Archivo de noviembre, 2015

Coches eléctricos de pilas de combustible

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

En la actualidad la contaminación ambiental supone uno de los mayores problemas de las grandes ciudades. Esta contaminación es debida en gran medida a las emisiones de gases nocivos como el CO2 o los NOx de los coches que circulan por sus calles y carreteras. Es por todo ello que, a día de hoy, son muchas las empresas que están empezando a apostar por un cambio en el tipo de tecnología de los vehículos, pasando de los motores de combustión tradicionales a otros de tipo eléctrico. Desde hace unos años, se ha incrementado el número de coches híbridos y eléctricos en el parque automovilístico mundial, que permiten la reducción de emisiones de gases dañinos para el medio ambiente.

Dentro de estos nuevos tipos de vehículos eléctricos se encuentran enmarcados los diseñados con pila de combustible como transformador de energía. En el mercado actual se cuenta todavía con muy pocos coches con esta tecnología pero se espera que en los próximos años las principales marcas de automóviles saquen al mercado nuevos modelos. Las marcas que han desarrollado hasta ahora una mayor apuesta por esta tecnología son las japonesas Honda y Toyota con modelos como el Honda FCX Clarity o el Toyota Mirai. Este último modelo tiene una autonomía de 550 km en los cuales emite un total de 38.5 litros de agua.

La tecnología basada en pilas de combustible para su aplicación en vehículos utiliza hidrógeno como combustible principal el cual se puede adquirir de diferentes formas. Por un lado está la implantación de hidrogeneras en diferentes puntos, con un funcionamiento principalmente idéntico a las gasolineras, y por otro lado está la posibilidad de contar con electrolizadores personales con el fin de convertir el agua en hidrógeno y oxígeno a partir de energía y ser así introducido al coche como combustible.

En lo que respecta a las pilas de combustible de estos vehículos, en la actualidad, se tratan en su totalidad de pilas de combustible de membrana polimérica ácida y con platino como catalizador principal en ambos lados de la reacción. Este tipo de tecnología es todavía relativamente cara, debida al alto precio de los materiales que la forman, y se trata de buscar nuevos materiales viables como catalizadores para las reacciones que se dan lugar en ambos electrodos de la pila de combustible.

 

 Esquema del Toyota Mirai Fuente: Expansión

 

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ROMEO: nuevo concepto de reactor para intensificación de procesos

Autora: Raquel Portela, ICP-CSIC

Un consorcio* de empresas, universidades y centros de investigación europeos en el que participa el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) del CSIC y que está coordinado por Evonik acaba de poner en marcha el proyecto de investigación ROMEO (Reactor Optimization by Membrane Enhanced Operation). El proyecto está financiado por la Unión Europea con 6.000.000 € dentro de la temática SPIRE-05-2015 de Horizonte 2020, que persigue nuevas metodologías de reactores catalíticos adaptables para intensificación de procesos.

 Romeo propone integrar las etapas de reacción y de procesamiento aguas abajo en una sola unidad desarrollando un nuevo concepto de reactor de membrana según el esquema de la figura 1:

 

 Figura 1. Concepto propuesto en Romeo

 Los nueve socios van a trabajar por una meta ambiciosa: reducir hasta un 80% el consumo de energía y un 90% las emisiones en dos procesos catalíticos de gran relevancia industrial: la hidroformilación, empleada para la producción de aldehídos a partir de alquenos y en la que que se producen reacciones consecutivas indeseadas, y la reacción de water-gas shift (WGS), que produce hidrógeno a expensas de monóxido de carbono cuya eficiencia se ve limitada por el equilibrio (CO + H2O D CO2 + H2). En caso de éxito se prevé revolucionar la ingeniería de procesos químicos y dar un enorme paso hacia la sostenibilidad debido a una reducción drástica en el consumo de energía y la generación de emisiones derivadaas de la intensificación de procesos. La clave para conseguirlo consiste en convertir procesos homogéneos en heterogéneos, y en retirar producto o subproducto continuamente de la mezcla de reacción tan pronto como es formado de modo que, por ejemplo, se incremente la selectividad (retirando el aldehído en la hidroformilación) o se reduzcan las limitaciones termodinámicas (retirando el H2 en la reacción de water-gas shift).

 En el transcurso de los próximos cuatro años se pretende demostrar la viabilidad científica y técnica del concepto aplicándolo a estas dos reacciones modelo muy diferentes, y diseñar un protocolo para estender su aplicación a multitud de otros procesos industriales. Si bien el proceso es aparentemente simple posee numerosos retos técnicos que la experiencia y multidisciplinaridad aportada por los socios, que cubren todos los puntos clave, ayudarán a resolver.

 El primer reto es la inmovilización de un catalizador homogéneo en una membrana conservando las propiedades catalíticas y de modo que el  producto de la reacción (aldehído para la hidroformilación, CO2 para la reacción de desplazamiento del gas de agua) se separe selectivamente. Para ello se pretende incorporar el catalizador homogéneo en películas delgadas de líquidos iónicos no volátiles creadas sobre un soporte. Este soporte funcionará además como membrana, o se incorporará a una membrana, de modo que se consiga una separación eficiente del producto deseado.

* Los nueve socios del proyecto Romeo son Evonik (coordinador), la Universidd  FAU Erlangen-Nürnberg (Alemania), la Universidad RWTH Aachen (Alemania), la Universidad Técnica de Dinamarca, BioEnergy2020+ GmbH (Austria), LiqTech International A/S (Dinamarca), la European Membrane House (Bélgica), el CSIC (España), y Linde AG (Alemania).

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3er Congreso Iberoamericano sobre Biorrefinerías (CIAB) en Concepción, Chile

Los días 23 a 25 de noviembre de 2015 se ha celebrado en la ciudad de Concepción, Chile, el 3er Congreso Iberoamericano sobre Biorrefinerías: Ciencia, Tecnología e Innovación para la Economía. Este simposio es también el 4º Congreso Latinoamericano sobre Biorrefinerías y 2º Simposio Internacional sobre Materiales Lignocelulósicos.

Autor: [Paloma Manzanares -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]

Se trata del evento sobre nuevos usos de la biomasa forestal, agrícola y algal más importante de Latinoamérica, que ha reunido a expertos de universidades, centros de investigación, empresas y el sector público de la región y el mundo. Este congreso ha ofrecido a la comunidad científica una magnífica oportunidad para debatir en los ámbitos temáticos de los procesos de conversión termoquímica y la conversión biológica y química de las materias primas, la obtención de biomateriales, bioproductos y biocombustibles y aspectos transversales como el de la sostenibilidad económica, ambiental y social de las nuevas aplicaciones. Durante los tres días de duración del congreso se han presentado trabajos, en la modalidad de presentaciones orales y póster, que han reflejado el estado del arte en la materia, con especial énfasis en las oportunidades para Latino e Iberoamérica. De acuerdo con la organización del evento, la presencia de destacados ponentes en las diferentes áreas de trabajo, ha convertido este simposio en un evento internacional de primera magnitud y un punto de encuentro de investigadores y profesionales de relevante prestigio.

La Unidad de Biocarburantes del Ciemat ha estado representada en este Congreso por la  Dra. Mercedes Ballesteros, que ha impartido la conferencia titulada: “Different strategies for lignocellulose sugars conversion into ethanol from phosphoric acid steam exploded olive tree pruning”, dentro de la sesión de Bioetanol.

 

Asociado a este Congreso, los días 26 y 27 de este mes la Sociedad Iberoamericana para el Desarollo de las Biorrefinarias (SIADEB) ha organizado un curso, en colaboración con el Centro de Biotecnología de la Universidad de Concepción, sobre “La biorrefinería como una instalación multi-plataforma para energía y biomateriales”, dirigido a profesionales y estudiantes de postgrado. La Dra. Mercedes Ballesteros del Ciemat ha participado también como docente en este curso con el tema “Biocombustibles avanzados: desde la biotecnología a la biorrefinería”.

 

La SIADEB, creada dentro de la Red Cyted 310RT0397 (2010-2013), es una red que reúne a una amplia gama de investigadores de 8 países de Iberoamérica, entre los que se encuentran España y Portugal,  dedicada a promover el desarrollo de biorrefinerias con la participación activa de las empresa y de la Academia como un medio para apoyar y fomentar los desarrollos tecnológicos necesarios para la instalación de la nueva generación de biorrefinerias en los países iberoamericanos. Su coordinador es el Dr. Francisco Girio del Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG) de Portugal.

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La Generación Directa de Vapor: ventajas e inconvenientes

[Autor: Eduardo Zarza-PSA-CIEMAT]

El gran desarrollo comercial que ha alcanzado la tecnología de captadores cilindroparabólicos se debe en gran medida a la empresa LUZ Industries y a las nueve centrales termosolares  SEGS (Solar Electric Generating Systems) que construyó entre los años 1984 y 1990, con una potencia total de 354,3 MWe, en el Estado de California (EEUU) [1]. Gracias a la existencia de las plantas SEGS, los inversores fueron menos reacios a participar en proyectos de centrales termosolares con esta tecnología cuando en España el RD661/2007 implantó un marco retributivo que convertía las centrales termosolares en proyectos rentables. Poder ver en funcionamiento las plantas SEGS era sin duda una prueba de fiabilidad tecnológica que pesó mucho en los inversores a la hora de decidir participar en proyectos de este tipo. En cambio, la no existencia de centrales termosolares comerciales con tecnología de receptor central, supuso para los inversores un obstáculo importante a la hora de comprometer su dinero en proyectos de centrales termosolares con esa tecnología. Este es básicamente el motivo principal por el que en España, y a nivel mundial, el número de centrales termosolares con captadores cilindroparabólicos es significativamente superior al de centrales con tecnología de receptor central. En España, de un total de 50 centrales termosolares, 45 son de captadores cilindroparabólicos, mientras que solo 3 son de receptor central. No obstante, se empieza a apreciar un cambio de tendencia tecnológica en los nuevos proyectos, siendo mayor el número de los que se basan en tecnología de receptor central.

Tanto por la presión que supone el creciente auge de la tecnología de receptor central, como por la necesidad global de las centrales termosolares de lograr una importante reducción de costes, el principal reto de la tecnología de captadores cilindroparabólicos actualmente es lograr una gran reducción de costes. Ya en el año 1988, la empresa LUZ tuvo clara la necesidad de dar un gran paso tecnológico en relación con los captadores cilindroparabólicos, y lanzo un ambicioso programa de I+D bajo las siglas ATS (Advanced Trough System) que tenía como objetivo principal sustituir el aceite térmico que se usa como fluido de trabajo en el campo solar de las centrales con captadores cilindroparabólicos, por la generación directa de vapor (GDV) en los propios captadores solares. Por desgracia, la desaparición de LUZ en el año 1991 interrumpió sus planes de mejora tecnológica [2].

Teniendo en cuenta las ventajas que conlleva la sustitución del aceite térmico (conocida internacionalmente mediante las siglas HTF, Heat Transfer Fluid) por la tecnología GDV, durante la última década del siglo XX y la primera del siglo XXI se desarrollaron diversos proyectos relacionados con la tecnología GDV (proyectos: HIPRESS, GUDE, DISS, DISTOR, REALDISS, etc..), los cuales fueron promovidos por diversas entidades europeas, como CIEMAT, DLR, SIEMENS, ZSW, …. Todos estos proyectos han permitido adquirir un mejor conocimiento de la tecnología GDV, y poder sopesar mejor sus ventajas e inconvenientes cuando se compara con la tecnología HTF. El proyecto DISS [3], promovido por el CIEMAT español y el DLR alemán, con el apoyo financiero de la Comisión Europea y con la participación de un buen número de entidades europeas, fue probablemente el más importante de todos esos proyectos, y se desarrolló entre los años 1996 y 2001.

Todos los proyectos llevados a cabo en relación con la tecnología GDV con captadores cilindroparabólicos han permitido corroborar que las principales ventajas e inconvenientes cuando se compara esta tecnología con la tecnología HTF son las siguientes:

Ventajas:

  • Menor riesgo medioambiental en caso de fugas en el campo solar
  • Posibilidad de conseguir mayores eficiencias globales en la central al aumentar la temperatura del vapor sobrecalentado enviado al bloque de potencia, y
  • Menor coste de inversión

Inconvenientes:

  • Necesidad de tuberías y elementos más robustos para el campo solar, pues deben soportar mayores presiones
  • Requiere sistemas de control más complejos, debido al flujo bifásico existente en los tubos receptores
  • Peligro de altos gradientes de temperatura en los tubos receptores cuando se produce la estratificación de la fase líquida del flujo bifásico que circula por el interior de dichos tubos
  • No puede utilizar sistemas de almacenamiento térmico en calor sensible, ya que necesita almacenamiento de energía térmica mediante cambio de fase

 

 Vista del Campo solar de la planta experimental DISS instalada en la Plataforma Solar de Almería

Cuando se analizan en profundidad estas ventajas e inconvenientes, se llega a la conclusión que la tecnología GDV puede lograr un 10% de reducción del coste de la electricidad producida en plantas de captadores cilindroparabólicos [4]. Pero para ello es necesario desarrollar un sistema de almacenamiento térmico mediante cambio de fase cuyo coste de inversión no sea superior a los 50€/kWh de capacidad

El reto de conseguir un sistema de almacenamiento térmico de gran capacidad mediante cambio de fase con un coste igual o inferior a los 50€/kWh de capacidad es realmente importante, y hoy en día aún no se sabe a ciencia cierta cómo conseguirlo. Es por este motivo que hay muchos centros de I+D trabajando actualmente en este reto, pues de su consecución depende en gran medida el futuro comercial de grandes centrales termosolares con GDV. El reto del almacenamiento térmico mediante cambio de fase es mucho menor cuando se trata de sistemas de pequeña y mediana capacidad (del orden de varios MWh), y de hecho ya se han probado con éxito varios prototipos que han llegado hasta 1 MWh de capacidad [5]. 

Las grandes ventajas que conlleva la Generación Directa de Vapor frente a la tecnología HTF, junto con el hecho que resultan mucho más factibles los sistemas de almacenamiento térmico mediante cambio de fase para pequeña y mediana capacidad, hace pensar que esta tecnología tiene un prometedor futuro dentro del mercado de las Aplicaciones a Calor de Proceso, en el que el tamaño de los sistemas es mucho más pequeño que las centrales termosolares y los costes no son tan restrictivos. Puesto que el conocimiento necesario para diseñar campos solares con GDV ya se tiene, y existen sistemas de almacenamiento mediante cambio de fase para pequeña y mediana capacidad, es el momento de promover desde el sector privado, y apoyar desde la Administración, las primeras plantas pilotos de Aplicaciones a Calor de Proceso con captadores cilindroparabólicos y generación directa de vapor. Este tipo de sistemas solares posee unas características que los hace especialmente adecuados para la pequeña y mediana empresa, que es la que realmente dinamiza la economía de un País como España. Estamos ante una tecnología que puede dar muchos y buenos resultados a España, pues tenemos centros de I+D y empresas con suficiente conocimiento, experiencia y capacidad para acometer este tipo de instalaciones solares. Esta fue una de las conclusiones principales del I Simposio sobre Tecnologías Termosolares de Concentración, celebrado en Sevilla los días 3 y 4 de noviembre, en el que han participado en torno a las 100 personas procedentes del sector industrial y de la I+D+i.

Referencias:

[1]      COHEN, G.E.; FRIER, S.D. “Ten years of solar power plant operation in the Mojave Desert”. In: CAMPBELL-HOWE, R.; WILKINS-CROWDER, B. eds. Proceedings of the 1997 American Solar Energy Society annual conference. Washington, EEUU, 1997. Boulder (Colorado), American Solar Energy Society, 1997: pp. 77-81.

[2]      LOTKER, M. “Barriers to Commercialization of Large-scale Solar Electricity: Lessons Learned from LUZ Experience”. Informe técnico SAND91-7014. Albuquerque, EEUU, Sandia National Laboratories, 1991

[3]      ZARZA, E.; VALENZUELA, L.; LEÓN, J.; WEYERS, D.-H.; EICKHOFF, M.; ECK, M.; HENNECKE, K. “The DISS Project: Direct Steam Generation in Parabolic Trough Systems. Operation&Maintenance Experience and Update on Project Status”. In: Davidson, J. (eds.). Journal of Solar Energy Engineering. American Society of Mechanical Engineers, Nueva York (USA), 2002.. Vol.124, número 2, pp. 126-133

[4] FABIAN, J.; SCHMITZ, K., MARKUS ECK, M.; LAING, D.; ORTIZ-VIVES, F.; SCHNATBAUM-LAUMAN, L.; SCHULTE-FISCHEDICK, J. “Comparative System Analysis of Parabolic Trough Power Plants with DSG and Oil using Integrated Thermal Energy Storage”. Proceeding of the SolarPACES 2011 Conference. Granada (Spain), September 2011.

[5]      http://www.flagsol.com/flagsol/english/technology/research-development/direct-steam-generation-/real-diss/real-diss.html

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Los retos de la Cumbre de París de 2015

En diciembre de 2015, París será escenario de una nueva Cumbre sobre el Cambio Climático. Tras lo tratado en otros encuentros durante los 20 años anteriores, ésta debe ser la cita definitiva de la que se espera salga un compromiso vinculante internacional para la reducción de los gases de efecto invernadero, incluidas las grandes potencias.

Autor: Raúl Sanz-URJC

Más información:

http://www.laenergiadelcambio.com/los-retos-de-la-cumbre-de-paris-de-2015

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El salto (cuántico) a la fama de las perovskitas

Desde su descubrimiento como un mineral en el siglo XIX, pasando por el desarrollo de sus numerosas aplicaciones tecnológicas, nunca antes las perovskitas habían protagonizado una revolución semejante a la que ha desencadenado la utilización de materiales híbridos órgano-inorgánicos en dispositivos fotovoltaicos, y que tiene el potencial de introducir las energías renovables en nuestra vida cotidiana.

Autor: Juan M. Coronado-IMDEA Energía

En la primera mitad del siglo XIX el geólogo alemán Gustav Rose realizó expediciones por  distintas regiones de Rusia para catalogar y describir científicamente las riquezas geológicas todavía sin catalogar del vasto imperio del Zar. Aunque su campaña fue fructífera en descubrimientos, seguramente su hallazgo más famoso se produjo en 1839 en los Urales. Allí fue donde encontró una roca poco llamativa, con cristales del sistema cúbico y de color negro o pardo amarillento. Rose decidió homenajear al académico ruso Lev Aleksevich von Perovski dándole su nombre al nuevo mineral. Quizás, si hubiera imaginado la futura relevancia tecnológica de su descubrimiento habría preferido reservarle su propio nombre.

Hoy sabemos que la composición química de la muestra que encontró Rose era aproximadamente (Ca,Sr)TiO3, y que los materiales con esta estructura presentan propiedades inesperadas y ciertamente notables. Así, el titanato de estroncio puro, que es posible sintetizar de forma controlada en el laboratorio, es un buen ejemplo de material piezoeléctrico, capaz de responder a la presión generando una pequeña diferencia de potencial. Pero las perovskitas puede adoptar una increíble variedad de composiciones químicas, y de forma paralela sus propiedades físicas pueden modularse para abarcar un amplio espectro de aplicaciones. Un ejemplo llamativo de esta capacidad de cambiar de naturaleza se puede encontrar en el estudio de sus propiedades eléctricas, ya que sin salirse de esta extensa familia estructural es posible encontrar aislantes, conductores electrónicos e iónicos e incluso superconductores de alta temperatura. Además, las perovskitas son importantes en catálisis, en la producción de hidrógeno por medio de ciclos termoquímicos, y en el desarrollo de pilas de combustible de óxidos sólidos.

Con estos antecedentes resulta obligado preguntarse qué es lo que hace especial a las perovsquitas. Una de las claves de su versatilidad está en su enorme capacidad para combinar un catión de tamaño grande, A, con otro de menor tamaño, B, junto con un anión adecuado, X, que, generalmente pero no siempre, es oxígeno, y formar un compuesto mixto con proporción, ABX3. Pero esta receta básica se puede complicar enormemente mezclando más de dos cationes en distintas proporciones o incluso creando vacantes entre los aniones. Obviamente esto se traduce en cambios de la red cristalina que deja de ser cúbica para transformarse en estructuras de menor simetría (p.e. tetragonal, ortorrómbica o hexagonal) Además es posible encontrar materiales más complejos que intercalan capas de perovsquita con otras redes cristalinas como la del NaCl. Todo esto da lugar a una especie de “Lego” cristalino que permite obtener una amplísima variedad de materiales, entre los que es posible seleccionar las propiedades deseadas con relativa facilidad.

Como consecuencia de estas interesantes características las perovsquitas han sido objeto de innumerables investigaciones. Aunque los superconductores de alta temperatura, con estructuras relacionadas con las perovskitas y composición Ba2YCu3O7-x, despertaron grandes expectativas en la década de los 80, no existen precedentes de una revolución similar a la desencadenada en producción fotovoltaica de electricidad por las perovskitas híbridas órgano-inorgánicas. Una prueba del impacto científico que están alcanzando estos materiales híbridos es la evolución del número de citas en revistas científicas que se puede observar en la figura. Estos compuestos, de composición CH3NH3PbI3 se utilizaron por primera vez en fecha tan reciente como 2009 en las celdas de colorante (también conocidas como celdas de Graztel) como alternativa a los complejos de Ru para la captación de luz solar. Aunque los resultados fueron inicialmente modestos su capacidad de mejora se puso rápidamente de manifiesto, y los investigadores han llevado la eficiencia de este tipo de celdas a valores superiores al 20 % en solo 5 años. Puede parecer un resultado modesto pero si se tiene en cuenta que los dispositivos de Si, que están presentes en todos los huertos solares instalados, han necesitado más de 30 años para alcanzar una eficiencia del 25 % es posible valorar la rapidez de estos avances. Si además tenemos en cuenta que las celdas basadas en perovskitas híbridas son más flexibles y adaptables que las basadas en silicio y tienen un aspecto atractivo que permitiría incorporarlas en elementos tan cotidianos como nuestra ropa, podemos empezar a entender el inesperado protagonismo de estos materiales. No obstante, también existen limitaciones importantes como la baja estabilidad de los materiales híbridos, la dificultad para hacer celdas de tamaños grandes y la toxicidad del plomo. Pero estos condicionantes forman parte del reto científico, y sin duda, la historia tecnológica de las perovskitas tiene todavía muchos más interesantes capítulos por escribir.

Referencias

  1. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka: Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131, 6050 (2009).
  2. Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells T. Ishihara, ed. Springer. Dordrecht (Netherlands). (2009) ISBN 978-0-387-77707-8, 2009
  3. “Placas solares de perovskita” Varum Sivaram. Samuel D. Stranks, Henry J. Snaith, Investigación y Ciencia. Septiembre 2015 Nº 468

 

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