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Tratamiento de metano con tecnología de metales líquidos

Autores: Ángel Martínez Rodríguez,  Alberto Abánades Velasco

Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

RESUMEN

Se están desarrollando nuevos reactores para procesos a alta temperatura basados en el uso de metales líquidos, los cuales son capaces de permanecer en estado líquido con una muy baja presión de vapor hasta más allá de los 1500 ºC. Esas características termofísicas, junto con su alta conductividad/difusividad térmica, los hace muy adecuados para el potencial tratamiento de hidrocarburos. Se busca realizar un avance tecnológico significativo para lograr el desarrollo de un reactor de burbujeo en metal líquido para el tratamiento de gas natural y biogás crudo (una mezcla de CH4 y CO2) empleando energía solar concentrada, pudiendo ser viable a gran escala. El proyecto tiene como objetivo verificar experimentalmente reactores de metal líquido para llevar a cabo la pirólisis y el reformado seco de metano, para obtener gas de síntesis (CO y H2) y partículas sólidas de carbono. Este tipo de reactores son inéditos, pero pueden ser claves en el futuro para el desarrollo de reacciones a muy alta temperatura, incluida la reducción de CO2, lo que implica: 1) Sistemas de aporte de energía térmica  basado en energía solar concentrada ; 2) un sistema de aporte de reactantes, fundamentalmente hidrocarburos y CO2,  3) un mecanismo de extracción continua de partículas, que en los casos que se pretende realizar serían de carbono, y 4) caracterización físico-química del carbono producido, y la evaluación de aplicaciones del proceso, para estimar su viabilidad. En caso de comprobar la operación con éxito del reactor propuesto a escala experimental (aprox. 1 kW-H2), y la viabilidad de las aplicaciones, se estará en condiciones de abordar etapas de desarrollo industrial.

ABSTRACT

New reactors are being developed for high temperature processes based on the use of liquid metals, which are able to remain in a liquid state with a very low vapor pressure up to more than 1500 ° C. These thermophysical characteristics, together with their high conductivity / thermal diffusivity, make them very suitable for the potential treatment of hydrocarbons. A significant technological advance is sought to achieve the development of a liquid metal bubbling reactor for the treatment of natural gas and raw biogas (a mixture of CH4 and CO2) using concentrated solar energy, and it can be viable on a large scale. The project aims to experimentally verify liquid metal reactors to carry out dry methane reforming, to obtain synthesis gas (CO and H2) and solid carbon particles. These types of reactors are unpublished, but they can be key in the future for the development of reactions at very high temperature. The idea is to develop systems to carry out the treatment of hydrocarbons, including the reduction of CO2, which implies: 1) Thermal energy input systems based on concentrated solar energy; 2) a system for the supply of reactants, mainly hydrocarbons and CO2, 3) a mechanism for continuous extraction of particles, which in the cases that are intended to be carbon, and 4) physical-chemical characterization of the carbon produced, and the evaluation of process applications, to estimate its viability. If the operation of the proposed reactor is tested successfully on an experimental scale (approx. 1 kW-H2), and the viability of the applications, it will be able to address stages of industrial development.

Artículo de difusión

El desarrollo de nuevos procesos tecnológicos es imprescindible para lograr la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en procesos energéticos clave que aumenten la sostenibilidad de nuestra Sociedad y ayuden a cumplir con muchos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). En particular, la integración del tratamiento de materiales en una economía circular necesita nuevos procesos innovadores. Los ODS 7 (energía asequible y no contaminante), y ODS 13 (acción por el clima) se conectan directamente con el desarrollo de nuevos procesos químicos innovadores. Entre esos procesos está, evidentemente, el tratamiento de hidrocarburos y de reducción de CO2, en este caso para producir vectores fundamentales para la transición energética, como H2 y gas de síntesis, con la captura efectiva de C en forma sólida, o/y la reducción de CO2, que permita cerrar los ciclos antropogénicos de carbono.

La descomposición del metano (que podría ser extrapolable a otros hidrocarburos gaseosos), también llamada pirólisis de metano, consiste en el desarrollo de la reacción química (1). Este proceso permite producir hidrógeno sin emisiones, y la generación de Carbono de alta calidad para aplicaciones aún poco desarrolladas, como la manufactura de grafeno, óxido de grafeno, o fibras de carbono a gran escala.

Al emplear biogás crudo como corriente de alimentación, tiene lugar la aparición de otra serie de reacciones derivadas del proceso de reformado de CO2-CH4, siendo la reacción principal el reformado seco de metano (2):

Descomposición metano:            CH4 → C + 2H2                       ΔH=74,5 kJ/mol-H2         (1)

Reformado seco de metano:   CH4 + CO2 → 2CO + 2H2           ΔH=246,9 kJ/mol-H2                   (2)

La reacción de reformado seco permite el aprovechamiento de CO2 capturado, y su integración en la economía circular mediante su reducción química directa, así como su aplicación al tratamiento de gases crudos procedentes de la generación de biogás, que forman mezclas de CO2/CH4, susceptibles de ser transformadas por la reacción (2) en gas de síntesis, hidrogeno y carbono. En la Figura 1 se muestra una descripción general de las opciones de utilización de gas natural en función de las emisiones de CO2, y como la pirólisis de metano puede constituir una técnica de captura de carbono, para su integración en la economía circular.

Figura 1: Descripción general de las opciones de utilización de gas natural en función de las emisiones de CO2

El desarrollo de reactores de alta temperatura se hace imprescindible para lograr esos objetivos, en cuanto los procesos de reducción de CO2, o de pirólisis de hidrocarburos requieren altas temperaturas que permitan un grado alto de avance de la reacción, y reduzcan el uso de catalizadores, que en muchos casos implican una generación adicional de residuos y complejidad. En resumen, hay una cantidad bastante importante de datos relacionados con la descomposición de metano en lo que se refiere a niveles de conversión teóricos de la reacción, y al comportamiento de potenciales catalizadores, con temperatura de operación como las descritas en la Figura 2.

Figura 2: Rangos de temperatura de aplicación de técnicas de descomposición térmica de metano.

La viabilidad técnico-económica y ambiental de muchos de esos procesos se puede mejorar con el desarrollo de reactores de alta temperatura con metales líquidos. Las buenas propiedades termo-físicas de los metales líquidos pueden abrir una línea muy prometedora para el diseño de reactores de muy alta temperatura. La capacidad de transferencia térmica (difusividad, conductividad, …) es una de las claves para poder desarrollar reactores a gran escala, homogeneizando las condiciones internas del reactor, tal y como se necesitaría para aplicaciones industriales. Por otro lado, la alta conductividad térmica de los metales líquidos da lugar a una buena transmisión de energía a los enlaces moleculares, reduciendo la necesidad de catalizadores.

Los antecedentes de este proyecto se encuentran en los trabajos previos que se han desarrollado para la prueba de concepto de un reactor de metal líquido para pirólisis de metano (Geißler et al., 2016) (Abánades et al., 2016), y que ha sido reconocido como una tecnología de futuro obteniendo premios de innovación como el 2º puesto de la competición de ideas de EIT Raw Materials, o el premio de R&D de la Industria alemana del gas.

En particular, el desarrollo que se propone tiene una relación directa con la “Acción sobre cambio climático y eficiencia en la utilización de recursos y materias primas”, al tratarse de una tecnología para aprovechar residuos orgánicos, productos del tratamiento de biomasa y materias primas fósiles sin emisiones de gases de efecto invernadero en un escenario de captura de CO2. Cabe destacar que estos recursos, además de la obtención de carbono metalúrgico y gas de síntesis, produce hidrógeno, como una forma de “energía segura sostenible y limpia”. Por otro lado, el empleo de fuentes de energía renovables, como el biogás, es un paso adelante en la obtención de energía, junto con su hibridación con energía solar concentrada. Ambos objetivos están relacionados, siendo este proyecto un desarrollo tecnológico innovador para el uso de recursos energéticos de forma segura y sostenible con implicaciones claras como herramienta para combatir el cambio climático.

REFERENCIAS

Abánades, A., Rathnam, R. K., Geißler, T., Heinzel, A., Mehravaran, K., Müller, G., & Stückrad, S. (2016). Development of methane decarbonisation based on liquid metal technology for CO2-free production of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 41(19), 8159-8167.

Davis, S. J., Caldeira, K., & Matthews, H. D. (2010). Future CO2 emissions and climate change from existing energy infrastructure. Science, 238(5997), 1330-1333.

Geißler, T., Abánades, A., Heinzel, A., Mehravaran, K., Müller, G., Rathnam, R. K., & Weisenburger, A. (2016). Hydrogen production via methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed. Chemical Engineering Journa, 299, 192-200.

Contacto

Javier Muñoz Antón, Responsable en funciones  de Grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM. – jamuñoz@etsii.upm.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía. 

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Un novedoso sensor de agua y humedad impreso en 3D de bajo coste y flexible es capaz de detectar las más pequeñas cantidades de agua

Autor: José I. Martínez

En las más diversas áreas, desde el campo de la salud, la calidad alimentaria, la detección ambiental, la industria textil, la agricultura, así como en una gran variedad de aplicaciones tecnológicas e industriales, existe una creciente demanda de dispositivos sensores capaces de manifestar una respuesta inmediata mediante cambios simples y rápidos en presencia de moléculas específicas. Entre ellos, los sensores de agua y humedad se encuentran entre los más comúnmente empleados, siendo capaces de controlar y monitorizar la cantidad de agua presente en un determinado entorno o material. Por ejemplo, si un determinado aceite lubricante tiene una gran concentración de agua la lubricación de maquinaria o instrumentación pudiera no ser la más adecuada. De la misma forma, si hay demasiada agua en un combustible, éste  pudiera no combustionar de la manera más eficiente.

En una ambiciosa colaboración interdisciplinar entre científicos pertenecientes a la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y al Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), se ha desarrollado un novedoso sensor de bajo coste y muy flexible, fabricado mediante un material plástico no-tóxico basado en un polímero de coordinación unidimensional de cobre decorado con moléculas de timina, capaz de detectar cantidades de agua extremadamente pequeñas en aire o en solventes orgánicos. El polímero de coordinación de cobre, que constituye la parte funcional de este nuevo sensor, presenta una molécula de agua enlazada a cada átomo de cobre central.

La excelente capacidad sensora de este material tiene su origen en una transformación estructural debido a la pérdida de moléculas de agua del polímero de coordinación – observada mediante el uso de rayos-X de alta energía – bien con la temperatura (a partir de 60º) o mediante la competición con moléculas de solvente, lo que induce, de manera simultánea, un cambio significativo en su color desde un color púrpura a un color azul en condiciones de humedad. Una gran ventaja de este material es que este cambio estructural se puede revertir, y con ello su color, mediante su exposición al aire, poniéndolo en contacto con agua, o en un solvente orgánico con pequeñas trazas de agua.

Para la preparación del sensor el polímero de coordinación se mezcla con una tinta polimérica para impresión 3D químicamente inocua. Se han  impreso sensores con distintas formas y tamaños, los cuales fueron testados con una gran variedad de solventes conteniendo distintas cantidades de agua. Estos estudios demostraron que los sensores impresos resultaban incluso más sensibles a la presencia de agua que el compuesto polimérico de coordinación por sí solo gracias a su naturaleza porosa.

En distintos solventes, los sensores impresos pueden detectar un rango de entre 0.3% y 4% de agua en menos de 2 minutos. En aire pueden incluso detectar una humedad relativa del 7%. Cuando se secan, bien en un solvente libre de agua o mediante calentamiento, el material revierte su color azul de nuevo en púrpura. Un análisis exhaustivo del material muestra que es estable después de muchos ciclos de calentamiento, y que los compuestos de cobre se distribuyen de manera homogénea dentro del material de impresión. Estos sensores son estables en aire hasta 1 año y en entornos biológicos con pHs de entre 5 y 7, lo que sugiere un alto potencial para su aplicación como robustos sensores colorimétricos.

El resultado de esta investigación, presentado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808424), abre la puerta al desarrollo de una nueva familia de materiales sensores impresos en 3D basada en la integración de polímeros de coordinación multifuncionales con polímeros orgánicos.

 

Fig. Distintas versiones de los dispositivos sensores impresos en 3D. Cuando se secan mediante calentamiento o en un solvente libre de agua el material sensor cambia su color a púrpura.

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Electrodos basados en grafeno, ¿una revolución para la tecnología fotovoltaica?

Autores: Susana Mª Fernández Ruano. José Javier Gandía Alabau. Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Departamento de Energía. CIEMAT.

Uno de los retos a los que se enfrenta la sociedad actual es el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan generar y almacenar energía de manera segura, sostenible y limpia; como consecuencia de la fuerte demanda energética existente. La generación de energía está originando una gran discusión socioeconómica que se ve agravada por el enorme crecimiento de la demanda en países emergentes. Esto da lugar a serios problemas medioambientales, de contaminación y cambio climático, así como a importantes problemas económicos por la cada vez más acuciante escasez de los recursos naturales y el continuo incremento de la factura de la electricidad. Estamos pues ante una sociedad altamente dependiente de las fuentes de energía, que comienza a ser consciente de la urgencia que hay por desarrollar y utilizar nuevas energías alternativas con carácter sostenible, por temor de que se agoten los recursos naturales.

En este escenario energético, en los próximos años se espera que la tecnología fotovoltaica juegue un papel crucial en la lucha contra el cambio climático. Hoy en día, la hoja de ruta del mercado fotovoltaico, dominado por la tecnología de la oblea de silicio, muestra una fuerte tendencia hacia células más delgadas y más baratas. En este sentido, la tecnología de heterounión de silicio surge como solución potencial de baja temperatura, ya que se trata de dispositivos con excelentes prestaciones y bajo consumo de energía en su fabricación. Uno de los progresos en esta tecnología requiere desarrollar nuevas arquitecturas de electrodos frontales transparentes que permitan la extracción de la corriente del dispositivo de manera más eficiente. En este sentido, el uso del grafeno, el material más resistente que se conoce en la naturaleza, atrae un gran interés. Se piensa que puede ser el substituto incluso de materiales tan importantes como el propio silicio en algunas aplicaciones, y promete su aplicación en sectores muy dispares. Las expectativas generadas para este material están siendo enormes, y no hay duda que presenta propiedades excepcionales que en principio podrían suponer una verdadera revolución tecnológica debido a sus características específicas.

Bajo estas premisas, la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del CIEMAT, en colaboración con la División de Química y la Unidad de Electrónica, ambas también del CIEMAT, y el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnologías (ISOM), perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), se encuentra inmersa en el proyecto DIGRAFEN de la convocatoria de Retos de 2017 [1]. Una de las finalidades de este proyecto es llegar a implementar el grafeno, aprovechando sus excelentes propiedades, en dispositivos de generación de energía ya existentes. En particular, se pretende incorporar este material de modo que se mejoren las propiedades electrónicas y ópticas de los electrodos frontales, obteniendo así células fotovoltaicas más eficientes. Este proyecto es altamente innovador puesto que su principal enfoque es desarrollar nuevas tecnologías e ingeniería de procesado del grafeno para su uso en dispositivos de generación y almacenamiento de energía.

Actualmente la UESF, en estrecha colaboración con el ISOM, se encuentra explorando nuevas arquitecturas de electrodos transparentes basadas en incorporar una, dos y/o tres capas de grafeno atómico en unión con un óxido conductor transparente convencional, en diferentes configuraciones (ver Fig. 1 (a)).

  

Fig. 1. (a) Configuraciones de electrodo transparente con grafeno, y (b) sus propiedades ópticas, testeadas en el marco del proyecto DIGRAFEN [2].

Los primeros resultados obtenidos revelan que las propiedades optoelectrónicas del electrodo transparente basado en grafeno dependen dramáticamente del orden en el que se encuentren las capas de grafeno atómico. Tanto es así que se han obtenido valores de resistencia de hoja de 55 Ω/sq cuando el grafeno se coloca en la parte superior del electrodo, y de 150 Ω/sq, cuando el grafeno está situado en la parte posterior del mismo (cubierto por el óxido conductor transparente). En cuanto a sus propiedades ópticas, se ha observado que la transmitancia del conjunto no se ve afectada por la posición del grafeno; mientras que la comparación de las reflectancias espectrales con y sin grafeno transferido en la parte superior, nos permiten determinar una importante reducción en este valor, esencial para el dispositivo, validándose así la nueva arquitectura. Estos electrodos se aplicarán en un futuro muy cercano sobre un dispositivo fotovoltaico de heterounión de silicio. Todo ello con la intención de convertir en realidad el uso de uno de los materiales más prometedores que existen, contribuyendo además a la mejora de la generación de una energía limpia y sostenible.

Referencias:

[1] http://projects.ciemat.es/web/digrafen/

[2] S. Fernández, A. Boscá, J. Pedrós, A. Inés, M. Fernández, I. Arnedo, J.P. González, M. de la Cruz, D. Sanz, A. Molinero, R. Singh Fandan, M.A. Pampillón, F. Calle, J.J. Gandía, J. Cárabe, J. Martínez, “Advanced Graphene-based transparent conductive electrodes for photovoltaic applications”, Micromachines 2019, vol 10, 402 (11 pages).

Online version: https://doi.org/10.3390/mi10060402

 

Socios del proyecto:

Contacto:

Susana Mª Fernández Ruano de la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del CIEMAT. E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es

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Hacia un ciclo sostenible de carbono

Autor: Juan José Vilatela García. Instituto IMDEA Materiales

El eje conductor de la ciencia de materiales de hoy en día se debe centrar prioritariamente en mitigar directa o indirectamente las emisiones de gases invernadero de la actividad humana. Estudios recientes nos dan una guía para navegar a través de los enormemente complejos retos tecnológicos asociados, poniendo el foco en transformar el transporte y la industria, contribuyentes de cerca del 62% de emisiones de CO2. Estamos urgidos también a acelerar el paso. A pesar de los loables objetivos de sostenibilidad liderados por Europa hacia el 2050, las proyecciones muestran una realidad alarmante; la producción de acero y aluminio, los materiales con mayores emisiones asociadas, se duplicarán en 30 años [1].

Una estrategia prometedora es el reemplazo de metales altamente emisores por nuevos materiales de carbono, más ligeros, evidentemente, pero sobre todo, fabricados mediante procesos de menores emisiones. El punto de partida es usar procesos para transformar catalíticamente una fuente de carbono, por ejemplo gas natural, en materiales estructurales y conductores eléctricos. De cara al objetivo de reducir emisiones mediante el reemplazo de metales, la reacción simplificada asociada nos permite analizar las distintas áreas a desarrollar

La energía suministrada al proceso contiene las mayores contribuciones a las emisiones y es una variable a minimizar. Para tener una métrica de comparación se puede considerar, por ejemplo, la huella de 10kg CO2/kg en la producción de aluminio [2]. En comparación, las emisiones en la fabricación de negro de humo (en inglés carbon black, CB) a partir de gas natural, son cercanas al 0.8 CO2/kg [3]. La perspectiva energética es aún más halagüeña si en el proceso se recupera el H2 y se utiliza como combustible. Visto desde otra perspectiva, los elementos estructurales y conductores del futuro se pueden fabricar como subproductos durante la generación de hidrógeno; una idea en la que ya apuesta el sector público-privado en EEUU [4], por ejemplo.

La utilidad práctica del proceso descrito por esta sencilla ecuación depende principalmente de las características del carbono resultante, es decir, de cuánto pueden competir con metales tradicionales. Y es aquí donde los detalles importan y por lo tanto donde la actividad científica es intensa. La capacidad de fabricar nanocarbonos y ensamblarlos en materiales macroscópicos como cables, fibras, telas, con propiedades superiores a las del acero y el aluminio, nos abre por primera vez en la historia, la puerta a considerar seriamente la posibilidad de usar estos procesos transformativos a gran escala como vehículos de reducción de emisiones. Desde distintos ángulos, diversas iniciativas a nivel mundial persiguen este objetivo basado en nanocarbonos: el desarrollo de nuevos cables eléctricos en Japón, la nueva generación de materiales compuestos estructurales en Corea impulsada por LG Chemical, el centro para la transformación de carbono en Houston, EEUU, impulsado por la industria petroquímica [5], y la producción masiva de nanotubos de carbono presentada por el mismo Putin en la cumbre de París de las Naciones Unidas [6].

Esquema  de la fabricación de fibras estructurales y conductoras a partir de la síntesis de nanotubos de carbono (CNT) mediante descomposición catalítica de una fuente de carbón (izquierda). Ejemplos de imágenes de la fibra durante su fabricación e hilado continuo y su estructura de CNTs (derecha).

Con esta perspectiva investigadores de IMDEA Materiales, IMDEA Energía e IMDEA Nanociencia llevamos casi una década trabajando conjuntamente en la investigación de nanotubos de carbono, centrados en tres áreas principales: entender y controlar mejor la reacción de síntesis, ensamblar nanotubos de maneras que potencien sus propiedades axiales, y su integración en aplicaciones principalmente en aligeramiento y gestión energética en transporte. Recientemente, realizamos estudios sobre la ruta térmica de descomposición de distintos precursores de carbono in-situ durante la fabricación de fibras de CNTs [7]. Esto permitió encontrar nuevas herramientas para aumentar el rendimiento del proceso y las propiedades del material resultante a través de la elección de precursores de carbono. Actualmente, nuestros esfuerzos buscan continuar dando pasos en la mejora de propiedades de materiales a base de nanocarbonos a través del control molecular y del ensamblado, así como en el desarrollo de herramientas analíticas para evaluar el impacto de estas tecnologías desde una perspectiva de sostenibilidad global.

[1] Sustainable Materials Without the Hot Air: Making Buildings, Vehicles and Products Efficiently and with Less New Material. Julian M. Allwood, Jonathan M. Cullen, UIT Cambridge Ltd, 2015.

[2] United Nations: Climate Change and Transnational Corporations – Analysis and Trends. U. N. Centre on Transnational Corporations, Environment Series 2, 1992, ST/CTC/112, ISBN 92‐1‐104385‐9, Chapter 7 “Production of Energy Intensive Metals”.

[3] http://www.remanufacturing.org.uk/pdf/story/1p158.pdf.

[4] R&D Opportunities for Development of Natural Gas Conversion Technologies for Co-Production of Hydrogen and  Value-Added Solid Carbon Products, Lawrence Livermore Laboratory, 2017

[5] https://news.rice.edu/2019/01/28/turning-natural-gas-into-carbon-nanotubes-cuts-energy-use-carbon-dioxide-emissions/.

[6] https://www.climatechangenews.com/2016/01/06/vladimir-putins-global-warming-fix-carbon-nanotubes/.

[7] X. Rodiles et al, Nature Scientific Reports, (2019) 9:9239.

Contacto

Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales, y miembro del Programa FotoArt-CM.

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ONYX, UN SISTEMA CONTACT-LESS ROMPEDOR, DISEÑADO PARA CARACTERIZAR EL GRAFENO

AutoresSusana Mª Fernández Ruano. Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Departamento de Energía. CIEMAT. Andrea Inés, Sergio Garay, Israel Arnedo. Das Nano Company.

En 2004, gracias a los Doctores K. Novoselov y A. Geim, se consiguió aislar el grafeno a temperatura ambiente utilizando un método tan simple como es la cinta Scotch. Este descubrimiento fue tan rompedor que bien valió el Premio Nobel de Física en 2010. Desde aquel momento, se prometen miles de aplicaciones en sectores muy dispares para este material increíble, y se piensa que podrá a llegar a ser tan relevante que sustituirá materiales tan utilizados como es el silicio. Esto es debido a las excelentes propiedades que presenta: duro, resistente, flexible y muy ligero; conduce el calor y la electricidad y permanece estable cuando se le somete a grandes presiones. Es tan versátil que se piensa que puede llegar a ser una auténtica revolución para la tecnología no tardando mucho tiempo.

Sin embargo, todo el magnífico progreso que se está realizando para obtener películas de grafeno que cubran grandes superficies no está siendo acompañado por métodos de caracterización rápidos y eficientes que permitan la obtención de sus propiedades eléctricas sin dañarlo. Ante esta nueva necesidad, la empresa tecnológica das-Nano ha desarrollado Onyx, el primer sistema contact-less del mercado, que permite caracterizar materiales en reflexión mediante ondas de Terahercio (ver Figura 1). Onyx permite medir parámetros eléctricos (conductividad, movilidad, densidad de portadores, etc) de materiales avanzados sin contacto y de forma no destructiva, a muy alta velocidad para obleas completas, y proporcionando mapas para una fácil visualización. Como muestra de lo novedoso de este equipo, que cubre la brecha entre las mediciones a macro y nano escala, la oficina de patentes de EEUU ha concedido a das-Nano una patente con la tecnología que está integrada en Onyx [1]. Este equipo permite también medir la distribución espacial de la calidad de la muestra con una excelente resolución espacial, del orden de unos pocos cientos de micras, y tiempo reducido, mejorando la eficiencia en comparación con otros métodos del mercado. Además, Onyx establece un compromiso óptimo entre resolución y velocidad de medida, pudiendo utilizarse tanto en procesos industriales como en investigación. Los estudios realizados con este novedoso equipo han generado recientemente varias publicaciones científicas en revistas de alto factor de impacto, confirmando que la inspección basada en ondas de Terahercio utilizada por Onyx es una gran herramienta para la caracterización de materiales avanzados como el grafeno.

Un ejemplo del buen funcionamiento de Onyx son los mapas de conductancia (Fig. 2a) y resistencia (Fig. 2b) obtenidos para un electrodo conductor transparente basado en la combinación de tres monocapas de grafeno, transferidos sobre una lámina de óxido de indio dopado con estaño (ITO), depositada por pulverización catódica, sobre silicio. Estas estructuras están siendo diseñadas y fabricadas en la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del CIEMAT dentro del marco del proyecto DIGRAFEN, de la convocatoria de Retos de 2017 [2]. Este proyecto de ámbito nacional pretende demostrar que se puede aplicar el grafeno en dispositivos de generación y almacenamiento de energía para desarrollar nuevos y mejores productos.

 

 

 Fig. 1.  Imagen del equipo Onyx desarrollado por la empresa tecnológica das-Nano.

 

Fig. 2. Mapas de (a) conductancia y (b) resistencia de un electrodo transparente híbrido basado en grafeno e ITO, obtenidos con el equipo Onyx [3].

 

Los mapas mostrados en la Figura 2 son un claro ejemplo de lo potente que puede llegar a ser este equipamiento; pueden obtenerse con excelente resolución a velocidades tan rápidas como 15 mm2/min, lo cual facilita enormemente el proceso de caracterización, y se convierte en una técnica muy competitiva. Además, de estos mapas puede extraerse no sólo los valores de la conductancia y resistencia, 14.03 mS y 76.2 Ω/ en este caso particular, sino que se puede validar la homogeneidad de las muestras, que en el caso del grafeno y su manejo puede resultar muy útil.

A la vista de estos resultados, creemos que Onyx es la tecnología que necesita la industria de producción de grafeno para despegar definitivamente.

Referencias:

 [1] Azanza, E.; Chudzik, M.; López, A.; Etayo, D.; Hueso, L.E.; Zurutuza, A. Das Nano, S.L. Quality 399   inspection of Thin films materials. Unites States patent, US 10,267,836 (B2), 2019 April 23.

[2] http://projects.ciemat.es/web/digrafen

[3] S. Fernández, A. Boscá, J. Pedrós, A. Inés, M. Fernández, I. Arnedo, J.P. González, M. de la Cruz, D. Sanz, A. Molinero, R. Singh Fandan, M.A. Pampillón, F. Calle, J.J. Gandía, J. Cárabe, J. Martínez, “Advanced Graphene-based transparent conductive electrodes for photovoltaic applications”, Micromachines 2019, vol 10, 402 (11 pages). Online version: https://doi.org/10.3390/mi10060402

Contacto:

Susana Mª Fernández Ruano, Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del CIEMAT.

E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es

 

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INSHIP – Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes

Autor: Alfonso Vidal-CIEMAT

Resumen

A pesar de que el calor de proceso es reconocido como la aplicación con mayor potencial entre las aplicaciones de calefacción y refrigeración solar, el calor solar para procesos industriales (SHIP) todavía presenta una modesta participación de alrededor de 88 MWth de capacidad instalada (0,3% del total de la capacidad solar térmica instalada).

En este contexto, el proyecto INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes) tiene por objeto la definición de un ECRIA (European Common Research and Innovation Agenda) que reúne a los principales institutos de investigación europeos con actividades reconocidas en el ámbito del SHIP.

El uso de la energía solar concentrada en sustitución de los combustibles fósiles para impulsar la calcinación endotérmica del CO3Ca a más de 1300 K tiene el potencial de reducir las emisiones de CO2 en un 20% en una planta de cal de última generación y hasta un 40% en una planta de cemento convencional.

En este sentido, la actividad 4.2 del proyecto INSHIP liderada por CIEMAT se centra en la integración de este proceso en una planta de torre central, la selección del tipo de reactor más adecuado y finalmente la evaluación del rendimiento térmico del receptor en condiciones reales.

Abstract

Despite process heat is recognized as the application with highest potential among solar heating and cooling applications, Solar Heat for Industrial Processes (SHIP) still presents a modest share of about 0.3% of total installed solar thermal capacity. In this context, the project INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes) aims at the definition of an ECRIA (European Common Research and Innovation Agenda) engaging major European research institutes with recognized activities on SHIP

Cement is the third-largest energy consumer in the industry sector, accounting for 7% of total final industrial energy use, but due to important process emissions, cement has the second-largest share of CO2 emissions from industry at 27%, i.e. 6.5% of total energy-related CO2 emissions.

The use of concentrated solar energy in place of fossil fuels for driving the endothermic calcination reaction CaCO3 = CaO + CO2 at above 1300 K has the potential of reducing CO2 emissions by 20% in a state-of-the-art lime plant and up to 40% in a conventional cement plant.

The activity 4.2 of the INSHIP project led by CIEMAT focuses on the integration of a cement process in a central tower plant, selection of the most suitable reactor configuration and finally the evaluation of the thermal performance of the receiver under real conditions.

A pesar de que el calor de proceso es reconocido como la aplicación con mayor potencial entre las aplicaciones de calefacción y refrigeración solar, el calor solar para procesos industriales (SHIP) todavía presenta una modesta participación de alrededor de 88 MWth de capacidad instalada (0,3% del total de la capacidad solar térmica instalada). A nivel regional, la contribución del calor de proceso en el consumo total de energía final representa valores en torno al 30% en Asia y América Latina, alrededor del 20% en Europa, Eurasia y Australia no pertenecientes a la OCDE o alrededor del 15% en Europa, África y América de la OCDE.

La gama actual de costes de producción de calor muestra que el calor de proceso impulsado por energías renovables (ER) ya es económicamente competitivo cuando se consideran la biomasa o los recursos geotérmicos. La energía solar térmica se acerca actualmente a la competitividad sólo en aplicaciones de baja temperatura.

En este contexto, el proyecto INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes) tiene por objeto la definición de un ECRIA (European Common Research and Innovation Agenda) que reúne a los principales institutos de investigación europeos con actividades reconocidas en el ámbito del SHIP.

El paquete 4 del proyecto tiene como objetivo identificar aquellos procesos industriales con una demanda importante de calor a alta temperatura y altas emisiones, de cara a una posible integración de energía solar concentrada. 

La industria del cemento es el tercer consumidor de energía del sector industrial, con un 7% del total del consumo final de energía industrial, pero debido a las importantes emisiones de los procesos, el cemento tiene la segunda mayor parte de las emisiones de CO2 de la industria, con un 27%, es decir, un 6,5% del total de las emisiones de CO2 relacionadas con la energía. Se prevé que esta cuota se duplique en 2050 bajo el 2DS, situando al subsector del cemento en el primer lugar.

El uso de la energía solar concentrada en sustitución de los combustibles fósiles para impulsar la calcinación endotérmica [1] a más de 1300 K tiene el potencial de reducir las emisiones de CO2 en un 20% en una planta de cal de última generación y hasta un 40% en una planta de cemento convencional.

En este sentido, la actividad 4.2 del proyecto INSHIP liderada por CIEMAT se centra en la integración de este proceso en una planta de torre central, la selección del tipo de reactor más adecuado y finalmente la evaluación del rendimiento térmico del receptor en condiciones reales.

Para este tipo de proceso se ha seleccionado la geometría de cavidad,  esta geometría ha sido ampliamente utilizada como concepto de reactor solar dado que ha demostrado tener mayores eficiencias que los receptores externos (1,2). El uso de geometrías de cavidad facilita la reducción de las pérdidas térmicas, minimizando las pérdidas convectivas y radiativas totales, lo que conduce a una mejora de la eficiencia óptica.

Estas configuraciones son adecuadas para aplicaciones de concentración solar ya que suelen mostrar una baja respuesta a los cambios en las condiciones de funcionamiento, lo que evita cambios bruscos de temperatura en presencia de pequeños transitorios, lo que resulta especialmente útil cuando se aplica calor solar a una planta química en la que los cambios de temperatura en un proceso pueden producir problemas en el control de la planta.

Un prototipo de receptor de 100 kW se está ensayando en la torre CRS de la Plataforma Solar de Almería en condiciones reales para confirmar este tipo de comportamiento.

[1] Harris, J.A., Lenz, T.G.,. Thermal performance of solar concentrator/ cavity receiver systems. Solar Energy 34 (2), (1985). 135–142.

[2] Clausing, A.M. An analysis of convective losses from cavity solar central receivers. Solar Energy 27 (4), (1981) .295–300.

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Alfonso Vidal, Investigador del Grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM.- alfonso.vidal@ciemat.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía.

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De la cocina al laboratorio: el uso de la sal para desacoplar grafeno de sustratos metálicos.

Autores: Irene Palacio y José Ángel Martín Gago. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

En el 2004 el grafeno irrumpe en el panorama científico con la promesa de ser uno de los principales materiales del futuro tecnológico debido a sus excelentes propiedades tanto electrónicas como mecánicas, ópticas…. Es por ello, que desde entonces una gran parte de la comunidad científica ha realizado un gran esfuerzo en el estudio y desarrollo de este material y sus posibles aplicaciones. De hecho, la Comunidad Europea  financia con 1 Billón de euros un proyecto coordinado con diferentes laboratorios europeos sobre grafeno conocido como Graphene Flagship desde el año 2013 y con duración hasta el 2023.

La síntesis de grafeno sobre metales mediante diversas técnicas está ya bastante optimizada, sin embargo, la fuerte interacción entre el grafeno y el sustrato es el principal punto problemático a la hora de la aplicación directa de esté material en la electrónica. Para solventar este problema, diversas soluciones han sido propuestas: desde la síntesis directa en sustratos aislantes, a la transferencia de la lámina de grafeno a otros sustratos más relevantes o el desacoplo de grafeno del sustrato. Es en ésta última propuesta donde el  grupo ESISNA del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) en colaboración con la línea CIRCE del Sincrotrón ALBA de Barcelona y el Centro de Física de Materiales en San Sebastián,  ha desarrollado una nueva metodología para el desacoplo de grafeno de superficies metálicas mediante la fotodisociación de sal (NaCl).

Concretamente, el trabajo, recientemente publicado en la revista 2D Materials, demuestra cómo desacoplar el grafeno sintetizado sobre un metal de una forma sencilla y reversible. La idea es evaporar una lámina delgada de sal sobre la muestra de grafeno para luego irradiar la muestra con fotones altamente energéticos. Éste haz de fotones, disocia las moléculas de NaCl, y mientras que los iones de cloro se desorben, los de sodio se intercalan a través del grafeno desacoplándolo del sustrato. Además de desacoplarlo, logran dopar el grafeno (tipo n), lo que es una ventaja para ciertas aplicaciones. El proceso es totalmente reversible, pudiéndose recuperar la muestra original y sin dañar de grafeno mediante un calentamiento.

Esta nueva metodología tiene un gran potencial tecnológico, ya que es simple y eficaz  y se sirve de un elemento, la sal, abundante y barato.

Esquema  y patrones de difracción demostrando el desacoplo de grafeno de una superficie metálica mediante la fotodisociación de sal, así como la reversibilidad del proceso.

Publicación: I.  Palacio et al.  2D Materials, 6, 025021 (2019)

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Jose Ángel Martín Gago, Responsable de Grupo ESSISNA del Programa FotoArt-CM. – gago@icmm.csic.es

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

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La búsqueda de rentabilidad de la energía solar térmica de concentración

Autor: Javier Muñoz-Antón-Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La independencia energética de países de escasos recursos fósiles resulta prácticamente imposible, lo que en el caso de países como España obliga a orientar la política energética hacia recursos renovables, entre las que se puede destacar la energía solar. El fiasco nacional de la política de subvenciones de principio de siglo XXI, y la crisis económica complican la implantación de estas tecnologías que a día de hoy resultan excesivamente caras en comparación con ciertas alternativas tradicionales y otras renovables. La investigación que se presenta a continuación trata de mitigar el problema de la incursión de nuevas tecnologías de aprovechamiento solar en el mercado con un nuevo concepto de planta termosolar que presente cambios disruptivos frente a diseños previos en base a una sistemática de análisis de coherencia térmica en todos los procesos de la planta de aprovechamiento y generación. Esta tecnología ya se está explotando a nivel de prototipo mediante el proyecto Futuro Solar, fruto de la colaboración entre la Universidad Politécnica de Madrid y OHL Industrial: Futuro Solar fue presentado en el marco de la 2ª convocatoria de proyectos de Investigación y Desarrollo cofinanciados por el Mecanismo Financiero del Espacio Económico Europeo (EEA-Grants gestionadas por CDTI IDI-20140942) constituyendo en su momento un prototipo avanzado en cuanto a la curva de aprendizaje respecto al estado de la técnica de la tecnología termosolar. Como evolución se llegó al diseño del Reloj De Sol, el cual ha sido construido con fondos propios de la F2I2-GIT y constituye un sistema robusto y barato para producción de calor de proceso, que se encuentra actualmente en fase de pruebas.

Abstract

The energy independence of countries with scarce fossil resources is practically impossible, which in the case of countries like Spain obliges to direct energy policy towards renewable resources, among which solar energy can be highlighted. The national fiasco of the subsidy policy of the beginning of the 21st century, and the economic crisis complicate the implementation of these technologies that today are too expensive compared to certain traditional and other renewable alternatives. The research presented below tries to mitigate the problem of the incursion of new technologies of solar use in the market with a new concept of solar thermal plant that presents disruptive changes compared to previous designs based on a systematic analysis of thermal coherence in all the processes of the use and generation plant. This technology is already being exploited at the prototype level through the Futuro Solar project, the result of collaboration between the Universidad Politécnica de Madrid and OHL Industrial: Futuro Solar was presented within the framework of the 2nd call for Research and Development projects co-financed by the Financial Mechanism of the European Economic Area (EEA-Grants managed by CDTI IDI-20140942) constituting at the time an advanced prototype in terms of the learning curve with respect to the state of the art of solar thermal technology. As an evolution, the design of the Sun Dial was reached, which has been built with the F2I2-GIT’s own funds and constitutes a robust and cheap system for the production of process heat, which is currently in the testing phase.

 Artículo difusión

La agricultura siempre ha sido un referente para sistemas de producción en los que se necesita gran superficie para obtener beneficio económico, siempre tratando de reducir los costes de recolección respecto a la superficie donde se realiza.

Esta máxima se puede aplicar al aprovechamiento de energía solar en los campos solares para producción de energía renovable, donde aparecen dos competidores importantes: fotovoltaica y solar térmica. La primera adolece actualmente de almacenamiento de energía en grandes cantidades con buen rendimiento. La segunda lo permite, pero con un coste mayor. El almacenamiento térmico tiene el inconveniente de que cuanto mayor es la temperatura, mayores son las pérdidas… e  interesa que la temperatura sea cuanto mayor mejor para la producción de energía eléctrica.

Para el caso de la solar térmica existen cuatro tecnologías disponibles a nivel comercial (figura 1) con diferentes costes, eficiencias, temperaturas… sin que exista un dominador claro a día de hoy.

Figura 1: Tipos de tecnologías termosolares

En la búsqueda de ese dominador se basa en economía, fiabilidad y rendimiento, que deben ser analizadas desde una perspectiva novedosa como puede ser la coherencia térmica, o de forma más explícita, evitar requerimientos excesivos par el fin que se persigue. Para ello, se puede tener en cuenta otros ámbitos de la ingeniería como el nuclear, donde multitud de centrales funcionan con temperaturas moderadas (300ºC).

Los años anteriores a la crisis financiera fueron caracterizados a nivel nacional por importantes subvenciones, cuyo objetivo era impulsar el desarrollo de tecnologías renovables competitivas, pero que en la práctica del ámbito termosolar replicó una y otra vez el mismo concepto de campo desarrollado en los años 80 del pasado siglo sin avances tecnológicos sustanciales.

La tendencia tradicional a mejorar las prestaciones de los sistemas termosolares incrementando su temperatura lastra la competitividad de la tecnología incrementando los requerimientos de precisión y materiales, cuando lo necesario para producir energía eléctrica no es tan exigente si se toma como referente el ámbito nuclear, que requiere unos 300ºC.

La falta de necesidad detectada de ir a requerimientos tan exigentes, como en el ámbito de la energía eólica con el molino de tres palas, lleva a reconsiderar el diseño de plantas termosolares. Sin olvidar que aumentar la temperatura tiene dos consecuencias fundamentales: disminuye el rendimiento del receptor al aumentar las pérdidas térmicas y aumenta el rendimiento de la conversión de energía eléctrica al hacerlo el bloque de potencia.

Tradicionalmente los sistemas Fresnel se han utilizado a pequeña escala para producir un efluente térmico cercano a 350ºC, haciendo uso de una única tubería situada en el receptor. Pero el perfil de concentración que alcanza el receptor de un sistema Fresnel se asemeja no es constante, por lo que colocar un único tubo limita la máxima temperatura que se puede llegar a alcanzar. Aumentar el número de tubos permite tener la posibilidad de elevar la temperatura del efluente térmico (figura 3), y posibilitando una especialización de los tubos: los que reciben menor radiación solar trabajan a menor temperatura y los que reciben mayor radiación solar trabajan a mayor temperatura, existiendo una temperatura para cada densidad de potencia.

Figura 2: Sección transversal de un receptor Fresnel multitubo para un mejor aprovechamiento térmico

Figura 3: Reloj de Sol

Figura 4: Receptor del Reloj de Sol en funcionamiento

Conclusiones

La posibilidad de reducir requerimientos y prestaciones no debe ser olvidada para conseguir una mayor rentabilidad de la producción de energía termosolar, y soluciones como el Reloj de Sol (figuras 4 y 5) deben ser tenidas en cuenta, fundamentalmente por el hecho de no requerir de tecnología compleja y poderse construir con medios disponibles en polígonos industriales comunes.

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Javier Muñoz Antón, Responsable en funciones  de Grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM. – jamuñoz@etsii.upm.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía.

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Membranas multifuncionales nanoestructuradas para la producción de combustibles solares por fotosíntesis artificial.

Autor: Alejandro García Eguizábal. Unidad de Procesos Fotoactivados. Instituto IMDEA Energía.

Uno de los retos más importantes para la sociedad actual, desde el punto de vista medioambiental, es el desarrollo de tecnologías capaces de paliar los efectos de los gases efecto invernadero como principales causantes del calentamiento global.

En esta línea, el grupo de Procesos Fotoactivados (http://www.hymap.eu/) liderado por el investigador Víctor A. de la Peña, ha sido uno de los premiados con la financiación de la fundación Ramón Areces para trabajar, durante los próximos tres años, en desarrollar la ansiada fotosíntesis artificial. El grupo, ubicado en el madrileño instituto IMDEA Energía (https://www.energia.imdea.org/), ha logrado ser seleccionado presentando el proyecto: “Membranas multifuncionales nanoestructuradas para la producción de combustibles solares por fotosíntesis artificial.”

El desafío, imitar a la naturaleza para desarrollar la tecnología capaz de resolver la fotosíntesis artificial, no es sencillo. Las plantas verdes realizan este proceso usando energía solar para producir sus propios alimentos a partir de CO2. La reacción combina CO2 y agua produciendo glucosa y oxígeno como resultado. Más importante aún, es la vía clave de valorización del CO2 y una de las estrategias más prometedoras para el almacenamiento de la energía y el reciclaje del CO2 mediante el uso de energía limpia.

Así, el principal reto del grupo de investigación es el diseño de un dispositivo fotoelectro-catalítico que permita la conversión de energía solar a través de la transformación de CO2 y H2O en combustibles o productos de valor añadido.

Para ello, se proponen como primer objetivo el desarrollo de nuevos materiales híbridos multifuncionales. Dichos materiales serán los encargados de llevar a cabo las reacciones implicadas. Esto es, dado que el proceso foto-multielectrónico es muy complejo, deben ser materiales capaces de: absorber luz ultravioleta y visible que logre la separación de cargas electrónicas, las cuales serán transportadas a un sistema catalizador encargado de realizar las reacciones químicas.

Otra de las determinaciones del grupo es llevar a cabo una caracterización exhaustiva de sus materiales para poder comprender su funcionamiento. Para ello, se utilizarán desde técnicas químicas, estructurales y ópticas hasta estudios teóricos; con la idea de comprender la relación estructura-actividad, los mecanismos de reacción y de teorización de los componentes fundamentales del centro activo.

La meta final del proyecto es la realización de un dispositivo fotolectro-químico, también conocido como hoja artificial, que aúna dos celdas electroquímicas, compuestas con los materiales sintetizados. Esta celda tándem funcionará sin más recurso que el de la irradiación de luz, es decir, sin la aplicación de un potencial eléctrico externo.

De esta manera, el grupo de Procesos Fotoactivados (IMDEA Energía) trabajará desde una de las escalas más pequeñas de la materia: la nanoescala, mediante nuevos conceptos de síntesis, hasta la macroescala, por medio de avances en ingeniería de reactores solares. Con la intención de entender ambos mundos y poder convertir en realidad el uso eficiente de la energía solar.

https://www.fundacionareces.es/fundacionareces/es/becas-y-ayudas/proyectos-de-investigacion/listado-de-proyectos/membranas-multifuncionales-nanoestructuradas-para-la-produccion-de-combustibles-solares-por-fotosintesis-artificial.html?idAmbito=1

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 Víctor A. de la Peña O´Shea del Instituto IMDEA Energía victor.delapenya@imdea.org


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Fotosíntesis Artificial: Entrevista a Víctor A. de la Peña

El 4 de julio de 2019, el Dr. Víctor A. de la Peña fue entrevistado en el programa de Radio Internacional “Quien exporta… importa” para explicar en qué consiste el fenómeno de la fotosíntesis artificial.

El Dr. de la Peña es un investigador del Instituto IMDEA Energía de Madrid . ¡No te pierdas su entrevista!

 

https://www.youtube.com/watch?v=SwW6-uM5daY

 

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