Archivo de noviembre, 2013

Un material avanzado para los ánodos de las baterías de ión-litio

Autora: [Isabel Rucandio - CIEMAT]

 Un grupo de investigadores de Polonia y Estados Unidos [1] han sintetizado polvo nanocristalino de Li4Ti5O12 tipo espinela con un tamaño de cristal de unos pocos cientos de nanómetros, modificando posteriormente la superficie mediante deposición de nanopartículas de 2-10 nm de iones plata. Las prestaciones electroquímicas de este material parecen ser excelentes: su extremadamente buena capacidad de responder ante numerosos ciclos de carga y descarga y su alta capacidad eléctrica especialmente con velocidades de descarga altas.

La síntesis de polvo nanocristalino de Li4Ti5O12 se realiza partiendo de carbonato de litio y óxido de titaniomediante un método de estado sólido modificado en tres etapas para obtener el producto con la mínima cantidad de impurezas. Después se mezcla con una disolución de nitrato de plata en etanol formando una suspensión que se homogeniza y se seca a 150ºC. Una vez pulverizado el producto resultante se mezcla con fluoruro de polivinilideno en N-metilpirrolidona y se caracteriza con técnicas como difracción de rayos X (XRD), microscopías electrónicas de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), espectroscopía Fotoelectrónica de rayos X (XPS) y espectroscopía Raman (ver figura de la izquierda).

 

 Para formar el ánodo, el polvo nanocristalino de Li4Ti5O12 dopado con plata se deposita sobre una lámina de cobre y se seca a 50ºC. Entonces se corta, se prensa y se seca al vacío a 120ºC., consiguiendo los electrodos deseados. Estos se evalúan empleando velocidades de carga de 1C y de descarga variables y sometiéndolos a varios ciclos de carga/descarga, como se muestra en la figura de la derecha. El comportamiento de estos electrodos en presencia de un 4% de nanopartículas de Ag (n-Ag) muestra los resultados más prometedores consiguiendo capacidades altas incluso con velocidades de descarga altas. Con respecto a las pruebas de ciclabilidad, los autores describen que tras 50 ciclos y en presencia de n-Ag, la pérdida de capacidad es inferior a tan sólo el 4% con respecto a la segunda descarga.

[1] M. Krajewski, M. Michalska, B. Hamankiewicz, D. Ziolkowska, K.P. Korona, J.B. Jasinki, M. Kaminska, L. Lipinska, A. Czerwinski, J. Power Sources, 245 (2014) 764.

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Celebradas con éxito las 4as Jornadas de Divulgación Tecnológica del Programa SOLGEMAC

El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) ha acogido el pasado Jueves 14 de Noviembre las 4as Jornadas Divulgativas del Programa SOLGEMAC. Las Jornadas, tituladas: “Aprovechando el Sol: el Disco-Stirling”, contaron con la participación de varios ponentes de gran relevancia en el sector de la Energía Solar de Concentración, y sirvieron como punto de encuentro para las empresas y organismos asistentes.

[Autora: María del Pilar Orihuela Espina-INTA]

El proyecto “SOLGEMAC: Aprovechamiento térmico de la energía Solar de manera Gestionable, Eficiente y Modular en sistemas de Alta Concentración” es un Programa de investigación desarrollado dentro de la convocatoria 2009 dela Comunidad de Madrid para ayudas a Programas de actividades de I+D entre grupos de investigación de la Comunidad de Madrid y que está cofinanciado con fondos del Fondo Social Europeo.

Como parte de las Actividades de Difusión que estaban previstas dentro del Programa, se han celebrado el pasado jueves 14 de Noviembre las 4as y últimas Jornadas de Divulgación Tecnológica, dedicadas en esta ocasión a la tecnología de Disco-Stirling. El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial ha sido esta vez el lugar de acogida para la celebración del evento, siendo los miembros del Área de Energías Renovables los anfitriones y organizadores del mismo.

Acto de celebración de las Jornadas de Divulgación Tecnológica del Programa SOLGEMAC en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial.

Las Jornadas, tituladas: “Aprovechando el sol: el Disco-Stirling”, contaron con la participación de varios ponentes de gran relevancia en el sector de la Energía Solar de Concentración como D. Manuel Romero Álvarez, Director Adjunto de IMDEA Energía, D. José González Aguilar, co-director del Grupo de Procesos de Alta Temperatura de IMDEA Energía, o D. Jesús Fernández Reche, responsable del Grupo de Alta Concentración de la Plataforma Solar de Almería (CIEMAT). Participaron también algunas personalidades del ámbito empresarial como D. Gregorio Clavijo Lumbreras, Director de Operaciones del Grupo Clavijo, o D. Xavier Ruiz del Portal-Anso, Project Manager del Centro Stirling.

Las charlas impartidas versaron sobre la tecnología de Disco-Stirling, un sistema de generación de potencia basado en la transformación de la radiación solar concentrada en electricidad a través de un motor térmico tipo Stirling. Este peculiar sistema de producción de potencia se caracteriza por proporcionar las mayores eficiencias de conversión de energía solar a eléctrica de todos los sistemas solares de concentración conocidos actualmente: del orden del 20-25 %.

Al final, el evento concluyó con una interesante visita a las instalaciones del INTA, en la que pudo verse el módulo de Disco-Stirling que están diseñando y fabricando los investigadores del Área de Energías Renovables como parte del Programa SOLGEMAC.

Algunos de los asistentes en la visita a las instalaciones del INTA, junto al módulo de Disco-Stirling que se está fabricando como parte del Programa SOLGEMAC

A pesar de que la convocatoria no logró atraer el mismo nivel de asistencia que las Jornadas anteriores, el evento se desarrolló con éxito y sirvió de punto de encuentro para los investigadores y las empresas asistentes. Sus organizadores esperan que las relaciones establecidas puedan fraguar en futuras colaboraciones, y contribuyan a mejorar el panorama de la energía solar de concentración en España.

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¿Se ha estancado la implementación del vehículo eléctrico de pila de combustible?

[Autor: José Antonio Villajos Collado. Departamento de Tecnología Química y Energética de la Universidad Rey Juan Carlos]

En los últimos años, paralelamente a la desaceleración económica, parece haberse ralentizado el ímpetu de situar al hidrógeno en la carrera que le lleve a ser la energía del futuro en el sector de la automoción. Esto es en parte debido a que las expectativas iniciales fueron muy altas, tras las que se marcaron plazos muy ambiciosos y poco realistas, retrasados sin duda por la necesidad de obtener beneficios rápidos frente a la de invertir tan a largo plazo; de cualquier modo, lo cierto es que cada vez más frecuentes son las posturas en favor de la implementación del vehículo eléctrico basado en baterías recargables, así como el apoyo de petroleras (como Repsol con su programa “Inspire”), las cuales prefieren invertir los esfuerzos de investigación en el desarrollo de baterías antes que en el desarrollo de la tecnología del hidrógeno.

Sin embargo, la situación actual de desarrollo del vehículo eléctrico basado en pila de combustible no es tan desalentadora como puede parecer. Simplemente, el estado de la tecnología aun no es lo suficientemente madura, y las necesidades actuales de movilidad, el precio de los carburantes, los niveles de polución en las ciudades y la creciente conciencia medioambiental que contempla el cambio climático como algo real, hacen que alternativas como los vehículos híbridos, de combustible alternativo (fundamentalmente GLP) y eléctricos enchufables, sin olvidar los avances en eficiencia energética en los tradicionales motores de combustión interna, hayan irrumpido con fuerza en el mercado para ofrecer diferentes soluciones a tales necesidades. A continuación se destacan algunos de los avances alcanzados relacionados con la irrupción del hidrógeno en la automoción y que acercan la aun lejana utopía del transporte limpio y sostenible.

En añadido a la anteriormente anunciada fabricación en serie del Hyundai iX35 Fuel Cell, que incluso se muestra en la página web oficial de la marca entre la lista de modelos disponibles (pero no a la venta), se suma la propuesta de Toyota con la gama FCV-R, que será estrenada próximamente en el salón del automóvil de Tokio y que se montará sobre una modificación de la plataforma del Lexus HS 250h, con características similares a las de su predecesor coreano. Sin embargo, la principal novedad de la firma nipona es la rebaja del precio estimado a los aun prohibitivos 55.000 euros, que demuestran el efecto de las economías de escala en la producción de estos vehículos. Clara es también la intención por parte de General Motors de demostrar la fiabilidad de estos vehículos, tras recorrer 160.000 km con sus prototipos de hidrógeno ahorrando el equivalente a 16.000 $ de gasolina, recordando que actualmente es la empresa que más ha invertido en el desarrollo del vehículo eléctrico de pila de combustible, con un mínimo de 1.200 patentes relacionadas con la tecnología del hidrógeno. Además, el reciente pacto con Honda demuestra las intenciones de copar el futuro mercado de la automoción en América y en Asia. A esto habría que sumar las esperadas aportaciones de fabricantes europeos como Mercedes-Daimler o BMW quienes aun no han anunciado producción de vehículos en serie pero que han estado involucradas en algún momento del pasado en el desarrollo de estos modelos (sobre todo la marca de la insignia plateada).

Sin embargo, para que el “coche de hidrógeno” llegue a las calles otros aspectos deben solucionarse. En lo concerniente a la producción del hidrógeno, a las vías de obtención limpia mediante electrólisis, hidrólisis térmica mediada por energía nuclear o concentradores solares, gasificación de biomasa o biocombustibles, etcétera, debe sumarse el recientemente importante avance en la ruta fotocatalítica a temperatura ambiente conseguido por investigadores del Instituto de Técnicas Energéticas de la UPC, en colaboración con la Universidad de Auckland y la de King Abdullah, que ha desarrollado catalizadores basados en cristales fotónicos de óxido de titanio TiO2 dopados con un 2 % de nanopartículas de oro de 2 nm, y cuya ventaja radica en el aprovechamiento de no sólo la radiación ultravioleta, sino también del espectro visible,  y que aumenta el rendimiento de obtención consiguiendo romper la barrera del 5 % de conversión de la energía solar en hidrógeno que delimita la rentabilidad de esta ruta de obtención en comparación con los actuales métodos.

 

También se han hecho importantes avances en la conversión del hidrógeno, esto es, el desarrollo de las pilas de combustible, al sustituir los catalizadores de platino por disoluciones metálicas que reducen considerablemente el precio y aumentan la vida de las mismas; además de no menos importantes avances políticos como los acuerdos llegados en Gran Bretaña, Francia, Países Bajos, Dinamarca, Suecia y Japón, a los que recientemente se sumó Alemania con la plataforma H2 Mobility en la que participan empresas como Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell y Total, quienes acordaron la inversión de cerca de 350 millones de euros para incrementar el número de estaciones de suministro o “hidrogeneras” y que ampliarán el número de las 15 existentes en la actualidad a 400 para antes del año 2023, en un claro gesto de apoyo a la producción y la comercialización masiva de vehículos de hidrógeno que se estima podrían alcanzar la cifra de 500.000 unidades para finales de la próxima década.

 

En resumen, la realidad no se encuentra en ninguno de los extremos sugeridos al principio: si bien es cierto que el uso del hidrógeno en la automoción no se encuentra a la vuelta de la esquina (ya que aún quedan barreras tecnológicas que superar), su utilización en el  futuro resulta inevitable si de verdad se quieren sustituir por completo los combustibles fósiles como fuente de energía por otras limpias y renovables, ya que la electricidad, en la magnitud en la que se produce y se utiliza, es difícilmente almacenable. Por otro lado, el carácter imprevisible o matinal de las energías renovables (salvo la hidráulica, que en última estancia depende de la hidrología) resulta incompatible con el  esquema actual de producción de energía basado en la demanda. El interés por el vehículo eléctrico basado en baterías recargables debe, por tanto, entenderse como una fase de adaptación ciudadana en el uso del coche eléctrico, aun a día de hoy destinado al tráfico urbano debido a sus elevados tiempos de recarga, pero sin olvidar que no soluciona el problema ni de contaminación ni de dependencia energética ya que la electricidad se sigue produciendo mayoritariamente mediante la quema de combustibles fósiles. El coche eléctrico tiene sus ventajas e inconvenientes respecto del vehículo de combustión y llevará tiempo sustituir las pretensiones del consumidor, así como cambiar la mentalidad de los conductores, pero los últimos movimientos anteriormente mencionados apuntan a que en un futuro relativamente cercano se podrá completar las ventajas de los modelos E-Cell con la versatilidad de una economía basada en el hidrógeno como vector energético.

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El proyecto SOLGEMAC propicia el intercambio de investigadores dentro del programa Horizon 2020

‘La diversidad y amplitud del proyecto Solgemac, cuyo objetivo es la integración eficiente de tecnologías novedosas de producción y almacenamiento de energía, despierta el interés de investigadores europeos para continuar con el desarrollo de dichas tecnologías en otros países no tan familiarizados con el uso de energías renovables’

[Autora: Laura Sanz Rubio-Unidad de Procesos Electroquímicos, Instituto IMDEA Energía]

Dentro de las distintas líneas de investigación que conforman este ambicioso proyecto, una apuesta interesante es el desarrollo de baterías avanzadas para almacenamiento de energía a gran escala. Actualmente el hándicap de este tipo de sistemas radica en sus elevados costes de fabricación, debido principalmente a dos motivos; el primero es que sus componentes y materiales son, a día de hoy, demasiado caros y el segundo, pero no menos importante, se trata de tecnologías emergentes que todavía requieren grandes inversiones para su desarrollo y optimización.

Sin embargo, los resultados obtenidos dentro del proyecto SOLGEMAC han captado la atención de investigadores de la Universidad de Aalto en Helsinki, Finlandia, y desde el pasado mes de septiembre se han producido intercambios de investigadores entre dicha Universidad y el Instituto IMDEA Energía para continuar con las investigaciones bajo la financiación del programa Horizon 2020 hasta el próximo mes de Febrero.

El objetivo es profundizar en el estudio de baterías de flujo de nueva generación basadas en materiales de bajo coste y alta densidad de energía de manera que un día puedan ser procesos aplicables a escala industrial. La naturaleza intrínseca de las baterías de flujo permite una eficiencia en la transformación de energía en electricidad superior al de otras tecnologías de almacenamiento, mientras que presentan otras ventajas en cuanto a emplazamiento, capacidad y modularidad que permiten su acoplamiento a generadores renovables de casi cualquier tipo.

En Finlandia sufren de una política energética ineficiente, sólo el 10% de la electricidad se obtiene de fuentes renovables y se ven obligados a importar grandes cantidades de combustibles fósiles para satisfacer la alta demanda energética del país (el 80% del consumo doméstico se usa para calefacción). Por no mencionar las emisiones de gases contaminantes. Es por tanto que este tipo de países comienza a interesarse por el desarrollo de las renovables y los sistemas de almacenamiento para mejorar su economía y su calidad de vida en general. Sin embargo no disponen de la experiencia ni las condiciones climatológicas oportunas para un rápido desarrollo de estas tecnologías y por ello buscan apoyo en países como España, donde la mitad de la generación diaria de electricidad proviene de fuentes renovables.

El potencial de la energía renovable y su integración con sistemas de almacenamiento avanzados como las baterías de flujo tiene un potencial indudable para expertos en el sector de todo el mundo, que ponen sus ojos en nuestro país para el desarrollo de sus propias tecnologías y nuevas industrias dentro del problemático panorama energético actual.

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