Archivo de marzo, 2012

Células Solares Esféricas

Las nuevas células solares con forma esférica, desarrolladas en Japón líder en tecnología fotovoltaica, podrían suponer una importante revolución en los campos de aplicación de la energía solar fotovoltaica, así como en la expansión a otros campos.

[Mª Belén Gómez Mancebo – CIEMAT]

Uno de los problemas que tienen las placas solares es que son planas. Debido a eso, sólo recogen energía del sol mientras están en el ángulo correcto al menos que estén montados en sistemas de seguimiento motorizados, que por supuesto engullen parte de la energía que las células están produciendo. Pero la compañía nipona Kyosemi ha creado unas novedosas células solares semiesféricas que son capaces de cosechar la luz desde prácticamente cualquier ángulo y con un tamaño inferior al de las células tradicionales pasando de los 72 mm a 1-1.5 mm.

Sphelar, que así se llama el nuevo producto, es una matriz de pequeñas celdas solares, esféricas que están diseñadas para absorber la luz solar desde cualquier ángulo. El diseño y la geometría de las células Sphelar se traduce en el aprovechamiento de la luz reflejada y la indirecta. También van montadas en una base semiesférica, lo que aumenta su capacidad de captar energía a su alrededor. Así es posible cosechar luz tanto por las mañanas como por las tardes, aumentando la energía total que se puede conseguir. Este diseño hace innecesario el movimiento de la base, lo que simplifica la instalación y ahorra costes, al prescindir del motor necesario para moverla.

Otra ventaja es que se reduce la superficie ocupada por las celdas. Este hecho amplía el campo de aplicaciones para la energía solar fotovoltaica, con la posibilidad de incorporarlas en pequeños aparatos electrónicos o convertir grandes superficies acristaladas como generadores de electricidad, también resulta muy interesante para las instalaciones en hogares. Su aplicación en España permitiría reducir el impacto visual, especialmente en grandes ciudades y zonas de interés turístico.

El diseño y la geometría de las células Sphelar hacen que la conversión de energía se acerca al 20% de eficiencia, mayor que la de tecnologías fotovoltaicas tradicionales. Según la empresa, los costes de producción se reducen a la mitad, comparándolo con la fabricación de las células de silicio convencionales, ya que el silicio empleado se aprovecha eficientemente tanto en la fabricación de las células como en la producción posterior de energía.

Quizás así, con avances como este que atraerán a más usuarios, podamos dar el salto a las energías renovables en lugar de seguir anclados en antiguas fuentes energéticas.

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De importadores de petróleo a exportadores de Sol

[Autora: Loreto Pazos Bazán-INTA]

Para salir de la recesión en la que estamos inmersos necesitamos que nuestra economía sea competitiva y crezca. Necesitamos producir bienes para los que exista demanda, utilizando recursos propios, que otros no tengan. Este recurso puede ser “EL SOL ESPAÑOL”, que además de servir como reclamo para el turismo, es un recurso que puede promover una industria capaz de crear miles de puestos de trabajo.

A finales del 2011, la potencia eléctrica instalada en España era de unos 106 GW.

  

El día de máxima demanda se necesitaron 44 GW.

 

El seguir invirtiendo en energías renovables, a pesar de que la cobertura de nuestra punta máxima de demanda esté sobrepasada, está justificado en base a la necesidad de ir sustituyendo el gas natural por este tipo de energías, para poder cumplir con los compromisos de la Directiva Europea 20-20-20.

Pero además, tenemos la ocasión de aprovechar la oportunidad que ofrece Alemania tras su decisión de abandonar su programa nuclear y aprobar una ley, en la que establece unos ambiciosos objetivos para el uso de energías renovables, fijando un 80 por ciento para el 2050.

España es el país de Europa con el mayor nivel de irradiación solar, así que una parte de la energía que necesita Alemania podría proceder de la energía termosolar o eólica producida aquí. Nuestro país ofrece una cercanía a los mercados de consumo y una seguridad jurídica, garantizada por la normativa comunitaria, mayores que las que ofrecen los países del norte de África.

Así pues, el sector de la Energía Renovable puede convertirse en el nuevo motor de la economía española. Nuestro saldo exportador de energía eléctrica, que a día de hoy se sitúa en unos 6.105 GWh, podría incrementarse considerablemente en el futuro si seguimos apostando por la energía renovable.

 

Esto nos proporcionaría:

Independencia energética y seguridad de suministro. Un corte en el suministro de gas natural por parte de nuestro principal proveedor, Argelia, representaría una pérdida del 0.03% del PIB de España en 2010, y de hasta un 1% si el corte se prolongase a 39 días. Esto nos da idea del riesgo al que está sometida nuestra economía y la capacidad limitada de reacción ante una situación como la descrita. Por otro lado estamos continuamente expuestos al aumento de precio de este combustible, que además se prevé que continúe creciendo en los próximos años. El reducir las importaciones de combustibles permitiría una mejora de nuestra balanza de pagos, ya que el 50% de nuestro déficit comercial proviene de las importaciones de combustibles y materias fósiles.

Innovación. En algunas de estas tecnologías, nuestra industria se encuentra a la vanguardia mundial con empresas líderes a escala global. Se prevé que el desarrollo de la tecnología solar termoeléctrica sea muy importante en nuestro país, identificándose oportunidades de exportación de equipos y conocimiento a otros mercados, principalmente Estados Unidos.

Creación de riqueza y empleo de calidad de forma directa e indirecta, ya que permite el desarrollo de industrias auxiliares de componentes y servicios que complementan toda la cadena de valor de la producción.

 

Contención de la contaminación: como puede observarse en las siguientes gráficas, la reducción de emisiones de CO2 , se ha visto muy favorecida por la evolución de las energías renovables.

Por todo ello, la energía proveniente del Sol ofrece la posibilidad de conseguir un nuevo modelo de desarrollo económico, social y ambientalmente sostenible. 

Fuentes:

IDEA.  Estudio técnico  PER 2011-2020 “Impacto económico de las energías renovables en el sistema productivo español”.

REE. “El sistema eléctrico español. Avance del informe 2011”. 

Por todo ello, la energía proveniente del Sol ofrece la posibilidad de conseguir un nuevo modelo de desarrollo económico, social y ambientalmente sostenible.

Fuentes:

IDEA.  Estudio técnico  PER 2011-2020 “Impacto económico de las energías renovables en el sistema productivo español”.

REE. “El sistema eléctrico español. Avance del informe 2011”.

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Producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos: CoFe2O4/Al2O3

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

 En la actualidad, la mayor parte de la energía que se produce en el mundo proviene de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) por lo que existe una fuerte dependencia de éstos como fuentes de energía. Sin embargo, los problemas de contaminación ambiental asociados a su combustión y el progresivo agotamiento de las reservas mundiales, así como su localización en zonas geográficas de elevada inestabilidad política y social, han provocado que la atención de los investigadores se desvíe hacia la búsqueda de otros recursos energéticos alternativos.

 En esta línea, el hidrógeno se presenta como una opción muy prometedora al resultar un vector energético alternativo y potencialmente sustituto de los combustibles fósiles, en las próximas décadas, ya que no tiene impacto sobre el medio ambiente, sobre todo si se obtiene por un método limpio (renovable y sostenible), como por ejemplo a partir de agua y energía solar [1].

 La disociación de la molécula de agua a través de energía solar térmica para producir hidrógeno es una tecnología particularmente prometedora ya que las máximas eficiencias teóricas del sistema se encuentran entre el 65 y el 80 %. Sin embargo, se trata de una reacción muy endotérmica que se encuentra favorecida a temperaturas superiores a 4500 K, lo cual dificulta el proceso por la incapacidad de los materiales de soportar dichas temperaturas y porque, en estas condiciones, el H2 y O2 pueden recombinarse o dar lugar a mezclas explosivas si no se separan e forma adecuada.

Una alternativa a la termólisis directa del agua es la disociación de dicha molécula por medio de ciclos termoquímicos. Ferritas de tipo MxFe3-xO4 (donde M es generalmente Co, Ni, Mn, Zn o Fe) han mostrado la capacidad de disociar la molécula de agua para generar hidrógeno empleando la energía solar térmica según las reacciones redox que se muestran a continuación.

 MxFe3-xO4 + Energía solar térmica → x MO + (3-x) FeO + 0,5 O2                                (1)

x MO + (3-x) FeO + 0,5 O2 → MxFe3-xO4 + H2                                                              (2)

 La ferrita es térmicamente reducida en una primera etapa a elevada temperatura (1400-1600 °C) en la que se libera oxígeno. En la segunda etapa, a menor temperatura (900-1100 °C), la ferrita reducida reacciona con vapor de agua para generar H2 y re-oxidar la ferrita a su estado de partida. De esta forma, las entradas netas del sistema serían H2O y energía solar térmica, mientras que los únicos productos que saldrían del sistema serían H2 y O2. Este proceso es ventajoso respecto a la disociación directa del agua porque opera a menores temperaturas y además H2 y O2 se generan en etapas separadas por lo que desaparece la necesidad de separar los productos gaseosos a elevada temperatura.

 Estos ciclos han sido estudiados empleando el material en polvo. Sin embargo se ha observado que el material en polvo no es apropiado para cerrar el ciclo debido a la sinterización que tiene lugar cuando se trabaja a tan elevada temperatura, la cual da lugar a una pérdida de área superficial. Como consecuencia, se han empleado técnicas de síntesis en las que las ferritas son depositadas sobre sustratos como ZrO2 [2-4], YSZ [3,4] y SiC [5,6], con la idea de que el área superficial se mantenga constante a lo largo del ciclo a elevada temperatura.

 En 2010, Weimer y col. [7], probaron el funcionamiento de una ferrita de cobalto depositada sobre Al2O3 en un nuevo ciclo termoquímico de dos etapas para la disociación de la molécula de agua (reacciones 3 y 4):

 CoFe2O4 + 3 Al2O3 + Energía térmica → CoAl2O4 + 2 FeAl2O4 + 0,5 O2                     (3)

CoAl2O4 + 2 FeAl2O4 + H2O→ CoFe2O4 +  3 Al2O3 + H2                                             (4)

 En este trabajo, se pudo ver que la ferrita de cobalto depositada sobre Al2O3 presenta una baja descomposición a temperaturas entre 200300 °C, en comparación con la ferrita en polvo obtenida por co-precipitación, lo cual es consecuencia de la formación de la especie FeAl2O4. Además se generó hidrógeno a partir de temperaturas de operación de 1200 °C, mientras que a estas temperaturas no se obtuvo nada de hidrógeno cuando el material empleado era ferrita en polvo. De hecho, empleando CoFe2O4 en polvo no se generó hidrógeno hasta 1400 °C. Además el material  CoFe2O4/ Al2O3 se pudo ciclar realizando la reducción a 1200 °C y la oxidación a 1000 °C sin cambios significativos en la conversión de hidrógeno [7] lo que supone una clara ventaja frente a los de ciclos termoquímicos de ferrita tradicionales.

 [1]   Perkins, C.; Weimer, A.W.; “Likely near-term solar-thermal water splitting technologies”. International Journal of Hydrogen Energy 2004; 29: 1587.

[2]   Miller J.E., Allendorf M.D., Diver R.B., Evans L.R., Siegel N.P., Stuecker J.N.; “Metal oxide composites and structures for ultra- high temperature solar thermochemical cycles”. Journal of Materials Science 2008; 4714.

[3]   Gokon N., Murayama H., Nagasaki A., Kodama T.; “Thermochemical two-step water splitting cycles by monoclinic ZrO2-supported NiFe2O4 and Fe3O4 powders and ceramic foam devices”. Solar Energy 2009; 83: 527.

[4]   Kodama T., Nakamuro Y., Mizuno T.; “A two-step thermochemical water splitting by iron-oxide on stabilized zirconia”. Journal of Solar Energy Engineering 2006; 128: 3.

[5]   Alvani C., La Barbera A., Ennas G., Padella F., Varsano F.; “Hydrogen production by using manganese ferrite: evidences and benefits of a multi-step reaction mechanism”. International Journal of Hydrogen Energy 2006; 31: 2217.

[6]   Roeb M., Sattler C., Kluser R., Monnerie N., de Oliveira L., Konstandopoulos A.G., et al.; “Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides”. Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the Asme 2006; 128: 125.

[7]   Scheffe, J.R., Li, J., Weimer, A.W.; “A spinel ferrite/hercynite water-splitting redox cycle”. International Journal of Hydrogen Energy 2010; 35: 3333.

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Conferencia Bio-refinerías 2012

Durante los días 28 de Febrero a 1 de Marzo se ha celebrado en Copenhague la Conferencia “Advanced Biofuels in a Biorefinery Approach”,  donde se han presentado los últimos desarrollos en la tecnología de producción de biocombustibles avanzados y bio-refinería, con especial atención en la integración de la tecnología, biología e infraestructuras.

Autora: [María José Negro -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]

La conferencia ha estado organizada por la Universidad de Copenhague (Dinamarca) y el Bio4Bio  (Centro para el desarrollo y aplicación de la Biotecnología para la Bioenergía). En la Conferencia han participado más de 220 investigadores pertenecientes tanto del sector público como privado, e industrias especializadas en la innovación, 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. Se han presentado los últimos desarrollos en biocombustibles avanzados y en tecnologías de producción de etanol, con especial énfasis en la biología y la biotecnología, la integración de tecnologías y la distribución y comercialización. Asimismo, la Conferencia ha contado con una sesión especialmente dedicada  a la presentación de los últimos avances en dos redes de Bioenergía de  la Agencia Internacional de la Energía (IEA), la  tarea 39 (Comercialización de  biocombustibles líquidos procedentes de la biomasa) y  la tarea 42 (Bio-refinerías).

Durante la conferencia se ha tenido la oportunidad de visitar dos compañías relacionadas con el  tema de producción de etanol: la  planta de demostración de la empresa Inbicon,  localizada en las instalaciones de DONG Energy,  y la planta de producción de enzimas de la compañía Novozymes. Ambas instalaciones están localizadas en Kalundborg (Dinamarca).

Investigadores de la Unidad de Biocarburantes de Ciemat y de la Unidad de procesos biotecnológicos para la producción de energía del IMDEA han participado en la conferencia  mediante la presentación de dos comunicaciones cuyos títulos son: “Second-generation etanol production from olive tree pruning” y “Laccase  detoxification of steam-exploded wheat straw for etanol production by SSF process with the thermotolerant yeast  Kluyveromyces marxianus”.

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¿Hay esperanza para la industria de biodiésel en Europa?

En los últimos años, la Unión Europea (UE) ha apostado por un cambio de modelo energético con un peso muy destacado de las energías procedentes de fuentes renovables y de los biocombustibles para el sector del transporte en particular. Sin embargo, el sector de los biocarburantes en la UE a principios del 2012, y especialmente el correspondiente al biodiesel, pasa por momentos difíciles.

 [Autora: Gemma Vicente. Departamento de Tecnología Química y Energética. Universidad Rey Juan Carlos]

 Para la UE, los biocarburantes permiten hacer frente a dos de los más importantes desafíos de la política energética en lo que se refiere al sector del transporte: la enorme dependencia de este sector respecto del petróleo y la necesidad de reducir las emisiones de dióxido de carbono que produce. Así, en 2009, mediante la Directiva 2009/28/CE, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, se fijó como objetivos para el 2020 que el 20 % de energía procediera de fuentes renovables, y que el 10% de los combustibles de transporte procedan, a su vez, de fuentes de energía renovables. Al mismo tiempo, mediante la Directiva 2009/30/CE, se aprobó una reducción del 6 % de la intensidad de los gases de efecto invernadero (GEI) de los combustibles utilizados en el transporte para alcanzar también en el 2020.  

 Para alcanzar estos objetivos, los Estados miembros han centrado sobretodo sus esfuerzos en el uso de biocarburantes de primera generación, bioetanol y biodiésel principalmente, fabricados a escala industrial a partir de cultivos agrícolas alimenticios, como el maíz, el trigo, la caña de azúcar, y aceites vegetales como el aceite de palma, soja y colza, respectivamente. Según los datos facilitados por el Biofuels Barometer de 2011, elaborado por EurOserbver, el consumo de biocarburantes en la Unión Europea en el 2010 fue de 14 millones de toneladas equivalentes de petróleo. El Barómetro también señala que Europa apuesta de manera clara por el biodiésel, ya que representa el 77,3% de los biocombustibles, mientras que el bioetanol es el 21,1% del total. En España, el biodiésel representa el 83,6% de los biocarburantes. No obstante, como es sabido, el 85 % de la capacidad total instalada del sector del biodiesel en España (4,3 millones de toneladas) esta completamente parado, lo que supone 34 de las 49 plantas de biodiesel detenidas y la mayor parte de las restantes operando con baja producción. La grave situación de este sector en nuestro país se debe a la aplicación de tasas diferenciales a la exportación (TDE) por parte de países como Argentina e Indonesia. Según Manuel Bustos, Director de APPA Biocarburantes, más del 60 % del biodiesel que se ha consumido en el 2011 en nuestro país proviene, por tanto, de estos dos países. A día de hoy, no hay una perspectiva clara de solución al conflicto. España debería acoger de forma urgente medidas similares a las adoptadas en otros países de la UE, como Francia, Portugal, Bélgica o Grecia, para evitar la competencia desleal de los citados países.

 Por otra parte, la rápida expansión de la producción de biocarburantes de primera generación a partir de cultivos alimenticios ha contribuido al aumento de precio de algunos alimentos básicos, a una preocupación creciente en la seguridad de suministro de los alimentos, así como a problemas de deforestación y desplazamiento de las poblaciones indígenas en los países en vías de desarrollo. Según el informe Biofuels: ethical issues, elaborado por la organización británica Nuffield Council on Bioethics y publicado en abril de 2011, las actuales políticas europeas sobre biocombustibles, como la Directiva Europea de Energías Renovables, son particularmente débiles en determinados aspectos como la protección del medio ambiente, la reducción de las emisiones de GEI y el bloqueo de las violaciones de los derechos humanos en los países en desarrollo. También incluye pocos incentivos para el desarrollo de nuevas tecnologías de biocombustibles que podrían ayudar a evitar estos problemas. El informe establece una serie de principios éticos que deban cumplir las importaciones de biocarburantes, en la línea del comercio justo, así como impulsar los biocarburantes de segunda generación.

 Además, el estudio llevado a cabo por el International Food Policy Research Institute (IFPRI) de Estados Unidos por encargo de la Comisión Europea, pone de manifiesto que la utilización de biodiesel obtenido a partir de colza, palma o soja supone un incremento de las emisiones de los GEI, en comparación con las correspondientes al gasóleo convencional, cuando se tiene en cuenta un factor que mide las emisiones producidas de forma indirecta al cambiar el uso de la tierra -en inglés ILUC, Indirect Land Use Change-. El cambio indirecto del uso de la tierra es un concepto relativamente nuevo que se podría definir como el efecto que la expansión de los cultivos para biocombustibles puede provocar en el desplazamiento de los cultivos tradicionales a otros terrenos, que pueden ser de alto valor ecológico o con altas reservas de carbón. El portal de la UE EurActiv ha publicado una nota de prensa esta misma semana en esta línea: Biodiesels pollute more than crude oil, leaked data show.

 ¿Es realmente el biodiesel peor para el medio ambiente que el gasóleo convencional? Lógicamente, la industria del biodiesel, a través de la European Biodiesel Board (EBB), ha rechazado las conclusiones de este estudio. Según el secretario general del EBB Raffaello Garofalo, “la industria del biodiesel – la  número uno de la industria de combustibles renovables en Europa – no puede estar en riesgo de cerrar sus plantas de producción a causa de un estudio que no está del todo validado”.  No obstante, los estudios recientes llevados a cabo por Don O´Connor de (S&T)2 Consultan Inc. y por los investigadores Lange y Delzeit de la Universidad de Kiel en Alemania han concluido que el estudio de el IFPRI no puede servir como base para adoptar medidas políticas en el contexto de la UE, ya que el modelo adoptado en este informe presenta numerosos problemas y, como resultado, las emisiones de GEI debidas a ILUC han sido notoriamente sobrestimadas.

 Es evidente que el biodiesel debe ser producido, como considera la propia directiva europea de energías renovables, a través de sistemas sostenibles de forma que su contribución al cambio climático sea significativamente menor que el combustible diesel que sustituyen. Según los objetivos que la UE estableció en 2009 a través de la Directiva sobre Energías Renovables, los biocombustibles han de ahorrar emisiones de GEI -en comparación con los combustibles fósiles- un 35% en 2009 y un 50% en 2017. Sin embargo, la disminución se refiere únicamente a las emisiones directas de GEI. Asimismo, la norma también incluye medidas para evitar la transformación de áreas de gran biodiversidad, como bosques y humedales, en tierra para cultivos utilizados en la elaboración de biocarburantes.

En este contexto, el biodiesel de segunda generación, producido a partir de microorganismos oleaginosos, representa una opción sostenible y prometedora a corto plazo y que permite alcanzar los objetivos de la Directiva Europea. El biodiesel se puede producir a partir de residuos o subproductos biomásicos, utilizando microorganismos heterótrofos como los hongos y las levaduras, o a partir de CO2 y luz solar, con el empleo de microorganismos autótrofos como las microalgas.

Tanto las microalgas como los hongos y levaduras presentan rendimientos de producción y velocidades de crecimiento superiores a los cultivos tradicionales de aceites vegetales. No compiten con la industria alimentaria, no utilizan suelo agrícola y, por tanto, no provocan deforestación, manteniendo la biodiversidad de los ecosistemas. Además, el balance de emisiones de GEF es claramente favorable para estos biocarburantes avanzados en comparación con el combustible diesel convencional y el biodiesel de primera generación. Como no utilizan suelo agrícola, no se producen los impactos indirectos provocados por el cambio del uso del suelo que provoca la producción de los biocombustibles convencionales.

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