Archivo de julio, 2020

Nuevo dispositivo de aprovechamiento solar: Integración coherente entre torre solar y fluidos supercríticos

Autores: González-Portillo, Luis F; Muñoz-Antón, Javier; Martínez-Val, José M. 

Universidad Politécnica de Madrid, Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, ETSI Industriales, Departamento de Ingeniería Energética

Resumen

Los sistemas de torre solar se están constituyendo en una de las tecnologías más atractivas en los últimos años. Las torres solares habituales están formadas por un campo solar de espejos que concentran la radiación solar en un área relativamente más pequeña, el receptor, con objeto de calentar un fluido. En este texto se indican algunas de las ventajas de aplicar diferentes niveles de concentración a diferentes secciones de la torre solar, resultando así un nuevo diseño de dispositivo de concentración solar. En esas secciones se calentará CO2 supercrítico a diferentes niveles entálpicos con objeto de mejorar las prestaciones del ciclo Brayton con el que se acopla esta nueva torre. Con este nuevo diseño, en el que se especializan secciones del receptor para diferentes valores de concentración y, por tanto, de temperaturas, se reducen los requerimientos mecánicos de los materiales, respecto a las torres que funcionan a un único nivel entálpico. En términos de diseño térmico, este nuevo dispositivo de aprovechamiento solar fundamenta su diseño en los principios de coherencia térmica para obtener mejores rendimientos con menores requerimientos de materiales.

Abstract

Solar tower has become one of the most attractive concentrating solar power technologies during the last years. The common solar tower consists of a field of mirrors concentrating solar radiation into a small area in order to heat a fluid. This study shows the benefits of applying different concentrations to different sections of the tower receiver, resulting in the design of a solar thermal new engine. These sections will heat supercritical CO2 at different enthalpies in order to take advantage of the supercritical Brayton cycles characteristics. This new solar thermal concept allows to reduce system concentration and temperatures in relation to a common solar tower system, which works at a unique enthalpy level.

In terms of thermal design, this new solar thermal engine uses the basis of thermal coherence to obtain higher efficiency with lower material requirements.

Descripción

Este estudio presenta un nuevo dispositivo de aprovechamiento solar como resultado de la búsqueda de coherencia entre la termodinámica y la gestión del calor (figura 1). En la parte central se concentra una mayor radiación que en las partes laterales.

Desde el punto de vista de la termodinámica, el uso de fluidos supercríticos en ciclos Brayton (figura 2) parece ser un nicho muy prometedor en plantas solares de concentración [1]. Interesa sobre todo analizar qué es lo que ocurre en la zona cercana al punto crítico, donde por las pendientes de las isentrópicas en sus cercanías, el menor trabajo específico requerido en la fase de la compresión viene de la mano de las irreversibilidades en el recuperador de calor intermedio [2]. Sin embargo, esas irreversibilidades pueden compensarse con el uso de aportes de calor a diferentes temperaturas.

Figura 1: Ciclo Brayton regenerativo

Desde el punto de vista de la gestión del calor, trabajos previos [3] analizan la relación óptima entre la temperatura del fluido y la intensidad de la radiación que alcanza el receptor refrigerado por dicho fluido, tal y como se ve en el ejemplo de la figura 2. El ajuste adecuado de la concentración de la radiación y las necesidades térmicas del fin útil constituye una herramienta de análisis muy útil para aumentar la eficiencia global de este tipo de instalaciones [4].

Figura 2: Concepto de nuevo dispositivo de aprovechamiento solar

Resultados

El nuevo concepto de dispositivo de aprovechamiento solar considerado en este texto considera dos secciones del receptor con diferentes requerimientos térmicos, temperatura y flujo térmico. La menor temperatura requerida en una de las secciones implica también un menor flujo térmico [3]. Este sistema da lugar a un aumento de eficiencia con una configuración de menores requerimientos térmicos.


Conclusiones

Las características particulares de los ciclos Brayton se pueden integrar de forma coherente en plantas de energía solar del receptor central, con un ajuste fino entre ambas partes, lo que parece ser una herramienta adecuada para alcanzar elevadas eficiencias. Este estudio muestra que esta es una línea muy prometedora en el campo de la energía solar térmica. Investigaciones posteriores estudiarán la configuración óptima del nuevo motor solar térmico junto con un campo de heliostatos.

Agradecimientos

Discusiones con el resto de miembros del Grupo de Investigaciones Termoenergéticas (GIT-UPM) han sido muy útiles para la realización de este trabajo.

Referencias

[1] M.T. Dunham, B.D. Iverson, High-efficiency thermodynamic power cycles for concentrated solar power systems, Renew. Sustain. Energy Rev. 30 (2014) 758–770.

[2] V. Dostal, M.J. Driscoll, P. Hejzlar, A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors, Tech. Rep. MIT-ANP-TR-100. (2004) 1–317

[3] J. Muñoz, J.M. Martinez-Val, A. Ramos, Thermal regimes in solar-thermal linear collectors, Sol. Energy 85 (2011) 857–870.

[4] J. Muñoz, A. Abánades, J.M. Martínez-Val, A conceptual design of solar boiler, Sol. Energy 83 (2009) 1713–1722.

Contacto

Luis F. González Portillo, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM - lf.gonzalez@upm.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Fijación de CO2 por procesos enzimáticos mediante reacciones de carboxilación

Autor: Marcos Pita (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC)

En pleno siglo XXI se puede dar por aceptada la idea de que es necesario un cambio en la manera de producir y usar energía por parte de la humanidad, además de una descarboxilación activa de la atmósfera para evitar un calentamiento superficial irreversible de consecuencias drásticas para los seres vivos del planeta. Es por ello que muchos científicos están volcados en descubrir y desarrollar tecnologías de energía limpia. Dado que la mayor fuente de energía disponible en la Tierra es aquella procedente del Sol, los procesos fotosintéticos han servido de inspiración para contribuir a la obtención de combustibles cuya huella de carbono sea menor. De esta manera se ha investigado sobre la producción de hidrógeno como combustible a partir de la fotólisis de agua durante décadas, y más recientemente, cuando ya ha resultado innegable la necesidad de reducir las emisiones de CO2, emular la fotosíntesis natural mediante procesos fotoquímicos para la fijación del dióxido de carbono. Han aparecido muchos ejemplos en los que se usan catalizadores inorgánicos para reducir el CO2, lo cual ha desvelado muchas complejidades, dado que en primer lugar la reducción de CO2 compite con la producción de H2 a partir del agua, y en segundo lugar los productos de dicha reducción son muchos y muy variados, dificultando la implementación de estos procesos. Alternativamente se pueden utilizar catalizadores de origen biológico para aprovechar sus características: alta selectividad, alta eficiencia y condiciones de trabajo suaves. Existen multitud de ejemplos en los que se utilizan enzimas combinadas con electrodos y/o semiconductores: hidrogenasas para formar H2 a partir de agua, CO monooxigenasas para formar monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono, o utilizar la enzima formato deshidrogenasa para acometer su reacción inversa, la reducción selectiva de CO2 a ácido fórmico.

Una estrategia revolucionaria que combina la biocatálisis enzimática con foto-electroquímica apareció recientemente, donde en lugar de utilizar directamente los electrones fotoexcitados para reducir un compuesto como CO2 o protones, se diseñó un bioelectrodo diferente [Morello, 2019]. En concreto se diseñó un electrodo nanoestructurado con nanopartículas de óxido de estaño dopado con indio (ITO), que forma una retícula sobre un electrodo de titanio. El trabajo presenta dos ventajas sobre los sistemas de reducción directa de CO2. En primer lugar, los recovecos que deja el electrodo sirven para facilitar el nano-confinamiento y la compartimentalización de los biocatalizadores, emulando una de las principales características de las células vivas: un principio clave para asegurar los procesos catalíticos en cascada. De ese modo se acelera y se aumenta la eficacia de los procesos enzimáticos concatenados gracias al aumento de concentración a nivel local, de modo que la distancia de difusión de reactivos y productos sea muy corta. De este modo, cargando un electrodo con nanopartículas de ITO y las enzimas ferredoxin-NADP+ reductasa (FNR) y malato-NADP+ oxidorreductasa (MNO) consigue reducir el espacio para la difusión del NADPH, facilitando su ciclo catalítico. En segundo lugar, en el trabajo se evita la diversidad de productos que acarrea la fotorreducción del CO2 dado que se forma, en primer lugar, NADPH a partir de NADP+ gracias a la FNR, que toma los electrones excitados para hacer dicha reducción; y el NADPH es utilizado por la MNO para formar un enlace carbono-carbono entre el piruvato y el CO2, dando lugar a malato. El método además permite trabajar en concentraciones catalíticas de NADPH, un cofactor de precio elevado.

Referencias

G. Morello, B. Siritanaraktul, C. F. Megarity, F. A. Armstrong. Efficient Electrocatalytic CO2 Fixation by Nanoconfined Enzymes via C3-to-C4 Reaction That Is Favored over H2 Production. ACS Catal. 2019, 9, 11255−11262.

Contacto

Marcos Pita, Investigador del grupo FCF del Programa FotoArt-CM - marcospita@icp.csic.es

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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Perovskitas redox para el almacenamiento de calor solar a alta temperatura

Autores: Emanuela Mastrornardo y Juan M. Coronado (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC)

La energía solar, al ser un recurso accesible y básicamente ilimitado, es una fuente de energía renovable muy atractiva, que se puede convertir en electricidad mediante distintas tecnologías, entre las que se incluyen las plantas de energía solar de concentración (CSP por su acrónimo en inglés). Sin embargo, la naturaleza diurna de la luz solar y su variabilidad con el tiempo atmosférico imponen un límite importante al rendimiento de esta tecnología. Por tanto, para su desarrollo futuro, las plantas de CSP necesitan ser acopladas con un sistema de almacenamiento de energía económico y eficiente, cuyo desarrollo podría facilitar una mayor expansión de la producción de este tipo de energías renovable. Con este propósito, los sistemas de almacenamiento termoquímico (TCS) resultan particularmente atractivos para operar plantas CSP a altas temperaturas, ya que pueden almacenar directamente el calor solar y reutilizarlo en los periodos nocturnos o de baja irradiación, permitiendo la generación de electricidad en continuo. Para avanzar en el desarrollo de esta tecnología proyecto SESPer (Marie Sklodowska-Curie grant, 746167), desarrollado en colaboración entre la Universidad Northwestern de Estados Unidos y el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) del CSIC, tiene como objetivo el desarrollo de mejores materiales para el almacenamiento térmico. Para ello se propone desarrollar la metodología para una determinación precisa de sus propiedades termodinámicas, y realizar ensayos de intercambio de calor, inicialmente en condiciones de laboratorio y posteriormente en condiciones más realistas, que permitan acercar el desarrollo de esta tecnología a un nivel más próximo a la escala comercial de las futuras plantas CSP.

Los óxidos de tipo perovskita (con fórmula general ABO3) resultan especialmente interesantes como posibles candidatos para los sistemas TCS. Estos materiales presentan la capacidad de liberar o absorber oxígeno de forma continua dentro de un rango de temperatura muy amplio, a través de un proceso de creación/destrucción de vacantes de oxígeno en la red cristalina. El principio de operación de un sistema TCS basado en perovskitas se fundamenta en la siguiente reacción:

ABO3 (s) ↔ ABO3-δ (s) + δ/2 O2 (g)          

La liberación de una cantidad de oxígeno (reducción), al ser endotérmica, constituye la etapa de almacenamiento de calor, mientras que el proceso inverso de oxidación genera calor cuando es necesario. La cantidad de oxígeno que es intercambiable de manera reversible, δ, es una función de la temperatura y la presión parcial de oxígeno, que son parámetros que se pueden controlar durante el funcionamiento de la planta. Una de las características más interesantes de estos óxidos mixtos es que los metales A y B pueden ser fácilmente reemplazados por elementos similares, sin sufrir ningún cambio de fase. Esto significa que, modificando la composición química, el material puede presentar una amplia gama de comportamientos, y en concreto permite modular el grado de reducción que es posible alcanzar. Sin embargo, muchos de los tipos de perovskita estudiados hasta ahora contienen elementos de tierras raras, lo que incrementa su coste y dificulta su utilización a gran escala. Por ello el objetivo general del proyecto SESPer es estudiar perovskitas que contengan elementos más abundantes en la corteza terrestre (fundamentalmente Ca, Fe, y Mn) para identificar la perovskita de composición más adecuada para el almacenamiento térmico y llevar a cabo un estudio termodinámico integral que permite la evaluación precisa de la capacidad de almacenamiento de calor.

Referencias

E. Mastronardo, X. Qian, J. M. Coronado, S. M. Haile, The favourable thermodynamic properties of Fe-doped CaMnO3 for thermochemical heat storage J. Mater. Chem. A, (2020),8, 8503-8517. https://doi.org/10.1039/D0TA02031A

http://sesperproject.blogspot.com/p/project-description.html

Contacto

Juan M.  Coronado, Investigador del Grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

 

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