Archivo de marzo, 2013

Nuevas estrategias para la mejora de la relación entre eficiencia y coste en fotovoltaica

Uno de los objetivos del proyecto SOLGEMAC consiste en el desarrollo de sistemas de concentración solar (CSP). Sin embargo, la reducción de costes que últimamente está experimentando la energía fotovoltaica pone mayores retos de futuro inmediato para sus competidoras. Uno de los últimos desarrollos de la fotovoltaica consiste en una técnica sencilla para el uso de celdas fotovoltaicas en casi cualquier sustrato, lo que posibilitaría el uso incluso de sustratos flexibles.

Autor: [Raúl Díaz- IMDEA Energía]

En el escenario actual establecido por el protocolo de Kyoto, que se llevó a cabo por la creciente alarma social ante el efecto invernadero provocado por las emisiones de dióxido de carbono provenientes del uso de combustibles fósiles, todas las tecnologías energéticas que pueden llegar a tomar el relevo como fuentes de energía primaria están acelerando el desarrollo de soluciones que permitan mejorar la relación entre su eficiencia y su coste.

Dentro del abanico de las renovables, la energía solar es una de las pocas que potencialmente se puede implementar en todo el mundo de forma masiva. Dentro de las tecnologías de aprovechamiento de la energía solar destacan dos: la fotovoltaica y la de concentración. Si bien hasta no hace mucho tiempo ninguna de las dos tenía una clara ventaja en cuanto a competitividad comercial (a pesar de la mayor implementación de la fotovoltaica, principalmente gracias a ayudas públicas para ello), en los últimos años la fotovoltaica parece estar cobrando una cierta ventaja en los costes. Ello es debido en parte al escalado de las tecnologías en capa fina y de materiales como el silicio pero menos cristalinos e incluso amorfos. Aun así los costes siguen necesitando decrecer, pero las innovaciones en esta tecnología parecen no tener fin, y una de las últimas es el desarrollo de un método para transferir celdas solares a cualquier sustrato que posibilita una mayor reducción de costes además de proporcionar una flexibilidad adicional que permite expandir el abanico de posibles aplicaciones.1

Figura 1. Proceso de transferencia de sustrato: (a) celda solar de capa fina fabricada sobre sustrato de Si/SiO2; (b) separación de la celda solar respecto al sustrato de Si/SiO2; (c) transferencia de la celda solar a otro sustrato, al que se adhiere mediante adhesivos adecuados; (d) eliminación del soporte provisional necesario para la transferencia.1

El proceso desarrollado se muestra en la figura 1 y se basa en el crecimiento de la celda solar de capa fina sobre los tradicionales sustratos de Si/SiO2 recubiertos por una fina capa de níquel (fig. 1a). Esta capa de níquel posibilita que, al sumergir en agua estos dispositivos, las celdas solares se puedan separar del sustrato original (fig. 1b). Mediante el uso de adhesivos adecuados puede entonces ponerse esta celda solar sobre cualquier sustrato (fig. 1c) con la separación posterior del soporte provisional necesario para esta transferencia (fig. 1d).

Las pruebas realizadas con estas celdas solares de capa fina transferidas a diferentes sustratos indican que la eficiencia se mantiene, incluso sobre sustratos flexibles doblados, lo que indica la potencialidad de este método. Las preguntas ahora pueden ser hasta qué costes puede bajar la energía fotovoltaica con avances como éste y si ello hará que pueda realmente llegar a una posición comercialmente competitiva e incluso dominante en un futuro a medio plazo en detrimento no solo de los combustibles fósiles sino de otras energías renovables como la de concentración solar.

(1) C. H. Lee, D. R. Kim, I. S. Cho, N. William, Q. Wang, X. Zheng, Sci. Rep. (2012), 2, 1000.

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Tokelau: el primer país con un 100% de energía solar fotovoltaica

Tres atolones en el sur del océano Pacífico con una superficie de doce kilómetros cuadrados componen Tokelau, uno de los países más remotos y pequeños del mundo, que se ha convertido en el primer país en generar toda su energía con paneles solares fotovoltaicos. Con una potencia de un megavatio, la instalación solar ha sustituido al contaminante y caro diésel.

Autora: [Rocío Fernández Saavedra - CIEMAT]

                       

 

Tokelau se encuentra en el sur del océano Pacífico, está formado por tres atolones y es uno de los lugares más remotos del mundo. Tiene una superficie de doce kilómetros cuadrados y se encuentra al norte de Samoa. A los atolones solamente puede llegarse en barco. Para cubrir sus necesidades energéticas, los habitantes contaban hasta ahora casi exclusivamente con generadores diésel. Esta solución, además de ser cara y muy contaminante, hacía que la oferta de corriente fuera muy poco fiable, por no hablar de la ausencia de un suministro las 24 horas. Sin embargo, Tokelau es desde hace poco tiempo el primer país del mundo cuyo suministro energético se basa completamente en la energía fotovoltaica. 4032 módulos fotovoltaicos combinados con 298 inversores y 1344 bancos de baterías se ocupan desde 2012 de ofrecer un suministro de corriente fiable durante todo el día. La instalación completa, con una potencia de un megavatio, es el sistema aislado más grande del mundo. Además, Tokelau es un lugar ideal para la energía fotovoltaica: situado justo al sur del Ecuador, la irradiación solar es prácticamente constante todo el año. Los tres atolones de Fakaofo, Nukunonu y Atafu operan ahora con un sistema híbrido propio: con una potencia total de 1 megavatio, las instalaciones generan más energía de la que necesitan los 1.411 habitantes de Tokelau. De esta forma, la necesidad de protección climática del país se cumple al 100%.

Ya han pasado los tiempos en los que el suministro de corriente se racionaba tanto que la energía eléctrica solo podía estar disponible entre 15 y 18 horas al día. Los generadores diésel consumen cada día cerca de 200 litros de combustibles fósiles, que deben transportarse por barco de forma cara y costosa: como los atolones están rodeados por barreras de coral, no hay puertos. El acceso a la isla es difícil y caro, porque la mercancía debe descargarse en el mar en pequeños botes y transportarse así a la tierra. Esto conlleva un peligro para la flora y la fauna.

Según han informado el Ministerio de Asuntos Exteriores y Comercio, que ha financiado la iniciativa, este proyecto se inició por “los temores que este territorio podría sufrir a causa del cambio climático, especialmente, en cuanto a la elevación del nivel del mar”, ya que muchas de las islas de Tokelau apenas superan los dos metros por encima del nivel del océano. Así, a pesar de que la generación de gases de efecto invernadero por parte de Tokelau era “mínima”, la población ha querido llevar a cabo este proyecto “como un mensaje al mundo, mostrando que la transición a las fuentes de energía renovables es posible”.

Con la instalación fotovoltaica, los habitantes de Tokelau tienen disponible ahora cada día 24 horas de corriente. De esta forma el país puede seguir terminando con la dependencia de los combustibles fósiles y ser más independiente de otros países. Ahora, Tokelau apenas precisa una cantidad muy reducida de diésel, para poder operar los generadores en los momentos en que falta la irradiación solar. Gracias a la silenciosa generación de energía fotovoltaica, el nivel de ruido se reduce de forma esencial, y los habitantes se ahorran el tiempo que deben emplear para la descarga de los contenedores del combustible en el mar.

Fuente: http://www.mundoenergia.com/

 

 

 

 

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Sistemas fotocatalíticos basados en oro para la mejora del aprovechamiento de la luz solar

La transformación de energía solar en combustibles mediante procesos fotocatalíticos es uno de los campos de investigación actuales para la búsqueda de tecnologías alternativas a los procesos convencionales de producción de energía. 

Un estudio publicado recientemente en la revista Nature Nanotechnology recoge el diseño de un innovador sistema fotocatalítico para la producción de hidrógeno, basado en el efecto de resonancia de superficie plasmón del oro generado durante el proceso.

[Autora: Laura Collado – Instituto IMDEA Energía]

Científicos de la Universidad de California, Santa Bárbara (UC SB) han diseñado un interesante sistema catalítico, para la producción de hidrógeno a partir de agua, alternativo a los sistemas convencionales basados en un único material semiconductor.

El proceso fotocatalítico de producción de hidrógeno a partir de agua, conocido como water splitting, en general precisa de una fuente de luz y de un catalizador, en la mayoría de los casos basado en un material semiconductor. Durante este proceso, la iluminación con energía suficiente de la superficie del semiconductor genera una separación de cargas en el material (pares electrón-hueco) que son las responsables de llevar a cabo las reacciones químicas implicadas, en este caso la formación de H2 y O2 mediante la escisión de una molécula de H2O.

Lo novedoso del sistema catalítico publicado en el último volumen de la revista Nature Nanotechnology [1], es que las cargas necesarias para la reacción no son generadas por un semiconductor sino por una nanoestructura metálica, en concreto por nanorods de oro. La idea de este sistema se basa en utilizar el efecto de resonancia de superficie plasmón (SPR) del oro, que es una interesante propiedad óptica que presentan algunos metales cuando son excitados con luz visible a determinadas longitudes de onda. Este efecto genera en la superficie del metal una oscilación colectiva de electrones que pueden transferirse por ejemplo a otro semiconductor adyacente, que no habría sido posible excitar con esa radiación, lo que implica un aumento del rango de absorción de luz del sistema y posiblemente una mejora global de la eficiencia del proceso.

El sistema catalítico diseñado en el estudio consta de un conjunto de nanorods de oro cubiertos por una capa de material semiconductor (TiO2) decorado en superficie con nanopartículas de platino. La irradiación del oro provoca la aparición del plasmón superficial y por tanto, que los electrones excitados en el metal se puedan transferir a lo largo de los nanorods hasta el semiconductor. Una vez allí las nanopartículas de platino actúan como aceptores de electrones, capturándolos para que estén disponibles para la formación de H2y no se consuman en procesos de recombinación con los huecos también generados. Los huecos a su vez son empleados por un catalizador basado en cobalto, depositado en la parte inferior del sistema, responsable de la formación de oxígeno. La Figura 1 muestra una adaptación del esquema del sistema catalítico empleado.

Figura 1. Esquema del sistema catalítico basado en nanorods de oro modificados (adaptado de referencia 1).

 

Según este estudio, la producción de H2 pudo observarse tan sólo después de 2 h de reacción manteniendo una buena estabilidad a lo largo del tiempo de reacción. La producción obtenida con cada nanorod de oro fue de 5 × 1013 moléculas de H2 por cm2 y segundo bajo 1 sol de iluminación (AM 1.5 and 100 mW cm−2).

En la actualidad este tipo de sistemas catalíticos aún se encuentran en fase de investigación, ya que el coste y los rendimientos aún no son comparables a los obtenidos con los sistemas convencionales basados en materiales semiconductores. No obstante, su estudio tiene gran potencial ya que permitiría en un futuro diseñar sistemas catalíticos capaces de aprovechar un amplio rango de luz solar y producir hidrógeno de forma más eficiente y sostenible.

[1] S. Mubeen et al. Nature Nanotechnology, 2013 (en prensa, doi:10.1038/nnano.2013.18).

 

 

 

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Un futuro prometedor para los vehículos propulsados por hidrógeno

Los primeros resultados obtenidos por el consorcio inglés UKH2Mobility en la primera fase de su Proyecto indican que el hidrógeno alcanzará posiblemente un estatus destacado entre los principales combustibles de automoción a mitad de la próxima década.

Autora: [M. Pilar Orihuela-INTA]

El pasado mes de febrero fue oficialmente clausurada la primera fase del Proyecto UKH2Mobility (UKH2M) con la presentación, en un evento público en Londres, de los primeros resultados.

UKH2Mobility es un consorcio industrial orientado al desarrollo de un plan de despliegue de la infraestructura de repostaje de hidrógeno y de los vehículos de pila de combustible. El principal objetivo de esta estrategia de despliegue es contribuir a la descarbonización del transporte, crear oportunidades económicas, diversificar el abastecimiento energético, y reducir los impactos ambientales locales asociados al transporte.

El consorcio de empresas incluye tres departamentos gubernamentales y quince empresas entre las que se encuentran varios fabricantes de automóviles (Hyundai, Nissan, Toyota, etc.), productores de hidrógeno, proveedores de tecnología, asociaciones público-privadas y minoristas de combustible.

Aunque el hidrógeno es difícil de manejar y de almacenar, hay una tendencia cada vez mayor a pensar que estos problemas son más fáciles de superar que las deficiencias en autonomía y tiempo de carga de las baterías de los vehículos eléctricos. El estudio de UKH2Mobility no descarta que la propulsión por pila de combustible supere a la propulsión por batería en vehículos a medio plazo.

En el primer informe de proyecto, el grupo ha pronosticado que es posible que los vehículos de pila de combustible alcancen una masa crítica comercial por el año 2025. El estudio incluyó una investigación de mercado, con encuestas a los consumidores, obteniéndose un resultado muy positivo. Un alto porcentaje de los mismos está receptivo a la adquisición de un vehículo de pila de combustible.

En cuanto al despliegue de la infraestructura, el estudio de UKH2Mobility sugiere que será relativamente fácil y que no requerirá una inversión inicial demasiado elevada.

Los resultados recogidos en la sinopsis de esta primera fase muestran, por tanto, que los vehículos de pila de combustible representan una propuesta de negocio atractiva y sostenible a largo plazo, y que pueden ofrecer importantes beneficios ambientales y económicos para el Reino Unido.

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Un nuevo avance para la generación de combustibles alternativos a partir de CO2 usando luz solar

Un reciente trabajo publicado en Chemical Communications ha mostrado nuevos fotoelectrodos sencillos basados en óxidos de cobre para la transformación eficiente de disoluciones acuosas de CO2 en metanol usando celdas fotoelectroquímicas alimentadas con luz solar. Los nuevos materiales presentan una elevada estabilidad, actividad y selectividad para la formación de metanol con un notable rendimiento en la transformación (94-96%) lo que supone un avance significativo para la generación de combustibles alternativos a partir de CO2 utilizando recursos renovables.

Autor: [R. M. Navarro-  Grupo de Energía y Química Sostenibles- Instituto de Catálisis y Petroleoquímica-CSIC]

La transformación de CO2 en hidrocarburos o alcoholes usando luz solar es un tema de enorme interés ya que permite la generación de combustibles alternativos con la reducción simultánea de las emisiones de CO2 ligadas al uso de combustibles fósiles. La reducción de CO2  es un proceso (CO2 + 6H+ + 6e- –> CH3OH + H2O) que desde el punto de vista termodinámico necesita aporte de energía (E0=0.38V). Por esta razón, el proceso es sólo económica y medioambientalmente viable si se usa energía renovable como fuente para realizarlo. En 1978, Halmon [1] demostró que soluciones acuosas de CO2 podían ser reducidas para producir metanol, formaldehído y ácido fórmico en celdas fotoelectroquímicas. En este tipo de celda fotoelectroquímica (Figura 1), se utilizó un fotoelectrodo que contenía un semiconductor de tipo p (fosfuro de galio) capaz de captar la luz solar y transformarla en electricidad para llevar a cabo la reducción del CO2.

Figura 1 : Esquema de celda fotoelectroquímica para transformación de CO2 en metanol

Desde la publicación de este primer estudio, han sido numerosos los trabajos aparecidos en la bibliografía científica para el desarrollo y modificación de fotoelectrodos (basados en semiconductores de tipo p CdTe, GaAs, InP, Si, FeS2,…) para conseguir sistemas eficientes y selectivos para la generación de metanol a partir de CO2. Los fotoelectrodos desarrollados en la actualidad se basan en sistemas complejos en los que los semiconductores se modifican superficialmente con co-catalizadores o mediadores electrónicos (complejos de metales de transición, viologenos, metaloporfirinas…) para aumentar las velocidades de las reacciones electroquímicas del CO2 y también para evitar la fotocorrosión.  La complejidad  y baja eficiencia de los fotoelectrodos desarrollados han limitado la aplicación práctica de esta tecnología. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Tejas (EEUU) han desarrollado un nuevo fotoelectrodo relativamente sencillo y eficaz para este tipo de reacción basado en óxidos de cobre [2]. El fotoelectrodo desarrollado se muestra en la Figura 2 y se basa en nanopilares de óxido de cobre (II) (CuO) recubiertos con óxido de cobre (I) (CuO2).  Este tipo de fotoelectrodo ha mostrado elevada estabilidad, actividad y selectividad para la formación de metanol a partir de soluciones acuosas saturadas en CO2 con un notable rendimiento faradaíco en la transformación (94-96%). El nuevo sistema de fotoelectrodo supone un avance significativo sobre los fotoelectrodos desarrollados hasta la fecha implementando la viabilidad practica de un proceso de notable interés para la generación renovable de combustibles alternativos a partir de CO2.

Figura 2 : Ilustración esquemática de los fotoelectrodos desarrollados

[1] M. Halmon. Nature, 275 (1978), 115

[2] G. Ghadimkhani et al. Chem. Commun. 2013, 49, 1297

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Esponja solar para captura de CO2

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

                       

 (Angew. Chem. Int Ed., 2013, 52,1-5)

Científicos de CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), Australia, han descubierto una “esponja solar” que captura y permite neutralizar el dióxido de carbono utilizando la energía de la luz natural. Se trata de un material metal-orgánico (MOF) que adsorbe el dióxido de carbono, y cuando se expone a la luz solar, lo libera instantáneamente. Este mecanismo de captura y liberación parece ser muy eficiente en el uso de la energía y sólo necesita luz ultravioleta para desencadenar la liberación de CO2 después de que haya sido capturado en  la mezcla de gases de escape, por ejemplo de una central térmica convencional.

El material MOF está basado en dos moléculas orgánicas con características fotocromáticas y zinc, para dar una estructura porosa, flexible y triplemente interpenetrada (Zn(AzDC)(4,4’-BPE)0,5, donde AzDC: azobenceno-dicarboxílico y BPE: 1,2-bis(4-piridil)etileno).

Matthew Hill, galardonado con un Premio Eureka 2012 por sus investigaciones sobre MOF y al frente del grupo CSIRO, explica que “el proceso de captura y liberación se puede comparar a empapar de agua una esponja y luego escurrirla cuando la luz UV penetra en su estructura, gracias a la flexibilidad de este material”.

Dentro de las tecnologías de captura de CO2 posterior a la combustión en una central térmica destacan los procesos de absorción y adsorción. Las tecnologías de absorción han tenido mayor grado de implantación a nivel industrial, empleándose mayoritarioamente como absorbentes disoluciones acuosas de alcalonaminas tales como la monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), trietanolmina (TEA) o metildietanolamina (MDEA). Sin embargo este tipo de procesos  presentan inconvenientes como el elevado coste energético de regeneración de los absorbentes, su degradación en presencia de oxígeno y la necesidad de operar en condiciones térmicas suaves (T< 50 ºC) dada la elevada volatilidad de los absorbentes. En este sentido, el material MOF es mucho más eficiente, absorbiendo un litro de gas por gramo de material, ya que toda la estructura participa en el proceso y, de acuerdo con los investigadores, tiene la capacidad de liberar hasta el 64% del CO2 retenido.

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