Archivo de julio, 2015

Nuevos fluidos de transferencia de calor en las tecnologías de concentración solar

Autora: María Isabel Roldán Serrano. CIEMAT-Plataforma Solar de Almería

 La energía solar térmica de concentración (ESTC) es considerada como una de las tecnologías claves en el camino hacia la búsqueda de fuentes de energía renovables y limpias. Por ello, existe un amplio trabajo de investigación focalizado en mejorar el rendimiento obtenido de las instalaciones de concentración solar. En dichos sistemas, la radiación solar es concentrada mediante el uso de espejos (heliostatos y concentrador) sobre un receptor, donde existe un fluido que capta y transporta el calor. Dicho fluido puede usarse directamente en una turbina o combinarse con un intercambiador de calor y un ciclo secundario (Rankine) para generar vapor (ver Figura 1).

El fluido de transferencia de calor (HTF) es uno de los componentes más importantes en el rendimiento global y eficiencia de la planta ESTC; por lo que es necesario encontrar fluidos de trabajo de bajo coste y máximo rendimiento. Así, un HTF apropiado debe tener un bajo punto de fusión, alto punto de ebullición y estabilidad térmica, baja presión de vapor a altas temperaturas    (< 1 atm), baja corrosión con aleaciones metálicas usadas en los tanques de almacenamiento, baja viscosidad, alta conductividad térmica y alta capacidad calorífica para almacenamiento de energía [1].

Figura 1. Principio de operación de un sistema de concentración solar típico [1]

Los fluidos de trabajo más utilizados en las plantas ESTC comerciales son aceite o vapor con el fin de transferir la energía hacia el bloque de potencia. Estos fluidos poseen propiedades que limitan el rendimiento de la planta; ya que, por un lado, el aceite tiene el límite máximo de temperatura de trabajo en 400ºC, mientras que la generación directa de vapor requiere un control complejo que limita la capacidad de almacenamiento. Para superar estas limitaciones, se están realizando trabajos de investigación basados en la aplicación de fluidos alternativos dentro de los sistemas ESTC [2].

Con tal fin, se están desarrollando nuevos diseños de receptores que permiten alcanzar eficiencias mayores usando ciclos de potencia avanzados, tales como los ciclos Brayton de lazo cerrado con dióxido de carbono supercrítico (s-CO2) que es calentado directamente en receptores tubulares capaces de soportar altas presiones y temperaturas de fluido (alrededor de 20  MPa y 900 K) [3][4]. Debido a las altas presiones necesarias para mantener la condición de supercrítico, no es posible utilizar el s-CO2 en tecnologías de media concentración como los colectores cilindroparabólicos; puesto que en estos sistemas se requiere largas redes de tuberías de conexión cuyas partes móviles presentan problemas de fugas más acusados. Sin embargo, la tecnología de receptor central (Figura 1) permite implementar estas condiciones de operación al consistir en un receptor fijo; por lo que es una línea de investigación de creciente interés.

En el marco del proyecto AlcConES, financiado por la Comunidad de Madrid, se están desarrollando actividades relacionadas con la integración de nuevos fluidos térmicos en sistemas ESTC. En concreto, desde el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) estamos estudiando la viabilidad del s-CO2 en comparación con las sales fundidas como HTF en un receptor tubular de torre. Para ello, se ha desarrollado un modelo de simulación, empleando la Fluidodinámica Computacional, para el diseño de un receptor tubular de sales fundidas previamente ensayado. A partir de los resultados iniciales de este estudio, se ha obtenido que el calor ganado por el s-CO2 es prácticamente un 75% mayor que el captado por las sales fundidas, requiriendo un rango de presión de trabajo entre 7.5 MPa y 9.7 MPa para el módulo central del receptor [5].

La implementación de fluidos supercríticos como HTF se basa en que poseen unas excelentes propiedades de transferencia de calor, no son tóxicos, ni cancerígenos, ni mutagénicos, ni tampoco inflamables y son termodinámicamente estables. Además, sus propiedades termo-físicas, tales como difusividad, viscosidad, constate dieléctrica y densidad, pueden ser ajustadas variando la presión y/o la temperatura de operación. Estas propiedades han permitido proponer el uso de fluidos supercríticos en los ciclos de potencia que, con fluidos convencionales (agua/vapor y sales fundidas), han sido capaces de alcanzar hasta ahora un 40% de eficiencia de conversión (térmica-eléctrica) [6].

El uso de fluidos supercríticos en ciclos de potencia podría contribuir a reducir el coste de la electricidad; ya que serían ciclos cerrados más simples, compactos, más baratos y con unos periodos de construcción más cortos que los ciclos convencionales. No obstante, hay que tener en cuenta las limitaciones que supone el uso a gran escala de los ciclos de potencia supercríticos; puesto que requieren equipamiento y medidas de seguridad adaptados a unas condiciones de operación más extremas (altas presiones y temperaturas). Por ello, considerar el s-CO2 como HTF en receptores solares de torre aparece como una posible alternativa, teniendo a su vez en cuenta las exigencias de diseño y operación del sistema.


Fuentes:

  1. K. Vignarooban, X. Xu, A. Arvay, K. Hsu, A.M. Kannan, Heat transfer fluids for concentrating solar power systems – A review, Applied Energy 156, 383-396 (2015).
  2. Z. Ma and C.S. Turchi, Advanced Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle Configurations for Use in Concentrating Solar Power Systems, Supercritical CO2 Power Cycle Symposium, NREL/CP-5500-50787 (2011).
  3. C.K. Ho and B.D. Iverson, Renew. Sust. Energ. Rev. 29, 835-846 (2014).
  4. S.M. Besarati, D.Y. Goswami and E.K. Stefanakos, J. Sol. Energ-T. ASME 137, 031018 1- 031018 8 (2015).
  5. M.I. Roldán and J. Fernández-Reche, CFD analysis of supercritical CO2 used as HTF in a solar tower receiver, SolarPACES Conference (2015).
  6. Z. Knez, E. Markocic, M. Leitgeb, M. Primozic, M. Knez, M. Skerget, Energy 77, 235-243 (2014).

 

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Celebración doble aniversario del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica

El Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) celebra este año los 40 años de su fundación como instituto del CSIC, a partir de laboratorios existentes desde más de 20 años antes. Este aniversario coincide además con los 25 años de la inauguración de su edificio sede en el campus de Cantoblanco, en el que ahora desarrolla su actividad dentro del Campus Internacional de Excelencia UAM+CSIC. Puede encontrarse un apunte sobre los orígenes del instituto en este enlace.

El ICP es un centro de investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) que lleva a cabo estudios fundamentales y aplicados sobre casi todos los tipos de catálisis heterogénea y enzimática. Además de abordar tecnologías de protección ambiental y descontaminación, y catalizadores avanzados para la síntesis química específica de multitud de productos dentro del concepto de “química verde”, podemos destacar su actividad en el área de la energía sostenible, desarrollando sistemas catalíticos para la producción de hidrógeno y su uso en pilas de combustible, aprovechamiento de biomasa y cultivos energéticos, obtención de combustibles limpios o basados en el uso de la energía solar, etc. Además de realizar investigación propiamente dicha, con proyectos competitivos y contratos industriales a nivel nacional e internacional, el Instituto lleva a cabo actividades formativas en colaboración con universidades y fundaciones, realiza y licencia patentes e incluso ha dado lugar a varias empresas “spin-off” de base tecnológica.

El ICP ha decidido celebrar este aniversario desarrollando varias iniciativas a las que invita a colegas, compañeros, amigos a acompañale, y que incluyen:

  • La elaboración (próxima a completarse) de un número especial de la revista Catalysis Today, dedicado a este doble aniversario con contribuciones de científicos de todo el mundo que tienen o han tenido una relación estrecha con el Instituto;
  • La celebración de un acto institucional en la sede central del CSIC en Madrid (c/ Serrano, 117) el día 14 de octubre de 2015 por la mañana, con asistencia de diversas personalidades como el Presidente del CSIC, el Rector de la Universidad Autónoma de Madrid y los Presidentes de la Federación Europea de Sociedades de Catálisis y la Sociedad Española de Catálisis;
  • La celebración de una jornada científica el día 15 de octubre, en el salón de actos del edificio de Biológicas de la Facultad de Ciencias de la UAM, con la participación como conferenciantes de destacados científicos europeos expertos en diversos aspectos de la catálisis.

Información más detallada sobre las iniciativas y actos organizados se irá actualizando en la página web de la celebración del aniversario.  

http://www.icp.csic.es

 

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Se celebra la edición nº 4 del Encuentro Iberoamericano sobre Líquidos Iónicos

 Durante los días 1-2 julio de 2015 se ha celebrado en Madrid (España) el “4º Encuentro Iberoamericano sobre Líquidos Iónicos” organizado por la Universidad Autónoma de Madrid

 [Autor: Ignacio Ballesteros  -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]

La semana pasada (1-2 de Julio) se celebró el cuarto Encuentro Iberoamericano sobre Líquidos Iónicos (IMIL 2015), organizado por la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) junto a la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) en el centro cultural “La Corrala”.

Los líquidos iónicos son sales orgánicas que se encuentran en estado líquido a temperaturas próximas a la del ambiente. A estos nuevos disolventes se les ha atribuido el calificativo de “verdes” porque al utilizarlos muestran beneficios medioambientales, disminuyendo las emisiones atmosféricas, al eliminar pérdidas de disolvente por evaporación, y reduciendo la producción de residuos, debido a que pueden ser reutilizados. Las ventajas del empleo de los LI´s son debidas principalmente a que tienen baja presión de vapor y además son fácilmente reciclables y reutilizables, y en algunos casos biodegradables.

En este encuentro se han realizado 25 ponencias orales y 127 en forma de poster, englobando una gran variedad de temas de investigación alrededor de los LI’s, tales como la síntesis y las propiedades termofísicas, los procesos de reacción y separación, la biotecnología y las aplicaciones avanzadas electroquímicas y de materiales.

La Unidad de Biocarburantes del CIEMAT participó en IMIL 2015 con la presentación del poster “Pretreatment of barley straw with ionic liquid for conversion to fermentation sugars”. En este trabajo, se ha estudiado la hidrólisis enzimática de la paja de cebada pretratada mediante el líquido iónico (acetato de 1-étil-3-métil-imidazolio). Se han estudiado diferentes condiciones de pretratamiento (temperatura y tiempo) para determinar su efecto sobre la producción de azúcares por hidrólisis enzimática. Este trabajo se ha realizado dentro del proyecto RESTOENE 2, subvencionado parcialmente por la Comunidad de Madrid

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Jornada sobre Almacenamiento Térmico para Centrales Termosolares dentro del Pro-grama SolarPACES de la Agencia Internacional de la Energía

[Autor: Esther Rojas; CIEMAT-Plataforma Solar de Almería]

Los sistemas de almacenamiento térmico se han convertido en los últimos años en el foco de atención tanto de instituciones y centros de investigación, como de empresas relacionadas con la industria termosolar, puesto que constituyen, sin lugar a dudas, el punto clave para la promoción y aceptación de generación eléctrica de origen renovable. El hecho de que existan sistemas de almacenamiento térmico comerciales con gran capacidad de acumulación permite la gestionabilidad total de energía renovable, es decir, permite independizar y adecuar la producción eléctrica de origen renovable según la demanda respecto de  la disponibilidad del recurso solar, en particular , y renovable en general.

Sabiendo de la importancia de los sistemas de almacenamiento térmico de energía para centrales termosolares, el Programa de colaboración SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems, http://www.solarpaces.org/) de la Agencia Internacional de la  Energía pidió al Ciemat, a través de su Unidad de Sistemas de Concentración Solar (http://www.psa.es/webesp/areas/ussc/index.php), la organización de una Jornada para estructurar un Grupo de Trabajo sobre este tan relevante tema.

De esta forma, los pasados 23 y 24 de Junio se celebró en las oficinas centrales del Ciemat en Madrid una jornada internacional en la que participaron 14 de los más relevantes actores en el mundo del almacenamiento térmico de energía para plantas termosolares.


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Membranas de intercambio aniónico para aplicaciones en pilas de combustible

[Autores: R. Escudero-Cid, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid]

Dentro de las pilas de combustible (FC), las que operan en medio alcalino (AFC) fueron las que antes encontraron aplicación comercial, principalmente en las misiones aeroespaciales Apolo. Fundamentalmente, esto fue debido a las ventajas que presentaban frente a otros dispositivos similares que trabajan en medio ácido. Así, su alta eficiencia y el menor coste del material catalítico fueron determinantes a la hora de la aplicación indicada. Las rápidas cinéticas de las reacciones de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno en medio alcalino y la posibilidad de utilizar catalizadores más económicos no basados en metales preciosos como el Pt son aspectos decisivos. Hoy en día, el uso de este tipo de pilas de combustible ha sufrido un fuerte descenso debido a sus importantes problemas de envenenamiento por carbonatación del electrolito a causa del CO2 y, también, por la dificultad de utilizar electrolito líquido en medios de transporte [1].

Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas de esta tecnología, en la última década, se está llevando a cabo un nuevo intento de innovación de estos dispositivos, incorporando la tecnología de membrana polimérica de intercambio como electrolito. Para ello, se sustituye el electrolito líquido alcalino, hidróxido de potasio o sodio, por membranas de intercambio aniónico, capaces de transportar iones OH- desde el cátodo al ánodo de la pila de combustible. De este modo se reduce notablemente el problema del envenenamiento del electrolito, mejorando las prestaciones para aplicaciones portátiles. Además, al seguir tratándose de un sistema alcalino, tanto las altas cinéticas de reacción como la posibilidad de utilizar catalizadores económicamente viables en los dispositivos se mantienen.

Por tanto, el uso de las membranas poliméricas intercambiadoras de aniones para este tipo de dispositivos supone, a priori, una importante ventaja. El problema principal radica en las propias membranas, ya que deben disponer de propiedades específicas como son: altas conductividades iónicas y buenas propiedades térmicas y mecánicas, para su posterior implementación en dispositivos reales. Este es, por tanto, un gran reto, que debe implicar la mejora y optimización de las membranas con la finalidad de obtener altas eficiencias en los dispositivos reales.

En los últimos años varios grupos se han interesado en la síntesis y caracterización de estas membranas de intercambio aniónico partiendo de diversos materiales poliméricos y usando diversas técnicas [2]. Las membranas intercambiadoras de aniones suelen conformarse como dos partes diferenciadas unidas de manera directa o indirecta: por un lado, un material normalmente polimérico, que forma la cadena principal y, por otro, un grupo funcional cargado positivamente (catiónico). Como cadenas principales se pueden encontrar infinidad de polímeros, como son: el politetrafluoroetileno (PTFE), polibenzimidazol (PBI), polivinil alcohol (PVA), etileno tetrafluoroetileno (ETFE), poli(éter-éter-cetona) sulfonada (SPEEK) y entre otros capaces de ser conectados por los diferentes grupos catiónicos [3]. Los sustituyentes catiónicos se clasifican en diferentes grupos: los más comunes son los basados en N, como los de amonio cuaternarios (QA); los sistemas con heterociclos, incluyendo imidazoles o benzoimidazoles como el PBI, donde las cargas están en su propia estructura; también hay sistemas basados en P y otros basados en metales que tienen como peculiaridad la posibilidad de tener varias cargas positivas. Además de las membranas anteriormente citadas, en la actualidad existen ciertas membranas desarrolladas por casas comerciales que están en fase de investigación y que presentan buenas actividades, como las Morgane-ADP de Solvay, las AHA de Tokuyama o las Tosflex® de Tosoh. Hasta ahora, las membranas más utilizadas son las que usan amonio cuaternario como grupo funcional, ya que presentan mejores prestaciones en pila de combustible. Algunos de los mejores resultados obtenidos hoy en día son los que incluyen un grupo catiónico unido de manera indirecta, a través de otro ligando, a la estructura central, la cual previamente ha de ser irradiada con altas energías para permitir su modificación y la interacción con los ligandos. El mejor resultado obtenido en pila de combustible, en la University of Newcastle, tiene valores de potencia máxima de 823 mW·cm-2 y máxima corriente de 1800 mA·cm-2 [4], valores en el orden de los obtenidos para una pila alimentada con H2/O2 y Nafion® como membrana.

En el caso de la utilización de las membranas de intercambio aniónico para pilas de combustible de alcohol directo (DAFC) se analiza, en primer lugar, la disminución de la permeabilidad; siendo conveniente obtener valores menores que los de la membrana de Nafion®. Se procede a las medidas en pila de combustible mediante dos procedimientos diferentes: uno añadiendo solamente el combustible en el ánodo y, el otro, añadiendo, además, una cierta cantidad de KOH o NaOH junto con el combustible. Para el caso de metanol como combustible, en el primero de los escenarios, los valores máximos de potencia obtenidos son < 20 mW·cm-2, menores a los presentados para las pilas de intercambio protónico en similares condiciones. En el segundo de los escenarios, añadiendo KOH o NaOH al ánodo, se produce una mejora importante en el voltaje anódico (> 300 mV) y con OCP en la celda cercano a 0.9 V. Aparecen resultados interesantes usando este método de ensayo con metanol como combustible: se han alcanzado valores máximos de potencia de 132 mW·cm-2 con una membrana A006 (Tokuyama) a 80 ºC y 5 M de KOH en el ánodo  e, incluso, llegando a 168 mW·cm-2 con una membrana A201 (Tokuyama) a 90 ºC y 2 M de KOH [5]. Al añadir KOH o NaOH al ánodo con el combustible, los resultados obtenidos son claramente mejores, pudiendo ser superiores a los hallados en medio ácido, demostrando buenas cinéticas de reacción y buenas conductividades de las membranas.

Debido a las ventajas de este tipo de pilas de combustible en el Grupo de Investigación en Electroquímica de la UAM se está trabajando en la actualidad en el desarrollo de este tipo de membranas de intercambio aniónico para uso en pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC).


[1]   Energy.gov (21/05/2015). “Semipermeable membranes”            from http://energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells

[2]   Varcoe, J. R., Atanassov, P., Dekel, D. R., Herring, A. M., Hickner, M. A., Kohl, P. A., Kucernak, A.R., Mastain W. E., Nijmeijer, K., Scott, K., Xu, T., Zhuang, L. (2014). Energy & Enviromental Science, 7, 3135.

[3] Deavin, O. I., Murphy, S., Ong, A. L., Poynton, S. D., Zeng, R. Herman, H. (2012) Energy and Environmental Science. 5, 8584.

[4] Mamlouk, M., Horsfall, J. A., Williams, C., Scott, K. (2012) International Journal of Hydrogen Energy, 37, 11912.

[5] Prakash, G. K. S., Krause, F. C., Viva, F. A., Narayanan, S. R., Olah, G. A. (2011) Journal of Power Sources. 196, 7967.

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