de densidad de corriente es de tan solo un 3% cuando se somete al material a un programa constante de potencial a 0.4 V.

Figura 1- Curvas de polarización de la ORR

Parece que estos materiales son una buena alternativa a los actuales catalizadores catódicos basados en metales nobles como el Pt, ya que no solo son activos en la ORR, sino que también son estables.

Bibliografía:

G. Wu, K.L. More, C.M. Johnston, P. Zelenay, “High-performance electrocatalysts for oxygen reduction derived from polyaniline, iron and cobalt” Science 332 (2011) 443-447

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Viabilidad comercial del uso de baterías de flujo para almacenamiento de energía de fuentes renovables

La implementación masiva de las fuentes de energía renovables (solar o eólica) como fuentes de energía primarias para nuestra red eléctrica no va a ser posible sin dispositivos de almacenamiento de energía adecuados. De entre ellos las baterías de flujo son los más adecuados para generación distribuida, siempre que se desarrollen a costes competitivos.

[R. Díaz – Instituto IMDEA Energía]

La evolución actual de las plantas de generación de energía a partir de fuentes renovables consiste en el desarrollo de sistemas de generación distribuida. En estos sistemas se mantienen los tradicionales problemas de implementación en la red, como la generación intrínsecamente intermitente de energía (p. ej., ciclos día-noche en la solar o velocidad variable del viento en la eólica), por lo que requieren sistemas de almacenamiento de la energía que permitan un mejor ajuste entre la producción y la demanda.

Sin embargo, dadas las diferentes especificaciones del sistema de almacenamiento necesario para estas plantas en comparación con los requisitos de la actual generación, actualmente numerosos centros de investigación y empresas están emprendiendo el desarrollo de baterías de flujo como dispositivo de almacenamiento de energía en las mismas.

Las baterías de flujo son dispositivos de almacenamiento en los que la energía se almacena mediante reacciones electroquímicas de pares redox en disolución. Los electrolitos se bombean desde depósitos externos hacia el reactor y, por tanto, la energía y la potencia del dispositivo son fácilmente modulables simplemente cambiando el volumen de los tanques y/o el número de celdas que forman la batería.

La batería de flujo más desarrollada en la actualidad es la basada en pares redox de vanadio. Su grado de desarrollo es suficiente como para que haya dispositivos comerciales. Empresas como Prudent Energy1, Cellstrom2 o GEFC3 comercializan baterías de flujo de vanadio con diferentes especificaciones, que en potencias van desde kW hasta incluso MW1, y en energías llegan al menos a varias decenas de kWh2. Estas baterías ya se están implementando para el almacenamiento de energía en granjas solares y eólicas4, y se están desarrollando numerosos proyectos de investigación y desarrollo para la implementación de éstas y otras baterías de flujo en diversos sistemas de generación y distribución de energía5. Por tanto, parece que finalmente se aproxima una respuesta afirmativa a la pregunta de si se pueden desarrollar sistemas de generación, almacenamiento y distribución basados en energías renovables.

Más información

(1) http://www.pdenergy.com/

(2) http://www.cellstrom.com/Home.17.0.html?&L=1

(3) http://www.gefc.com/enshow.shtml

(4) http://www.sustainableprojects.co.za/

(5) http://plurionsystems.com/

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La pirolisis de biomasa: un clásico revitalizado

La pirolisis es una trasformación termoquímica conocida desde la antigüedad, que en los últimos años ha despertado un renovado interés en la comunidad científica, ya que proporciona una opción viable para transformar los residuos agrícolas y forestales en combustibles líquidos de manera rentable, y de forma descentralizada.

[Juan M. Coronado – IMDEA Energía]

La lignocelulosa es, con diferencia, el tipo de biomasa terrestre más abundante, barata y de crecimiento más rápido. Desde un punto de vista químico, este componente estructural de las plantas es un material muy complejo, que está constituido por tres compuestos principales: celulosa (un polímero cristalino de glucosa), hemicelulosa (un polímero heterogéneo de hexosas y pentosas) y lignina (un polímero muy entrelazado de fenoles sustituidos). Al contrario que los aceites vegetales, estos biopolímeros son bastante inertes químicamente, y tienen mucho mayor contenido de oxígeno (O/C ≈ 1). La lignocelulosa se encuentra en abundancia en los residuos de la agricultura y la silvicultura (restos de poda, aserrín, paja de cereales…). Por lo tanto, su posible uso para generación de combustibles no interfería con la producción de alimentos, y podría contribuir a aumentar la rentabilidad de la agricultura en muchas zonas rurales. Estimaciones conservadoras de la capacidad de producción de este tipo de biomasa residual indican que solo en los Estados Unidos podrían estar disponibles unos 349 millones de toneladas/año, y se podrían obtener 149 millones de toneladas/año adicionales empleando cultivos  específicos en tierras marginales de baja calidad [1]. En el caso de España, hay un gran potencial para el aprovechamiento energético de residuos forestales (estimado en más de 30 millones de toneladas/año), que se pueden obtener principalmente en la franja norte del país, fundamentalmente a partir de plantaciones de árboles de crecimiento rápido [2].

No obstante, para emplear la biomasa lignocelulósica como materia prima para la producción de biocombustibles líquidos es necesario reducir la complejidad de estos biopolímeros, y transfórmalos en moléculas más simples. Dejando aparte los procesos enzimáticos para la obtención de bioetanol, las tecnologías actuales para convertir lignocelulosa en combustibles líquidos implican principalmente dos procesos termoquímicos: gasificación, y pirólisis. De entre ellos, la gasificación probablemente proporciona probablemente la ruta más flexible para obtener combustibles químicamente equiparables a los obtenidos a partir de recursos fósiles. En la gasificación la biomasa se convierte en un proceso a temperatura elevada en gas de síntesis (CO + H2), que posteriormente pueden transformarse en una amplia variedad de hidrocarburos por medio de la síntesis Fischer–Tropsch. Una de las principales ventajas de este proceso es que prácticamente cualquier tipo de biomasa puede ser empleada, aunque la presencia de un importante porcentaje de impurezas y subproductos en la corriente de salida, así como una relación de CO/H2 insuficiente obliga a realizar tratamientos adicionales para acondicionar los gases. Como consecuencia la implantación de esta tecnología requiere desarrollar grandes plantas de producción de biocombustibles.

Evolución anual del número de publicaciones científicas relacionadas con la pirolisis de la biomasa.

Por el contrario, la pirólisis es un proceso bastante simple y fiable, que permite el desarrollo de unidades de producción rentable en pequeña escala, capaces de procesar eficientemente unas pocas toneladas de biomasa por día [3]. Como consecuencia existe un creciente interés en los últimos años por estos  tratamientos, como se pone de manifiesto en la figura superior, que muestra la evolución en los últimos años del número de artículos científicos relacionados con diferentes aspectos de la pirólisis de biomasa. Esta tecnología fue optimizada en la década de 1970 para maximizar el rendimiento de productos líquidos, dando lugar a lo que se conoce como pirolisis flash. En este proceso, la biomasa es tratada en  condiciones anóxicas (sin oxígeno) a temperaturas de 400–650 ºC, con una velocidad de calentamiento muy elevada, (103–104 C. s-1), seguido por la rápida condensación de los vapores. Carbón (biochar) y bio-aceites (hasta un 80% de rendimiento) son los principales productos del proceso [4]. Los bio-aceites son líquidos de color marrón oscuro, corrosivos y con olor a humo, que están formados por compuestos orgánicos polares (ca. 75–80 wt %) y agua (aprox. 20 a 25 wt %). La composición química de los bio-aceites es muy compleja, ya que están constituidos por  una mezcla de más de 400 compuestos altamente oxigenados, incluyendo ácidos carboxílicos, alcoholes, aldehídos, ésteres, cetonas y especies aromáticas, junto con algunos carbohidratos poliméricos y fragmentos de lignina [5]. Los bio-aceites retienen hasta un 70% de la energía almacenada en la biomasa (16 MJ/Kg-1) pero presentan numerosos inconvenientes para su uso directo como combustibles. Entre ellas cabe destacar su elevada acidez (pH = 2-3), alta viscosidad (cP 35–1000 a 40 ° C), y reducida estabilidad química. En consecuencia, el mayor reto tecnológico de esta tecnología es desarrollar rutas eficientes para refinar los bio-aceites y transformarlos en biocombustibles de altas prestaciones. Para ello, se están investigando actualmente distintas rutas catalíticas orientadas a reducir el contenido de oxígeno de los bio-aceites y aumentar su poder calorífico y estabilidad.

References

1.         N.R. Singh, W. N. Delgass, F. H. Ribeiro, R. Agrawal Environ. Sci. Technol. 44 (2010) 5298

2.         A. Gómez, J, Zubizarreta, M. Rodrigues, C. Dopazo, N. Fueyo, Resour. Conserv. Recy. 54 (2010) 972

3.         Y.-C. Lin and G. W. Huber, Energy Environ. Sci., 2 (2009) 68

4.         A.V. Bridgwater, G.V.C. Peacocke, Energy Fuels, 18(2) (2004) 590-598

5.         L. Tock, M. Gassner and F. Maréchal, Biomass Bioenergy, 34(12) (2010)  1838

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Una aleación podría ayudar a proporcionar agua y electricidad en zonas remotas

Un grupo de investigadores de la Universidad de Purdue -liderado por Jerry Woodall- han desarrollado una aleación de aluminio que podría utilizarse en un nuevo tipo de tecnología portátil para convertir el agua no potable en agua potable y a la vez extraer hidrógeno para generar electricidad.

[Isabel Rucandio - CIEMAT]

Esta tecnología podría ser utilizada para abastecer de agua potable y de energía a los pueblos y también para las operaciones militares. La aleación contiene aluminio, galio, indio y estaño. La inmersión de la aleación en agua dulce o agua salada provoca una reacción espontánea de ruptura de la molécula de agua generando hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno podría almacenarse en una pila de combustible para proporcionar electricidad y se podría producir agua limpia, en forma de vapor de agua, como un subproducto. El vapor de agua que se genera mata a las bacterias, pudiendo condensarse y generar agua limpia a partir de aguas residuales, de aguas saladas o sucias, de manera, que puede utilizarse como un método de desalinización del agua marina, o de depuración de aguas no potables. Además puede tener diversos usos potenciales como se muestra en el diagrama siguiente:

Los investigadores han elaborado un diseño, pendiente de patente, aunque no han construido todavía un prototipo. Se trata de una nueva tecnología portátil especialmente útil para las regiones que no dispongan de una red eléctrica y donde el agua potable es escasa. La unidad, incluida la aleación, la celda del reactor y el combustible, podría pesar menos de 100 libras y la electricidad generada podría suministrarse a un coste de unos 35 centavos de dólar por kilovatio-hora de energía. Además, los residuos de hidróxido de aluminio no son tóxicos y podrían eliminarse en un vertedero.

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Un paso adelante en la fabricación de biocombustibles baratos

En la búsqueda de biocombustibles baratos, un equipo de investigación de la Universidad de California en Los Angeles, UCLA (USA) ha modificado genéticamente con éxito microbios que son capaces de digerir la celulosa y producir isobutanol, un hidrocarburo con una densidad de energía, índice de octano y presión de vapor similares a la gasolina por lo que puede mezclarse con ésta en cualquier proporción y usarse en los motores de los automóviles.

[José L.G. Fierro, Grupo de Energía y Química Sostenible, ICP-CSIC, Cantoblanco, Madrid]

El bio-etanol es el biocombustible por excelencia que ha alcanzado implantación industrial. La metodología tradicional de producción de bio-etanol utiliza como materia prima el almidón  (semillas)  y los azúcares (caña de azúcar, remolacha) que son fragmentados, en una primera etapa, en azúcares más sencillos, y poateriormente fermentados mediante microorganismos en bio-etanol. Se trata de una tecnología bien conocida, con la que se alcanza una producción mundial próxima a 30 millones de tonelada anuales. Otra tecnología más innovadora y totalmente sostenible de producción de etanol es la que utiliza la celulosa como material prima, que es el componente mayoritario de toda la materia vegetal y, por ello, la materia orgánica más abundante del planeta. Contrariamente a la tecnología convencional, el etanol celulósico se produce a partir de precursores que contienen biomasa celulósica, como los residuos de madera y residuos agrícolas sólidos, más conocidos como residuos. Esta nueva tecnología, puesta en práctica por la empresa Coskata (Estados Unidos), incluye una primera etapa de gasificación con plasma de cualquier tipo de material celulósico, seguida de una segunda de fermentación de la mezcla gaseosa y una tercera de separación del etanol producido mediante un proceso de pervaporación. Los balances indican que la tecnología de plasma incrementa el potencial energético de la mezcla gaseosa en un factor 2-10 con respecto a la mezcla obtenida mediante combustión convencional con el consiguiente coste de producción inferior a 0.4 $/litro.

Recientemente se ha desarrollado un nuevo concepto de producción de combustibles líquidos partiendo del mismo material celulósico precursor. El concepto avanzado consiste en la producción selectiva de isobutanol, en vez de etanol. Comparado con el etanol, otros alcoholes de peso molecular más elevado como el isobutanol son mejores candidatos para reemplazar la gasolina en los motores de combustión debido a que presentan una densidad de energía, índice de octano y presión de vapor similares a la gasolina. Además, el isobutanol derivado de la celulosa no es higroscópico y puede mezclarse con la gasolina en cualquier proporción. Todas estas características resultan de gran importancia práctica en cuanto que la incorporación de isobutanol a la gasolina no supone modificación alguna de la red de distribución o de los tanques de combustible de los propios vehículos, e incluso puede utilizarse directamente en los motores de los automóviles sin ningún tipo de modificación.

El proceso de producción de isobutanol a partir de celulosa lo ha puesto en práctica recientemente un equipo de investigación de la Universidad de California en Los Angeles (UCLA). Mediante técnicas de ingeniería genética el microorganismo modificado Clostridium cellulolyticum sintetiza isobutanol directamente a partir de celulosa. Como resultado de este descubrimiento los costes de producción del combustible líquido (isobutanol) se reducen sustancialmente comparados con los del proceso en el que la celulosa se degrada primero en  azúcares y después se fermentan en etapas separadas. Conforme a esta nueva tecnología se consiguen concentraciones de isobutanol de 0.7 g/L en condiciones muy suaves de operación, tales como temperaturas próximas a la ambiente y presión atmosférica. La producción selectiva de isobutanol en lugar de bio-etanol a partir de biomasa celulósica representa un avance importante en la fabricación de combustibles líquidos de transporte y puede ser una opción de futuro especialmente para aquellos países como España cuyo sector del transporte depende básicamente de las importaciones de petróleo. 

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Hornos solares: usos y aplicaciones en I+D en España

En la sociedad actual, las instalaciones comerciales de energía solar termoeléctrica están surgiendo con fuerza; sin embargo, hay otras instalaciones solares de concentración no comerciales apenas conocidas en las que se hace uso de la radiación solar concentrada para aplicaciones distintas a la producción de electricidad.

[Inmaculada Cañadas Martínez – Plataforma Solar de Almería - CIEMAT]

Para los conocedores de las renovables y de la energía solar concentrada en particular, e incluso para los expertos en tratamientos de materiales, los hornos solares son instalaciones conocidas. Para los neófitos, intentamos presentarlas.

Los hornos solares son instalaciones de energía solar concentrada que no están destinadas a la producción de electricidad como estamos acostumbrados, sino que tienen como principales aplicaciones la investigación en tratamiento de materiales y la síntesis de productos químicos. Debido a su diseño, son concentradores de foto puntual de elevada calidad óptica, son las instalaciones solares de concentración donde se consiguen los niveles más altos de concentración solar,  y por tanto, sus aplicaciones suelen estar enfocadas a procesos de alta temperatura o en ocasiones, a aquellos que reacciones que necesiten hacer uso del espectro solar altamente concentrado, como reacciones fotolíticas.

Los hornos solares son instalaciones singulares. Actualmente existen apenas una decena de centros a nivel internacional que poseen este tipo de instalación, entre ellos España a través de la Plataforma Solar de Almería del CIEMAT. Consta básicamente de un campo de helióstatos planos que es el encargado de seguir al sol y redirigir los fotones solares, la radiación solar, hasta un disco parabólico estático (concentrador) situado normalmente dentro de una nave que lo protege de las inclemencias meteorológicas y de factores externos que pueden provocar su deterioro o ensuciamiento, y que además permite albergar todo el equipamiento e instrumentación necesario para su operación. Este disco parabólico, recoge la radiación solar y la concentra en su foco, y es en la zona focal donde es posible investigar, concentrando el sol, las diferentes aplicaciones del uso de la radiación solar concentrada en una de las instalaciones más versátiles de los sistemas solares de concentración. Esta versatilidad de aplicaciones y de condiciones de ensayo alcanzables no sería posible sin el atenuador de flujo, que es una persiana veneciana que permite controlar en todo momento, según su apertura, el flujo en la zona focal, es decir, el aporte energético solar para los diferentes procesos. 

   

Figura 1: a) Vista exterior del Horno Solar de la Plataforma Solar de Almería. b) Vista interior del Horno Solar en operación.

Como el resto de instalaciones solares de concentración, los hornos solares concentran los fotones solares y en este caso, con elevadas densidades de flujo, por lo que podemos pensar en el Horno Solar como en un concentrador fotónico. En principio, las aplicaciones podrían ser similares a las del resto de concentradores fotónicos, como los láseres o las lámparas de arco eléctrico, con la ventaja de que trabajaríamos en el visible, zona en la que la mayoría de los materiales, sobretodo los metálicos, absorben mejor. Pero independientemente de las características de su espectro, también podemos pensar en los hornos solares como instalaciones que permite aportar la energía térmica necesaria para determinados tratamientos y procesos industriales hasta altos niveles de concentración. Es por ello, y por su versatilidad, que su campo de aplicaciones es muy variado, centrándose a nivel internacional en el campo de la química y en el tratamiento de materiales.

A nivel nacional, el uso de los hornos solares se ha centrado en los últimos años en cuatro líneas de investigación principales:

- El tratamiento de materiales, tanto superficial si hacemos uso de la radiación solar concentrada como un concentrador fotónico aplicado sobre la superficie de un material, o bien en volumen, si se diseñan y emplean prototipos o dispositivos que permitan obtener un flujo de calor aplicable de manera uniforme al tratamiento del material.

- La generación de energía térmica de alta temperatura para la industria en forma de calor de proceso solar. Así, se está investigando en estas instalaciones, a partir del diseño de prototipos de cámaras o reactores, la posibilidad de obtener la energía térmica necesaria para la industria y para procesos industriales que se desarrollan en ella, destacando principalmente los procesos que se desarrollan en los sectores industriales de altos requerimientos energéticos y que son aquellos que por lo general implican procesos de síntesis, obtención y tratamiento de materiales, residuos o productos químicos de alta temperatura.

- El almacenamiento y transporte de energía a través de la síntesis de combustibles solares como el hidrógeno mediante ciclos termoquímicos.

- El ensayo y caracterización de células fotovoltaicas de concentración, siendo el Horno Solar de la PSA la primera instalación a nivel internacional en la que se concentró mil veces la radiación solar sobre células fotovoltaicas de concentración de arseniuro de galio a través del proyecto europeo HiConPV.

Pero, ¿por qué se plantea el uso de una renovable como la energía solar de concentración y en concreto de los hornos solares en otro tipo de aplicaciones distintas de la producción de electricidad?

Además de por la importancia de la demanda de energía térmica de alta temperatura en la industria, la energía solar térmica es la energía renovable que, por sus características, están en condiciones de adquirir un parel relevante en el sector industrial, ya que permite la obtención de forma directa o mediante su transferencia a un fluido o a un material absorbedor, de la energía térmica necesaria para muchos procesos industriales. Las diferentes tecnologías de concentración de la radicación solar permiten proporcionar energía térmica a diferentes niveles de temperatura, pero son los Hornos solares, por su diseño y características, los más adecuados para demostrar la viabilidad técnica de los procesos de alta temperatura.

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Energía solar concentrada aplicada a la producción de hidrógeno (1ª parte)

[Carolina Herradón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

Existen tres tipos de procesos, y sus combinaciones, para producir hidrógeno a partir de la energía solar: electroquímicos, fotoquímicos y termoquímicos.

Los procesos electroquímicos se basan en la irradiación con energía solar de la celda electroquímica para proporcionar la energía eléctrica necesaria para llevar a cabo la transformación química que dará lugar a la producción de hidrógeno. En el caso de los procesos fotoquímicos se aprovecha la luz de la propia radiación solar para llevar a cabo el proceso redox que dará lugar a la producción de hidrógeno. Por último, los procesos termoquímicos utilizan la radiación solar concentrada cómo fuente de energía en el tratamiento térmico de materiales a elevada temperatura para llevar a cabo una transformación química endotérmica en la que se reduce  el material que posteriormente participa en la hidrólisis de la molécula de agua liberando hidrógeno (Steinfeld y col. 2010).

La concentración de la luz solar se consigue mediante dispositivos ópticos que reciben el nombre genérico de colectores de concentración. Estos colectores constan de un receptor y del concentrador propiamente dicho. La luz incide sobre el concentrador y es reflejada hacia el receptor, que es el elemento del sistema donde la radiación se absorbe y se convierte en otro tipo de energía, en general energía térmica o química.

Figura 1. Esquema de un sistema de concentración solar de tipo disco parabólico.

Los reactores termoquímicos para producir hidrógeno utilizan normalmente receptores tipo cavidad, en los que la radiación solar concentrada entra por una pequeña abertura y sufre múltiples reflexiones antes de ser absorbida. A temperaturas alrededor de  1000 K, la energía neta absorbida se ve afectada principalmente por las pérdidas de radiación a través de la abertura. Sin embargo en los últimos años se han realizado progresos significativos en el desarrollo de sistemas ópticos para concentración solar a gran escala, capaces de desarrollar relaciones de concentración solar correspondientes a temperaturas superiores a 3000 K, en estado estacionario, que permiten la conversión de energía solar a energía térmica a temperaturas del orden de 2000 K y superiores.

Uno de los candidatos más favorables entre los óxidos metálicos propuestos para su empleo en ciclos de dos etapas es el par ZnO/Zn. De hecho, se han llevado a cabo múltiples ensayos preliminares de disociación de ZnO en hornos solares (Steinfeld y col. 2005). En la figura 2 se muestra un esquema del concepto de un reactor químico solar diseñado por Haueter y col. (1999), que muestra un receptor tipo cavidad rotatoria cubierto por partículas de ZnO que se mantienen por una fuerza centrífuga. Con esta disposición, el ZnO está expuesto directamente a un alto flujo de radiación solar y actúa simultáneamente como absorbedor de radiación, aislante térmico y reactivo químico. Los ensayos solares llevados a cabo mostraron la baja inercia térmica del reactor (la superficie de ZnO alcanzaba una temperatura de 2000 K en 2 segundos) y su resistencia a los choques térmicos.

 

Figura 2.  Esquema de un reactor solar de “cavidad rotatoria” para la disociación térmica de ZnO a 2300 K cómo parte de un ciclo termoquímico de dos etapas para termólisis de la molécula de agua. (Fuente: Instituto Paul Scherrer, Suiza).

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