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Análisis comparativo del rendimiento energético y exergético en métodos de producción de hidrógeno

Autor: Ángel Martínez Rodríguez. Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La viabilidad de la producción de hidrógeno como fuente de energía sostenible con el fin de satisfacer la gran demanda energética mundial, es actualmente un reto. Existen varias técnicas para producir hidrógeno, tanto maduras como en desarrollo. La elección del método de producción de hidrógeno tendrá un alto impacto en la sostenibilidad de la economía del hidrógeno. Un aspecto importante para la determinar la viabilidad de un proceso industrial es el cálculo de las eficiencias energética y exérgetica, así como su integración global en la economía circular. Diferentes programas informáticos (DWSIM y MATLAB) junto con condiciones ya referenciadas, se han utilizado para llevar a cabo análisis teóricos de energía y exergía para estimar la producción de hidrógeno. El análisis consolida al reformado de metano o al reformado autotérmico como las tecnologías viables en el estado actual de la técnica, con eficiencias energéticas y exergéticas razonables, pero pendientes del impacto de las restricciones medioambientales como contramedidas a las emisiones de CO2. Sin embargo, el cracking de gas natural o la electrólisis muestran resultados muy prometedores, y se debe avanzar en su madurez tecnológica y de escalado. La electrólisis muestra una muy buena eficiencia exergética debido a que la electricidad en sí misma es una alta fuente de exergía. Las pérdidas de exergía de la pirólisis son principalmente derivadas del carbón sólido formado, lo que tiene un potencial de integración muy alto en la economía del hidrógeno.

Abstract

The study of the viability of hydrogen production as a sustainable energy source is a current challenge, to satisfy the great world energy demand. There are several techniques to produce hydrogen, either mature or under development. The election of the hydrogen production method will have a high impact into the practical sustainability of the hydrogen economy. An important profile for the viability of a process is the calculation of energy and exergy efficiencies, as well as their overall integration into the circular economy. To carry out theoretically energy and exergy analyses we have estimated proposed hydrogen production using different software (DWSIM and MATLAB) and reference conditions. The analysis consolidates methane reforming or auto-thermal reforming as the viable technologies at the present state of the art, with reasonable energy and exergy efficiencies, but pending on the impact of environmental constraints as CO2 emission countermeasures. However, natural gas or electrolysis show very promising results, and should be advanced in their technological and scaling maturity. Electrolysis shows a very good exergy efficiency due to the fact that electricity itself is a high exergy source. Pyrolysis exergy loses are mostly in the form of solid carbon material, what has a very high integration potential into the hydrogen economy.

Artículo de difusión

El rol del hidrógeno en la transición energética es de gran relevancia al ser considerado un vector alternativo para el almacenamiento de energía y presentar la posibilidad de usarse como combustible. La cantidad de energía producida por la combustión del hidrógeno es mayor que la producida por cualquier otro combustible (2,4, 2,8 y 4 veces más que el metano, la gasolina y el carbón, respectivamente)[1]. El hidrógeno es el compuesto más simple y abundante del universo, sin embargo, no se encuentra en la naturaleza por sí mismo, normalmente está unido a moléculas de oxígeno o de carbono, por lo que debe obtenerse mediante diferentes metodologías.

En la actualidad, se utilizan una gran variedad de procesos de producción de hidrógeno, que pueden dividirse en métodos termoquímicos, que consisten en la obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos, y métodos relacionados con la electrólisis del agua. Algunas de las técnicas más maduras o prometedoras para su aplicación en el futuro se pueden centrar en: reformado de metano con vapor (SMR) [2], [3], oxidación parcial del metano (POM) [4], gasificación del carbón (CG) [5], reformado autotérmico del metano (ATM) [6], electrólisis del agua (WE) [7], gas natural pirólisis (NGP) [8] y reformado en seco del metano (DRM) [9], [10].

La comparativa de los diferentes métodos citados para la producción de hidrógeno desde el punto de vista energético y exergético sirve para evaluar sus limitaciones respecto a sus condiciones de implantación. La diferencia entre las eficiencias energética y exérgica es que la eficiencia energética o térmica utiliza únicamente la fuente de calor como energía de entrada y en el caso de la exergía utiliza la fuente de combustible como energía de entrada. En resumen, la eficiencia exergética siempre será relevante, y la eficiencia energética sólo lo será en los casos en los que la fuente de energía esté en forma de calor [11].

Los procesos se simularon con el simulador de procesos de código abierto DWSIM [11]. De estas simulaciones se obtuvieron los resultados mostrados en la Figura 1.

Figura 1: Comparación entre eficiencias energéticas y exergéticas.

El reformado de vapor de gas natural es la tecnología preferida en muchos proyectos ambiciosos de implantación de hidrógeno. Entre los métodos basados en combustibles fósiles disponibles a escala industrial, el reformado al vapor muestra la menor producción de CO2 por producto de hidrógeno a un coste razonable del mismo. Hoy en día, es la opción preferida en combinación con la captura y secuestro de carbono (CCS) para proyectos a gran escala. Por el contrario, la electrólisis del agua es un método libre de CO2 para la producción de hidrógeno, sin embargo, los requisitos energéticos de la hidrólisis son 4 veces superiores a los del reformado con vapor, lo que implica un proceso mucho más intensivo en energía, con una fuerte dependencia de la regulación y los costes del mercado de la electricidad renovable y una tensión mucho mayor sobre la capacidad de las instalaciones de energía renovable.

El análisis exergético muestra las menores eficiencias, tanto para el reformado seco de metano como para la gasificación del carbón, aunque sean procesos maduros. En particular, la gasificación del carbón presenta una mayor producción de CO2, lo que implica que, a pesar de los aspectos económicos, parece estar en desventaja en su aplicación en la transición energética. El reformado en seco es un proceso que muestra una emisión neta de CO2 similar a la del reformado con vapor, con la capacidad de reducir el CO2 a CO en algún punto del proceso, lo que podría aumentar su interés en el contexto de la economía circular.

El impacto en la eficiencia energética de la integración global de las tecnologías de producción de hidrógeno con una producción significativa de CO2 debe complementarse con la consideración de la captura y secuestro de carbono (CCS) para su implantación en un futuro sostenible. En este sentido, la electrólisis y la pirólisis de gas natural no se verán muy afectadas. Hay otras cuestiones que deberían analizarse para obtener una imagen completa, como las emisiones inducidas por las fugas de gas natural o el ciclo de vida de los componentes de los electrolizadores. Sin embargo, estas tecnologías tienen que enfrentarse al reto de poder alcanzar una capacidad muy alta de producción de hidrógeno. En particular, la pirólisis del gas natural debe avanzar en su madurez. La producción de carbono como subproducto principal y su plena integración en la economía circular aumentaría el interés de la pirólisis de metano, ya que requerirá mucha menos energía que la electrólisis con el resultado adicional de un material útil (carbón) para su posterior procesamiento.

Referencias

[1] G. Marbán and T. Valdés-Solís, “Towards the hydrogen economy?,” 2007. doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.12.017.

[2] S. A. Bhat and J. Sadhukhan, “Process intensification aspects for steam methane reforming: An overview,” AIChE J., vol. 55, no. 2, pp. 408–422, Feb. 2009, doi: 10.1002/aic.11687.

[3] W. Maqbool, S. J. Park, and E. S. Lee, “Steam methane reforming of natural gas with substantial carbon dioxide contents – Process optimization for gas-to-liquid applications,” in Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 548–549, pp. 316–320, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.548-549.316.

[4] P. Corbo and F. Migliardini, “Hydrogen production by catalytic partial oxidation of methane and propane on Ni and Pt catalysts,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 32, no. 1, pp. 55–66, Jan. 2007, doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.06.032.

[5] S. Lin, M. Harada, Y. Suzuki, and H. Hatano, “Hydrogen production from coal by separating carbon dioxide during gasification,” Fuel, vol. 81, no. 16, pp. 2079–2085, Nov. 2002, doi: 10.1016/S0016-2361(02)00187-4.

[6] J. De Castro, R. Rivera-Tinoco, and C. Bouallou, “Hydrogen production from natural gas: Auto-Thermal Reforming and CO 2 capture,” in Chemical Engineering Transactions, 2010, vol. 21, pp. 163–168, doi: 10.3303/CET1021028.

[7] S. Shiva Kumar and V. Himabindu, “Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review,” Mater. Sci. Energy Technol., vol. 2, no. 3, pp. 442–454, Dec. 2019, doi: 10.1016/j.mset.2019.03.002.

[8] C. Guéret, M. Daroux, and F. Billaud, “Methane pyrolysis: Thermodynamics,” Chem. Eng. Sci., vol. 52, no. 5, pp. 815–827, Mar. 1997, doi: 10.1016/S0009-2509(96)00444-7.

[9] L. C. Buelens, V. V. Galvita, H. Poelman, C. Detavernier, and G. B. Marin, “Super-dry reforming of methane intensifies CO2 utilization via le Chatelier’s principle,” Science (80-. )., vol. 354, no. 6311, pp. 449–452, Oct. 2016, doi: 10.1126/science.aah7161.

[10] P. Summa, B. Samojeden, and M. Motak, “Dry and steam reforming of methane. Comparison and analysis of recently investigated catalytic materials. A short review,” Polish J. Chem. Technol., vol. 21, no. 2, pp. 31–37, 2019, doi: 10.2478/pjct-2019-0017.

[11] A. Martínez-Rodríguez and A. Abánades, “Comparative analysis of energy and exergy performance of hydrogen production methods,” Entropy, vol. 22, no. 11, pp. 1–17, Nov. 2020, doi: 10.3390/e22111286.

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Ángel Martínez Rodríguez, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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Una nueva familia de materiales tipo COF para la degradación de contaminantes orgánicos en presencia de luz

Autores: Alberto López-Magano, Alicia Jiménez-Almarza, Rubén Mas-Ballesté y José Alemán

Resumen: En los últimos años, el empleo de materiales porosos ha experimentado un gran auge en una multitud de aplicaciones que van desde el almacenamiento de gases hasta la catálisis. En nuestro grupo, nos centramos en la familia de los COFs (Covalent Organic Frameworks), materiales orgánicos cristalinos y porosos fácilmente diseñables y versátiles. En este último trabajo, hemos sintetizado una serie de COFs que contienen como fragmentos fotoactivos derivados de fenilfenotiazina (PTH) y trifenilamina (TPA). Dichos materiales han sido empleados en la degradación de diferentes contaminantes orgánicos en presencia de luz. La sustitución progresiva de PTH por TPA en los materiales ha demostrado que es posible modular su actividad fotocatalítica, cambiando drásticamente el mecanismo por el que transcurre la degradación.

Abstract: In recent years, the use of porous materials has boomed in a multitude of applications ranging from gas storage to catalysis. In our group, we focus on the family of COFs (Covalent Organic Frameworks), crystalline and porous organic materials that are easily designed and versatile. In this last work, we have synthesized a series of COFs that contain as photoactive fragments derivatives from phenylphenothiazine (PTH) and triphenylamine (TPA). These materials have been used in the degradation of different organic pollutants in the presence of light. The progressive replacement of PTH by TPA in materials has shown that it is possible to modulate their photocatalytic activity, drastically changing the mechanism by which degradation occurs.

Gracias a la incorporación de fragmentos fotoactivos en una nueva familia de materiales, hemos sido capaces de degradar diferentes contaminantes orgánicos persistentes en presencia de luz con excelentes resultados.

El gran auge de la industria durante los siglos XX y XXI ha provocado que la contaminación sea uno de los principales problemas a los que se enfrenta la humanidad en nuestros días. En concreto, los contaminantes orgánicos persistentes suponen una amenaza para la salud humana, dado que son resistentes a la degradación, bioacumulables y tóxicos. Un caso particular de contaminantes orgánicos persistentes son los éteres de difenilo polibromados (PBDE), generalmente utilizados como retardadores de llama. Los tintes sintéticos son otra clase de especies químicas contaminantes de uso común en las industrias textil, alimentaria o cosmética. Entre ellos, los colorantes azoicos como el Rojo de Sudán III son una de las clases de contaminantes más perjudiciales, debido a que son muy persistentes en el medio acuático. Los tintes aromáticos, como el azul de metileno, proceden de la fabricación de productos relacionados con la inyección de tinta, fotografía y xerografía, así como industrias textiles y celulósicas.

Por lo general, se requieren dos vías diferentes para lograr la degradación de contaminantes orgánicos en función de su estructura y naturaleza: procesos de transferencia electrónica y de transferencia energética. De tal manera, es necesario encontrar estrategias para dirigir y modular estos procesos y lograr así su degradación selectiva. Una posible solución consiste en el empleo de materiales porosos, como los COFs. Los Covalent Organic Frameworks (COFs) son materiales orgánicos porosos y cristalinos formados mediante la unión de enlaces covalentes de diferente naturaleza. A pesar de su temprana edad, los COF, tal y como nos describe Rubén Mas-Ballesté, uno de los directores del proyecto, han supuesto una revolución en el sector de los nuevos materiales, con un amplio rango de posibles aplicaciones que van desde la producción y el almacenamiento de gases a la catálisis.

En nuestro grupo de investigación (www.uam.es/jose.aleman), una de nuestras líneas se ha especializado en el empleo de COFs en procesos fotocatalíticos, como la oxidación aeróbica de sulfuros orgánicos o desahalogenaciones radicalarias. Tal y como afirma Alberto López Magano, la combinación de esta excelente fotoactividad del PTH y la versatilidad y robustez de los COF nos hizo pensar en la posible aplicación de una nueva familia de materiales para degradar contaminantes orgánicos con luz. Además, los autores nos preguntamos qué sucedería al reemplazar fragmentos tipo PTH por un bloque de construcción isoestructural, como el TPA, y las consecuencias mecanísticas que podría conllevar. Con esta meta en mente, llevamos a cabo la síntesis de 5 materiales con diferentes proporciones de PTH y TPA. Tras su completa caracterización por diversas técnicas, evaluamos su actividad fotocatalítica en la degradación de tres contaminantes orgánicos persistentes modelo: el PBDE-1, el Rojo de Sudán III y el Azul de Metileno.

Al aumentar la proporción de PTH en el material, se lograron mejores resultados en la degradación del PBDE-1 y el Rojo de Sudán III. Sin embargo, el Azul de Metileno fue degradado más eficientemente al incrementar la proporción de TPA. Experimentos mecanísticos adicionales revelaron que los materiales ricos en PTH desencadenan procesos de transferencia electrónica, mientras que los COFs en los que predomina el TPA dan lugar a procesos de transferencia energética. En el caso del Rojo de Sudán III, la degradación transcurre mediante la generación de oxígeno singlete. Tal y como afirma el Director del grupo, el Dr. Alemán, fuimos capaces de reciclar del material rico en PTH en la degradación del PBDE-1 y solo 1 mg de catalizador, fuimos capaces de generar 50 mg de producto deshalogenado, lo que pone de manifiesto la excelente actividad fotocatalítica y robustez del COF.

Referencia bibliográfica:

Jiménez-Almarza, A.; López-Magano, A.; Cano, R.; Ortín-Rubio, B.; Díaz-García, D.; Gomez-Ruiz, S.; Imaz, I.; Maspoch, D.; Mas-Ballesté, R.; Alemán, J. “Engineering Covalent Organic Frameworks in the Modulation of Photocatalytic Degradation of Pollutants under Visible Light Conditions” Mater. Today Chem. 22 (2021) 100548. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100548

Contacto:

José Alemán, Responsable del Grupo FRONCAT e Investigador responsable del Grupo FRUAM del Programa FotoArt-CM – jose.aleman@uam.eswww.uam.es/jose.aleman

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

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Manipulación controlada del efecto Kondo en moléculas individuales

Autor: José Ignacio Martínez

El diseño de sistemas moleculares en superficies es crucial para la comprensión fundamental del transporte electrónico. El desarrollo de la electrónica molecular, los dispositivos espintrónicos y la computación cuántica sólo evolucionará hasta sus cotas más elevadas mediante un control preciso del espín electrónico y su interacción con el entorno. El efecto Kondo es un fenómeno que ha atraído mucha atención recientemente debido a su alto potencial en aplicaciones espintrónicas de una sola molécula. La fenomenología Kondo resulta de la interacción entre el espín de impurezas magnéticas y electrones de conducción, lo que se manifiesta en un cambio de conductividad eléctrica por debajo de cierta temperatura. Este fenómeno ha sido ampliamente investigado en superficies, particularmente en moléculas macrocíclicas sobre metales; sin embargo, el magnetismo de los complejos de coordinación que involucran lantánidos aún permanece en gran medida inexplorado.

Investigadores del Grupo “Nanoarchitectonics on Surfaces” del instituto IMDEA Nanociencia dirigido por el Dr. David Écija, en colaboración con el Dr. José Ignacio Martínez del Grupo ESISNA instituto ICMM del CSIC, ambos en Madrid, han publicado recientemente su trabajo sobre especies de lantánidos-porfirinas en la revista Nanoscale de RSC (Nanoscale, 2021, 13, 8600-8606). En su publicación, los investigadores prepararon porfirinas de disprosio (Dy) sobre una superficie de oro y estudiaron el efecto Kondo emergente. Las porfirinas son compuestos orgánicos macrocíclicos con interés como pigmentos, catalizadores y en electrónica molecular. Los investigadores pudieron “apagar” la resonancia de Kondo simplemente eliminando un átomo de hidrógeno del macrociclo a través de pulsos de voltaje inducidos por una punta con precisión submolecular.

El trabajo dirigido por el Dr. Écija combina el diseño en superficie de nanomateriales 2D reticulares basados en porfirinas, química de coordinación de lantánidos, microscopía de efecto túnel de barrido (STM) a baja temperatura y espectroscopía, con cálculos teóricos de simulación computacional basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT). Las especies premetalizadas que presentan esta resonancia Kondo se pueden manipular lateralmente para ensamblar redes Kondo artificiales. Los resultados de esta investigación, financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), manifiesta el gran potencial de la química de coordinación inducida por puntas para la espintrónica que aprovecha las propiedades magnéticas inherentes de los elementos con electrones f.

Imágenes STM de la síntesis en superficie de porfirinas de disprosio y derivados mediante la deposición secuencial de moléculas 2H-4FTPP y disprosio sobre la superficie Au(111).

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José Ignacio Martínez, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.

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

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La importancia de la entropía para el almacenamiento termoquímico de calor en perovskitas

Autor: Juan M. Coronado

Las perovskitas son compuestos que responden a la formula general ABX3 y presentan una estructura cristalina característica. Actualmente son uno de los tipos de materiales que están atrayendo un mayor interés en la en campo de la energía solar. En concreto las perovskitas híbridas organo-inorgánicos, como por ejemplo (CH3NH3+)PbI3, están generando una auténticarevolución en el campo de las celdas fotovoltaicas, debido a su elevada eficiencia y a que su síntesis se lleva a cabo a baja temperatura. Mucho menos conocida es la investigación de óxidos redox, también con estructura perovskita, ABO3, pero cuya composición es puramente inorgánica, para su utilización como medio de almacenamiento termoquímico de calor solar. Sin embargo, estos materiales están cobrando una importancia creciente en el ámbito de la energía termosolar de concentración (abreviada como CSP).

El almacenamiento térmico a alta temperatura permite seguir generando electricidad después de la puesta de sol en las plantas CSP. Recientemente, la perovskita CaMnO3 se ha propuesto como un candidato prometedor para esta aplicación. Este proceso aprovecha que este material libera oxígeno de manera reversible y rápida en respuesta a los cambios en la presión parcial de oxígeno (pO2) en el rango de temperatura de 800-1000 ° C. La energía puesta en juego en estas reacciones permite acumular o producir calor (según el sentido de la reacción) en unas condiciones de operación que se adaptan a las de una futura generación las plantas CSP. Sin embargo, el CaMnO3 es inestable y se descompone en condiciones de presión reducida (pO2<0.008 atm) y temperatura elevada (≥ 1100°C), limitando las posibilidades de su utilización. Como estrategia para modular el comportamiento termoquímico de esta perovskita, en un estudio reciente de Mastronardo y colaboradores [1] se investigó el efecto de la sustitución parcial (entre un 10 y un 30 %) de Ca por el elemento La. Los resultados obtenidos indican que las muestras que contienen La son más estables que el óxido inicial de CaMnO3, y no se descomponen hasta al menos 1200°C en presión reducida de oxígeno. Por tanto, empleando los materiales modificados con La es posible ampliar significativamente el intervalo de temperaturas de operación. Experimentalmente se determinó que la capacidad de almacenamiento de calor de Ca0.9La0.1MnO3 (~ 265 kJ / kgABO3)es comparable a la del CaMnO3 sin modificar, que a su vez es mucho mayor que la deCa0.7La0.3MnO3 (~ 97 kJ / kgABO3). Estas diferencias entre las densidades de calor acumulado se pueden entender considerando la modificación de las propiedades termodinámicas, fundamentalmente la entalpía y entropía de reducción, inducida por la incorporación de La. En la muestra con el 10 % de La, tanto la entalpía como la entropía de la reacción aumentaron, mientras que ambas variables termodinámicas disminuyeron para el material con un 30 % de La. Aunque la entropía no es un parámetro que se suela considerar a la hora de estimar la capacidad de almacenamiento termoquímico de un material, este estudio evidencia que es una propiedad esencial. Esto es debido a que la extensión de la reacción de liberación de O2 depende directamente de esta variable termodinámica. En consecuencia, los óxidos con elevada entropía y una entalpía a de reducción moderada, son los más adecuados para las aplicaciones de almacenamiento de calor termoquímico, ya que permiten alcanzar un compromiso entre el calor puesto en juego por mol de O2 liberado y la extensión de reacción.

Gráfico reproducido de https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102793

Referencias

[1] E. Mastronardo, X. Qian, J. M. Coronado, S. M. Haile, Impact of La doping on the thermochemical heat storage properties of CaMnO3-δ, Journal of Energy Storage, 40 (2021) 102793; https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102793.

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Juan M. Coronado, Investigador del grupo CSIC-ECI del programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Receptores solares de CO2 supercrítico para una nueva generación de plantas termosolares más eficientes y competitivas

Autor: Mª José Montes (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: De acuerdo con IRENA [1], el coste nivelado de la energía (LCOE) en las plantas termosolares (STPPs) se ha reducido de 0.346 $ / kWhe a 0.182 $/ kWhe. Aunque es una reducción importante, este coste está todavía lejos del objetivo de 0.06 $ /kWhe que establece el programa SunShot, promovido por el Departamento de Energía (DOE) de EEUU [2]. Aumentar el rendimiento térmico de las centrales termosolares es una forma prometedora de hacer más competitivas este tipo de centrales. En esta línea, el uso de CO2 supercrítico (sCO2) es un elemento clave. Aunque existen diferentes formas de integrar el sCO2 en una central termosolar (en el ciclo de potencia, o como fluido de trabajo en el almacenamiento térmico o el receptor), este artículo se ha centrado en una revisión de distintos prototipos de receptores solares usando sCO2.

Abstract: According to IRENA [1], the levelized Cost of Energy (LCOE) in Solar Thermal Power Plants (STPPs) has reduced from $ 0.346 / kWhe to $ 0.182 / kWhe. Although it is an important reduction, this LCOE is still far away from the goal of $ 0.06 / kWhe established by the SunShot Initiative of the US Department of Energy (DOE) [2]. Increasing the global thermal performance of the STPPs is a promising approach to make CSP competitive. In this line, the use of sCO2 is a key element. Although there are different ways to integrate the sCO2 in a STPP (supercritical power cycles or sCO2 as working fluid in the thermal storage or the receiver), this work has focused on a review of the solar receiver prototypes employing sCO2.

La investigación sobre receptores solares de torre empleando sCO2 es relativamente reciente, con un interés creciente en los últimos años. Como trabajo previo interesante, cabe citar la revisión sobre diferentes estructuras de intercambiadores de calor compactos (Compact Heat Exchangers, CHEs), que podrían aplicarse a receptores solares presurizados [3].

Aunque no es lo habitual, uno de los primeros diseños de receptor supercrítico se basaba en el concepto de receptor externo tubular [4]. En este caso, aunque el diseño estaba inicialmente pensado para aire presurizado (5-7 bar y 800 ºC), también se estudió la posibilidad de adaptarlo a sCO2 trabajando a
200 bar y 700 ºC. Sin embargo, en este estudio no se profundizó excesivamente sobre el grosor de tubo necesario para aguantar las altas presiones, ni las prestaciones térmicas de este tipo de receptores, que no son muy elevadas para un receptor externo trabajando a una temperatura tan alta.

Posteriormente, y ya dentro de la línea de usar estructuras compactas, se encuentra el diseño de receptor solar de cavidad de 3 MWth presentado en [5]. En este caso, las estructuras compactas utilizan aletas rectas rectangulares; al unir entre sí varias placas con aletas, se forman canales de sección cuadrangular, por los que circularía el fluido supercrítico a elevada presión, en este caso, sCO2.

Otra solución interesante es la configuración propuesta en [6]. En este diseño, existe un fluido intermedio, que es aire presurizado, sobre el que incide la radiación solar concentrada directamente, ya que circula por una estructura porosa, provista de un cristal de cuarzo en su apertura, como los receptores volumétricos presurizados. La diferencia con este tipo de receptores radica en que, en este caso, el aire es un fluido de transferencia de calor intermedio, que cede el calor al sCO2 que circula por unos conductos embebidos en la propia estructura porosa.

Por último, cabe citar un trabajo muy interesante y relativamente reciente [7], llevado a cabo por el NREL (National Renewable Energy Laboratory). En este trabajo se presentan dos conceptos diferentes de receptor central de sCO2. El primer de ellos consiste en un receptor de cavidad para un ciclo de potencia de 2 MWe; el segundo sería un receptor externo para una planta de 10 MWe. En ambos casos, el sCO2 circula por una estructura compacta que consiste en dos placas unidas con una estructura aleteada ondulada entra ambas placas. Estas placas actúan como paneles absorbedores de la radiación solar. La principal diferencia entre uno y otro diseño reside en cómo se disponen dichos paneles para formar un receptor de cavidad, en el primer caso, y un receptor cilíndrico externo, en el segundo caso. Las pérdidas por radiación serían muy altas en este último caso, por lo que se ha diseño una trampa de radiación, que consiste básicamente en pequeños cilindros transparentes adosados perpendicularmente a la superficie exterior. Esta configuración reduce las pérdidas por radiación y convección, lo que permite que el rendimiento térmico del receptor sea alto (alrededor del 80%), aunque las temperaturas de trabajo sean también elevadas (750 ºC aproximadamente). Para ambos diseños, el trabajo concluye que se puede alcanzar el objetivo de 0.06 $ /kWhe que establece el programa SunShot.

Dentro del programa ACES2030-CM, se está trabajando en el desarrollo de un diseño de receptor supercrítico para sCO2, que permita trabajar a elevadas presiones (del orden de 200 bar) y que presente unas adecuadas prestaciones térmicas, con una buena trasferencia de calor a la fase supercrítica, y unas pérdidas por convección y radiación moderadas, a pesar de las elevadas temperaturas de operación (en el rango de 700 ºC).

Referencias

[1] IRENA, Renewable power generation costs in 2019, Tech. Rep., International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2020, p. 144.

[2] US Department of Energy, SunShot Vision Study. Chap. 5. Feb. 2012, p. 115.

[3] Li, Q., Flamant, G., Yuan, X., Neveu, P., Luo, L., 2011. Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 4855–4875. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.066

[4] Ho, C.K., Iverson, B.D., 2014. Review of high-temperature central receiver designs for concentrating solar power. Renewable and Sustainable Energy Reviews 29, 835–846. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.099

[5] Besarati, S.M., Yogi Goswami, D., Stefanakos, E.K., 2015. Development of a Solar Receiver Based on Compact Heat Exchanger Technology for Supercritical Carbon Dioxide Power Cycles. Journal of Solar Energy Engineering 137, 031018. https://doi.org/10.1115/1.4029861

[6] Teng, L., Xuan, Y., 2019. A Novel Solar Receiver for Supercritical CO2 Brayton Cycle. Energy Procedia 158, 339–344. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.099

[7] Sullivan, S.D., Kesseli, J., Nash, J., Farias, J., Kesseli, D., Caruso, W., 2016. High-Efficiency Low-Cost Solar Receiver for Use Ina a Supercritical CO2 Recompression Cycle (No. DOE-BRAYTON–0005799, 1333813). https://doi.org/10.2172/1333813

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María José Montes, Investigadora principal del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – mjmontes@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Calentamiento de áridos de la industria asfáltica en un concentrador solar CPC

Autores: M. J. Simón-Castellano, A. López Quiroz, S. Taramona, J. Gómez-Hernández

El uso de tecnologías renovables para la generación de energía eléctrica cuenta ya con un amplio campo de desarrollo e implementación. En la industria la incorporación de estas tecnologías ha sido utilizada también principalmente para la producción de electricidad destinada al autoconsumo. Como es el caso, por ejemplo, de la planta de producción de Seat en Martorell donde se han instalado 53.000 placas solares para la producción de electricidad.

Sin embargo, algunos de los procesos industriales que son generadores directos de emisiones de gases contaminantes, no se han visto afectados por este gran desarrollo. La sustitución de quemadores, principales consumidores de combustibles fósiles, por tecnologías sostenibles con el medioambiente, disminuiría notablemente la cantidad de emisiones liberadas a la atmósfera. Esto contribuiría a cumplir con los objetivos de sostenibilidad establecidos a nivel mundial.

Una de las industrias con alto consumo de combustibles fósiles y altas emisiones de gases contaminantes es la industria asfáltica. El asfalto se compone de áridos, piedras de pequeño tamaño, arena de relleno y betún, un compuesto proveniente del petróleo. Estas fracciones son calentadas hasta altas temperaturas para, una vez mezclado, asegurar su fluidez y hacer posible su utilización. En las plantas de producción de asfalto, las partículas son calentadas a través de hornos rotatorios. Se estima que la energía utilizada para la construcción de las carreteras es equivalente a la consumida por el tráfico que va a circular por ellos entre el primer y segundo año de utilización. Por otro lado, las emisiones de CO2 generadas variarán típicamente entre 124,22 – 372,671 t/Km.

Los autores de esta comunicación han realizado una campaña experimental estudiando el calentamiento de los áridos utilizados en plantas asfálticas a bajas concentraciones. Para ello, se ha diseñado y construido un concentrador solar de parábola compuesta (Compound Parabolic Concentrator en inglés). Este concentrador solar consta de una estructura base de perfiles de aluminio, cuatro costillas de metacrilato incoloro para sustentar y dar forma a las parábolas laterales y, por último, las hojas reflectantes de las parábolas. Estas han sido construidas a través de chapas de aluminio sobre las que se han adherido unas chapas de aluminio pulido efecto espejo de alta reflectividad.

Figura 1. Concentrador solar CPC

En la Figura 2 se muestra la irradiancia medida por el radiómetro en el transcurso de un experimento. Al tratarse de un dispositivo de seguimiento solar, el flujo de concentración sobre la superficie del receptor varía en función del tiempo.

Figura 2. Flujo de calor sobre el receptor solar (17 mayo 2021)

El receptor solar se instala entre ambas hojas reflectantes del concentrador. Este receptor aloja una capa de arena de 7,5 cm de espesor con termopares para medir su calentamiento. La Figura 3 se observa el proceso de calentamiento para cada termopar. La temperatura máxima alcanzada es de 76 ºC en el minuto 40 por el termopar TC1 situado en la superficie del centro de la capa de arena.

Figura 3. Evolución de las temperaturas en la capa de arena del receptor solar (17 mayo 2021)

Estos resultados preliminares han permitido analizar el comportamiento del proceso de calentamiento de arena a bajas concentraciones solares. Esto nos permite estudiar la evolución de las propiedades del lecho poroso, implementando nuevos diseños que mejoren el proceso de transferencia de calor desde la superficie hacia el interior del lecho. Futuros trabajos plantearán nuevos diseños de receptores solares a mayores concentraciones solares para estudiar su integración con procesos industriales a escala comercial.

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Jesús Gómez Hernández, Investigador del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Baterías flexibles para su integración en componentes del interior del automóvil como techos, maleteros y suelos

Autores: Rebeca Marcilla (IMDEA Energía) y Juan José Vilatela (IMDEA Materiales)

Grupo Antolin, proveedor global de soluciones tecnológicas para el interior del automóvil, colabora con los Institutos IMDEA Materiales e IMDEA Energía en la investigación de baterías de litio flexibles que se puedan integrar fácilmente en los componentes del interior de los vehículos. El objetivo es trabajar en el desarrollo de baterías de litio que sean flexibles, seguras y ligeras.

Con esta investigación, Grupo Antolin quiere hacer más rentable, eficiente y accesible la movilidad eléctrica y, de esta forma, impulsar la sostenibilidad de la industria automovilística. Para ello, la compañía está colaborando con dos grupos de investigación punteros en el desarrollo de nanomateriales de carbono (IMDEA Materiales) y de baterías innovadoras (IMDEA Energía). Este equipo ha trabajado de manera coordinada durante los últimos años en la investigación de materiales innovadores y la fabricación de componentes, así como en el ensamblado de baterías delgadas y su caracterización electroquímica.

Como resultado de esta investigación, se han obtenido baterías delgadas de gran superficie con buenas propiedades de almacenamiento de energía, alta seguridad y excelentes propiedades mecánicas. Estas propiedades mecánicas permiten que la batería se adapte a las formas que presentan los diferentes componentes del interior del automóvil, como techos, maleteros o suelos.

La principal innovación viene de la mano de los materiales ya que, a diferencia de las baterías de litio convencionales, en las baterías flexibles se sustituye el electrolito líquido por uno sólido lo que elimina el riesgo de fugas y mejora la seguridad. Además, los colectores de corriente metálicos se sustituyen por electrodos formados por fibras de nanotubos de carbono que son mucho más delgados, flexibles y baratos. Gracias a estas innovaciones, se ha conseguido un ahorro de peso significativo con el consiguiente aumento de densidad de energía y de potencia.  

Hasta el momento, se han alcanzado resultados prometedores obteniendo electrodos con propiedades mecánicas superiores a los de las baterías de litio-ión comerciales, así como prototipos de baterías flexibles que ofrecen la posibilidad de adaptarse a formas complejas y a las condiciones de los procesos de transformación habituales en el sector.

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Rebeca Marcilla, IMDEA Energía rebeca.marcilla@imdea.org

Juan José Vilatela, IMDEA Materiales juanjose.vilatela@imdea.org

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El proyecto pionero en Europa eGHOST desarrollará las directrices de referencia para el ecodiseño de tecnologías de hidrógeno.

El consorcio internacional, liderado por el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA) Energía, definirá los principios de ecodiseño y mejorará la comprensión de los sistemas de hidrógeno como inversión sostenible y rentable.

La Comisión Europea considera el hidrógeno verde fundamental para cumplir su compromiso de obtener una economía neutra en carbono y circular para el año 2050. Para lograrlo, Europa quiere acelerar el uso de tecnologías basadas en hidrógeno que le permitan descarbonizar sectores económicos y almacenar energía que cubra la demanda cuando no haya generación de renovables. Asimismo, España también ha propuesto recientemente una hoja de ruta alineada con la estrategia europea y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la Naciones Unidades, para contribuir a liderar el impulso del hidrógeno como modelo energético del futuro.

A tal efecto, aunque el hidrógeno verde es un vector energético producido a partir de fuentes de energía, resulta esencial asegurar su sostenibilidad estableciendo unas pautas de ecodiseño que tengan un impacto favorable desde el punto de vista económico, social y medioambiental, durante todo su ciclo de vida. Es decir, desde el diseño propiamente, hasta la producción, utilización y fin de vida de las tecnologías de hidrógeno. Así, el ecodiseño es una parte clave de la economía circular. 

En este contexto, el proyecto pionero eGHOST (Eco-design Guidelines for HydrOgen Systems and Technologies) definirá las directrices y criterios de ecodiseño de dos productos clave en las tecnologías de hidrógeno que afectan, por ejemplo, a la fabricación de coches que usan este tipo de combustible. Por un lado, los electrolizadores de óxido sólido (técnica para romper las moléculas de agua y extraer el hidrógeno), y por otro las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico, para la generación de energía a partir de hidrógeno. 

El proyecto eGHOST –cuya reunión de lanzamiento se celebró el 21 de enero de 2021– mejorará la comprensión de los sistemas de hidrógeno como una inversión sostenible, según la taxonomía de la UE, incorporando un enfoque de toma de decisiones de triple impacto que incluye los aspectos ambientales, sociales y económicos del ciclo de vida. Las conclusiones que se extraigan, se integrarán en el Libro Blanco de eGHOST, un documento de orientación y referencia para cualquier futuro proyecto de ecodiseño de tecnologías de hidrógeno.

El IMDEA Energía coordina el proyecto de tres años de duración, en el que participan socios internacionales de reconocido prestigio en los campos de la energía, las tecnologías del hidrógeno y el análisis de sistemas, como CEA (Comisionado para la Energía Atómica y Renovables de Francia), la Universidad de Liubliana (Eslovenia), la Fundación Hidrógeno Aragón (España), SYMBIO (Francia) y el Instituto de Energía Aplicada (Japón). 

eGHOST ha recibido casi un millón de euros de financiación de la Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno («The Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking»), bajo el contrato Nº 101007166. Esta Empresa Común recibe el apoyo del Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea Horizonte 2020 y de Hydrogen Europe y Hydrogen Europe Research.

Para más información: 

Más información sobre los socios :

Objetivos de Desarrollo sostenible asociados a eGHOST:

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El dióxido de carbono como sustrato de metaloenzimas redox

Autor: Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC.

Recientemente se ha reportado un método electroquímico sencillo para demostrar que dos tipos de metaloenzimas redox utitilizan directamente el CO2 como sustrato en lugar de su forma hidratada (bicarbonato).

Las metaloenzimas redox son proteínas que catalizan reacciones de oxidación/reducción y que contienen en su centro catalítico metales. Éstas son capaces de catalizar de forma específica reacciones de gran interés para aplicaciones energéticas con bajo sobrepotencial y en condiciones de reacción suaves, es decir a temperatura ambiente, presión atmosférica y en medio acuoso. Estas propiedades catalíticas son muy adecuadas para el diseño de procesos sostenibles de conversión energética y de acuerdo a los principios de la química verde, como son evitar el uso de disolventes orgánicos y de condiciones de reacción de alto consumo energético.  

Uno de los retos más importantes que tiene actualmente el campo de la química es el desarrollo de catalizadores eficientes y selectivos para la reducción del CO2, ya que es bien sabido que los niveles atmosféricos de esta molécula gaseosa han subido de forma alarmantemente en las últimas décadas, lo cual probablemente está acelerando el cambio climático con sus devastadores efectos en el medio ambiente y la economía mundial.  Teniendo en cuenta que hay varios tipos de metaloenzimas que son capaces de catalizar de forma reversible la reducción de CO2, es muy interesante su estudio para aplicación en electrolizadores o celdas fotoelectroquímicas para obtener compuestos de valor añadido, a la vez que se elimina el gas de efecto invernadero.

En concreto, las enzimas formiato deshidrogenasa y CO deshidrogenasa catalizan de forma reversible  y selectiva la reducción del dióxido de carbono a formiato y monóxido de carbono respectivamente. Dado que catalizan estas reacciones en medio acuoso, ha sido motivo de debate desde hace décadas si el sustrato de estas enzimas era propiamente la molécula de CO2 disuelta en agua o su forma hidratada mayoritaria a pH neutro o ligeramente ácido, el bicarbonato (HCO3-). Por este motivo, en muchas ocasiones se añade la enzima anhidrasa carbónica al medio, ya que cataliza la conversión rápida del CO2 a bicarbonato, para acelerar la reducción de CO2. Sin embargo, en un artículo muy reciente publicado en la prestigiosa revista Angewandte Chemie se ha demostrado por un sencillo método electroquímico que el sustrato de ambas metaloenzimas es el CO2. El método de Fourmond y colaboradores ha consistido en la adsorción de la metaloenzima a estudiar en la superficie de un electrodo de grafito y en realizar cronoamperometrías a un potencial de -0.66 V vs. NHE. A partir de las diferencias en las cinéticas de los incrementos en intensidad de corriente de reducción cuando se añade CO2 o bicarbonato sódico, en presencia o en ausencia del enzima anhidrasa carbónica en el electrolito acuoso. Los resultados indican que para ambas enzimas el proceso de reducción es más rápido cuando se añade directamente CO2 en lugar de bicarbonato sódico, independientemente de que haya anhidrasa carbónica en el medio o no. Por lo tanto, los autores han demostrado de forma sencilla que el sustrato que participa en el mecanismo catalítico de ambas metaloenzimas es la molécula de CO2 y no sus formas hidratadas. Esta conclusión tiene gran importancia para el futuro desarrollo de catalizadores biomiméticos más selectivos para la valorización del dióxido de carbono.

Referencias

1. M. Yuan, M. J. Kummer, S. D. Minteer. Strategies for bioelectrochimical CO2 reduction.

2. M. Meneghello, A. R. Oliveira, A. Jacq-Bailly, I. A. C. Pereira, C. Leger, V. Fourmond. Formate dehydrogenases reduce CO2 rather than HCO3-: An electrochemical demonstration.

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Antonio López de Lacey, Investigador Responsable del Grupo FCF del Programa FotoArt-CM

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

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Ensuciamiento en sistemas solares: Retos y oportunidades

Autor: Ricardo Conceição, IMDEA Energía

El ensuciamiento producido por la acumulación de materia sólida sobre la superficie de los dispositivos de captación de energía solar, como paneles fotovoltaicos o los espejos de sistemas de concentración solar, son el origen de la diminución de la eficiencia óptica y así del rendimiento de la producción de energía eléctrica. Durante las dos últimas décadas, el análisis del ensuciamiento en sistemas solares ha sido objeto de un interés creciente, principalmente a partir de 2015, y se prevé que será todavía mayor en el futuro. Esta circunstancia tiene como origen la significativa reducción de los costes de fabricación e instalación de las tecnologías solares (fundamentalmente la fotovoltaica) conducente a una mayor penetración de las tecnologías renovables de origen solar en el mercado eléctrico y la necesidad de reducir los costes de operación y mantenimiento de las plantas, así como optimizar su operación. Se ha estimado que el ensuciamiento puede ocasionar una caída de al menos 3%-4% de la producción eléctrica de origen solar, la cual supone una disminución de ingresos de 3-5 mil millones de euros (Ilse et al. 2019 Joule 3(10) 2303-2321).

Las actividades de investigación en el área del ensuciamiento en sistemas solares se dirigen a: (i) la caracterización del ensuciamiento in-situ; (ii) la modelización de formación así como de modelos predictivos; y (iii) desarrollar soluciones tecnológicas eficientes y de bajo coste para mitigar el ensuciamiento y/o limpiar los sistemas de captación. En este marco, se pueden enumerar los recientes avances en sistemas de limpieza activos, como el desarrollo de cortinas electrostáticas (Sayyah et al. 2017 J. Electrostatics, 87, 173–179) o de sistemas semi-automatizados de limpieza; técnicas de medida ultrarrápidos basados en el uso de cámaras y drones para cuantificar espacial y temporalmente el ensuciamiento y que complementará o sustituirán técnicas clásicas (como el uso de reflectómetros y trazadores de curvas I-V); los modelos predictivos que permiten optimizar la programación de actividades de limpieza así como de posición de los sistemas solares en períodos de reposo.

Contacto

José González Aguilar, Responsable del grupo IMDEAE-UPAT en ACES2030-CM – jose.gonzalez@imdea.org

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez, IMDEA Energía

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