Archivo de diciembre, 2014

Producción de queroseno a partir de energía solar de concentración: el proyecto SOLAR-JET y la importancia del desarrollo de materiales avanzados

Autor: [Alfonso J. Carrillo del Teso – Instituto IMDEA Energía]

En junio de 2011 arrancó un ambicioso proyecto bajo el nombre SOLAR-JET (http://www.solar-jet.aero/), acrónimo de Solar chemical reactor demonstration and Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel, con la participación de la universidad suiza ETH Zurich, los centros de investigación alemanes DLR yBauhaus Luftfahrt e.V y las compañías Shell y Arttic. Dicho proyecto, que cuenta con la financiación de la Unión Europea, partió con el objetivo de comprobar el potencial de la producción solar de combustibles, en este caso queroseno, a partir de la disociación termoquímica del CO2 atmosférico y del agua, llevada a cabo con el aporte energético proporcionado por la energía solar de concentración.

Para que ambas reacciones de disociación puedan tener lugar a temperaturas menores a las teóricas resulta indispensable el uso como intermediario de un óxido metálico, que tenga la capacidad de resistir numerosos ciclos de reducción-oxidación. En concreto, el óxido elegido para dicha aplicación es la ceria, CeO2. Este óxido a temperaturas en torno a los 1500 ºC es capaz de reducirse en su forma no-estequiométrica CeO2-x con la consecuente liberación de O2, en la que sería la primera etapa del proceso, la reducción térmica del óxido metálico utilizando como fuente energética la energía solar de concentración. Durante la segunda etapa, a temperaturas en torno a 1000 ºC, se lleva a cabo la oxidación de la forma reducida utilizando para ello H2O y CO2, y obteniendo como productos una mezcla de H2 y CO, conocido también como gas de síntesis. Dicho gas de síntesis sería tratado posteriormente mediante el proceso de Fischer-Tropsch, produciendo, entre otros compuestos, queroseno que es utilizado como combustible en aviones. En la Figura 1 se puede ver de forma más esquemática el resumen de las diferentes etapas que conforman el proceso global de producción de combustibles solares. También es recomendable consultar la animación de dicho proceso pinchando en el siguiente link http://www.solar-jet.aero/page/media-centre/solar-jet-process-animation.php

 

Figura1. Etapas presentes en la producción solar de queroseno (Fuente: http://www.solar-jet.aero/)

Resulta lógico pensar que, durante la ejecución de  este proyecto, son muchos los desarrollos tecnológicos que han de llevarse a cabo para optimizar al máximo el proceso de producción de “queroseno solar”. Entre ellos, el desarrollo de óxidos metálicos, ceria en este caso, con propiedades físico-químicas avanzadas, que sean más duraderos, y que produzcan unos rendimientos mayores en las reacciones de disociación, es sin duda una de las líneas de actuación que pueda tener una mayor repercusión positiva en el resultado final del proyecto. En este respecto, los avances logrados en la optimización de los materiales redox por científicos del ETH han sido meritorios. En colaboración con el instituto suizo EMPA, desarrollaron un material reticulado, formado en su totalidad por ceria, que presenta unas propiedades avanzadas debido a su doble porosidad1. En la Figura 2 se puede apreciar de mejor manera dicha porosidad de escala dual. Los poros de mayor escala (en torno a 2.5 mm) son producto del moldeado de la pieza mediante el método de “réplica”. Este método consiste en el conformado de un material cerámico replicando la estructura de un material orgánico, siendo en este caso una espuma de poliuretano. La presencia de estos poros demostró ser beneficiosa durante el proceso de reducción, facilitando la absorción volumétrica de la radiación solar concentrada, aumentando la eficiencia de la transferencia de calor durante dicha reacción.

 

Figura 2. Fotografía y micrografía de una pieza de CeO2 con doble porosidad1

La porosidad de menor escala (en torno a 10 µm), fue generada mediante la incorporación de un formador de poros carbonoso, que durante el proceso de conformado a alta temperatura se descompone dando lugar a dicha porosidad. Estos poros resultaron ser beneficiosos en la etapa de oxidación en la que se consiguió aumentar la velocidad de producción de CO en un orden de magnitud respecto al material que no presenta dicha porosidad.

Los avances que este grupo de científicos han logrado en el campo del desarrollo de materiales suponen un paso más hacia una mayor optimización del proceso global. Este gran esfuerzo ha supuesto que por primera vez se haya producido queroseno a partir de energía solar de concentración, como se puede observar en la Figura 3.

Figura 3: Primera producción de queroseno a partir de energía solar concentrada (Fuente: http://www.solar-jet.aero/)

1.         P. Furler, J. Scheffe, D. Marxer, M. Gorbar, A. Bonk, U. Vogt and A. Steinfeld, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 10503–11.

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100-Wh multi-purpose particle reactor for thermochemical heat storage: Experimental work

Thermochemical energy storage (TCS) is a promising technology to improve the energy generation dispatchability and enhance the overall efficiency of the Concentrating Solar Power (CSP) Plants. In the frame of the European FP7 TCS Power Project; we have developed a work bench to evaluate at lab-scale, the potential of metal oxides as storing material for CSP Plants based on the technology of volumetric air receiver.

 

Figure 1.- CSP Plant with TCS layout.

For the high temperatures achievable in volumetric air receiver, the chemical material chosen is manganese oxide. Charging process occurs at 880-1050ºC, while discharging takes place between 520-650ºC.

Charge                 3 Mn2O3 (s) + DHR    2 Mn3O4 (s) + 1/2 O2 (g)

Discharge            2 Mn3O4 (s) + 1/2 O2 (g)    3 Mn2O3 (s) + DHR

The developed work bench is able to operate with air flow rates up to 60 m3/h at a maximum temperature of 1000ºC. It is composed of different subsystems: dried air compressor, flow meters, air heaters, reactor, control system and hot gases exhaust.

 

Figure 2.- TCS work bench.

Several experiments have been performed in order to characterize the manganese oxide; from the power material to the pelletized form. We have analysed thermal diffusivity, density, hardness, ciclability under different heating rates and gases, kinetics and structural changes over the thermal treatments.

Nowadays, the experiments are in progress in the work bench and by the end of the project we would have assessed the manganese oxide potential for TCS applications.

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