Archivo de septiembre, 2015

Estudio de materiales para su aplicación en la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos empleando energía solar concentrada

Autora: C. Caravaca. CIEMAT

El desarrollo industrial ha hecho que el uso y la necesidad de fuentes de energía hayan crecido exponencialmente. Esta energía ha sido proporcionada principalmente por combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural, que a pesar de su propiedades muy útiles, tienen una duración limitada y emiten gran cantidad de contaminantes medioambientales (CO, CO2, CnHm, SOx, NOx, metales pesados, cenizas, etc) [1].

A finales de los años 70 y principios de los años 80 con la crisis del petróleo creció el interés por la búsqueda de fuentes de energía alternativas. Entre los combustibles seguros, no contaminantes y eficaces que sustituyan a los combustibles fósiles se encuentra el hidrógeno. El hidrógeno es capaz de generar energía a través de un proceso limpio que conduce a la formación de agua como único producto. La energía química liberada se puede aprovechar directamente o se puede transformar en energía eléctrica por medio de las pilas de combustible o los motores de combustión de alto rendimiento.

Sin embargo, el hidrógeno no es una materia prima, sino que ha de obtenerse a partir de compuestos que lo contienen como son el gas natural, los hidrocarburos ligeros o el agua. Actualmente, el 96% de esta producción mundial de hidrógeno se obtiene a partir de materias primas fósiles (petróleo, gas natural y carbón), el 3,9 % mediante electrolisis de agua y el 0,1% restante mediante otros métodos [2].

Uno de los procesos limpios de producción de hidrógeno a partir de agua se basa en la utilización de energía solar. Esta fuente de energía no convencional es muy valiosa, ya que posee reservas esencialmente ilimitadas. Sin embargo, presenta ciertas desventajas en cuanto a que la radiación solar que llega a la tierra es muy diluida (sólo 1 kW/m2), intermitente (disponible durante el día) y está distribuida de manera desigual sobre la superficie terrestre [3]. Los métodos de obtención de hidrógeno utilizando energía solar se engloban en 3 grupos: procesos fotoquímicos, electroquímicos y termoquímicos, aunque también existen combinaciones de los anteriores.

La descomposición térmica del agua en hidrógeno y oxígeno requiere temperaturas superiores a 2.500 °C para obtener grados de conversión significativos. Los productos de la descomposición H2(g) y O2(g) han de ser enfriados para evitar su recombinación y posteriormente hay que separar las dos corrientes gaseosas.

Los ciclos termoquímicos que emplean óxidos metálicos utilizan la energía solar concentrada como fuente calorífica de alta temperatura para lograr la conversión de agua en hidrógeno y oxígeno mediante una serie de reacciones endotérmicas y exotérmicas, es decir, transforman la energía térmica en energía química [4]. Como se muestra en el esquema de la Figura 1, mediante estos ciclos es posible realizar la descomposición térmica del agua a temperaturas inferiores que en la descomposición directa y además, las corrientes de H2(g) y O2(g) se obtienen en etapas separadas lo que evita tener que realizar una etapa de separación posterior .La primera etapa del ciclo consiste en un proceso endotérmico en el que se produce la reducción del óxido metálico en metal o en un óxido de menor valencia. La segunda etapa consiste en un proceso exotérmico de descomposición del agua en hidrógeno a la vez que se regenera el óxido inicial.

Los materiales empleados en los ciclos deben cumplir una serie de criterios como son el rendimiento de reducción térmica y de producción de hidrógeno, las cinéticas de las reacciones químicas, mantener su estructura a lo largo de ciclos repetitivos, toxicidad, disponibilidad y coste de los reactivos, fácil manejo de los materiales o la separación de los productos finales.

Figura 1. Esquema general de un ciclo termoquímico basado en óxidos metálicos.

En la actualidad se están estudiando varios ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos aunque todavía no se dispone de un dispositivo industrial. Entre los materiales estudiados se encuentra el ciclo basado en el ZnO; presenta el inconveniente de que la etapa de reducción requiere una temperatura muy elevada (~ 1700 °C) y es necesaria un etapa posterior de separación y concentración de los productos obtenidos durante la etapa de reducción, Zn(g) y O2(g), ya que durante el proceso de enfriamiento tienden a recombinarse. El enfriamiento rápido de los productos o “quenching” evita su recombinación pero supone un gasto extra de energía [5].

Los ciclos basados en óxidos de metales de transición como TiO2/TiOx, Co3O4/CoO se han desarrollado y probado en reactores solares, pero el rendimiento de hidrógeno generado es bajo para su aplicación a escala industrial. Otro de los ciclos está basado en el óxidos de hierro, la magnetita (Fe3O4) es una ferrita que forma parte del ciclo Fe3O4/FeO. Este ciclo también requiere temperaturas elevadas en la etapa de reducción (1600 °C) y un enfriamiento rápido o “quenching” para evitar la recombinación de los productos de la reacción. Se ha investigado la sustitución parcial de hierro de las ferritas por otros metales como Mn, Mg, Co o Ni para formar óxidos mixtos (Fe1-xMx)3O4), los cuales pueden ser reducidos a menor temperatura generando fases reducidas (Fe1-xMx)1-yO) que son capaces de descomponer el agua y producir hidrógeno. Sin embargo, existen ciertos inconvenientes como el necesario “quenching”·de los productos de reducción, la posible sinterización y en ocasiones la baja producción de hidrógeno

Uno de los ciclos que presenta mejores rendimientos con velocidades de reacción elevadas en las dos etapas y que poseen gran ciclabilidad es el basado en el CeO2. Sin embargo, la reducción estequiometrica a Ce2O3 requiere temperaturas muy elevadas (2000 °C), lo que hace casi imposible su utilización con instalaciones de concentración solar en gran escala [6]. Se han realizado estudios empleando materiales de CeO2 dopados con distintos metales de transición, lantánidos o Zr [7-9] en las que la reducción es no-estequiometrica y se realiza temperaturas considerablemente inferiores (1400-1500C). Los rendimientos de reducción, aunque aceptables, son inferiores a los del CeO2, excepto en el caso del Zr, sin embargo, se ha indicado que este tipo de materiales pierde actividad con el ciclado.

Desde hace varios años en el CIEMAT se vienen estudiando procesos de ciclos termoquímicos para la producción de hidrógeno mediante energía solar concentrada. Concretamente, se han estudiado ciclos basados en ferritas dopadas con distintos metales, se han ensayado tanto óxidos comerciales como sintetizados en el CIEMAT. Entre los que presentaban mejores resultados está la ferrita de Ni [10]. Entre los inconvenientes de este material se encuentra la elevada temperatura requerida para lograr rendimientos de reducción aceptables (1400- 1450°C). esta elevada temperatura produce una sinterización del material y la formación de dos fases de tipo NiO y FeO. Además, las cinéticas de las reacciones son lentas.

Actualmente, una de las actividades en las que está involucrado el CIEMAT dentro del proyecto ALCCONES es el estudio de nuevos materiales óxidos que permitan reducir la temperatura necesaria para llevar a cabo la etapa de reducción, con alta producción de hidrógeno y cinéticas rápidas. Los materiales considerados son óxidos de tipo perovskita, de fórmula ABO3. La estructura perovskita ideal es cúbica, y se deben cumplir una serie de reglas en cuanto a los radios iónicos de los cationes A y B y además, se debe cumplir la neutralidad electrónica de manera que la carga de A+B sea igual a la carga de los aniones oxígeno; lo cual se logra mediante la distribución de carga. Esto unido al hecho que los cationes A y B pueden tener diferentes valencias produce defectos y distorsiones de la estructura perovskita que pueden dar lugar a materiales deficientes en oxígeno cuyas propiedades redox son las adecuadas para los ciclos termoquímicos.

Los materiales considerados inicialmente son perovskitas del tipo: La1-xSrxB1-yBy’O3 (B, B’ =Mn, Al, Co, Fe). Los materiales son sintetizados mediante un proceso sol-gel y posteriormente calcinados a las temperaturas adecuadas para formar la fase perovskita, la cual se caracteriza mediante análisis de difracción de rayos X. Hasta el momento se han sintetizado tres compuestos y se ha comenzado a probar su comportamiento durante la etapa de reducción. Dichos ensayos se están realizando en termobalanza para determinar su grado de reducción de estos compuestos y los resultados se comparan con los obtenidos con CeO2, considerado como material de referencia.

 

 

 

 

Esta investigación se está llevando a cabo gracias a la financiación del proyecto ALCCONES financiado por la comunidad de Madrid- REF. P2013/MAE2985.

 

Bibliografía:

[1]        M. Momirlan and T. N. Veziroglu. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2002, 6 (1-2) 141-179.

[2]        Ewan, B.C.R. and R.W.K. Allen. Int. J. Energy, 2005, 30(8), 809-819.

[3]        Serpone, N., D. Lawless, and R. Terzian. Solar Energy, 1992. 49(4): p. 221-234

[4]        A. Steinfeld. Solar Energy, 2005. 78(5): p. 603-615.

[5]        Palumbo, R., et al. Chem. Eng. Sci., 1998. 53(14): p. 2503-2517..

[6]        Abanades, S. and G. Flamant. Solar Energy, 2006. 80(12): p. 1611-1623

[7]        Kaneko, H., et al. Energy, 2007. 32(5): p. 656-663

[8]        Demont, A., S. Abanades, and E. Beche. J.  Phys. Chem. C, 2014. 118(24): p. 12682-12692.

[9]        Le Gal, A., S. Abanades, and G. Flamant. Energy & Fuels, 2011. 25(10): p. 4836-4845.

[10]      Fernández-Saavedra, R., et al. Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39(13): p.

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Aprovechamiento óptimo de biomasa lignocelulósica: proyecto DIBANET

El proyecto DIBANET, un proyecto financiado a través del programa europeo FP7 y que ha implicado la colaboración de 13 socios, 7 de Latinoamérica y 6 de Europa, ha tenido como objetivo la producción sostenible de biocombustibles miscibles con diésel a partir de residuos lignocelulósicos de ambas regiones. En concreto se ha evaluado la producción económicamente viable de levulinato de etilo, un biocarburante obtenido a partir de ácido levulínico y etanol.

Autor: Gabriel Morales, Universidad Rey Juan Carlos

Proyecto DIBANET (http://www.dibanet.org/)

 

La creciente dependencia de combustibles diésel importados, además del incremento anual de la producción de biomasa residual, constituyen una amenaza para la UE y América Latina. El proyecto DIBANET (Development of Integrated Biomass Approaches Network) busca combatir estas amenazas y ayudar a eliminar las importaciones de diésel mediante el desarrollo de nuevas tecnologías para producir biocombustibles miscibles con diésel a partir de biomasa residual de Europa y América Latina. Se trata de un proyecto de investigación de 3 años y medio de duración con una financiación de 3,73 millones de €, coordinado por la Universidad de Limerick en Irlanda, con el objetivo de aunar y complementar las fortalezas de investigadores europeos y latinoamericanos, junto con empresas del sector. Esta red global de expertos e investigadores incluye a socios de Europa (Dinamarca, Grecia, Hungría, Irlanda y Reino Unido) y América Latina (Brasil, Argentina y Chile). De este modo, se asegura que el proceso completo, desde la materia prima hasta los residuos del proceso, esté diseñado para una máxima eficiencia. El objetivo del proyecto DIBANET es liderar la producción sostenible de biocombustibles a gran escala para el año 2020, evitando los impactos del uso de la tierra y resolviendo los problemas de aumento de los niveles de residuos orgánicos.

Figura 1: Proceso original del Proyecto DIBANET para el aprovechamiento integral de biomasa herbácea residual.

DIBANET pretende mejorar y optimizar la tecnología de biorrefino y pirólisis de la biomasa con el fin de crear biocarburantes sostenibles de segunda generación, a partir de biomasa residual, que se pueden mezclar con diésel fósil para usarse en motores diésel regulares, cumpliendo con los estándares de la industria. Al centrarse en el uso de residuos como materia prima para la producción de biocombustibles DIBANET también proporciona alternativas sostenibles y económicas a vertederos e incineración de desechos, ambas opciones ineficientes y productoras de significativas emisiones de gases de efecto invernadero con poco retorno, especialmente en América Latina.

Objetivos

Los objetivos concretos planteados por el proyecto DIBANET incluyen:

  • Desarrollar tecnologías para ayudar a eliminar la necesidad de importaciones de diésel fósil de ambas regiones, mejorando la seguridad de suministro de energía
  • Avanzar en el estado del arte de la producción de biocombustibles mezclables con diésel (DMBs) a partir de desechos y residuos orgánicos
  • Optimizar el rendimiento de DMBs producidos a partir de biorrefino de biomasa y residuos.
  • Mejorar el balance energético y los rendimientos totales a biocombustibles a partir de una materia prima, de forma sostenible, utilizando los residuos del proceso en procesos de pirólisis para producir bio-petróleo, que puede valorizarse también a DMBs.
  • Reducir el coste energético de la producción de DMBs.
  • Seleccionar materias primas claves para la conversión a DMBs, analizarlas y desarrollar métodos analíticos rápidos que puedan ser utilizados en un proceso en línea.
  • Analizar los DMBs producidos con el fin de saber si cumplen con los requerimientos de la EN590 y, si no cumplen, sugerirá medios para lograr el cumplimiento.

    Resultados del proyecto

    El proceso DIBANET, como resultado de la etapa de pretratamiento patentada, ha mejorado notablemente los rendimientos a ácido levulínico, ácido fórmico y furfural respecto a lo que se consideraba anteriormente el estado del arte (proceso Biofine, basado en dos etapas consecutivas de hidrólisis con ácido sulfúrico diluido). Mediante el fraccionamiento de la biomasa lignocelulósica en sus tres biopolímeros constituyentes (celulosa, hemicelulosa, lignina) también se ha permitido la recuperación de la lignina para su venta como producto de valor añadido. Estos desarrollos tecnológicos han permitido reducir significativamente la cantidad de residuos de la etapa de hidrólisis ácida (AHRs, “acid hydrolysis residues”), en un 88% respecto al proceso Biofine. En el proceso DIBANET estos AHRs son utilizados como fuente de calor (por combustión directa). Si no se realiza esta combustión, y los AHRs se usan en otros procesos, tales como pirolisis y gasificación, entonces sería necesaria una mayor cantidad de biomasa para cubrir las necesidades energéticas del proceso DIBANET. Además, se ha demostrado que los AHRs no son superiores a la biomasa virgen en procesos termoquímicos como los comentados, por lo que se ha tomado como configuración óptima el proceso integrado con combustión directa de AHRs para suministrar las necesidades energéticas del proceso.

    En base a esto, la configuración óptima de la cadena de proceso se ha modelizado con respecto a tres etapas centrales: pretratamiento de la biomasa, hidrólisis y esterificación del ácido levulínico con etanol. También se ha demostrado que un escenario que incorpore solo la primera etapa (pretratamiento) puede ser económicamente sostenible, con bajos costes de capital. Para este caso, la materia prima de mayor interés sería el bagazo debido a su elevado contenido en pentosas.

    La integración de la segunda etapa incrementa los costes de capital pero mejora el valor neto. Por otro lado, la etapa de esterificación es intensiva en capital, si bien una biorrefinería DIBANET completa (que integre las tres etapas) puede ser altamente rentable si el furfural se vende al precio de mercado actual y la lignina se vende en lugar de ser usada como combustible para el proceso. De hecho, el proceso DIBANET no debería contemplarse exclusivamente en el contexto de los biocombustibles sino también como una verdadera biorrefinería que produce combustibles de bajo valor (p.ej., levulinato de etilo) además de productos químicos y/o bio-productos de alto valor añadido (p.ej., furfural y lignina).

    El estudio de los balances de materia y energía del proceso ha demostrado ser significativamente superior a los del proceso Biofine, muy intensivo en consumo de energía. Adicionalmente, encuestas socioeconómicas llevadas a cabo han demostrado que la implantación del proyecto DIBANET puede tener un impacto positivo sobre el empleo, tanto directo como indirecto, particularmente cuando se usa como materia prima plantas herbáceas de tipo Miscanthus. Por tanto, parece que el desarrollo del proyecto DIBANET hacia escala comercial está asegurado, en base a los datos proporcionados por los modelos desarrollados. De hecho, dichos modelos presentan escenarios posibles en los que instalaciones DIBANET a escala incluso de demostración podrían operar con un beneficio económico significativo, con elevadas tasas de retorno de la inversión.

Figura 2: Diagrama de proceso y balance de materia de las etapas de pretratamiento, ácido levulínico (LA), y producción de levulinato de etilo (EL).

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El Ministerio de Industria, Energía y Turismo presenta un Real Decreto de reforma del fomento de biocarburantes para el transporte

El informe que acaba de publicar la Comisión Nacional de los Mercados y la Competencia (CNMC) sobre el Proyecto de Real Decreto de fomento de biocarburantes y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en el transporte (INF/DE/012/15) presentado por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, considera que no es conveniente eliminar los objetivos individuales de biocarburantes en diésel y gasolina, como apunta el real decreto, y aconseja mantenerlos.

Autora: Felicia Sáez -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT

 La propuesta de norma de Gobierno modifica la esencia del mecanismo de fomento del uso de biocarburantes con fines de transporte, ya que elimina los dos objetivos individuales que hasta hoy existen para cada tipo de carburante (diésel y gasolina), dejando únicamente el objetivo global. El mantener objetivos individualizados para el diésel y la gasolina es una práctica común con otros países europeos, entre ellos Francia y Alemania.

 El informe de la CNMC expone que de eliminarse los objetivos individuales, previsiblemente los sujetos obligados tenderán a cumplir su obligación de venta o consumo de biocarburantes principalmente mediante la incorporación de biocarburantes en diésel, en detrimento de la gasolina. Como consecuencia, podría ponerse en peligro la estructura productiva y logística, así como el tejido industrial que se ha desarrollado en España para cada carburante de origen renovable, en base a la regulación existente hasta el momento.

 El objetivo de favorecer las inversiones en investigación y desarrollo de las tecnologías productivas, con el fin de abaratar los costes de producción de los biocarburantes y diversificar las fuentes de aprovisionamiento de materias primas, podría distorsionarse en caso del establecimiento de un único objetivo global de biocarburantes

 Asimismo, establecer un único objetivo global anual obligatorio implicaría la necesidad de adaptar ciertos aspectos del mecanismo de certificación desde el punto de vista operativo, en concreto, los relativos al sistema de información para la certificación de biocarburantes (SICBIOS).

 Por otro lado, introduce para el año 2020 la restricción de que para el cómputo del objetivo de energía renovable en el transporte la participación de los biocarburantes producidos a partir de cultivos alimentarios no superará el 7%. Asimismo, habilita al Ministerio de Industria, Energía y Turismo a establecer un objetivo indicativo de venta o consumo de biocarburantes avanzados

 Proyecto de Real Decreto de fomento de biocarburantes y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en el transporte. BOE, núm. 145, de 18 de junio de 2015

Fuentes: Boletín Energías Renovables [newsletter@energias-renovables.com]

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Aerogeneradores domésticos, ¿una alternativa rentable?

Autor: Raúl Sanz-Universidad Rey Juan Carlos

Twenergy 28/08/2015

http://twenergy.com/a/aerogeneradores-domesticos-1807

 La energía eólica no está solo presente en los grandes parques eólicos, también puede ser aprovechada en las ciudades. El conocimiento de las instalaciones de energía solar en las cubiertas de los edificios está ampliamente extendido, pero también existen aerogeneradores domésticos con los que poder obtener gran parte de la electricidad consumida en nuestros hogares.

Ventajas de los aerogeneradores domésticos

  • Al estar en las propias viviendas, la generación de electricidad se encuentra muy próxima a los puntos de consumo, disminuyendo así las pérdidas por transporte y distribución.
  • No requieren fuertes vientos para comenzar a aprovechar su energía. El desarrollo de esta tecnología ha conseguido que se pueda comenzar a generar electricidad con velocidades de arranque de 1 m/s.
  • No son necesarias grandes extensiones de terreno. Los aerogeneradores domésticos se pueden ubicar en pequeños emplazamientos.
  • Pueden ser utilizados en sistemas aislados de la red eléctrica.
  • Los costes de operación y mantenimiento son muy reducidos debido a su sencillez.
  • Su menor tamaño hace que su impacto ambiental sea, también, muy reducido.

Inconvenientes

  • Algunas turbinas de mayor potencia pueden generar ruido, vibraciones y turbulencias.
  • En ambiente urbano, el viento se encuentra ante muchos obstáculos (edificios, árboles…), lo que se traduce en vientos con altas turbulencias que se transforman en menores rendimientos.
  • No es posible extraer energía eólica en cualquier lugar, por lo que es necesario evaluar el potencial eólico de cada zona y ver si existe recurso eólico suficiente para que valga la pena realizar la instalación. Para instalaciones en ciudad es más complejo determinar este recurso por la variabilidad de las alturas de los obstáculos.

Optimizar su rentabilidad

Aunque el precio de los aerogeneradores domésticos suele rondar entre los 1.000 € y 2.000 € por kilovatio de potencia, es fácil sacar rentabilidad a la energía eólica debido a que la energía producida por un aerogenerador depende de la velocidad del viento al cubo. Por tanto, por poco que aumente la velocidad, la potencia generada aumenta exponencialmente. Por ejemplo, en una zona con un nivel alto de viento en Galicia, la inversión se recupera en 8-10 años.

Existen micro-aerogeneradores menores de 1 kW de potencia. Pero para una vivienda unifamiliar es necesario instalar potencias entre 1 y 4 kW, 10 kW si hablamos de una urbanización o una comunidad de vecinos. Con estos valores, en zonas con mucho viento, la energía extraída puede aportar hasta el 80% del consumo o incluso llegar a cubrir el 100% de las necesidades eléctricas.

La adecuación del emplazamiento es el factor clave a la hora de optimizar la rentabilidad de la energía eólica. Normalmente no vamos a poder elegir la ubicación de nuestra vivienda para poder aprovechar el mayor potencial eólico, por lo que, lo único que podremos hacer será elegir la ubicación del aerogenerador en el edificio.

Los aerogeneradores domésticos suelen instalarse en los tejados, debido a que, cuanta mayor altura, mayor intensidad de viento. Se recomiendan torres con una altura mínima de 5 a 10 metros. Aunque, por otro lado, una torre muy alta eleva mucho los costes de la instalación.

Además, el emplazamiento debe estar libre de obstáculos porque estos disminuyen el rendimiento. Debemos alejarnos de cada obstáculo entre 7 y 10 veces el diámetro del aerogenerador. Así mismo, habrá que tener en cuenta la aerodinámica del edificio donde se va a instalar, pues influirá en la velocidad del viento a su paso.

Por su gran potencial de generación eléctrica, los aerogeneradores domésticos están despertando gran interés y su tecnología está desarrollándose rápidamente. ¿Veremos más aerogeneradores en nuestros tejados en los próximos años?

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Viaje alrededor del mundo de la energía. Noche europea de los investigadores 2015

Autor: Instituto IMDEA Energía

Como se viene haciendo desde hace varios años, el viernes 25 de Septiembre se celebra la noche de los investigadores que este año tiene como lema “Exploring science through fun learning” (Explorando la ciencia para divertirse aprendiendo) y que tiene como objetivo acercar el mundo de la ciencia y a los propios investigadores al público en general. En el instituto IMDEA Energía se han preparado una serie de actividades relacionadas con el papel que ha jugado la energía a lo largo de la historia. Así mismo, estas actividades también demuestran la necesidad de encaminarnos hacia un desarrollo energético sostenible basado en el uso de tecnologías renovables que no sean perniciosas con el medioambiente.

La noche de los investigadores se celebra simultáneamente en cientos de ciudades de toda Europa y de países vecinos. Esa noche, centros de investigación y universidades abren sus puertas para que tanto niños como adultos puedan participar en diferentes actividades científicas que  ayudan a entender el porqué de fenómenos  que ocurren en la vida cotidiana.

Las actividades científico-divulgativas, que se llevarán a cabo en IMDEA Energía, están enmarcadas en un viaje en el tiempo a través de los desarrollos energéticos y los impactos positivos y negativos que han tenido en la sociedad.  El objetivo principal es contextualizar cuales son los actuales problemas de una económica energética basada en los combustibles fósiles y de esta manera concienciar a los asistentes del efecto de estos impactos para la salud, el medioambiente, y  la economía. Permitiendo, además, conocer cuáles son las alternativas energéticas limpias que conduzcan a una sociedad descarbonizada.

El viaje empezará en la prehistoria, donde a través de un espectáculo de títeres, se mostrará la historia del origen de nuestro planeta y los cambios atmosféricos que se produjeron en los últimos años de una forma divertida y adaptada para los más jóvenes. El público tiene la oportunidad de comprender la importancia de los organismos fotosintéticos, como las microalgas, para mejorar las necesidades energéticas actuales y evitar efectos ambientales negativos, ya que fijan el CO2 y utilizan la energía solar para producir biomasa y biocombustibles.

Por otra parte, y aprovechando que en 2015 se celebra el año Internacional de la luz, se mostrara una evolución de las tecnologías energéticas basadas en el uso de la luz tanto natural (solar) como artificial (Laser, LEDs…). Estas actividades estarán centradas en la interacción de la luz (absorción, reflexión, emisión…) con diferentes medios.

El descubrimiento de la electricidad, “La energía Invisible”, supuso una revolución en la sociedad. Con el fin de introducir a los más jóvenes en la historia de la electricidad de una manera divertida,  se llevara a cabo un taller  con diferentes experimentos interactivos en los que se introducirán los conceptos de generación de electricidad, distribución, consumo y almacenamiento que permitirán comprender mejor esta energía cotidiana. Con el fin de dar una idea general de cómo trabajan los sistemas de almacenamiento eléctrico se llevarán a cabo actividades que muestran el funcionamiento de una batería, y como incluso es posible obtener energía eléctrica a partir de frutas.

Así mismo, uno de los mayores inconvenientes del uso de los combustibles fósiles que usamos hoy en día incluye las emisiones de gases de efecto invernadero. Uno de los retos más importantes a los que se enfrenta la sociedad actual es la gestión de las enormes emisiones anuales de CO2 antropogénico. Es por tanto prioritario desarrollar tecnologías que permitan la captura, almacenamiento y transformación de CO2 que permitan cerrar el ciclo del carbono. En una actividad enfocada principalmente a los niños, se mostrara como se puede capturar el CO2 de una manera divertida.

A lo largo de este viaje a través de la historia de la energía, los participantes irán descubriendo cuáles son los impactos y ventajas de las diferentes tecnologías energéticas. Con todo lo aprendido, los asistentes participaran en un juego que se denomina “¿ES USTED SOSTENIBLE?” y que pretende concienciar a los participantes de los impactos ambientales y los problemas de sostenibilidad relacionados con las actividades cotidianas mediante el descubrimiento del concepto de ciclo de vida. Además, el juego permitirá aprender lecciones de buenas prácticas haciendo hincapié en cómo podemos ayudar a mitigar el cambio climático y otros problemas ambientales más importantes, como la escasez de recursos (el agotamiento de los recursos fósiles, agua, etc.).

Viaje alrededor del mundo de la energía

25 de septiembre de 2015

Instituto IMDEA Energía

Horario: 18:00h a 20:30h

Avda. Ramón de la Sagra, 3 – Parque Tecnológico de Móstoles

28935 Móstoles Madrid

Necesario reserva: http://www.energia.imdea.org

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La evaporación de agua como fuente de energía renovable

Autor: José L.G. Fierro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC

Científicos de la Universidad de Columbia han diseñado y fabricado dos tipos de dispositivos que extraen energía directamente de la evaporación de agua. Sobre la base de estos logros llegan a predecir que algún día la evaporación de agua pueda producir electricidad a partir de gigantes generadores de energía móviles instalados en bahías o embalses.

En una contribución reciente a la revista Nature Communications [1], científicos del Departamento de Biología y Física de la Universidad de Columbia (Estados Unidos) reportan el diseño y fabricación de dos dispositivos que extraen energía directamente de la evaporación de agua. Básicamente se trata de un motor de pistón movible que genera electricidad haciendo que una luz parpadee y un motor rotatorio que impulsa un coche en miniatura.

Estos científicos predicen que algún día la evaporación de agua podría producir electricidad a partir de gigantes generadores de energía móviles instalados en bahías o embalses. En uno de los dispositivos construidos que consiste en un motor de pistón movible, los investigadores primero pegaron esporas a ambos lados de una cinta de plástico delgada, similar a la de las cintas de cassettes, creando una línea de trazos de esporas. Hicieron lo mismo en el lado opuesto de la cinta, pero compensándola de tal manera que los huecos de una cara quedaran cubiertos con trazos de esporas por la otra. La exposición de la cinta a aire seco contrae las esporas, curvando la cubierta de esporas y así transformando la cinta recta en ondulada y acortándola. Si uno de los extremos de la cinta o ambos están anclados sobe puntos fijos, ésta tira de los puntos de anclaje. Por el contrario, si el aire es húmedo, la cinta se extiende y libera la fuerza. El resultado es un nuevo tipo de músculo artificial que funciona solo con cambios de la humedad ambiental.

Además, colocaron decenas de estas cintas una al lado de la otra, creando un músculo artificial más fuerte que luego pusieron dentro de una caja de plástico flotante rematada con persianas. Dentro de la caja, el agua evaporada hace que el aire sea húmedo de manera que la humedad provoca el alargamiento del músculo y la apertura de las persianas, haciendo que el aire se seque. Cuando la humedad disminuye, las esporas se contraen y por consiguiente las cintas lo que hace que tiren de las persianas cerradas y permitiendo que la humedad se recupere de nuevo.  Estos músculos artificiales cubiertos de esporas funcionan como un pistón impulsado por evaporación. Acoplando el pistón a un minigenerador se produce electricidad suficiente para hacer que una pequeña luz parpadee.

Otro dispositivo diseñado por el equipo de la Universidad de Columbia, denominado “molino de humedad” (Figura 1) consiste en una rueda de plástico con pestañas que sobresalen de la cinta, recubiertas por un lado con las esporas. La mitad de la rueda se encuentra en el aire seco, haciendo que las pestañas se curven, y la otra mitad se encuentra en ambiente húmedo, donde estas pestañas están rectas. Como resultado, la rueda gira continuamente, actuando efectivamente como un motor rotativo. Basados en este diseño conceptual, los investigadores construyeron un coche de juguete, accionando con este molino movido por la humedad y tuvieron éxito a la hora de conseguir que el coche rodara por su cuenta, impulsado únicamente por la evaporación de agua. Como extensión de esta idea, es posible que en el futuro se puedan diseñar y construir motores que empleen la energía mecánica almacenada en esporas para propulsar un vehículo de tamaño natural. Dicho motor, si se lograra, no necesitaría quemar un combustible ni utilizar la energía eléctrica de una batería.

 

 Figura 1.(a) vista lateral del motor rotatorio. El papel seco proporciona el gradiente de humedad. Los bloques de plástico azul (peso 15 mg) fijados a HYDRAs incrementan la cantidad de peso que desplaza su posición relativa al eje de rotación. (b) fotografías y (c) medidas mostrando el desplazamiento horizontal en las posiciones de los bloques de plástico fijados a HYDRAs. En el gráfico se muestran los valores promedios con barras de error mostrando la desviación estándar calculadas de medidas sobre cinco muestras. (d) Velocidad de rotación medida en función de la humedad relativa a dos velocidades de flujo de aire en la proximidad del dispositivo. El sistema rotatorio puede llevar el vehículo hacia atrás si su rotación se acopla a unas ruedecillas. (e) Esquema mostrando la posición de un coche en miniatura accionado por un dispositivo rotatorio.

[1] X. Chen, D. Goodnight, Z. Gao, A.H. Cavusoglu, N. Sabharwal, M. DeLay, A. Driks and O. Sahin,”Scaling up nanoscale water-driven energy conversion into evaporation-driven engines and generators”, Journal name: Nature Communications Volume: 6, 7346 Year published: (2015); DOI:doi:10.1038/ncomms8346.


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Polímeros de injerto con aplicaciones como membranas de intercambio aniónico

Autores: M. Montiel, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid

Anteriormente, en el blog de Energía y Sostenibilidad, se ha hablado de membranas de intercambio con aplicaciones energéticas, haciendo énfasis en aquellas capaces de intercambiar aniones y en su uso en pilas de combustible alcalinas. Si bien existen varios ejemplos comerciales que se pueden emplear en este tipo de dispositivos, todavía no se han conseguido desarrollar membranas que cumplan de manera satisfactoria los requisitos de las pila de combustible en medio alcalino [1-3].

En los últimos años, se ha observado un creciente número de investigadores que se han sumado al reto de vencer los principales inconvenientes de este tipo de membranas: conductividad iónica insuficiente, estabilidad mecánica y química bajas, envenenamiento por CO2… Uno de los métodos que se emplea en la actualidad para la preparación de este tipo de membranas consiste en la activación de los materiales por métodos físicos para facilitar las reacciones químicas [4]. Este método, generalmente, se realiza en dos etapas (ver Figura 1):

  • En la primera se crean sitios activos sobre un polímero base de propiedades químicas y mecánicas adecuadas para nuestro propósito. Para ello, el polímero es irradiado con fuentes de alta energía, como pueden ser rayos X, rayos γ, electrones, plasma, partículas β… para así inducir la ionización de la matriz polimérica.
  • En la segunda etapa se lleva a cabo la modificación química del polímero, mediante reacción con las especies de interés, lo que permite modular aspectos como la naturaleza iónica del polímero, la absorción de agua, la conductividad…

Figura 1. Etapas de la preparación de polímeros de injerto mediante radiación.

Uno de los principales atractivos de este método recae en su versatilidad: existen numerosos tipos de polímeros que podemos emplear como base para realizar las ramificaciones con otro gran número de especies (que pueden ser de naturaleza polimérica o no). Esto nos permite conseguir un número de polímeros virtualmente ilimitado y con propiedades químicas y mecánicas moduladas para conseguir las propiedades que más nos convengan. Además, se consiguen sitios de reacción uniformemente distribuidos por todo el polímero debido, entre otras cosas, al poder de penetración de la radiación. Esto permite obtener membranas con gran uniformidad.

En la revisión bibliográfica publicada recientemente por Zhou y colaboradores [4] se describen distintos procesos de síntesis de membranas poliméricas empleando este tipo de métodos. Para ver el amplio abanico de posibilidades aquí se muestra la Tabla 1, donde se indican distintos polímero de partida (el esqueleto), el polímero injertado, y el grupo catiónico que permite la movilidad de aniones a través de la membrana (ver Figura 2). Las combinaciones de estos tres elementos permiten obtener gran número de membranas de intercambio aniónico potencialmente aptas para su uso en pilas de combustible de alcohol directo. Los principales requisitos que deben cumplir son:

  • Que las membranas estén formadas por canales que sean capaces de transferir iones OH- desde el cátodo hacia el ánodo de una manera eficiente (alta conductividad iónica) y que, al mismo tiempo, sean capaces de minimizar el paso de oxidante y combustible.
  • Que presenten una estabilidad química adecuada en las condiciones de operación de los dispositivos (humedad, temperatura, presión, basicidad…).

Figura 2. Esquema de un polímero de injerto con grupos catiónicos que permiten la movilidad de iones OH-.


Tabla 1.

Bibliografía

1.         Montiel, M. and P. Ocón. Membranas de intercambio con aplicaciones energéticas.  03/09/2015; Available from: http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2015/05/22/132491.

2.         Escudero-Cid, R. and P. Ocón. Membranas de intercambio aniónico para aplicaciones en pilas de combustible.  03/09/2015; Available from: http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2015/07/02/132553.

3.         Herranz, D. and P. Ocón. Membranas de intercambio aniónico comerciales y su aplicación en pila de combustible alcalina03/09/2015; Available from: http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2015/08/12/132580.

4.         Zhou, T., et al., A review of radiation-grafted polymer electrolyte membranes for alkaline polymer electrolyte membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 2015. 293: p. 946-975.

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Cristales líquidos como materiales para almacenamiento térmico

Autora: Rocío Bayón, CIEMAT

Muchos procesos térmicos del sector industrial así como las centrales termosolares con generación directa de vapor (GDV) incluyen vapor de agua como agente portador del calor. En ambos casos sería económicamente muy beneficioso contar con un sistema de almacenamiento térmico ya que no sólo ayudaría a aumentar la eficiencia de ambos procesos sino a reducir los costes de la electricidad en el caso de las centrales termosolares [1, 2]. Sin embargo y a pesar de estas buenas perspectivas, no hay todavía una tecnología de almacenamiento para este tipo de aplicaciones que tenga un coste razonable y que por tanto se pueda implantar de forma comercial.

Debido a que este tipo de tecnologías implican procesos de condensación/vaporización, el almacenamiento de energía en forma de calor latente a temperatura constante es sin duda el más adecuado. Hasta ahora este tipo de almacenamiento se lleva a cabo mediante materiales de cambio de fase (PCM) que cambian de estado entre sólido y líquido o viceversa, absorbiendo y cediendo energía a temperatura constante.

Sin embargo en estos casos, el intercambio de energía entre el PCM y el fluido de transferencia está limitado por la conductividad del PCM, la cual es baja en los PCM considerados de interés y reduce la densidad de potencia de todo el sistema de almacenamiento. Para solventar este inconveniente, se han propuesto distintas soluciones encaminadas a la mejora de la conductividad térmica efectiva del PCM y de la transferencia de calor entre el PCM y el fluido por medio de diseños especiales (y a veces complicados) del intercambiador. Desafortunadamente algunas de estas opciones no llegan a conseguir una curva de potencia constante del almacenamiento y otras se encuentran todavía en fases preliminares de desarrollo no estando clara su escalabilidad para almacenamientos de gran capacidad.

Partiendo de estos antecedentes, desde el CIEMAT-PSA se propone la utilización de unos PCMs alternativos capaces de absorber y ceder energía a temperatura constante cuando sufren un cambio entre dos fases fluidas [3]. Este comportamiento lo presentan los materiales mesógenos termótropos o también denominados cristales líquidos termótropos (CLs). En este tipo de materiales el punto de fusión es la temperatura a la cual la fase sólida se convierte en una determinada mesofase mientras que el punto de aclaramiento es la temperatura a la cual una mesofase se convierte en líquido isótropo, siendo ésta la transición de interés para el almacenamiento térmico.

Las ventajas de utilizar cristales líquidos como materiales de almacenamiento con cambio de fase serían dos principalmente. La primera es que al tratarse siempre de fases fluidas, el intercambio de energía tendría lugar por convección, que es un mecanismo de transferencia mucho más eficiente que la conducción. La segunda es que la curva de potencia sería constante con el tiempo tanto para el proceso de carga como para el de descarga del almacenamiento. Entre las condiciones más importantes que debe cumplir un cristal líquido para que sea considerado como un PCM adecuado están que tenga un punto de aclaramiento cercano a la temperatura de trabajo del vapor o a la cual se vaya a realizar el almacenamiento y que además la entalpía de esta transición sea lo suficientemente alta. Por otro lado también es necesario que el material presente una viscosidad baja en ambas fases fluidas, sea estable frente a los ciclados y, desde el punto de vista de su implantación comercial, tenga bajo impacto medioambiental, disponibilidad y bajo coste.

En la Figura 1 se muestra un esquema de la configuración que podría tener una central termosolar con generación directa de vapor con un sistema de almacenamiento indirecto en dos tanques basado en cristales líquidos: el tranque frío conteniendo la mesofase y el tanque caliente conteniendo la fase isótropa.

 

Figura 1. Esquema de planta GDV con almacenamiento basado en CLs.

Hasta la fecha, las especiales propiedades de los CLs, han hecho que se utilicen en multitud de dispositivos tecnológicos tales como pantallas de calculadoras, televisores, ordenadores, teléfonos móviles así como en termómetros, láseres, dispositivos ópticos e incluso en células solares. Sin embargo prácticamente no se encuentran en la literatura aplicaciones en las que se aproveche su capacidad de intercambiar calor entre dos fases fluidas. En este sentido, el trabajo publicado por el CIEMAT-PSA sobre la utilización de CLs como materiales para almacenamiento térmico en forma de calor latente se puede considerar el primero que propone dicha aplicación para este tipo de materiales [3]. Actualmente el CIEMAT-PSA está estudiando los cristales líquidos más idóneos para esta aplicación con el objetivo de hacer el prediseño de un sistema de almacenamiento térmico basado en este concepto para centrales termosolares con generación directa de vapor. Esta investigación se está llevando a cabo gracias a la aportación de varios proyectos: ALCCONES (financiado por la Comunidad de Madrid –Ref P2013/MAE-2985), DETECSOL (resolución provisional del Programa estatal de investigación, desarrollo e innovación orientada a los retos de la sociedad, convocatoria 2014) y STAGE-STE (7º PM de la CE, Acuerdo Nr. 609837).

Fuentes:

  1. Tamme R., Bauer T., Buschle J., Laing D., Müller-Steinhagen H., Steinmann W. D.: Latent heat storage above 120ºC for applications in the industrial process heat sector and solar power generation. International Journal of Energy Research 2008; 32: 264-271.
  2. Zarza E., Valenzuela L., León J., Hennecke K., Eck M., Weyers H. D., Eickhoff M.: Direct steam generation in parabolic troughs: Final results and conclusions of the DISS project. Energy 2004; 29: 635-644.
  3. Bayón R., Rojas E. Liquid crystals: a new approach for latent heat storage. International Journal of Energy Research 37 (2013) 1737-1742.

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En 2014 la producción de bioetanol en Europa aumentó un 13%

Entre los datos más significativos del informe anual presentado por ePure (European Renewable Ethanol Association) está el crecimiento de la producción en un 13% con respecto a 2013, lo que ha permitido hacer funcionar las plantas al 85% de su capacidad. La procedencia del etanol fue principalmente europea, y las materias primas utilizadas fueron maíz, trigo, remolacha y otros cereales. En ePure, calculan que se alcanzó un promedio de 61% de ahorro de emisiones de gas de efecto invernadero (GEI) en comparación con la gasolina convencional

Autora: Cristina Álvarez Vaquerizo

El informe anual referido al 2014 presentado por ePure, muestra un aumento de la producción del 13% con respecto al 2013, con lo que Europa produjo 6600 millones de litros siendo este valor un 7% del total de la producción mundial. El 86% de esta producción fue de etanol como biocombustible y el 14% para aplicaciones industriales .

Para alimentar esta producción se necesitan 10, 5 millones de toneladas de granos de cereal y 2,2 millones de toneladas de azúcar, lo que supone un 2% de la oferta de cereales de la UE para el caso de los cereales y un 8% del total de la UE para el azúcar. En materias primas el maíz fue el más utilizado con un 42%, en segundo lugar el trigo con un 33% y la remolacha azucarada un 18%. Las materias primas empleadas en 2014 abarcan menos del 1% de las tierras agrícolas de Europa.

ePure también señala la repercusión ambiental de este mercado, en el que se han reducido las emisiones de gas de efecto invernadero en 5 millones de toneladas “lo que equivale a retirar de la circulación 3 millones de coches durante 1 año”.

Fuente: www.energiasrenovables.com

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Categorias: Biocombustibles