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Las Biorrefinerías como elemento estratégico de la bioeconomía en España

Se presenta el ‘Manual sobre las Biorrefinerías en España” que han elaborado conjuntamentelas Plataformas Tecnológicas Españolas de la Biomasa – BIOPLAT – y de Química Sostenible – Suschem-España.

Autor: Alberto González  -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT

Las Plataformas Tecnológicas Españolas de la Biomasa – BIOPLAT – y de Química Sostenible – Suschem-España han presentado el ‘Manual sobre las Biorrefinerías en España” que han elaborado conjuntamente. En él se subraya la importancia de la biomasa como elemento coadyuvante necesario para alcanzar los objetivos energéticos y medioambientales presentes y futuros, destacando el papel vertebral de las biorrefinerías como elemento estratégico de la bioeconomía en España así como en la economía circular.

Una vez conocida la diversidad y enorme cantidad de recursos biomásicos de todo tipo (agrícolas, forestales, ganaderas, industriales y residuos orgánicos municipales) con los que cuenta España, se definen los procesos de transformación o valorización que pueden llevarse a cabo sobre los mismos en las biorrefinerias y se exponen los tipos de biorrefinerias que serían susceptibles de ser desarrollados en España. La posibilidad de apostar por la valorización de estos recursos autóctonos, creación de nuevos modelos productivos de alto valor añadido la dinamización del medio rural, así como las iniciativas privadas junto con las estrategias de economía circular seguidas en las políticas marcadas por la Comisión Europea enmarcan un contexto favorable para el impulso de las biorrefinierias como elemento clave para fomentar la estrategia de bioeconomía.

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SOLAR-JET: un proyecto de síntesis de keroseno a partir de agua y CO2

Autor: J.L.G. Fierro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC, Cantoblanco, 28049 Madrid

En el proyecto SOLAR-JET, financiado por el 7PM de la Unión Europea se abordó la producción de combustible sintético de aviación utilizando agua y CO2 como materias primas en un proceso termoquímico de alta temperatura acoplado a un equipo Fischer-Tropsch de síntesis de hidrocarburos. Si bien el producto obtenido es una mezcla de hidrocarburos, la fracción de keroseno con una densidad de energía elevada resulta particularmente atractiva. El análisis del ciclo de vida proporcionó una emisión de gases de efecto invernadero de 0.49 kg de CO2 por litro, cifra que contrasta con 3.03 kg CO2 por litro que produce el combustible convencional.  El vapor de agua y el dióxido de carbono (CO2) pueden convertirse en un combustible solar termoquímico mediante el uso de energía solar térmica a muy elevada temperatura. En un estudio reciente se ha analizado la producción de este combustible y se encontró que, bajo condiciones apropiadas de reacción, el coste del combustible  líquido resulta del orden de 1.28 Euros por litro, con producción simultánea de gases de efecto invernadero próxima a cero. Si bien el producto obtenido es una mezcla de hidrocarburos, resulta particularmente atractiva la fracción de keroseno con una densidad de energía elevada.

En la  actualidad el transporte utiliza combustibles derivados mayoritariamente del petróleo los cuales tienen un impacto ambiental negativo. Otras opciones como la electricidad y el hidrógeno podrían ser portadores de energía alternativos para automoción, pero para aviación no resultan adecuados ya que no reúnen el requerimiento de elevada densidad de energía y potencia. Por esta razón, tanto el keroseno derivado del petróleo como el sintético son las opciones del combustible para aviación. Los biocombustibles utilizados como sustitutos del keroseno son todavía bastante caros y la tierra utilizada para cultivar las plantas que los producen compite con la que se utiliza para producir semillas utilizadas en alimentación. Puesto que este proceso permite obtener un combustible de aviación de forma segura, sostenible y escalable, puede hacer que la industria de aviación europea adquiera una posición de ventaja en el mercado global.

Los equipos que han participado en el programa SOLAR-JET combinaron las competencias necesarias para realizar los objetivos entre los que cabe mencionar un simulador solar de flujo elevado, el estado del arte de la simulación del proceso y el software apropiado para reducir el número de experimentos, así como la unidad Fischer

 

Figura 1. Diagrama de bloques el proceso combinado de producción de combustible de aviación sintético a partir de agua y CO2.

Tropsch de producción de keroseno por primera vez. En la Figura 1 se presenta un esquema simplificado del proceso completo. El keroseno sintético puede usarse como mezcla al 50% con la fracción obtenida a partir de petróleo. Si bien se ha estimado que el keroseno producido en el proceso solar termoquímico-FT tiene un impacto ambiental menor que el derivado del petróleo, se ha realizado un análisis del ciclo de vida y de las emisiones de gases de efecto invernadero del combustible. Para ello se consideró una planta teórica capaz de producir 1000 barriles por día (30 galones por minuto), instalada en una región que recibe 2500 kW/m2 de energía solar, sin aporte de calor o electricidad y utilizando CO2 del aire y agua de mar. El análisis del ciclo de vida proporcionó una emisión de gases de efecto invernadero de 0.49 kg de CO2 por litro, cifra que contrasta con 3.03 kg CO2 por litro que produce el combustible convencional.  

Referencia   

[1]        http://www.solarjet.aero 2

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El pueblo que se alimenta de todo

En Olot (Girona) un sistema de energía geotérmica, fotovoltaica y de biomasa nutre a una decena de edificios del centro

Fuente: El país (09/10/2017). Isabel Valdés

https://elpais.com/economia/2017/10/03/actualidad/1507040753_227608.html

Olot no se levantó en cualquier sitio. Lo hizo en medio de cráteres y conos volcánicos, hayas,encinas, alcornoques y robles; en medio del Pirineo Oriental, en el punto central de los 120 kilómetros cuadrados que ocupa el Parque Natural de la Zona Volcánica de la Garrocha. Mucho tiene que ver toda esa exuberancia verde que la rodea para que acabara convertida en el único lugar de España con un sistema de trigeneración de energía —geotermica, fotovoltaica y de biomasa, esta última de kilómetro cero proporcionada por empresas cercanas— que proporciona calor, frío y electricidad a varios edificios en el centro de la ciudad.

Allí, en el casco histórico de esta población de Girona de 34.000 habitantes, con huella modernista y sede del mejor estudio de arquitectos del mundo, el antiguo Hospital de Sant Jaume ha pasado de tener paritorios a dos salas de acumulación de biomasa con dos calderas que alcanzan los 450 y 150 kilovatios de potencia, tres bombas geotérmicas de sesenta kilovatios, placas solares fotovoltaicas y dos acumuladores de agua caliente de 20.000 litros. Se ha convertido en la central de la red de climatización de este distrito inteligente, puesta en marcha por Gas Natural Fenosa y Wattia Innova, que se extiende a algunos comercios y edificios públicos. Una apuesta que, según Josep Maria Corominas, el alcalde, es el camino por el que las administraciones deberían ir: “Son proyectos que no solo hacen ilusión, sino que son un reto, suponen un ahorro energético y monetario importante para todos y son imprescindibles para el entorno”.

Las residencias geriátricas Montsacopa, Sant Jaume y La Caritat, el Mercado, el Museo Comarcal de la Garrotxa, la Oficina de Turismo, el edificio multiusos Can Monsà, sede de la Fundación de Estudios Superiores, entre otros organismos, son los inmuebles que gozan del suministro de renovables. “Además del centro donde nuestros abuelos van a bailar, una tienda Mango y un Abacus (cooperativa de venta de material escolar). Todo funciona con estos tipos de energía y un control automático que permite suministrar frío, calor y electricidad de la forma más eficiente. A través de sus 1.800 metros de red llega a dar servicio a 40.000 metros cuadrados”, explica Francesc Comino, director general de Wattia, la empresa de eficiencia energética y especializada en automatización de edificioscon la que Gas Natural Fenosa contó para el proyecto.

Ángel Gonzalo, responsable del proyecto de la energética en Olot, recuerda cómo comenzó todo a través de una licitación del consistorio, coincidiendo con las obras que iban a comenzar en la plaza del Mercado y en cuyo subsuelo acabaron excavando 24 pozos geotérmicos. “La cosa había empezado incluso antes, con el EspaiZero”, apunta Comino, el director de Wattia. El EspaiZero fue el primer centro de trabajo estatal autosuficiente energéticamente, terminado en 2013 y prueba de que se puede funcionar, también en espacios propiedad del Estado, sin ningún tipo de energía externa. “Cuando llegó la remodelación del mercado de Olot, empezó a florecer la idea de aprovechar esas obras para crear algo parecido al EspaiZero. Y así fue como nació el germen de este District Heating and Cooling Multienergía de Cataluña”.

El Ayuntamiento de Olot arrimó el hombro institucional, Wattia el conocimiento del entorno y la tecnología, y Gas Natural Fenosa la financiación: 1,7 millones de euros en una concesión a 15 años. El proyecto, incluido en el Plan de Energía y Cambio Climático de Cataluña 2012-2020, supondrá un ahorro anual de emisiones de cerca de 750 toneladas de CO2 y una reducción de la factura energética de los edificios municipales incluidos en el proyecto. Todavía no se atreven a dar cifras. “Con solo unos meses, no se puede hacer balance con perspectiva”, apunta Comino. Aunque tienen previsiones: “Podría llegar a ahorrar, por año, 750 toneladas de CO2, es decir, las mismas emisiones que podrían absorber 290 hectáreas de bosque”.

Esa reducción es gracias, sobre todo, a la previsión del tiempo que hará el día siguiente y la configuración de cada sistema energético en función de ello: “Con un protocolo de comunicación abierto entre los distintos sistemas para que los aparatos puedan ‘hablar’ entre sí y decidir cuál es la energía más eficiente en cada momento”. Todo esto, según Comino, tiene además un filón pedagógico y social: “Ha de ser algo que pueda aprenderse y divulgarse, es esencial el conocimiento sobre eficiencia energética”. Su EspaiZero ya acumula más de 2.000 visitas de escolares, universitarios e investigadores; el distrito inteligente es, si cabe, más “abierto”. Cuenta Comino que la planta baja de lo que ahora es la central de esa red se ha cubierto de cristaleras para que se vea el interior, donde están los tubos, las máquinas y los tanques, y al lado de cada uno, letras adhesivas que indican qué es: “Ahora, el objetivo es seguir haciendo crecer esta red”.

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Biorrefinerías: Microalgas como sustrato para la producción de moléculas plataforma (carboxilatos)

Autor: José A. Magdalena-Instituto IMDEA Energía

Las biorrefinerías son instalaciones en las que se transforma biomasa en diferentes bioproductos de un modo sostenible. Entre los productos energéticos que se pueden obtener en una biorrefinería cabe destacar los biocombustibles líquidos como el bioetanol o el biodiésel, y los biocombustibles gaseosos como el biogás o el biohidrógeno. Debido a la gran variedad de productos que se obtienen en las biorrefinerías, las materias primas que se utilizan para su obtención también son muy diversas. Destaca la utilización de residuos orgánicos como los residuos lignocelulósicos, residuos de la industria alimentaria, residuos animales, y más recientemente, las microalgas.

La digestión anaerobia es una tecnología ampliamente utilizada para la producción de bioenergía. En ella, la materia orgánica del sustrato es degradada en ausencia de oxígeno por bacterias y arqueas hasta la producción de biogás (mezcla de metano y dióxido de carbono ≈60-40%). Este proceso de digestión anaerobia consta de diferentes fases como son la hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.

Debido a las crecientes necesidades de la sociedad, es necesario obtener un mayor rendimiento de los recursos disponibles que se someten a la digestión. Es por ello, que  se quiere implementar nuevas tecnologías complementarias a la digestión anaerobia, que resulten no solo en la producción de biogás, sino también en la producción de otras moléculas plataforma. Son moléculas plataforma aquellos productos intermedios que se obtienen tras diferentes transformaciones de la biomasa y que pueden convertirse en otros bioproductos. Estas moléculas plataforma confieren al proceso un valor añadido. En el caso de la digestión anaerobia, las moléculas plataforma son los carboxilatos o ácidos grasos volátiles, que se producen durante la acidogénesis. Entre ellos destacan el ácido acético, que se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, el ácido propiónico, que se usa como conservante, el ácido butírico y el ácido valérico. Además, estos ácidos pueden ser utilizados para la fabricación de polihidroxialcanoatos y de biosurfactantes, siendo estructuralmente idénticos a los que se obtienen por la vía petro-química.

 De entre los sustratos de la digestión anaerobia, las microalgas han sido ampliamente estudiadas en los últimos años. Estas presentan una serie de ventajas como su alta velocidad de crecimiento, su capacidad de realizar la fotosíntesis oxigénica de manera eficiente y los bajos porcentajes de lignina en su composición.

En este contexto, investigadores de la Unidad de Procesos Biotecnológicos de IMDEA Energía están estudiando el proceso de digestión anaerobia utilizando diferentes especies de microalgas para la producción de energía en forma de biogás. Paralelamente, se realizan experimentos en los que se alteran las condiciones operacionales de este proceso con el fin de optimizar la producción de los ácidos grasos volátiles para su posterior conversión en productos de alto valor añadido.

 

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Empaquetamiento compacto de mallas metálicas como absorbedores volumétricos: Una línea prometedora

Autor: Antonio Luis Ávila-Marín (CIEMAT-PSA)

Los sistemas de receptor central, por sus diversas posibilidades técnicas, han sido entendidos como la tecnología con mayor potencial para reducir costes y aumentar la eficiencia global de la planta. En este sentido, la bibliografía científica así como la importancia de los proyectos europeos y nacionales concedidos a entidades como el CIEMAT-PSA, muestran esta tendencia, especialmente aplicada al concepto de los receptores volumétricos.

El CIEMAT-PSA comenzó en el año 2010 dentro del proyecto Solgemac y continuo con el proyecto Alccones la idea de trabajar con receptores volumétricos formados por un empaquetamiento compacto de mallas metálicas, por sus ventajas frente a los conocidos receptores de canales o las espumas cerámicas.

Hasta el comienzo del proyecto Solgemac, los receptores volumétricos formados por mallas metálicas (Betchel y Sirec principalmente [1]), habían tenido la característica común de separar las mallas metálicas una cierta distancia. En nuestro trabajo, siempre apostamos por empaquetar las mallas forzando un contacto físico entre las mismas (conocido como empaquetamiento denso). Además, se ha trabajado la posibilidad de realizar empaquetamientos escalonados y en línea que presentan diferente comportamiento.

Recientemente, en el Congreso de la Asociación Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME en inglés) realizado en Bellevue, Washington sobre Transferencia de Calor, el profesor Kribus junto a sus compañeros (Livshits y Avivi), presento un interesante trabajo destacando las virtudes y el potencial que el empaquetamiento compacto de mallas metálicas frente a la diversidad de trabajos sobre materiales cerámicos, que en muchas ocasiones presentan resultados completamente contrarios entre sí.

Este trabajo [2], realizado por un importante investigador en el mundo de la tecnología de  receptores volumétricos , confirma la visión conceptual sobre este tipo de absorbedores iniciada en el proyecto Solgemac, continuada en el proyecto Alccones y que dio origen a la tesis [3], en el marco de ambos proyectos, sobre este tema por parte del CIEMAT-PSA.

Más concretamente, Kribus dice “el resultado más interesante del presente trabajo es la identificación de una nueva estructura: el empaquetamiento compacto de mallas metálicas, que nunca ha sido ensayado como un absorbedor solar”. También indica que “aún es necesario realizar mucho más trabajo para alcanzar a comprender si este absorbedor es capaz de cumplir las predicciones teóricas y más aún, investigar su idoneidad en aspectos como la fabricación, coste, solidez, etc.”

Esta investigación y los resultados ya obtenidos en los citados proyectos (a la espera de ser publicados en breve) nos animan a continuar con la línea de trabajo, sabiendo que ya, no sólo el CIEMAT-PSA está trabajando sobre este concepto.

Bibliografía

[1] A.L. Avila-Marin, Volumetric receivers in Solar Thermal Power Plants with Central Receiver System technology: A review, Solar Energy, Volume 85, Pages 891-910, (2011).

[2] M. Livshits, L. Avivi, A. Kribus, Dense wire mesh as a high-efficiency solar volumetric absorber, ASME Summer Heat Transfer Conference, Bellevue, Washington, USA, paper HT-2017-5080, (2017).

[3] A.L. Avila-Marin, Análisis termofluidodinámico de absorbedores volumétricos de porosidad gradual con mallas metálicas: Estudio experimental a escala de laboratorio y desarrollo de un modelo de no equilibrio térmico local. Dissertation. Ingeniería Energética. Madrid. ETSII – UNED, (2016).

 

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Movilidad Sostenible: Semana Europea de la Movilidad 2017

Autora: Raquel Portela-ICP-CSIC

La movilidad representa hoy en día uno de los principales retos para las ciudades -donde vive más del 70% de la población europea- por los grandes problemas asociados a lo que éstas se enfrentan: congestión del tráfico, mala calidad del aire, ruido, elevadas emisiones de CO2… Su sostenibilidad es uno de los grandes objetivos de las instituciones públicas a todos los niveles e implica garantizar que nuestros sistemas de transporte respondan a las necesidades económicas, sociales y ambientales, reduciendo al mínimo sus repercusiones negativas.

A través de la Dirección General de Movilidad y Transporte, la Comisión Europea promueve la movilidad sostenible. Las principales herramientas que proporciona para copntribuir a una planificación sostenible de la movilidad urbana son el observatorio Eltis, que facilita el intercambio de información, conocimientos y experiencias en el ámbito de la movilidad urbana sostenible; el programa de demostración CIVITAS; las fuentes de financiación de proyectos de investigación o planes de actuación sobre movilidad; o la plataforma EPOMM, una red que conecta a las entidades de los gobiernos de países europeos dedicados a la gestión de la movilidad. En julio de 2016 la Comisión adoptó la Estrategia Europea para la Movilidad de Bajas Emisiones, que servirá como marco para sus actuaciones en materia de movilidad eficiente. En España tenemos como marco de referencia la Estrategia Española de Movilidad Sostenible (EEMS), aprobada en 2009, cuyas directrices se estructuran en cinco áreas: territorio, planificación del transporte y sus infraestructuras, cambio climático y reducción de la dependencia energética, calidad del aire y ruido, seguridad y salud, y gestión de la demanda. También disponemos de herramientas como el Observatorio de la Movilidad Metropolitana (OMM), un espacio de análisis con el objetivo de reflejar la contribución del transporte público a la mejora de la calidad de vida y del desarrollo sostenible en las ciudades.

Del 16 al 22 de septiembre se está celebrando la Semana Europea de la Movilidad 2017 (EUROPEANMOBILITYWEEK, EMW), campaña que pretende fomentar la movilidad sostenible sensibilizando a los responsables políticos y a los ciudadanos sobre los beneficios del uso del transporte público, la bicicleta y los viajes a pie y las consecuencias del uso irracional del coche, tanto para la salud pública como para el medio ambiente. La iniciativa, que se celebra anualmente desde 2002, tiene su origen en el evento ¡La ciudad, sin mi coche!, que surgió en 1999 en Fracia e Italia, y cuenta desde el año 2000 con el apoyo de la Comisión Europea. Tanto instituciones públicas y ayuntamientos como organizaciones no gubernamentales, empresas o escuelas pueden participar y organizar actividades. Cada año, el Premio de la Semana Europea de la Movilidad (EMW Award) y el premio al Plan de Movilidad Urbana Sostenible (Sustainable Urban Mobility Planning, SUMP Award) recompensan las actuaciones de los ayuntamientos encaminadas a promocionar y mejorar la movilidad inteligente, limpia, compartida y sana. La versión española de los premios incluye además a organizaciones, instituciones, empresas y medios de comunicación.

Ell lema de este año, “Movilidad limpia, compartida e inteligente”, reconoce que la tecnología puede mediar en el proceso de cambio de comportamiento hacia la sostenibilidad, particularmente en el contexto de las ciudades inteligentes (Klecha et al. 2018). Con el eslogan “Compartir te lleva más lejos” se pretende fomentar la movilidad compartida, un “modelo emergente, inteligente e innovador de transporte con gran potencial para reducir el número de vehículos” (según Bulc, Comisaria de transportes) y mejorar la calidad de vida que se está extendiendo rápidamente en los centros urbanos a través de la introducción del uso compartido de bicicletas, vehículos o incluso aparcamiento.

En la iniciativa están inscritos más de 2400 municipios de 50 países, incluyendo algunos no europeos: Argentina, Brasil, México, Japón, Corea del Sur y Estados Unidos. Austria y España son los países con mayor número de paticipantes, 579 y 465 ayuntamientos comprometidos, respectivamente. La Celeste es el nombre que aglutina los eventos organizados para la semana de la movilidad en Madrid, que incluyen festivales, peatonalizaciones, rutas, exposiciones, talleres y juegos donde aprender, celebrar y compartir un Madrid más respirable y habitable. Principales eventos: PARK(ing) Day, Festibal con B de Bici, Pasea Madrid, Día sin coches.

Referencias:

-       Klecha L., Gianni F. (2018) Designing for Sustainable Urban Mobility Behaviour: A Systematic Review of the Literature. In: Mealha Ó., Divitini M., Rehm M. (eds) Citizen, Territory and Technologies: Smart Learning Contexts and Practices. SLERD 2017. Smart Innovation, Systems and Technologies, vol 80. Springer

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Un nuevo informe dice que el bioetanol de primera generación es tan sostenible como el de segunda generación

El informe  “Sustainable Fist and Second Generation Bioethanol for Europe”, realizado por Nova Institute GmBH  y encargado  por CropEnergies AG muestra que bioetanol de primera generación es tan ventajoso como bioetanol de segunda generación para una estrategia climática factible

Autor: María José Negro -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT

El informe será presentado y debatido por primera vez el próximo 26 de septiembre en Bruselas. En el contexto de los debates sobre el proyecto de Directiva de la UE sobre Energías Renovables (RED II), la conferencia proporcionará una plataforma para el debate sobre las ventajas y desventajas del bioetanol de primera y segunda generación.  La conferencia examinará si las propuestas RED II cumplen con el mandato de la Comisión Europea de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y contribuir a la descarbonización del transporte

Los resultados, según  Nova Institute, muestran claramente que la discriminación sistemática contra los biocombustibles de primera generación de la actual propuesta de la Comisión no está basada, en modo alguno, en pruebas científicas.  En el camino hacia una Europa respetuosa con el clima, los biocombustibles producidos a partir de cualquier tipo de materia prima ofrecen ventajas en términos de reducciones de emisiones de GEI y según la opinión de los autores del informe, deberían formar parte indiscriminadamente de una estrategia transitoria viable hacia la movilidad de bajas emisiones, siempre que se adhieran a criterios de sostenibilidad.

En el estudio se seleccionan 12 criterios principales para evaluar la sostenibilidad del bioetanol de primera y segunda generación, tales como la huella de gases de efecto invernadero, costos de reducción de gases de efecto invernadero, eficiencia de uso de tierra, seguridad alimentaria, subproductos ricos en proteína, empleo, desarrollo rural, y nivel de vida de los agricultores y silvicultores, cambio uso de la tierra (LUC / iLUC), disponibilidad e infraestructura, trazabilidad de las materias primas. El análisis muestra que todas las materias primas investigadas para la producción de bioetanol ofrecen importantes fortalezas, pero también debilidades en términos de sostenibilidad. Los autores recomiendan mantener el 7% existente para los combustibles basados en cultivos alimentarios y no reducir aún más la proporción de combustibles de primera generación en la REDII.

http://bio-based.eu/sustainablefuels/

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RENOVAGAS: Almacenar electricidad renovable en gas natural sintético en España

Autor: Rufino Navarro-Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)

El despliegue de las energías renovables para cumplir con  la necesaria descarbonización de los  sistemas energéticos va a necesitar incrementar la flexibilidad del sistema para ser capaz de armonizar las discrepancias entre la producción  y demanda debido a la variabilidad en la generación renovable (solar y eólica fundamentalmente).  La mejora en la flexibilidad del sistema de producción y uso de energía renovable se puede conseguir mediante la instalación de sistemas de almacenamiento de energía que puedan modular y estabilizar la red. Una de las fórmulas para el almacenamiento de los excedentes energéticos renovables con mayor capacidad y potencia de almacenamiento es mediante la generación de vectores energéticos secundarios (como el hidrógeno o el metano) que se puedan almacenar en las redes gasistas existentes. En este sentido, aparece la tecnología “Power to Gas” (PtG) que permite almacenar la electricidad convirtiéndola en hidrógeno mediante electrolisis de agua que se utiliza para producir metano sintético mediante la hidrogenación de CO2 (ec 1) procedente de cualquier origen  (industrial, biogas,…):

El concepto “Power to Gas” abre un campo de posibilidades interesante para el almacenamiento de energías renovables y hasta ahora no había sido afrontado en España a nivel industrial. Por esta razón y con el fin de demostrar la viabilidad de la implantación de la tecnología PtG en España se ha desarrollado el proyecto RENOVAGAS.  El proyecto RENOVAGAS ha sido llevado a cabo por un consorcio de empresas y centros de investigación españoles (Enagás, FCC-Aqualia, Abengoa Hidrógeno, Gas Natural Fenosa, Tecnalia, CSIC y el Centro Nacional del hidrógeno) y financiado por el MINECO en su convocatoria Retos Colaboración de 2014. El proyecto RENOVAGAS tenía como objetivo el desarrollo y operación de una planta de producción de gas natural sintético (GNS) de 15 kW a partir de la producción electrolítica de hidrógeno mediante energías renovables y su metanación a través de la combinación con una corriente de biogás, de manera que el gas natural obtenido fuera totalmente renovable (Figura 1). Dentro de los objetivos del proyecto también se incluyen el diseño del escalado a una planta de 250 kW así como un estudio sobre la implantación de la tecnología en España.

Figura 1- Esquema producción gas natural sintético a partir del concepto “Power to Gas” (PtG)

El proyecto RENOVAGAS  comenzó su actividad en Septiembre de 2014 y ha finalizado recientemente con éxito, alcanzando el proyecto los principales hitos técnicos planteados en el mismo:

  1. Optimización del proceso de producción de hidrógeno utilizando procesos electrolíticos eficientes y desarrollando un control avanzado de su integración eléctrica con fuentes variables, como son la energía solar y la eólica
  2. Desarrollo de un diseño específico de un reactor de metanación (multicanales) con capacidad de operación en condiciones variables y con  transferencia de masa y de calor optimizadas
  3. Desarrollo de nuevos catalizadores de metanación con  actividad, selectividad y resistencia a la desactivación superiores a los catalizadores industriales convencionales basados en Ni.

Las materializaciones resultantes  de los diferentes hitos técnicos del proyecto se han integrado en un demostrador de 15 kW eléctricos como el mostrado en la Figura 2.

Figura 2. Diseño del demostrador (15 kW) para la producción de gas sintético a partir de la metanación de biogas

El funcionamiento y operatividad del demostrador se han validado en condiciones reales en la metanación de una corriente de biogás (65% CH4 y 35% CO2) producido en una planta de tratamiento de aguas residuales de la empresa FCC-Aqualia (Figura 3).  Los resultados en condiciones reales han confirmado la capacidad del prototipo para la producción de hasta 2Nm3/h de gas natural sintético que ha sido analizado por la empresa de transporte de gas natural, Enagás, asegurando el cumplimiento de la calidad de ese gas natural sintético con las especificaciones de la red gasista.

Figura 3. Imagen del demostrador (15kW)  instalado en la planta de tratamiento de aguas de FCC-Aqualia

A partir de los resultados experimentales obtenidos en el demostrador, se ha abordado también el diseño conceptual y la ingeniería de detalle para escalar el sistema a 250 kW y se ha hecho un estudio de prospectiva económica e implantación de la tecnología PtG en España. El proyecto RENOVAGAS ha permitido demostrar la viabilidad técnica de una tecnología de notable interés para el almacenamiento de electricidad renovable de forma flexible y modulable que permite su operación bajo condiciones variables de operación.

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El primer experimento con luz eléctrica en España

Autor: R. Escudero-Cid (Universidad Autónoma de Madrid)

En la noche del 2 de abril de 1851, el científico gallego Antonio Casares Rodríguez, procedió a la iluminación mediante un arco voltaico de un edificio público por primera vez en España en Santiago de Compostela, en el claustro del antiguo edificio central de la Universidad (hoy Facultad de Geografía e Historia) [1]. La realización de esta demostración pública en esta ciudad supuso un gran efecto desde el punto de vista educativo y divulgativo permitiendo a la sociedad compostelana de aquella época ser partícipe de un hito histórico y un gran acercamiento a la ciencia.

 La preparación científica y tecnológica no eran inaccesibles a otros científicos españoles de la época, pero los conocimientos específicos, los elementos materiales y la determinación que se precisaban reunir para llevar adelante el experimento no estaban al alcance de muchos. Pero estamos hablando de un científico que lideró otros eventos de gran trascendencia [2, 3].

El experimento se llevó a cabo esa noche de abril de 1851 [4] en el claustro del edificio central de la Universidad de Santiago de Compostela iluminando la Minerva de la Universidad y la torre de la Iglesia de la Compañía. El montaje consistía en pilas Bunsen en serie como fuentes de energía conectadas a un regulador Deleuil con dos electrodos de grafito encargados de generar el arco voltaico.

El experimento diseñado por Casares contaba con 50 pilas tipo Bunsen como fuentes de energía para conseguir la electricidad necesaria para la activación y el mantenimiento del arco voltaico. Estos dispositivos fueron inventados en 1940 por Robert Wilhem Bunsen a partir de una célula previa ideada por el científico galés William Robert Grove, el que posteriormente sería uno de los iniciadores de las pilas de combustible. La idea original de Grove consistía en un sistema compuesto por un ánodo de zinc en ácido sulfúrico diluido y un cátodo de platino sumergido en ácido nítrico concentrado y ambos separados por una olla de cerámica porosa. Robert Bunsen modificó el cátodo de platino por una pieza de grafito, material más barato, dando lugar a una reacción con un potencial algo menor. Las reacciones químicas llevadas a cabo por este dispositivo son:

 

dando lugar a un potencial teórico de 1.72 V, inferior al de las celdas de Grove de 1.9 V.

Otro de los elementos importantes del experimento de Casares fue el regulador Deleuil. Este equipo es el encargado de ir posicionando los electrodos de grafito encargados de la formación del arco voltaico tras el desgaste que sufren. En este caso consta de un electrodo fijo y otro montado sobre un sistema móvil regulado por un electroimán en serie con el propio arco. Este sistema también constaba de un espejo parabólico metálico que permitía concentrar la luz y proyectarla sobre un edificio, como se hizo aquella noche.

Por último, el elemento más importante para la generación de luz es el arco voltaico, que se obtiene tras la ionización del aire entre ambos electrodos de grafito. A pesar de su uso, el arco eléctrico no es apropiado como sistema de iluminación general porque, independientemente de cuestiones tecnológicas (como el sistema de producción eléctrica) y del coste económico, su brillo era excesivo, resultando insoportable incluso a una gran distancia. También ha de tenerse en cuenta que no fue hasta más de 25 años después cuando se inventó la lámpara incandescente que sería utilizada para la implantación generalizada de la iluminación eléctrica en ciudades a finales del siglo XIX.

 

Ilustración de un diseño similar al utilizado por Antonio Casares en su experimento [5].

Mediante el uso de estos equipamientos se procedió a iluminar la noche compostelana provocando gran expectación entre todos los presentes. Fue tanta la importancia del evento que un año más tarde, la noche del 24 de julio de 1852, previa a la celebración del día de Santiago, se repitió el experimento en una de las fachadas de la catedral, congregando a la mayor parte de la población de la ciudad. Sería entonces cuando un bibliotecario de la Universidad de Santiago dijera las palabras “a noite está varrida da terra” (la noche está barrida de la tierra), que pasaron a la posteridad gracias al relato de A. Cotarelo Valledor [6].

Referencias

[1] A. Díaz Pazos, Boletín das Ciencias (ENCIGA)75 (2012) 139.

[2] R. Cid, Anales de Química109 (2013) 27.

[3] R. Cid, Revista Española de Física28 (2014) 59.

[4] J. C. Alayo, J. Sánchez Millán, Técnica e ingeniería en España, VI. El Ochocientos. De los lenguajes al patrimonio, IFC – Real Academia de Ingeniería, Zaragoza, 2011.

[5] A. P. Deschanel, Elementary Treatise on Natural Philosophy, Part 3: Electricity and Magnetism, D. Appleton and Co., New York, 1878.

[6] A. Cotarelo Valledor, La chispa mágica, El Eco de Santiago, Santiago de Compostela, 1923.

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Aplicación de la computación fluidodinámica en tecnologías de concentración solar térmica como ejemplo de ingeniería verde

Autora: María Isabel Roldán Serrano. CIEMAT-Plataforma Solar de Almería

Actualmente, uno de los grandes retos es acelerar el desarrollo de tecnologías energéticas avanzadas para obtener una energía respetuosa con el medioambiente, frenar el cambio climático y lograr un desarrollo sostenible. En este contexto, la “ingeniería verde” considera que la protección de la salud y del medioambiente genera un gran impacto y rentabilidad cuando se aplica en el diseño y en la fase de desarrollo de un proceso o producto. Otros conceptos relacionados con ingeniería verde son ingeniería ambiental o sostenible. Por ello, en este ámbito, el término “verde” se refiere a procesos y a generación de productos que minimizan la contaminación, promueven la sostenibilidad y protegen la salud sin que implique sacrificar la viabilidad económica y eficiencia del proceso. Más ampliamente, este término ha sido asociado al desarrollo sostenible, en el que procesos y productos pueden realizarse indefinidamente con un consumo de recursos controlado y una degradación medioambiental mínima [1][2].

De esta forma, los procesos y productos procedentes de la ingeniería verde están basados en los siguientes principios [3]:

  • Uso integral del análisis de sistemas e implementación de herramientas de evaluación de impacto ambiental.
  • Conservación y mejora de los ecosistemas naturales, junto con la protección de la salud y el bienestar.
  • Empleo del análisis del ciclo de vida que permite medir el flujo de energía, de materiales y emisiones tóxicas involucradas durante el proceso o la fabricación de un producto.
  • Asegurar que los materiales y energías entrantes y salientes del proceso son respetuosos con la salud y el medioambiente.
  • Evitar el agotamiento de los recursos naturales.
  • Eliminar la generación de residuos y la emisión de los gases de efecto invernadero.Además, es necesario tener en cuenta que la ingeniería verde desarrolla y aplica soluciones tecnológicas adaptadas a la zona donde la instalación es ubicada. Estas soluciones deben implicar la mejora y obtención de una tecnología innovadora que logre alcanzar la sostenibilidad. En este sentido, la aplicación de este tipo de ingeniería se puede agrupar principalmente en cinco categorías [4]: generación de energía renovable, calidad energética, control ambiental, optimización de máquinas y procesos, y  desarrollo y prueba de productos verdes y tecnologías.

    La categoría de generación de energía renovable cubre un amplio rango de tecnologías, tales como eólica, solar (fotovoltaica y térmica), de biocombustibles, hidráulica, mareomotriz y geotérmica. La investigación y desarrollo en estas áreas se está expandiendo e impulsando por los objetivos ambientales anteriormente definidos y por la creciente legislación gubernamental relativa al desarrollo sostenible. Hoy en día más de 50 países, con una gran variedad de políticas, geografías y condiciones económicas, poseen un amplio conjunto de objetivos con el fin de cubrir gran parte de su demanda energética con sistemas de generación a partir de fuentes renovables [2][3].

    Las tecnologías de concentración solar térmica se pueden considerar como un ejemplo de ingeniería verde debido a que utilizan una fuente de energía renovable como alternativa a los combustibles fósiles, contribuyendo positivamente al desarrollo sostenible y permitiendo realizar procesos que eviten la generación de gases de efecto invernadero. En este ámbito, la implementación del llamado “diseño verde” debe ofrecer un sistema viable y rentable a la vez que reduzca la generación de contaminación en la fuente y minimice el riesgo para la salud y medioambiente.

    El sector termosolar es todavía emergente y, en muchos casos, la tecnología y las instalaciones empleadas son experimentales. En este contexto, las tecnologías de concentración solar térmica requieren la integración de un diseño completo y eficiente con el fin de obtener el máximo rendimiento de cada instalación; para lo que es necesario el uso de herramientas de simulación avanzadas que sean capaces de predecir el comportamiento del fluido caloportador en la instalación, así como la definición y optimización de las condiciones de operación con el fin de aumentar la eficiencia del sistema y cumplir con el propósito perseguido por la ingeniería verde.

    La predicción y el análisis del comportamiento térmico y fluido-dinámico de las instalaciones termosolares son la base para mejorar el rendimiento térmico de la planta. Para tal fin se emplea la computación fluidodinámica (CFD) que permite reducir el esfuerzo invertido en la realización del diseño experimental y la adquisición de datos. Esta rama de la mecánica de fluidos complementa el modelado físico y otras técnicas experimentales; puesto que permite suministrar una información detallada de la circulación del fluido en la instalación, incluyendo el estudio de fenómenos complejos como la turbulencia, reacciones químicas, transferencia de calor y materia, y flujo multifásico.

    En la mayoría de los casos, el desarrollo de modelos numéricos implica un menor coste económico y de tiempo, en comparación con el requerido por procedimientos experimentales. Esto permite investigar más opciones de diseño y sistemas bajo condiciones extremas. Además, el modelado CFD ofrece la posibilidad de analizar problemas internos y específicos en el flujo de fluidos que serían muy costosos o imposibles de realizar mediante métodos experimentales; lo que da confianza en la selección del diseño propuesto evitando así el sobredimensionado de la instalación, reduciendo su malfuncionamiento y alargando su periodo de vida. Por ello, la CFD se ha convertido en una herramienta fiable para apoyar a los ingenieros e investigadores en el diseño de equipos industriales e instalaciones innovadoras, eliminando en muchos casos la necesidad de desarrollar el procedimiento experimental de ensayo–error que lleva consigo un consumo de recursos y una generación de residuos que hacen alejarse del objetivo marcado por la ingeniería verde.

    El creciente interés por el “diseño verde” ha llevado a aplicar el modelado CFD en diferentes áreas tales como en el diseño de edificios eficientes energéticamente y en diseño de aerogeneradores. En el sector termosolar, el modelado CFD se está aplicando en el diseño de nuevos conceptos de receptores, en la optimización de diseños existentes, en el análisis térmico de los fluidos de trabajo y, además, en la optimización de las condiciones de operación para distintas instalaciones [5]. Por tanto, la versatilidad de la simulación CFD y la necesidad de desarrollar procesos sostenibles y respetuosos con el medioambiente, hacen que sea una herramienta esencial para plantear nuevos diseños en las tecnologías de concentración solar térmica.

    Fuentes:

  1. Al-Baghdadi MARS (2014) Computational fluid dynamics applications in green design. International Energy and Environment Foundation, Iraq.
  2. Roldán M.I. (2017) Concentrating Solar Thermal Technologies: Analysis and Optimisation by CFD Modelling. Springer International Publishing AG, Switzerland.
  3. US Environmental Protection Agency (2015) https://www.epa.gov/green-engineering.
  4. National Instruments (2008) Ingeniería Verde – Mejorando el Ambiente y la Rentabilidad, Instrumentation 2, vol. 20.
  5. www.psa.es

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