Archivo de diciembre, 2011

Cada vez más cerca de utilizar coches propulsados por hidrógeno

Autora: [Gisela Orcajo Rincón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

 

 

Probablemente para el año 2015 la empresa japonesa de automóviles Toyota empiece a comercializar en Europa el modelo Highlander FCHV-adv1, una camioneta híbrida alimentada con hidrógeno. Esta compañía asegura que los coches híbridos “enchufables” son los vehículos ideales para combinar el tráfico urbano de los días laborables con desplazamientos de mayor recorrido. El secreto de su autonomía es la mejora de la tecnología de la pila de combustible, ahora capaz de funcionar a temperaturas 30 °C menos, con un mejor rendimiento y asociada a un nuevo depósito de alta presión.

 

Y avanzando un poco más en el tiempo, para el año 2025, la compañía alemana Mercedes prevé tener disponible el modelo de lujo F1252. Este vehículo ha sido diseñado recientemente para la conmemoración de los 125 años del primer automóvil, y lo han calificado como un ejercicio de imaginación que interpreta la posible evolución de las tecnologías actuales. Entre todos los avances que anticipa destacan la conducción semiautomática, el manejo de los mandos mediante órdenes orales y gestuales, la instrumentación en 3D, la próxima generación de sistemas telemáticos, con acceso permanente a Internet o e-mail sin separar las manos del volante, y los nuevos materiales ligeros, como plásticos reforzados y fibra de carbono. Y sobre todo una movilidad sin emisiones que combina una pila de combustible alimentada por hidrógeno, nuevas baterías de litio-azufre con el doble de potencia que las actuales y recargables por inducción (sin cable), y cuatro motores eléctricos, uno por rueda, que aportarán tracción 4×4.

En la tabla adjunta se muestran algunas de las especificaciones de estos dos modelos de vehículos a modo comparativo. A día de hoy es complicado saber exactamente la tecnología que se impondrá en un futuro a medio plazo; sin embargo, estos dos ejemplos presentan características comunes, respetuosas con el medio ambiente, que usan el hidrógeno y las pilas de combustible como mecanismo limpio de producción de energía y alternativo a los polémicos mecanismos actuales.

 

 

1 http://www.toyota.com/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html

2 http://blogs.elpais.com/coche-electrico/2011/10/f125-el-coche-de-pasado-manana-segun-mercedes.html

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Integración arquitectónica de energías renovables

Nuevos conceptos basados en la producción de energía eléctrica a partir de energías renovables en edificios permiten a los arquitectos desarrollar nuevas ideas para mejorar la eficiencia energética sin detrimento de la calidad de vida de los usuarios.

 Autor: [Aurelio González Pardo-IMDEA Energía]

 Según datos publicados por el IDAE (Instituto para la Diversificacion y Ahorro de la Energía), “el consumo de energía final del sector Edificación y equipamiento ascendió, en el año 2010, a 24.391 ktep, sobre un consumo total nacional para usos energéticos de 93.423 ktep, lo que representa el 26,1% del consumo de energía final nacional para usos energéticos”.

 El peso de esta contribución podría disminuir con la adopción de una política de mejora en eficiencia energética y de implantación de sistemas de producción de energía (térmica y eléctrica) para un consumo local. Es, en este último punto, donde se lleva a cabo una reflexión sobre el papel de las energías renovables para el suministro a pequeña escala, es decir, en comunidades urbanas e islas energéticas. A modo de ejemplo, se pueden citar bloques de edificios residenciales, centros comerciales, áreas de recreo, hospitales, oficinas, parques ecológicos, pequeñas áreas rurales o asentamientos aislados como en islas o zonas montañosas. En cualquier caso, las energías renovables se adaptarían tanto al modo de vida de los usuarios como a la estética de los edificios.

 A la ya tradicional instalación de paneles fotovoltaicos y térmicos, instalados en tejados y más recientemente también en fachadas, se han sumado nuevos conceptos con el objeto de alcanzar esa modularidad e integración urbana en edificación, una conversión eléctrica más eficiente y una mejor utilización del espacio. Todo ello acompañado de una metodología dirigida a facilitar el reciclado de los materiales constituyentes y reducir el número y cantidad de productos tóxicos generados en su fabricación en comparación con los que llevan asociados los sistemas fotovoltaicos. La viabilidad de estos nuevos desarrollos dependerá de su capacidad para ofrecer ventajas económicas mediante la minimización de costes frente a las tecnologías fotovoltaicas, cuyos precios de mercado están decreciendo constantemente. De igual forma, resulta relevante la facilidad en la sustitución de los elementos estructurales de los sistemas fotovoltaicos, lo que obliga al resto de sistemas a la búsqueda de soluciones con estas mismas características (Chemisana, 2011).

 Entre las opciones analizadas se han propuesto células fotovoltaicas de concentración, las cuales permiten reducir la cantidad de material semiconductor empleado. Dichos sistemas abarcan un amplio rango de ratios de concentración entre 2 y 100 (o superior). Un ejemplo de baja concentración es el “Concentrating PV Wall” propuesto  por Brogen y coll. en 2003,  y que comprende un reflector parabólico de aluminio al que lleva asociado una célula PV (fig.1a). A más altas concentraciones Chemisana y Rossell presentaron el “Curtain wall” en 2011, basado en la tecnología Fresnel y consistente en una serie de lamas reflectantes que concentran la radiación solar sobre una célula PV a la vez que realizan una labor de sombreo sobre el edificio sobre el cual se instalan (fig. 1b).

 Otra propuesta se basa en la tecnología termosolar de receptor central. En este caso, un conjunto de reflectores con seguimiento en dos ejes concentran la radiación solar sobre un receptor por el que pasa un fluido que se calienta para el posterior aprovechamiento de dicha energía. Ejemplo de éstos son el “Multi tower solar array” (Schramek y Mills, 2003) en el que existen varios receptores sobre los que reflejar la radiación y que puede ser instalado en el tejado de un edificio (fig. 1c), o el “Campo Vertical de Helióstatos” (González et al., 2011) en el que los helióstatos se encuentran distribuidos verticalmente con lo que pueden ser integrados en la fachada de un edificio (fig.1d).

 La energía eólica también tiene cabida en la integración urbana como demuestran desarrollos como el Crossflex, propuesto por Sharpe y Proven en 2010,  con un sistema innovador de palas flexibles y cubierta ligera que permite un elevado aprovechamiento del flujo de aire así como una mejora en la integración visual en edificios (fig. 1e).

 

 Fig.1.- a) Concentrating PV wall, b) Curtain wall y Parasol, c) Multi tower solar array, d) Campo vertical de helióstatos, e) Crossflex.

 El desarrollo de estos y otros tipos de sistemas de aprovechamiento energético modulares y arquitectónicamente integrados abre una vía para la generación distribuida de energía más próxima al usuario final y a una reducción progresiva de la dependencia actual en los combustibles fósiles, tan necesaria en los tiempos presentes.

 Referencias

Brogren, M, Wennerberg, J, Kapper, R, Karlsson, B, 2003. Design of concentrating elements with CIS thin-film solar cells for façade integration. Solar Energy Materials & Solar Cells 75, 567-575

 Chemisana D, 2011. Building integrated concentrating photovoltaics: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 603-611

 González A, César-Chapa S, González-Aguilar J, Romero M, 2011. Vertical reflector field: feasibility of optical and geometrical arrangements for CSP integration in façades. Proceedings of ISES 2011 Solar World Congress, 28 August – 2 September 2011, Kassel, Germany.

 IDAE. Plan de Ahorro y Eficiencia Energética 2011-2020. 2º Plan de Acción Nacional de Eficiencia Energética de España (disponible en formato electrónico en www.idae.es)

 Schramek P, Mills D, 2003. Multi-tower solar array. Solar Energy, 75, 249-260

 Sharpe T, Proven G,2010. Crossflex: Concept and early development of a true building integrated wind turbine. Energy and Buildings, 42, 2365-2375

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Células solares con concentrador óptico

Las nanociencias y las nanotecnologías pueden jugar, en los próximos años, un papel fundamental a la hora de facilitar la ineludible conversión del modelo energético.

Autora: [Mª Belén Gómez Mancebo – CIEMAT]

Las células fotovoltaicas comerciales de silicio tienen un rendimiento que oscila entre un 15 % y un 20 % según la tecnología elegida y el fabricante. Su coste todavía es poco competitivo en relación al de las fuentes convencionales y es necesario investigar cómo aumentar significativamente el rendimiento  o reducir los costes de producción. Una posibilidad de reducir el precio consiste en utilizar un elemento óptico que concentre la luz sobre la célula solar, de esta manera, si se aumenta la potencia luminosa sobre la célula solar x veces, ésta será capaz de entregar x veces la potencia eléctrica que entregaría sin concentración (en condiciones de pérdidas ohmicas bajas).

El coste del panel es muy relevante en las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica, y es la célula solar el elemento que más lo encarece. El uso de luz concentrada permite sustituir área de semiconductores (elemento encarecedor) por área de concentrador óptico (elemento económicamente asequible).

 

 

 Instalación fotovoltaica de concentración IES-UPM.

Las células solares de GaAs desarrolladas en el Instituto de Energía Solar de UPM (IES-UPM) tienen un área activa de 1 mm2 y trabajan a 1000 soles (1000 veces la luz del sol), con una eficiencia del 26,2 %.

Las células multi-unión funcionan óptimamente con concentraciones del orden de 500 soles lo que permite que el tamaño de los chips sea muy pequeño de alrededor de 2,5 x 2,5 mm y que, por tanto, el alto coste de los materiales y su fabricación queden compensados. Con células monolíticas multi-unión fabricadas por epitaxia de semiconductores GaInP/Ga/InAs/Ge se han alcanzado rendimientos de hasta el 43, 5 %.

Asimismo, sus pequeñas dimensiones también implican una reducción notable en el coste de instalación, sistemas de seguimiento, concentración óptica y mantenimiento que, en última instancia, definen la viabilidad económica de cualquier opción energética.

El Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CSIC) trabaja actualmente en colaboración con el IES-UPM en la introducción de nanoestructuras autoensambladas epitaxiales como son los puntos cuánticos y de nanoestructuras fotónicas, en la zona activa de estas células solares y cuyo objetivo es poder alcanzar rendimientos energéticos superiores al 50 %. Si su desarrollo a gran escala permite una reducción de costes, aumentando al mismo tiempo las prestaciones, el empleo de estas células puede ser pronto muy efectivo para la generación eléctrica de tipo industrial conectada a la red, particularmente en áreas desérticas con fuerte irradiación solar directa. 

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Producción solar de combustibles líquidos a partir de la descomposición de CO2 y H2O a alta temperatura.

El empleo de energía solar de concentración para la producción eléctrica se postula como una opción tecnológica cada vez más importante en el panorama energético actual. Si además a partir de esta fuente renovable pueden obtenerse combustibles líquidos, como la gasolina o el diesel, nos encontraríamos ante una alternativa sostenible que podría ser capaz de sustituir a los combustibles convencionales, e incorporarse al sector del transporte, sin tener que llevar a cabo modificaciones en los motores actuales.

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

La transformación de la energía solar concentrada en combustibles puede llevarse a cabo mediante los ciclos termoquímicos. Estos procesos consisten en el almacenamiento de la energía solar mediante el empleo de reacciones químicas sucesivas y complementarias que tienen lugar en un ciclo cerrado. Si del empleo de estas reacciones químicas se obtiene como producto un combustible, deben entrar en juego las especies químicas derivadas de la combustión de estos productos para poder cerrar el ciclo.

A partir de este concepto surge la producción de gas de síntesis (o “syngas”) descomponiendo simultáneamente agua y dióxido de carbono a alta temperatura. Este gas se trata de una mezcla de H2 y CO la cual puede ser transformada a hidrocarburos (como la gasolina) que pueden a su vez ser empleados en los motores de combustión interna produciendo de nuevo CO2 y H2O en el proceso de combustión. La Figura 1 muestra esquemáticamente este proceso:

 

Figura 1: Esquema del global proceso de producción de hidrocarburos a partir de energía solar concentrada y su posterior aprovechamiento energético por combustión.

 Como se observa en la Figura 1 el primer paso a llevar a cabo es el de la producción de gas de síntesis a partir de CO2 y H2O (Reacciones 2 y 3) realizándose el almacenamiento de la energía solar los compuestos químicos. Este paso requiere del empleo de un óxido metálico el cual en su estado más reducido es capaz de descomponer ambos reactivos, generándose la mezcla de H2 y CO en la proporción que más adecuada para la posterior síntesis de combustibles líquidos. El metal una vez es empleado en la reacción debe regenerarse mediante su reducción como se observa en la Reacción 1:

-          MO2 à MO2-δ +  O2 (g)                                      Reacción 1

-          δH2O + MO2-δ à δH2 (g)+ MO2                                        Reacción 2

-          δCO2 + MO2-δ à δCO (g)+ MO2                                      Reacción 3

En una segunda etapa se lleva a cabo la transformación de esta mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono a hidrocarburos líquidos mediante el proceso de Fischer Tropsch. Este proceso consiste en reacciones de polimerización capaces de formar cadenas de hidrocarburos con una longitud determinada para poder formular gasolina o el diesel. Este proceso data de 1920 y fue inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch.

Por último el ciclo se cierra mediante la utilización de estos hidrocarburos para la obtención de energía mediante su combustión. Durante el proceso son devueltos a la atmósfera los reactivos principales del mismo: dióxido de carbono y agua, de igual forma que en el proceso de combustión de los combustibles fósiles convencionales.

Recientemente este tipo de procesos han sido objeto de estudio por varios investigadores europeos [1, 2]. En uno de ellos la investigación se centra en el proceso solar de producción de syngas (ver Figura 1), mediante el empleo de óxido de cerio (CeO2) como fase metálica para llevar a cabo las reacciones químicas análogamente al proceso general.

-          CeO2 à CeO2-δ +   O2 (g)

-          δH2O (g) + CeO2-δ à δH2 (g)+ CeO2

-          δCO2 (g) + CeO2-δ à δCO (g)+ CeO2

Además de estudio de los equilibrios redox descritos en estas ecuaciones se hace necesario el desarrollo de una tecnología solar capaz llevar a cabo las reacciones químicas. En este estudio se han realizado varias pruebas en un reactor solar, donde son simuladas las condiciones reales en las que podría implantarse el proceso. De los primeros resultados obtenidos hasta ahora se observa que en la mezcla de salida, la proporción de H2 y CO puede ser controlada en el rango de 0.24-2.4 dependiendo de la proporción de agua y dióxido de carbono que se introduzca en el reactor. Por otro lado también se ha observado la estabilidad en producción continuada de syngas, realizando el ciclo hasta 10 veces durante 8 horas sin perder actividad química y manteniendo, para una misma alimentación, una producción constante de gas de síntesis.

Este estudio demuestra por tanto la viabilidad a escala de laboratorio de un proceso el cual supone una nueva vía muy atractiva para la producción de combustibles renovables.

[1] P. Furler, J. R. Scheffe and A. Steinfeld. Syngas production by simultaneous splitting of H2O and CO2 via ceria redox reactions in a high-temperature solar reactor. Energy Environ. Sci., 2011. DOI: 10.1039/clee02620h.

[2] S. Abadanes, H. I. Vallafan-Vidales, CO2 and H2O conversion to solar fuels via two-step solar thermochemical looping using iron oxide redox pair. Chem. Eng. J., 2011. DOI:10.1016/j.cej.2011.09.124.

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