‘General’

El grupo Chemistry of Low Dimensional Materials descubre el libre deslizamiento de macrociclos a través de nanotubos de carbono

Autor: Grupo Chemistry of Low Dimensional Materials (IMDEA Nanociencia)

En el año 2014, el grupo Chemistry of Low Dimensional Materials, componente de FotoArt-CM, publicó sus trabajos acerca de la situación de un anillo alrededor de nanotubos de carbono, logrando así mimetizar las máquinas moleculares. Tras años de investigación, ahora, se ha descubierto que los anillos pueden moverse libremente a lo largo de estas estructuras, lo que soporta la idea de que las leyes de fricción pueden tener un origen molecular.

‘Desde la primera vez que sintetizamos nanotubos de carbón entrelazados mecánicamente, nos hemos estado preguntando cómo se comportan los macrociclos alrededor del nanotubo,’ explica Emilio Pérez, de IMDEA Nanociencia, que ha co-liderado el estudio junto con Manuel Melle-Franco, del CICECO, en Portugal. Las interferencias con la muestra provocadas por la microscopía del estado del arte han impedido la observación directa de los sistemas–‘los haces de electrones pueden incluso romper nuestros macrociclos,’ argumenta Pérez– dificultando determinar si el movimiento es espontáneo o provocado.

Como alternativa, los investigadores han diseñado un enfoque computacional, construyendo modelos de campo de fuerza de dinámica molecular para las estructuras entrelazadas mecánicamente y llevando a cabo una serie de simulaciones. ‘Hemos observado que, en sólo cinco nanosegundos, los macrociclos se deslizan por un nanotubo de carbón de 50Å,’ indica Pérez. ‘Además, los anillos giran alrededor del tubo, es decir, como nuestro planeta, rotan y giran.’ Para demostrar este comportamiento de tipo pirueta, Pérez y su equipo han decorado los nanotubos con átomos falsos, que han servido como referencia para calcular los ángulos de rotación. ‘Durante los citados cinco nanosegundos, los macrociclos rotan 1.56 veces,’ añade.

El descubrimiento refuerza la sospecha previa acerca del origen atómico de la fricción macroscópica. ‘Las leyes de Amontons dicen que la fuerza de fricción no depende del área de contacto,’ indica Pérez. ‘Nuestros experimentos sugieren que las interacciones suaves entre sistemas moleculares pueden explicar este fenómeno.’ Además, esta falta de fricción es semejante a la superlubricidad, efecto observado antes en grafeno sobre superficies de oro, entre otros. En la actualidad se están estudiando aplicaciones de esta superlubricidad en dispositivos como turbinas de viento o unidades de almacenamiento informático.

Referencias

A de Juan et al, Angew. Chem. Intl. Ed., 2014, 53, 5394 (DOI: 10.1002/anie.201402258)

J Villalva et al, J Phys Chem C, 2020, 124, 15541 (DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c03502).

Contacto

Emilio Pérez, Investigador responsable del Grupo ChemLowD del Programa FotoArt-CM

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

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La investigación en combustibles solares: una opción muy prometedora

Autor: José Carlos Conesa Cegarra (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC)

La Wikipedia define así “solar fuel” (que se puede traducir al castellano como combustible solar): “A solar fuel is a synthetic chemical fuel produced from solar energy”.

La idea de obtener combustibles solares por algún procedimiento es muy antigua. Ya el catedrático de la Universidad de Bolonia Giacomo Ciamician, en un conocido artículo (“The Photochemistry of the Future“, Science. New Series 36, 1912, 385-394) terminaba diciendo “So far, human civilization has made use almost exclusively of fossil solar energy. Would it not be advantageous to make better use of radiant energy?”. Pues bien, solo un año más tarde B. Moore y T.A. Webster, en lo que es posiblemente el primer trabajo publicado sobre fotocatálisis heterogénea, mostraban (Roy. Proc. Soc. B 87, 1913, 163) cómo reducir CO2 a formaldehído usando como fotocatalizadores coloides (probablemente parcialmente hidratados) de óxidos de hierro o uranio. Lo que es, de una manera u otra, el primer caso de fotogeneración de combustibles solares; o, llamado de otro modo, de fotosíntesis artificial.

Figura 1. Esquema general de la producción de combustibles solares.

Habrían de pasar casi 70 años para que A. Fujishima y K Honda publicaran (en Bull Chem. Soc. Japan 44, 1971, 1148; un año antes, pues, que el célebre artículo en Nature) su artículo “Electrochemical Evidence for the Mechanism of the Primary Stage of Photosynthesis” en que mostraban cómo irradiando un monocristal de TiO2 con fotones de energía superior a su bandgap (de 3.0 eV) se producían corrientes anódicas con generación de O2; mientras que en otro electrodo, de platino, se producía H2. Es decir, se conseguía la disociación fotoelectroquímica del agua. En 2021 se cumplirán 50 años de ese artículo de Fujishima y Honda; debería festejarse de algún modo tal aniversario.

A fecha de hoy, la actividad en el tema de los combustibles solares es enorme. Existe, por lo pronto, una red europea dedicada a tales combustibles (www. solarfuelsnetwork.com), basada en el Reino Unido pero activa en toda Europa. En Estados Unidos existe el Joint Center for Artificial Photosynthesis, con centros en Berkeley y el CalTech, que mantiene el “Solar Fuels Hub” (https://solarfuelshub.org/); también el centro de investigación estadounidense NREL tiene una actividad considerable en este tema. La revista Nature mantiene una vigilancia continua sobre ello; y la iniciativa europea SUNERGY (resultado de la fusión reciente de dos propuestas europeas de flagship, SUNRISE y ENERGY-X) dedicará considerables esfuerzos a la investigación en combustibles solares. La organización nanoGe, por ejemplo, en su “Fall Meeting” celebrado el pasado mes de octubre de 2020 ha dedicado uno de sus simposios al tema “Solar Fuels”, en que han participado como invitados científicos tan destacados como K. Domen, J. Durrant, L. Hammarström o S. Haussener; en ese mismo simposio presentó una comunicación quien esto firma.

Se consideran combustibles solares tanto la disociación del agua en O2 y H2 como la reducción de CO2 a cualquier otra sustancia oxidable (por supuesto, ha de generarse también O2 o eventualmente H2O2); en ambos casos, usando energía solar. Cabe decir que esto incluye tanto los procesos fotocatalíticos, o fotoelectroquímicos, como el acoplamiento de células fotovoltaicas a sistemas electroquímicos que realicen cualquiera de esos procesos. La simple fotocatálisis (generalmente heterogénea) en disolución tiene la desventaja de que los productos de oxidación y reducción pueden recombinarse a poco que el material usado tenga capacidad catalítica; por eso se prefiere un sistema fotoelectroquímico, o el acoplamiento de una célula fotovoltaica a un electrolizador, pues estos casos permiten tener membranas permeables sólo a iones simples (como OH- o H+) que separen los productos oxidados y reducidos.

Para absorber la luz se suelen usar semiconductores con bandgap apropiado. Puede utilizarse sólo uno, en cuyo caso debe posibilitar una separación de electrones y huecos, y con suficiente energía como para superar todas las barreras de potencial necesarias. La termodinámica de disociación del agua a temperatura ambiente requiere un bandgap mínimo de 1.23 eV, y la de reducción de CO2 a sus muy variados productos, valores semejantes (ver la figura 2). Un bandgap mínimo sería entonces del orden de unos 1.8 eV, aunque si se quiere generar H2O2 se requiere más diferencia de potencial. Otra opción es combinar dos semiconductores en un “esquema Z” (como en la fotosíntesis natural), que se basa en una separación muy rápida de electrones y huecos fotogenerados en su interfase, o con un mediador rédox. En ese caso uno de los semiconductores debe tener su banda de conducción en una posición capaz de producir H2 (o reducir CO2), y el otro debe tener su banda de valencia en posición tal que pueda generar O2. También es cierto que si se hace mediante el acoplamiento de una célula fotovoltaica a un sistema electroquímico hay más opciones; desde acoplar varias células de silicio (harían falta, seguramente, al menos tres) a usar células fotovoltaicas tándem (que pueden dar voltajes superiores) o esquemas más avanzados como las células de portadores calientes o de tres terminales. Por otra parte, se conocen circuitos electrónicos que con pérdidas mínimas de energía pueden subir o bajar voltajes casi a voluntad.

Figura 2. Posiciones de las bandas de conducción y valencia de semiconductores típicos respecto a los potenciales de electrodo.

En cualquiera de los casos hacen falta co-catalizadores que faciliten tanto la generación de O2 como la producción de H2 o la reducción de CO2. Para disociar el agua en H2 y O2 se conocen desde hace mucho catalizadores basados respectivamente en Pt o en IrO2 (también sirve el RuO2), que funcionan bien en medio ácido; pero éstos implican materiales muy caros. Para generar O2 con materiales menos costosos pueden servir oxihidróxidos de Ni, Fe o Co (mejor si son combinados), o materiales amorfos basados en compuestos de los mismos elementos; aunque sólo actúan bien en medio alcalino. Para generar H2 hay opciones basadas en MoS2, pero se han propuesto también carburos, nitruros y fosfuros de elementos más baratos. Para reducir CO2 hay varias opciones, dependiendo del producto deseado. Muchas incluyen cobre, como son las aleaciones Cu-In para obtener CO, o Cu-Zn para obtener metanol; con sólo Cu se obtienen para potenciales muy negativos metano o etileno, y con potenciales menores mezclas de CO y H2, que podrían usarse para obtener metanol, o hidrocarburos con una síntesis Fischer-Tropsch (en ambos casos por catálisis térmica, sin necesidad de luz). Importa que los productos de oxidación y reducción no se recombinen entre sí; por ello se suele usar (salvo en los casos de fotocatálisis) membranas permeables sólo a iones tales como H+ o OH-. Cuando se necesita tener pH distintos a ambos lados se puede recurrir a membranas bipolares comerciales.

Por otro lado, tanto para acoplamientos entre células fotovoltaicas y electrolizadores como para sistemas fotoelectroquímicos pueden usarse enzimas: hidrogenasas para la generación de H2, lacasas para la de O2 o formiato deshidrogenasa para reducir CO2 a ácido fórmico o formiato.

Finalmente, puede considerarse también como generación de combustibles solares la síntesis de amoníaco (como transportador de hidrógeno), sobre todo si se hace usando electricidad obtenida de fuentes renovables acoplándola a electrolizadores que generen dicho compuesto a partir de N2 y agua (obviamente, generando de nuevo O2); sobre este tema se trabaja hoy muy activamente.

En cualquier caso, la investigación para la producción de combustibles solares es hoy enormemente activa. Una solución que no requiera materiales caros está aún a algunos años vista, pero podría ser comercialmente viable dentro de, digamos, 10 años.

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José Carlos Conesa, Investigador del grupo FCF del Programa FotoArt-CM.

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

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SFERA-III/ACES2030 Joint Workshop (ONLINE) on MST-Materials for Solar Thermochemistry

SFERA-III/ACES2030 Joint Workshop (ONLINE)

on MST-Materials for Solar Thermochemistry

 

          • Date and time:                  December 10th, 2020, 14:30 – 17:40 (UTC+1)

          • Organizer:                           IMDEA Energy Institute, Spain

The energy transition to a climate neutral economy by year 2050, based upon the massive deployment  of renewable energy and the circular economy, makes compulsory to promote new technological solutions for decarbonization of transport and key industrial sectors like chemical industry that are currently not on track to achieve the objectives for 2030 and 2050. Solar chemistry by using concentrating solar systems and thermodynamic cycles based on metal oxides for the water splitting (alone or combined with CO2) or for thermochemical storage may have a relevant role in this context. However, the associated technology challenges, such as the ultra-high irradiance and temperature of operation in the solar reactor and the preservation of high material performance after numerous cycles, are key subjects for its eventual implementation.

The EU project Sfera-III (https://sfera3.sollab.eu/) and the Comunidad de Madrid project ACES2030 (https://aces2030.es/ ) are partnering in the organization of this joint workshop that addresses the most recent advances on materials R&D for solar thermochemistry.

The participation is free of charge and requires registration.

Click here to download the SFERA-III/ACES2030 Workshop brochure.

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Propuesta de un diseño de intercambiador de calor sales fundidas-CO2 para plantas termosolares basadas en ciclos supercríticos

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

Resumen: Uno de los objetivos del proyecto ACES 2030 es el estudio de ciclos supercríticos para acoplar a plantas de receptor central, como una forma de aumentar el rendimiento térmico global de la planta y conseguir disminuir costes. La viabilidad técnica de estas plantas termosolares está unido al desarrollo de componentes que aguanten las exigentes condiciones de trabajo de los ciclos supercríticos. Uno de estos elementos clave es el intercambiador de calor entre las sales fundidas del campo solar y el fluido supercrítico del ciclo. En este trabajo se propone un diseño novedoso de este intercambiador, que trata de dar respuesta a uno de los mayores retos: conseguir una transferencia de calor óptima para el sCO2, al mismo tiempo que evitar los problemas de taponamiento por el uso de sales fundidas en canales pequeños.

Abstract: One of the objectives of ACES 2030 project is the study of supercritical cycles to be coupled to central receiver plants, as a way to increase the overall thermal performance of the plant and reduce costs. The technical feasibility of these Solar Thermal Power Plants (STPPs) is linked to the development of components that withstand the demanding working conditions of supercritical cycles. One of these key elements is the Heat Exchanger (HX) between the molten salt in the solar field and the supercritical fluid in the power cycle. In this work, a novel design of this exchanger is proposed, intended to address one of the greatest challenges: to achieve an optimal heat transfer for the sCO2, while avoiding plugging problems due to the use of molten salts in small channels.

Dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, se han identificado tres posibles esquemas para la próxima generación de STPPs, diferenciándose por el fluido de trabajo en el receptor central: sales fundidas, partículas o gas [1]. Todos los esquemas propuestos se basan en el acoplamiento a un ciclo supercrítico, como una manera de aumentar el rendimiento global de la planta termosolar. En este artículo, el estudio se ha centrado en el primer esquema: receptor central de sales fundidas, trabajando a alta temperatura (700ºC), y acoplado a un ciclo supercrítico de CO2, tal y como se muestra en la figura 1.

Fig. 1. Esquema de una planta termosolar de sales fundidas acoplada a un ciclo supercrítico, con el intercambiador sales fundidas-sCO2 entre el campo solar y el ciclo de potencia (Fuente: [2]).

Como se ha dicho en el resumen inicial, uno de los principales retos tecnológicos del esquema representado en la figura 1 es el intercambiador de calor entre el campo solar y el bloque de potencia. Este intercambiador debe asegurar una transmisión de calor eficiente para la fase supercrítica, lo que supone aumentar el área de transferencia mediante diseños compactos, y disminuir la sección recta de paso para aumentar la velocidad del fluido supercrítico; pero, al mismo tiempo, el diseño del intercambiador debe conseguir que no se produzca taponamientos por la circulación de la sal fundida por un canal excesivamente pequeño.

En un principio, se podría pensar en intercambiadores de carcasa y tubos (Shell and Tube Heat Exchangers, STHX), circulando la sal por la carcasa y el CO2 por el interior de los tubos. Aunque esta solución sería viable en ciclos supercríticos en los que el aporte de calor se realice a presiones más moderadas, como el presentado en [3], lo cierto es que para presiones de 200-250 bar que pueden darse en un ciclo de recompresión convencional, el elevado espesor de los tubos limitaría mucho el funcionamiento del intercambiador. Y es probable que la sal fundida pudiera dar problemas en los intersticios de la carcasa.

Por otro lado, los intercambiadores de calor de circuito impreso (Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE), como el que se muestra en la figura 2, aunque son óptimos para la transmisión de calor entre fases supercríticas, pueden dar problemas de taponamiento de la sal en los pequeños semi-canales de paso (con diámetros aproximados de 2 mm).

Fig. 2. Intercambiador convencional de circuito impreso (Fuente [2])

La solución propuesta es un intercambiador de calor en el que se enfrenten dos placas impresas del clásico PCHE, de tal forma que el canal destinado a la sal sea un canal cilíndrico, manteniendo la sección semi-cilíndrica para el CO2, tal y como se muestra en la figura 3.

Fig. 3. Unidad de intercambio de calor del nuevo diseño de PCHE propuesto Fuente: [2].
(d = diámetro del canal; pc = distancia entre canales; tf = espesor entre canales tp = espesor de la placa)

Este nuevo diseño de intercambiador se estudia en detalle en el trabajo publicado en abierto para la revista Solar Energy, que se encuentra actualmente accesible [2]. Se ha elaborado un modelo térmico bidimensional del intercambiador, que ha sido validado con códigos CFD. Además, se ha realizado una optimización termoeconómica en la que se ha tenido en cuenta no sólo el intercambiador de calor, sino su integración en la planta termosolar completa; se ha estudiado cómo afecta al rendimiento global de la planta el hecho de cambiar determinados parámetros de trabajo en el intercambiador (diferencia terminal de temperaturas entre ambas corrientes fluidas y pérdida de presión en el CO2, fundamentalmente). El coste del kWh producido en cada uno de los diseños optimizados entra dentro de los objetivos marcados dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap.

Más información en el artículo:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X20310999

Referencias

[1] M. Mehos, C. Turchi, J. Vidal et al., 2017. Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap (No. NREL/TP–5500-67464, 1338899).

[2] Montes, M.J., Linares, J.I., Barbero, R., Rovira, A., 2020. Proposal of a new design of source heat exchanger for the technical feasibility of solar thermal plants coupled to supercritical power cycles. Solar Energy 211, 1027–1041.

[3] J.I. Linares, M.J. Montes, A. Cantizano and C. Sánchez, 2020. A novel supercritical CO2 recompression Brayton power cycle for power tower concentrating solar plants. Applied Energy 263, 114644.

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

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Síntesis de Isotiazoles mediante Fotocatálisis: Una Estrategia Sostenible para la Creación de Enlaces N-S

Autores: Sara Cembellín, María Jesús Cabrera, Adnane Halima-Salem, Mateo Berton, Leyre Marzo, M. Carmen Maestro y José Alemán (Grupo FRONCAT – Universidad Autónoma de Madrid)

Resumen: Gracias a la fotocatálisis se ha desarrollado una nueva síntesis de isotiazoles más sostenible, simple y eficaz, que utiliza materiales de partida abundantes y baratos, como son los compuestos carbonilícos y un auxiliar de α-amino-oxiácido. Esta estrategia presenta condiciones de reacción suaves y una amplia tolerancia a grupos funcionales, erigiéndose como una nueva opción respetuosa con el medio ambiente para preparar estos importantes heterociclos. Además, el valor sintético del método descrito queda patente con la preparación de un derivado de un producto natural y la implementación de la reacción en flujo continuo.

Abstract: A sustainable synthesis of isothiazoles has been developed using an α-amino-oxy acid auxiliary and applying photoredox catalysis. This simple strategy features mild conditions, broad scope and wide functional group tolerance representing a new enviromentally friendly option to prepare these highly valuable heterocycles. Furthermore, the synthetic value of the method is highlighted by the preparation of a natural product derivative and the implementation of the reaction in a continuous flow setup. 

Hemos descrito una nueva una metodología, utilizando la luz visible, para síntesis de isotiazoles que son importante compuestos bioactivos.

Los isotiazoles, heterociclos aromáticos que presentan un enlace N−S en su estructura, aparecen en un gran número de productos naturales, fármacos, y otros compuestos con importante actividad biológica, como la ziprasidona, un antipsicótico ampliamente usado en el tratamiento de la esquizofrenia.  Los métodos de síntesis tradicionales para la preparación de isotiazoles requieren usualmente de condiciones de reacción drásticas, como temperaturas elevadas o el uso de metales de transición, por lo que la búsqueda de nuevos métodos de síntesis más sostenibles y beneficiosos con el medio ambiente resulta de gran utilidad en la química orgánica actual.

Teniendo en cuenta el avance experimentado en los últimos años, y las múltiples ventajas de la fotocatálisis, la cual permite utilizar la luz visible como fuente de energía para llevar a cabo transformaciones utilizando condiciones de reacción más suaves, se pensó que la generación de radicales iminilo a través de procesos fotorredox podría representar una buena alternativa para la preparación de estos interesantes heterociclos. A pesar del gran desarrollo del área de la fotocatálisis y de la importancia de los radicales iminilo en la creación de moléculas más complejas, la formación de estas especies empleando luz visible a través de reacciones de oxidación no había sido ampliamente estudiada y hasta la fecha sólo existían tres transformaciones que implicaran una ciclación intramolecular utilizando la citada estrategia, quedando todas ellas limitadas a la formación de enlaces C−N.

El grupo de investigación FRONCAT (www.uam.es/jose.aleman), liderado por el profesor Alemán,  ha presentado el primer ejemplo de formación de enlaces N−S a partir de radicales iminilo generados por transferencia electrónica oxidativa. Ésto supone una nueva aproximación más eficiente, ecológica y económica para la síntesis de isotiazoles. La citada trasformación se llevó a cabo utilizando α-imino-oxi ácidos como materiales de partida y luz visible como fuente de energía.

La investigadora Sara Cembellin afirma que en el estudio del alcance de la reacción se encontró que ésta mostraba una gran tolerancia a diferentes grupos funcionales. Así, una amplia de gama de oximas aromáticas sustituidas tanto con grupos electrodadores como electroatractores, pudieron utilizarse para preparar los correspondientes benzoisotiazoles con rendimientos generalmente muy buenos.  Además, todas las posiciones del anillo aromático pudieron ser sustituidas en los materiales de partida, incluidas las más cercanas al carbono imínico, y grupos potencialmente sensibles en condiciones drásticas de reacción, como los dioxolanos o los grupos benciloxi, se conservaron con éxito en los benzoisotiazoles finales, confirmando así las condiciones suaves del protocolo descrito.

El valor sintético de esta transformación quedó demostrado con su aplicación en oximas derivadas de distintos heterociclos presentes en moléculas bioactivas, como furanos, tiofenos, piridinas y quinolinas. Asimismo, también se toleraron como sustratos adecuados aldoximas y difeniloximas, así como seleniuros, los cuales dieron lugar a los correspondientes benzoselenazoles con excelentes resultados. Finalmente, el método desarrollado pudo ser aplicado con éxito a la preparación de moléculas de gran interés para la industria farmacéutica con la síntesis de un derivado de la molécula brassilexina, un producto natural con una potente actividad antifúngica.

El mecanismo de la reacción se estudió detalladamente utilizando para ello diferentes técnicas entre las que se engloban, entre otras, las mediciones ciclovoltamperométricas de los sustratos de partida, los espectros de absorción y emisión de los materiales y sustancias implicados en el proceso o los experimentos de fluorescencia, realizados tanto en estado estacionario como resueltos en tiempo.

Por último, y debido a las condiciones “verdes” de la metodología descrita, se decidió aplicar nuestra síntesis de isotiazoles mediada por luz visible a las condiciones de flujo. Así pudimos llevar a cabo la preparación de los compuestos deseados de forma secuencial y en una menor cantidad de tiempo, obteniendo un rendimiento/hora unas 140 veces mayor que el obtenido en condiciones normales, lo que nos muestra las grandes posibilidades que ofrece nuestra metodología de ser aplicada a la producción en gran escala.

Referencia bibliográfica:

Cabrera, M. J.; Cembellín, S.; Halima-Salem, A.; Berton, M.; Marzo, L.; Miloudi, A.; Maestro, M. C.; Alemán, J. “Metal-free visible light-promoted synthesis of isothiazoles: a catalytic approach for N–S bond formation from iminyl radicals under batch and flow conditionsGreen Chem., 2020, 22, 6792.

Contacto:

Sara Cembellín, Investigadora Juan de la Cierva del Grupo FRONCAT– sara.cembellin@uam.es

M. Carmen Maestro, Profesora del Grupo FRONCAT – carmen.maestro@uam.es

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

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

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Rutas moleculares del silicio en estrellas evolucionadas: ¿Cómo se forman el silano (SiH4), disilano (Si2H6) y silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) en el espacio?

Autor: Pablo Merino. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) e Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC)

El silicio está presente de forma abundante en el cosmos. En estado sólido, el silicio se encuentra en los granos de polvo interestelar, en los meteoritos y en los asteroides, predominantemente en forma de silicatos. En fase gaseosa, se han detectado hasta trece moléculas distintas que contienen silicio mediante técnicas de espectroscopía con telescopios en el infrarrojo y en el milimétrico observando hacia estrellas evolucionadas o nubes moleculares. Entre estas moléculas se han encontrado, de forma significativa, especies altamente hidrogenadas como el silano y derivados de silano. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de datos observacionales, poco se sabe respecto al origen del silicio como residuo de estrellas evolucionadas tardías, así como de las rutas de evolución químicas que dan lugar a estos productos.

Recientemente, el grupo ESISNA del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), en colaboración con grupos del Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) y del Centro de Astrobiología (CAB-INTA-CSIC) ha desarrollado experimentos que han permitido proponer nuevos mecanismos para explicar la formación de compuestos hidrogenados de silicio a partir de silicio e hidrógeno atómicos en condiciones de laboratorio que simulan ambientes  circumestelares. Los experimentos se han realizado usando la máquina Stardust [1] una avanzada estación de astrofísica experimental que permite simular los procesos astroquímicos en la tierra [2]. La máquina ha sido desarrollada en el marco del proyecto ERC Synergy Nanocosmos.

En este trabajo se ha estudiado experimentalmente la interacción entre el silicio atómico y el hidrógeno en condiciones físicas que imitan las de la atmósfera de estrellas evolucionadas gigantes rojas. La química de Si, H y H2 produce de manera eficiente silano (SiH4), disilano (Si2H6) y granos de silicio hidrogenado amorfo (a-Si: H). El silano ha sido detectado en la estrella rica en carbono IRC + 10216, mientras que aún no se ha detectado disilano en el espacio. Por lo tanto, las reacciones en fase gaseosa descubiertas son una fuente probable para la formación de silano en regiones circumestelares. Por otro lado, los granos de a-Si:H se descomponen en SiH4 y Si2H6 a temperaturas por encima de 500 K, lo que sugiere un mecanismo adicional de formación de estos gases desde la fase sólida. La exposición de los granos de a-Si:H al vapor de agua resulta en la incorporación de oxígeno en los granos, lo que implica que, si este tipo de granos están presentes en el medio interestelar, probablemente serán procesado y convertidos en silicatos a través de la interacción con el agua helada que cubre la superficie de los granos de polvo.

Izquierda: Imagen de la estrella  IRC+10216 a partir de los datos del radiotelescopio IRAM 30m. Derecha:  esquema de las reacciones y productos obtenidos a partir de silicio e hidrógeno-

Referencias

[1] Martínez, Santoro, Merino et al. Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes, Nature Astronomy 4, 97 (2019).

[2] Santoro, Martínez, Lauwaet et al. The chemistry of cosmic dust analogues from C, C2, and C2H2 in C-rich circumstellar envelopes, The Astrophysical Journal, 895, 97 (2020).

[3] Accolla, Santoro, Merino et al. Silicon and hydrogen chemistry under laboratory conditions mimicking the atmosphere of evolved stars, The Astrophysical Journal, accepted (2020).

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Pablo Merino, 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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Nuevos avances en el uso de materiales híbridos Orgánicos/Inorgánicos en fotosíntesis artificial

Autores: C. G. López-Calixto, M. Barawi, M. Gomez-Mendoza, F. E. Oropeza, F. Fresno, M. Liras, and V. A. de la Peña O’Shea.

Unidad de Procesos Fotoactivados del Instituto IMDEA Energía, Avenida Ramón de la Sagra, 3, 28933 Móstoles, Madrid.

El desarrollo de tecnologías sostenibles y ecológicas para la obtención de productos químicos y de energía es uno de los retos más importantes para nuestra sociedad hoy día. Estas tecnologías deben tener en cuenta la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente mediante el uso de fuentes de energía de emisión cero. En este sentido, es muy deseable hacer de la abundante y renovable energía solar la principal fuente que supla nuestra sociedad en el futuro. El diseño de materiales para tecnologías de conversión de energía solar también debe considerar los temas de sostenibilidad y medioambientales. Por esta razón, los polímeros funcionales han sido considerados como materiales de conversión de energía solar debido a su versatilidad y alta disponibilidad, libre de limitaciones geopolíticas.[1]Los semiconductores a base de Polímeros Porosos Conjugados (PPCs) son particularmente interesantes porque se ha demostrado que poseen gran estabilidad fotoquímica y propiedades optoelectrónicas intrínsecas (como la absorción de luz visible y actividad fotoquímica) ajustable a nivel molecular.[2]

En la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía, venimos trabajando en el desarrollo de PPCs con propiedades fotocatalíticas avanzadas. Recientemente presentamos nuestros últimos resultados en una publicación en la revista ACS Catalysis.[3] En este artículo, explicamos las bases del diseño y la síntesis de nuevos PPCs llamados IMDEA Energy Polymer-x (IEP-x)x = 7, 8, 9, and 10, para la producción fotocatalítica de hidrógeno a partir de agua. Estos polímeros exhiben mejores propiedades fotocatalíticas que las del muy usado TiO2, ver figura 1, debido a una absorción extendida de luz visible que es el mayor componente de la irradiancia solar.

Figura 1. (A) Cumulative hydrogen production versus time of reaction of CPPs based on BOPHY (B) Photonic efficiency ƺ (%) by CPPs based on BOPHY used as photocatalysts compared with TiO2.

De manera adicional, se observó una fuerte sinergia foto-catalítica al combinar los IEP-x con TiO2 para formar compuestos híbridos orgánico/inorgánico. Tal efecto sinérgico fue mayor en el compuesto híbrido IEP-7/TiO2, con una velocidad de producción de hidrógeno 12 veces mayor a la suma de aquellas obtenidas con los materiales individuales. En base a un estudio espectroscópico detallado, logramos dar con el origen de la sinergia foto-catalítica que se halla en la efectiva separación de las especies foto-activadas atrevés de la interfase orgánica/inorgánica, como se muestra esquemáticamente en la figura 2. Las especies foto-activadas tienden a reaccionar entre si preferencialmente, pero al estar en las diferentes fases del material híbrido, las reacciones con reactivos en la superficie se ven favorecida. El estudio integral presentado servirá como plataforma para el desarrollo de materiales híbridos para aplicaciones de energía solar y otras fuentes renovables.

Figura 2: Esquema de efecto sinérgico en materiales híbridos orgánicos/inorgánicos. Observar como las cargas foto-generadas son trasferidas a las diferentes fases donde reaccionan con los reactivos de manera eficiente y sin recombinación.

Referencias


[1] C. Dai & B. Liu, Energy Environ. Sci. 2020, 13, 24–52

[2] (a) H. Bildirir et al., Mater. Horizons, 2017, 4, 546-556; (b) J. Byun & K. A. I., Mater. Horizons 2020, 7, 15–31

[3] C. G. López-Calixto, M. Liras, V. A. de la Peña O’Shea et al., ACS Catal. 2020, 10, 17, 9804–9812

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Marta Liras, Investigadora del Grupo IMDEA-E del Programa FotoArt-CM - marta.liras@imdea.org

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

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Mejorando la durabilidad y eficiencia de plantas termosolares

Autores: Noelia Martínez1,2, David Merino1, Álvaro Rico1, Claudio J. Múnez1, Pedro Poza1

1 DIMME – Grupo de Durabilidad e Integridad de Materiales Estructurales, Universidad Rey Juan Carlos, C/ Tulipán s.n. 28933 Móstoles, Madrid.

2 Abengoa Energía, Departamento de Energía Solar, Energía Solar 1, 41014 Sevilla.

La energía solar de concentración (“Concentrated Solar Power”, CSP) tiene el potencial de llegar a ser una de las energías renovables con mayor presencia en la energía eléctrica consumida a nivel mundial. La necesidad de reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, para afrontar el reto del cambio climático, obliga a aumentar el peso de las energías renovables en el mix energético [1]. La energía solar de concentración presenta algunas ventajas frente a otras renovables, como poder gestionarla gracias a las posibilidades de almacenamiento. Los estudios realizados por la Unión Europea para reducir las emisiones de CO2 predicen que la energía solar de concentración puede llegar a alcanzar el 11% del total de la energía consumida.

Figura 1. Plantas solares de concentración construidas por Abengoa. a) Planta Xina Solar One con tecnología cilindro parabólica construida en Sudáfrica. b) Plataforma solar de Sanlúcar con tecnología de torre.

La tecnología asociada a la energía solar de concentración se basa en focalizar la energía del sol, mediante un sistema espejos, sobre un receptor, que constituye un caso particular de intercambiador de calor. La radiación solar incide sobre el receptor donde se transforma en energía térmica que calienta un fluido portador. Se utilizan diferentes configuraciones como los sistemas cilindro-parabólicos, donde el receptor se encuentra en el foco lineal de un espejo parabólico (Figura 1a), o las plantas de torre, en las que un campo de helióstatos se focaliza sobre un receptor de grandes dimensiones situado en una torre (Figura 1b).

La eficiencia de la producción de energía depende de la capacidad del receptor para recoger la radiación solar. Por tanto, es necesario modificar la superficie del tubo metálico con recubrimientos que aporten una elevaba absortividad de la radiación solar (a) y una baja emisividad térmica (e). Desde un punto de vista estructural, estos recubrimientos deben ser capaces de operar en condiciones de alta temperatura, en un medio agresivo, y sometido acciones mecánicas que degradarán el material por procesos de fatiga, erosión y desgaste. Estos requerimientos funcionales y estructurales obligan a utilizar recubrimientos absorbedores capaces de mantener la integridad estructural en las condiciones de servicio. Sin embargo, las soluciones empleadas en la actualidad no son satisfactorias, ni desde el punto de vista funcional ni desde los requisitos estructurales, y constituye una de las principales limitaciones al desarrollo de la nueva generación de plantas termosolares.

Precisamente una de las líneas de investigación del grupo URJC-SOLAR, dentro del Programa de Actividades de I+D ACES 2030, es la mejora del comportamiento de los recubrimientos utilizados en los receptores centrales de plantas solares de concentración con tecnología de torre. Se han seguido dos estrategias: optimizar la durabilidad de los recubrimientos que se utilizan en la actualidad, fundamentalmente pinturas refractarias de base silicona con absortividades del orden del 96%, y desarrollar nuevos recubrimientos, mediante técnicas de proyección térmica.

El análisis de la durabilidad de pinturas refractarias se ha realizado mediante ensayos de nanorayado, descritos en la Figura 2. Estos ensayos permitieron determinar la tasa de desgaste, definida como el volumen de recubrimiento arrancado por unidad de carga aplicada y distancia recorrida.

Figura 2. Ensayos de nanorayado: una punta de diamante se desplaza por la superficie del recubrimiento bajo la acción de una carga normal, generando un surco en el material. a) Esquema del ensayo. b) Imagen obtenida mediante microscopía de fuerzas atómicas del surco generado.

Se midió la tasa de desgaste de pinturas refractarias fabricadas siguiendo diferentes tratamientos térmicos. Los resultados muestran una gran influencia de las condiciones de fabricación en la tasa de desgaste (Figura 3a). Por otra parte, la durabilidad de las pinturas se correlaciona con su temperatura de transición vítrea (Figura 3b). En consecuencia, las prestaciones de los recubrimientos utilizados pueden mejorarse eligiendo adecuadamente las condiciones de aplicación de las pinturas [2].

Figura 3. a) Tasa de desgaste medida en diferentes condiciones de curado de las pinturas. El recubrimiento E presenta la mejor durabilidad al tener la menor tasa de desgaste. b) Correlación entre la tasa de desgaste y la temperatura de transición vítrea de las pinturas.

Finalmente se están buscando nuevos recubrimientos con propiedades mejoradas fabricados por técnicas de proyección térmica. Mediante esta tecnología de fabricación pueden depositarse metales, cerámicas y mezclas metal-cerámica sobre la superficie del tubo receptor, fabricado en acero. Se han estudiado recubrimientos formados por óxidos cerámicos, que pueden llegar a proporcionar absortividades superiores a las de las pinturas siliconadas con una vida en servicio más larga. Sin embargo, las propiedades de estos recubrimientos, tanto funcionales como estructurales, dependen en gran medida de las condiciones de fabricación. En la actualidad se está realizando un análisis detallado que permita optimizar las condiciones de fabricación para obtener las máximas prestaciones.

Referencias

[1]      European Commission. Roadmap 2050. Policy 2012:1–9. https://doi.org/10.2833/10759.

[2]      Martínez N, Rico A, Múnez CJ, Prieto C, Poza P. Improving durability of silicone-based paint coatings used in solar power plants by controlling consolidation procedures. Sol Energy 2020;199:585–95. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.02.049

Contacto

Pedro Poza, Investigador del Grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Nanomateriales como impulsores de la sostenibilidad en transporte

Autores: Juan José Vilatela García, IMDEA Materiales; Tamara Blanco Varela, Airbus

Poca duda cabe de la rapidez con que está cambiando el transporte y de la imparable transformación hacia vehículos con propulsión eléctrica/híbrida. En automoción, la constante reducción en costos de las baterías ion-litio nos pone a las puertas de cambios sísmicos en la movilidad. Se estima que el costo de vehículos de 2-3 ruedas eléctricos (EV, por sus siglas en inglés) será menor que el de motores de combustión interna a partir de 2023, y el de los automóviles comenzando en 20251, consolidando su irrupción en el sector.  

La electrificación en el transporte se observa también en la aviación civil. Los esfuerzos por electrificar los sistemas datan al menos desde los años 80, con la iniciativa conocida como MEA (More Electric Aircraft). Esta tendencia se ha acelerado por el interés en sistemas con tecnologías de propulsión alternativas – baterías y/o hidrógeno-, que en pocos años pasaron de ser diseños futuristas a máquinas que vuelan. Conforme un número creciente de aviones eléctricos/híbridos conceptuales son desarrollados queda patente los enormes retos técnicos para las siguientes décadas.

En un estudio en preparación, los autores hemos identificado tecnologías clave para conseguir los objetivos de sostenibilidad del sector, con especial interés en áreas donde materiales tradicionales serán probablemente reemplazados por nanomateriales. La perspectiva es que retos nuevos requieren materiales nuevos, que deben desarrollarse lo antes posible.

Figura 1. Evolución de la potencia eléctrica del mayor elemento eléctrico en aeronaves.2

Los dos ejemplos más claros son la transmisión y el almacenamiento de energía. La transmisión de energía se refiere en este contexto a la corriente eléctrica. Los estudios de la NASA3 y otras instituciones2 predicen que la potencia del mayor elemento eléctrico en aviones aumentará por un factor de 30 en los próximos 15 años (ver gráfico). Por experiencia, se sabe que a 1kW de potencia en un avión comercial corresponden unos 6.5kgs de peso en cables eléctricos. Esto implicaría que la potencia eléctrica de 30MW proyectada para antes de 2035 requeriría 200 toneladas de cableado eléctrico por avión, ¡el equivalente en peso a cinco A320! 

Claramente los aviones del futuro requerirán alternativas a los conductores de cobre y aluminio usados actualmente. Una opción son los superconductores, materiales exóticos en los que la carga eléctrica fluye prácticamente sin resistencia eléctrica, pero que requieren temperaturas de operación criogénicas y son extremadamente caros (> €5000/kg)4. La otra alternativa son conductores de carbono altamente dopados (mediante intercalación o hibridación con Cu). Más de una década en desarrollo en laboratorios académicos ha conseguido producir cables macroscópicos de nanocarbonos, con conductividad eléctrica superior a metales (para pesos equivalentes) y en formatos similares a componentes industriales (ver Figura 2). Tres elementos adicionales hacen de estos conductores un serio candidato a reemplazar metales en la nueva generación de aviones. Datos históricos muestran una mejora anual del 26% en propiedades eléctricas sin vistas de estabilizarse aún,5 dando aún más margen de mejora. Por otro lado, es sorprendente el gran número de plantas con producción de nanocarbonos en la escala de toneladas y con precios asequibles anunciadas recientemente por las mayores empresas en el sector del petróleo, gas y química fina.5 El vertiginoso desarrollo de estos materials por muchas de estas empresas se debe a su potencial fabricación como subproducto en la generación de combustible hidrógeno a partir de gas natural (ver entrada anterior en este blog).


Figura 2. Cables eléctricos de nanocarbonos. A) Evolución en la conductividad específica (i.e. por unidad de masa) reportada. B) Cable eléctrico de alta potencia.6

En el ámbito de almacenamiento de energía los nanomateriales juegan también un papel clave. Su morfología y dimensiones los hace intrínsecamente tolerantes al daño, a la vez que permite su organización en redes capaces de conducir carga eléctrica y permeables a electrolitos o gases. No es de sorprender, por lo tanto, que los nanomateriales figuren en las hojas de ruta para el desarrollo de las nuevas químicas de baterías, aún a reserva de consideraciones sobre la escasez u origen de las materias primas usadas en la actualidad.7 La Figura 3 muestra la evolución en baterías comerciales de altas prestaciones fabricadas a escala suficiente para suministrar al sector transporte. Superpuestos hay ejemplos recientes a nivel laboratorio de baterías con electrodos nanoestructurados con diferentes químicas. Los altos valores de densidad de energía obtenidos con baterías nanoestructuradas dan un atisbo de su importancia en los futuros sistemas de almacenamiento electroquímico.

Figura 3. Evolución en la densidad media de energía de baterías ion Li comerciales y recientes ejemplos de baterías con electrodos nanoestructurados 8,9,10

Una vez identificadas las aplicaciones de mayor impacto de los nanomateriales en los aviones del futuro próximo, hemos analizado las áreas de desarrollo prioritarias. El objetivo es lograr una progresión paralela en los métodos de fabricación, integración y propiedades. Adicionalmente, conforme aumenta la complejidad de los sistemas de transporte y de los ciclos de vida de los materiales, identificamos el desarrollo de métodos analíticos a nivel sistema como otra prioridad emergente.

La versión completa de este estudio se hará pública en los próximos meses.

Referencias

(1)      Tyson, C. B. J. N. S. S. M. Breakthrough Batteries: Powering the Era of Clean Electrification; 2019.

(2)      Schefer, H.; Fauth, L.; Kopp, T. H.; Mallwitz, R.; Friebe, J.; Kurrat, M. Discussion on Electric Power Supply Systems for All Electric Aircraft. IEEE Access 2020, 8, 84188–84216.

(3)      Madavan, N. Hybrid-Electric and Distributed Propulsion Technologies for Large Commercial Air Transports: A NASA Perspective. In Special Session on Future Electric Aircraft – Systems IEEE ECCE; Montreal, 2015.

(4)      Haugan, T. J. Impact of Nanotechnology on Carbon-Based and Superconducting Wire Development. In 2018 Nanotechnology Materials and Devices (NMD 2018); Cincinnati, 2018.

(5)      Taylor, L. W.; Dewey, O. S.; Headrick, R. J.; Komatsu, N.; Peraca, N. M.; Wehmeyer, G.; Kono, J.; Pasquali, M. Improved Properties, Increased Production, and the Path to Broad Adoption of Carbon Nanotube Fibers. Carbon N. Y. 2020.

(6)      Cress, C. D.; Ganter, M. J.; Schauerman, C. M.; Soule, K.; Rossi, J. E.; Lawlor, C. C.; Puchades, I.; Ubnoske, S. M.; Bucossi, A. R.; Landi, B. J. Carbon Nanotube Wires with Continuous Current Rating Exceeding 20 Amperes. J. Appl. Phys. 2017, 122 (2), 25101.

(7)      European Commission. Report on Raw Materials for Battery Applications; 2018.

(8)      Qiao, Y.; Jiang, K.; Deng, H.; Zhou, H. A High-Energy-Density and Long-Life Lithium-Ion Battery via Reversible Oxide–peroxide Conversion. Nat. Catal. 2019, 2 (11), 1035–1044.

(9)      Park, S.-H.; King, P. J.; Tian, R.; Boland, C. S.; Coelho, J.; Zhang, C. (John); McBean, P.; McEvoy, N.; Kremer, M. P.; Daly, D.; et al. High Areal Capacity Battery Electrodes Enabled by Segregated Nanotube Networks. Nat. Energy 2019, 4 (7), 560–567.

(10)    Amprius Technologies https://www.amprius.com/.

Contacto

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

Tamara Blanco Varela, Composites Research & Technology – Multifunctional Materials, Airbus Operations, S.L.

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

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

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

Resumen

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

Abstract

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

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

Descripción

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

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

Figura 1: Ciclo Brayton regenerativo

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

Figura 2: Concepto de nuevo dispositivo de aprovechamiento solar

Resultados

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


Conclusiones

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

Agradecimientos

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

Referencias

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

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

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

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

Contacto

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

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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