Archivo para la categoría ‘Hidrógeno’

Luz solar para producir hidrógeno renovable a partir de biomasa lignocelulósica

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

En un estudio reciente realizado en la Universidad de Cambridge se ha puesto de manifiesto que la biomasa sin procesar (serrín, hojas de vegetales, bálago de cereal) se puede convertir fácilmente  en hidrógeno limpio mediante iluminación con luz solar una disolución acuosa alcalina en la que permanece la biomasa en suspensión y a la que se añaden partículas de un fotocatalizador. El proceso opera en condiciones muy suaves, esto es, presión y temperatura ambientales, lo que contrasta con la tecnología convencional de obtención de hidrógeno a partir de biomasa mediante gasificación. La desventaja de este proceso es que la velocidad de formación de hidrógeno es muy baja.

La lignocelulosa, que es el componente principal de la biomasa del planeta, fue el origen de las reservas de petróleo. Este precursor sometido bajo los estratos sedimentarios de la corteza terrestre a elevadas presiones y temperaturas, en ausencia de aire,  durante millones de años generó las mezclas de hidrocarburos que constituyen el crudo que utilizamos en la actualidad para la producción de combustibles de transporte. Pero las reservas de petróleo han ido disminuyendo de forma muy significativa en las últimas décadas. Esto ha hecho que en la actualidad se exploren vías de transformación del material lignocelulósico en la fabricación de combustibles sintéticos y productos químicos.

La tecnología convencional de fabricación de combustibles sintéticos a partir de biomasa incluye dos etapas: una primera de gasificación para producir una mezcla gaseosa de CO y H2, y una segunda de transformación de esta mezcla en hidrocarburos. El proceso global requiere la construcción de plantas  grandes, lo que implica un coste elevado, a lo que hay que añadir una eficiencia del proceso limitada.

Recientemente un equipo de investigación del laboratorio Christian Doppler de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, ha desarrollado una metodología relativamente sencilla que permite extraer el hidrógeno presente en la biomasa lignocelulósica en un solo paso en condiciones ambientales, esto es, temperatura y presión ambiental con el único recurso de la luz solar. Esta tecnología, que ha sido publicada en la revista Nature Energy 2, 17021 (2017) (doi:10.1038/nenergy.2017.21) consiste básicamente en un simple proceso de conversión fotocatalítica. Se añaden partículas del fotocatalízador en la disolución acuosa alcalina y se mantiene en suspensión conjuntamente con la propia biomasa. El conjunto se ilumina con una lámpara que simula la luz solar. Los fotones absorbidos en las partículas de fotocatalizador son capaces de realizar la transformación del material polimérico de la biomasa y generar hidrógeno libre de monóxido de carbono u otras impurezas.

 

Figura 1. Hoja de papel colocada en una disolución alcalina iluminada con luz solar.

La limitación del proceso en la actualidad reside en la baja producción de hidrógeno. Resulta evidente que se requieren escalados sucesivos para establecer si la metodología de laboratorio alcanza un desarrollo industrial. De hecho se ha realizado una patente de aplicación de la prueba de concepto.

Bibliografía

D.W. Wakerley, M.F. Kuehnel, K.L. Orchard, K.H. Ly, T.E. Rosser and E. Reisner, Solar-driven reforming of lignocellulose to H2 with a CdS/CdOx photocatalyst, Nature Energy 2, 1 7021 (2017) (doi:10.1038/nenergy.2017.21)

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Biohidrógeno – Proyectos NREL

El biohidrógeno se define como “hidrógeno producido biológicamente”, habitualmente a partir de algas, bacterias y arqueas. El biohidrógeno es un biocombustible con gran potencial que puede obtenerse mediante cultivo específico o a partir de desechos orgánicos. En el NREL se están llevando a cabo varios proyectos dirigidos a una producción sostenible de este tipo de hidrogeno biológico.

 Autor: Gabriel Morales, Universidad Rey Juan Carlos

National Renewable Energy Laboratory (NREL) (http://www.nrel.gov/)

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL), con sede en Golden, Colorado, es el principal centro de investigación de los EE.UU. en temas de energías renovables y de eficiencia energética. Se trata de una institución pública, dependiente del gobierno y financiada por el Departamento de Energía (DOE). Entre sus campos de investigación más activos se encuentran: la bioenergía, la eficiencia energética en edificios, la química y nanociencia, las ciencias computacionales, la energía solar de concentración, la integración de sistemas energéticos, la energía geotérmica, las redes eléctricas avanzadas, las células de hidrógeno y de combustible, la ciencia de materiales, la energía solar fotovoltaica, la electrificación del transporte, la energía hidráulica, y la energía eólica. Está constituido por 3 centros nacionales más otros 3 centros de investigación asociados, tiene abiertos 13 programas de investigación, con una financiación acumulada de más de 350 millones de dólares, su actividad genera más de 1000 publicaciones al año, mantiene más de 800 patentes, con más de 2700 personas entre empleados e investigadores visitantes y post-doctorales.

Campus del NREL en Golden, Colorado.

Proyectos sobre biohidrógeno en el NREL

En el departamento de bioenergía del NREL se han desarrollado dos plataformas renovables para la producción sostenible de hidrógeno. Una de dichas plataformas se basa en una fermentación microbiana de azúcares (es decir, biomasa lignocelulósica) mediante la cual se pueden producir grandes cantidades de hidrógeno, conocida como fermentación oscura. Consiste en la obtención de hidrógeno a partir de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos en ausencia de luz por la acción combinada de un grupo de bacterias anaerobias. Es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos microbianos que crecen en la oscuridad, principalmente del género Enterobacter, Bacillus y Clostridium, los cuáles actúan de manera coordinada y secuencial, para descomponer la materia orgánica en ausencia de oxigeno libre. Los monosacáridos son la principal fuente de carbono, particularmente la glucosa seguida de la xilosa, el almidón, la celulosa y otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos. En ambientes anóxicos, los protones pueden actuar como un aceptor de electrones en presencia de la enzima hidrogenasa. En estas condiciones las bacterias anaerobias, sin requerimientos de energía lumínica, fermentan sustratos ricos en carbohidratos. En este proceso interactúan diversas clases de microorganismos, los cuales convierten la materia orgánica en otros compuestos, incluido el hidrógeno, y en nuevas células bacterianas.

La otra plataforma de producción sostenible de hidrógeno se basa en las algas verdes y en la capacidad innata de las cianobacterias para catalizar la producción de hidrógeno, ligándola directamente a las rutas fotosintéticas. Las algas (específicamente la Chlamydomonas reinhardtii y la Chlamydomonas moewusii) producen hidrógeno bajo ciertas condiciones. Cuando dichas algas son privadas de azufre dejan de producir oxígeno mediante fotosíntesis, y producen hidrógeno.

La clave en ambos procesos son unas metalo-enzimas, las hidrogenasas, que son enzimas que catalizan de modo reversible la oxidación de hidrógeno; y sus mecanismos catalíticos subyacentes también están siendo objeto de investigación actualmente en el NREL.

 

Proyecto de Producción Fermentativa de Hidrógeno

La biomasa lignocelulósica es una fuente atractiva para la producción de hidrógeno mediante fermentación oscura debido a su abundancia y al elevado contenido en azúcares (aprox. 40% de celulosa, y aprox. 30% de hemicelulosa). El objetivo principal del proyecto del NREL en este ámbito es conseguir una producción de hidrógeno más económica cambiando el tipo de materia prima de biomasa de elevado coste de los procesos tradicionales e incrementando el bajo rendimiento molar de hidrógeno (mol H2/mol hexosa).

Para disminuir los costes de la biomasa, el NREL ha desarrollado la bacteria degradadora de celulosa Clostridium thermocellumpara convertir directamente la celulosa/hemicelulosa en hidrógeno sin depender de un costoso cóctel de enzimas hidrolíticas en una configuración de bioproceso integrado. Para mejorar el rendimiento molar de hidrógeno, se ha desarrollado una caja de herramientas (“toolkit”) genética, una tecnología que facilita la manipulación de las rutas metabólicas de C. thermocellum para dirigir un mayor flujo celular hacia la producción de hidrógeno. Además, se puede producir más hidrógeno a partir de la corriente residual de la fermentación (acetato, lactato, formiato, etanol) usando una célula de electrólisis microbiana (MEC). Esta integración fermentación oscura-MEC, desarrollada en colaboración con la Penn State University, ha permitido alcanzar un rendimiento molar a hidrógeno combinado de 10, el mayor publicado hasta la fecha.

 

Proyecto de Producción Fotobiológica de Hidrógeno

Empleando la energía del sol y los electrones del agua, tanto las algas verdes Chlamydomonas reinhardtii como las cianobacteriasSynechocystis sp. PCC 6803 son microorganismos fotosintéticos modelo para la producción de hidrógeno renovable. Una importante barrera técnica para la producción sostenible de hidrógeno fotolítico es la sensibilidad de las hidrogenasas de las algas y las cianobacterias frente al oxígeno molecular (O2), subproducto inherente de la fotosíntesis oxigénica. En una estrategia para abordar dicha barrera, en el NREL se ha transformado en ambos hospedantes una hidrogenasa tolerante a O2 procedente de Clostridium acetobutylicum (una hidrogenasa-FeFe en las algas verdes) o de Rubrivivax gelatinosus (una hidrogenasa-NiFe en las cianobacterias), diseñadas para producir de forma continua hidrógeno durante el día. En una segunda estrategia, el grupo del NREL ha restringido el nutriente azufre de las algas verdes para atenuar la generación de O2 a fin de alcanzar una producción de hidrógeno simultánea durante la fotosíntesis. La sobre-expresión de las enzimas hidrogenasas y su integración en las rutas fotosintéticas del hospedante son áreas prioritarias en este campo de investigación.

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Nuevo impulso para el desarrollo de la tecnología del hidrógeno como combustible en España

Aunque en diversas ciudades de España se puede ver algún vehículo impulsado por hidrógeno, el fomento del uso de este tipo de vehículos en la sociedad pasa necesariamente (y entre otras cosas) por el desarrollo paralelo de una infraestructura de estaciones de servicio que puedan surtir hidrógeno. En este sentido, se ha puesto en marcha el proyecto H2PiyP, que creará un corredor de hidrógeno entre España, Francia y Andorra.

Autor: [Arturo J. Vizcaíno – Universidad Rey Juan Carlos]

El proyecto H2PiyR, “Corredor de Hidrógeno para la región Pirenaica”, está incluido en el programa europeo de cooperación POCTEFA 2014-2020 y dispondrá de un presupuesto total de 3,9 millones de euros, de los que 2,4 millones provienen del FEDER a través del mencionado programa.

El proyecto consiste en el desarrollo de un corredor transfronterizo de estaciones de repostaje para vehículos de hidrógeno (hidrogeneras) que conecte España, Andorra y Francia, logrando así la conexión con los países del centro y norte de Europa donde la movilidad sostenible con hidrógeno ha despegado y es una realidad. Para ello, se construirán 6 hidrogeneras, que generarán hidrógeno limpio de energías renovables, situadas estratégicamente en Zaragoza, Huesca, Fraga, Tarragona, Andorra y Pamiers. A ellas se añadirán las ya construidas en Huesca (Parque Tecnológico Walqa) y Zaragoza (Valdespartera), así como 2 que se están construyendo en Rodez y Albi, situadas al sur de Francia. Se completará así un corredor con un total de10 hidrogeneras que cubrirán un área aproximada de 500 kilómetros para vehículos basados en pila de combustible.

Entre los objetivos que persigue el proyecto, destacan: crear una red de movilidad con hidrógeno entre los distintos países de la Unión Europea, reducir las emisiones asociadas a los vehículos tradicionales, impulsar las economías locales, crear oportunidades de negocio (en especial para las PYMEs) y fomentar la innovación en tecnologías del hidrógeno en todas las áreas del conocimiento necesarias para implementar el corredor.

El pasado 12 de septiembre de 2016 tuvo lugar la reunión de lanzamiento del H2PiyR en la sede de la Fundación para el Desarrollo de Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón, quien coordinará el proyecto durante los próximos tres años. Es de esperar que H2PiyR se convierta en un banco de ensayos a escala real para la demostración de las ventajas del uso del hidrógeno y los vehículos de pila de combustible.

Fuentes:

https://www.poctefa.eu/eje-1/

http://hidrogenoaragon.org/

 

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El Congreso Mundial del Hidrógeno se celebrará el próximo mes de Junio en Zaragoza

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

El Congreso mundial del hidrógeno (WHEC 2016) tendrá lugar del 13 al 16 de Junio 2016 en Zaragoza. Este congreso que se celebra cada dos años es el referente a nivel mundial en energías renovables. Reúne a profesionales de las principales empresas del sector, centros de investigación y entidades públicas y privadas relacionadas con las tecnologías del hidrógeno. Al igual que en sus ediciones anteriores, es el foro más apropiado para dar a conocer los avances logrados en las tecnologías de producción, almacenamiento/distribución y uso en aplicaciones tanto fijas como móviles. Además de la faceta científico-técnica, el congreso cuenta con zonas de exposición y exhibición de nuevos prototipos, productos y servicios de empresas del sector del automóvil, así como aplicaciones ya reales y otras de futura comercialización.

La 21a edición del Congreso Mundial del Hidrógeno (WHEC 2016) tendrá lugar entre el 13 y el 16 de junio de 2016 en Zaragoza. Este congreso está organizado por la Asociación Española de Hidrógeno (AeH2), con la colaboración de la Fundación para el Desarrollo de Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón (FHa) y bajo el auspicio de la Asociación Internacional de la Energía del Hidrógeno (IAHE). El congreso, que tiene lugar cada dos años y se celebra por primera vez en España, es el referente a nivel mundial en energías renovables, que reúne a profesionales de las principales empresas del sector, centros de investigación y entidades públicas y privadas relacionadas con las tecnologías del hidrógeno. Al igual que en sus ediciones anteriores, es el foro más apropiado para dar a conocer los avances logrados en las tecnologías de producción, almacenamiento/distribución y uso en aplicaciones tanto fijas como móviles.

Durante los cuatro días de duración, se presentarán alrededor de 800 ponencias procedentes de 58 países, junto a sesiones plenarias a cargo de prestigiosos especialistas y responsables de I+D de empresas e instituciones. Se tratarán temas clave del sector tales como el estado de la tecnología de las celdas de combustible aplicadas al transporte y la infraestructura de repostaje del hidrógeno con responsables de BMW Group, Toyota Motor Europe y NEL ASA.  Igualmente se revisarán las estrategias nacionales y las legislaciones puestas en marcha en torno al hidrógeno. Para ello cuenta con el concurso de representantes de diversas instituciones internacionales tales como la Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) Europea, el New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), California Fuel 3 Cell Partnership (CaFCP), Canadian Hydrogen and Fuel Cell Association (CHFCA) y el National Organisation Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW GmbH). En otra sesión a cargo de responsables de Hydrogenics Europe e ITM Power se abordarán retos tan importantes del sector como el almacenamiento del hidrógeno y los sistemas Power-to-Gas.

Además de la componente científico-técnica, el congreso cuenta con zonas de exposición y exhibición de nuevos prototipos, productos y servicios de empresas del sector del automóvil, y de producción, desarrollo, almacenamiento, transporte y usos finales del hidrógeno, así como aplicaciones ya reales y otras de futura comercialización. Se podrán contemplar los nuevos desarrollos y avances de algunas empresas como como BMW Group, Toyota, Hydrogenics o ITM Power. Incluso se podrá ver el funcionamiento de una estación de repostaje de hidrógeno para vehículos equipados con celda de combustible (Figura 1).

Figura 1. Modelo de automóvil (Toyota Prius Aqua FT-86) equipado con celda de combustible alimentada con Hidrógeno y provisto de tanque de almacenamiento a presión elevada.

Las tecnologías del hidrógeno han experimentado un gran impulso a  nivel mundial durante la última década. El motor de este impulso radica en la aplicación en las celdas de combustible que se presentan como la mejor opción de lograr la seguridad de suministro energético y la reducción de la dependencia de los precursores fósiles, así como la necesidad de avanzar hacia un mix energético sostenible y con menor huella de carbono. La Unión Europea, con una fuerte dependencia de las energías fósiles, ha impulsado medidas dirigidas a incrementar el uso de las energías renovables dentro de la Estrategia Energética 2020 y de marcos como la Energy Roadmap 2050, donde se contemplan sistemas de almacenamiento de energía entre los que se encuentra el hidrógeno. También la Directiva 2014/94/UE para la implantación de una infraestructura para los combustibles alternativos contempla el hidrógeno, si bien la apuesta decidida de la UE se situó en 2007 con la creación del Séptimo Programa Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la EU, la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, que ha tenido su continuación en una segunda fase dentro del programa de Investigación e Innovación H2020, establecida para el periodo 2014-2020. En el caso de España, referente en energías renovables, está siendo un gran campo de investigación para el avance en la producción y almacenamiento de hidrógeno a partir de fuentes renovables y mediante procesos sostenibles, gracias a un activo tejido de empresas y centros de referencia, junto a proyectos innovadores puestos en marcha en Comunidades Autónomas como Andalucía, Castilla-La Mancha o Aragón.

Para más información, contactar la página: http://www.whec2016

 

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Oxidación de hidrógeno en medio alcalino: Ni/N-CNT

Autor: Manuel Montiel. Universidad Autónoma de Madrid

Las pilas de combustible son dispositivos capaces de transformar en energía eléctrica y de manera efectiva la energía química almacenada en combustibles como hidrógeno o alcoholes de baja masa molecular. Dentro de las pilas de combustible, las que operan a baja temperatura (~100 ºC), han sido tradicionalmente dispositivos de membrana polimérica que trabajan en medio ácido. Para llevar a cabo el proceso electroquímico se han empleado catalizadores de Pt o metales del grupo del platino (PGMs), tanto para la oxidación de combustibles en el ánodo como para la reducción de oxígeno en el cátodo. Pero el empleo de nuevos dispositivos de membrana polimérica que trabajan en medio básico ha permitido abrir el abanico de catalizadores que se pueden emplear, tanto en el ánodo como en el cátodo [1]. Sin embargo, mientras que para el cátodo se han conseguido catalizadores con actividad comparable a la del Pt, solo algunos PGMs (Pt, Ir, Pd…) presentan una actividad adecuada para la oxidación de hidrógeno en medio alcalino, donde la reacción es más lenta.

Una alternativa al empleo de PGMs como ánodos en pilas de hidrógeno alcalinas son los catalizadores basados en níquel, como aleaciones de NiMo, NiTi o NiCoMo, o también nanopartículas de níquel decoradas con óxidos metálicos. Aunque la actividad de estos materiales es inferior a la obtenida con PGMs, se pone de manifiesto la posibilidad de abaratar los costes de las pilas de combustible de hidrógeno en medio alcalino. Recientemente Zhongbin Zhuang y colaboradores han presentado un trabajo en el que se describe la síntesis y caracterización de nanopartículas de Ni soportadas sobre nanotubos de carbono dopados con N (Ni/N-CNT) y con las que logran una actividad comparable a la del Pt en las mismas condiciones de medida [2]. Aunque los nanotubos de C dopados con N (N-CNT) tienen una actividad frente a la oxidación de hidrógeno tan baja como los nanotubos de carbono sin dopar (CNT), su empleo como soporte produce un efecto sinérgico que no se observa con estos últimos.

En este trabajo se llevaron a cabo cálculos DFT (Density Functional Theory) con dos modelos de nanopartículas cuboctaédricas de Ni (Ni13 y Ni37), investigando el efecto de la localización de los átomos de N en relación con la nanopartícula (en el centro: Nc, o en los bordes: Ne). Se observó que los clúster de Ni sin soportar o soportados sobre CNT presentan una distribución de energías de enlace Ni‑H más amplia, lo que implica mayor heterogeneidad de sitios a los que se une el H, además de que la unión a dichos sitios es más fuerte en la mayoría de los casos. Mientras, en los modelos con carbono dopado no se observan energías tan altas. Estas diferencias tienen un origen tanto electrónico (debido a transferencias de carga) como geométrico (relajación del clúster).

 (a) Distribution of site-dependent hydrogen-binding energies for each model system. (b) Distribution of relaxation energies for each model system on hydrogen-binding to each site. (c) Shifts in the d-band centre with respect to the Fermi level and binding energy at adjacent Ni sites (1,2,3) and (2,3,4).

Zhuang, Z. et al. Nickel supported on nitrogen-doped carbon nanotubes as hydrogen oxidation reaction catalyst in alkaline electrolyte. Nat. Commun. 7:10141 doi: 10.1038/ncomms10141 (2016)

Los cálculos teóricos también indican que los átomos de N que interaccionan con el centro de la nanopartícula (Nc) producen una relajación de la estructura del clúster de menor grado que para Ni o Ni/CNT, mientras que los Ne producen una relajación con una reconstrucción mínima de la estructura, relacionado con la menor fortaleza de los enlaces Ni-H que se forman. Estos efectos electrónicos y estructurales se traducen en una mayor activación de los centros implicados frente a la reacción de oxidación de hidrógeno. Así mismo, estos cálculos predicen que tamaños más pequeños de nanopartículas podrían proporcionar mayor actividad frente a esta reacción, debido a un mayor número de interacciones Ni-Ne. Como se muestra en la siguiente figura, los cálculos teóricos predicen de buen grado los resultados obtenidos para la densidad de corriente de intercambio en la reacción de oxidación de hidrógeno.

 

Unpatterned bars are the calculated exchange current densities and patterned bars are the measured values. The calculated exchange current density of Ni/Ne-graphene is shown for Ni/N-graphene. Error bars are 75% confidence intervals resulting from the regression of the volcano relationship in Supplementary Equation 2.

Bibliografía

[1] Montiel M. Materiales carbonosos dopados con N como catalizadores para pilas de combustible. 2016.

[2] Zhuang Z, Giles SA, Zheng J, Jenness GR, Caratzoulas S, Vlachos DG, et al. Nickel supported on nitrogen-doped carbon nanotubes as hydrogen oxidation reaction catalyst in alkaline electrolyte. Nature Communications. 2016;7:10141. This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 

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Sistema de Hidrógeno alimentado con energía solar en una estación de trenes en Kawasaki

Autora: Gisela Orcajo Rincón

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos

 

TOKYO — La Corporación Toshiba ha declarado que recibió el encargo de un sistema H2One de suministro de energía autónomo basado en hidrógeno por parte de La empresa East Japan Railway Co (JR East).

Este sistema se instalará en la estación de Musashimizonokuchi en la Linea JR Nanbu en la ciudad de Kawasaki y estará operativo en la primavera de 2017.

Este sistema de cero emisiones de CO2 utilizará energía renovable e hidrógeno mediante el uso de un sistema de gestión de energía H2One desarrollado por Toshiba, que puede suministrar electricidad de forma estable. Específicamente, consiste en un sistema de generación de electricidad solar, baterías de almacenamiento, equipos de producción de hidrógeno, tanques de almacenamiento de hidrógeno y pilas de combustible de hidrógeno puro.

Los paneles solares instalados en los techos de los trenes generan electricidad, que se utiliza para producir posteriormente hidrógeno. Ese hidrógeno es almacenado en el tanque y, en el momento de un desastre natural, por ejemplo un terremoto, es utilizado para generar electricidad con las pilas de combustible, suficiente para abastecer a la estación de trenes. En situación normal, el sistema puede abastecer electricidad y controlar de una forma óptima la cantidad de hidrógeno producido, la electricidad almacenada y generada, etc. 

JR East y la ciudad de Kawasaki se han comprometido en la utilización de la energía del hidrógeno para tener una “Eco Sute” – estación de trenes que introducen tecnologías de protección medioambiental como aquellas referidas al ahorro energético y  energías renovables.

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El Gobierno anula a última hora las ayudas al coche de hidrógeno

[Autor: Raúl Sanz-Universidad Rey Juan Carlos]

El Gobierno ha anulado a última hora del Plan de Impulso a la Movilidad con Vehículos de Energías Alternativas (Movea) las ayudas a los motores con pila de combustible de hidrógeno. Tras la reunión del Consejo de Ministros del pasado 27 de noviembre, el Ministerio de Industria anunció en una nota de prensa que el Gobierno iba a apoyar el año que viene con 16,6 millones de euros la compra de coches de combustibles alternativos a la gasolina y el gasóleo.

En esa nota se citaba de forma explícita el apoyo a los “vehículos eléctricos, de gas licuado del petróleo, de gas natural comprimido y licuado y que se propulsen con pila de combustible de hidrógeno”, además de las motos eléctricas y bicicletas de pedaleo asistidas también por motor eléctrico. En la posterior publicación del Real Decreto en el BOE, por el que se regula la concesión directa de estas ayudas, el motor de pila de hidrógeno ha quedado excluido, lo que ha causado una gran sorpresa en el sector.

La intención del Gobierno es que este plan se presente también como una oportunidad desde el punto de vista industrial, ayudando al sector del motor a posicionarse en una alternativa tecnológica clave, por lo que no se entiende ahora la discriminación al hidrógeno. Con carácter general, las solicitudes se podrán realizar a partir del 1 de enero y hasta el 15 de octubre de 2016, aunque se podrán apoyar también las adquisiciones de vehículos realizadas en 2015, desde el día siguiente al de la publicación del Real Decreto en el Boletín Oficial del Estado (BOE), que se llevó a cabo el 28 de noviembre, al día siguiente de la celebración del consejo de ministros.

La cuantía de las ayudas varía en función de la categoría del vehículo, del tipo de combustible utilizado y, en algunos casos, de otros factores, como la autonomía en modo de funcionamiento exclusivamente eléctrico. En el caso de turismos y furgonetas se incentiva el achatarramiento con 750 euros, sin ser obligatorio.

http://www.eleconomista.es/ecomotor/motor/noticias/7206393/12/15/Industria-anula-a-ultima-hora-la-ayuda-al-motor-de-hidrogeno.html

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Tokio espera hacer del hidrógeno la estrella de los Juegos Olímpicos de 2020

La olimpiada celebrada en Tokio en 1964 quedó en la memoria como la primera olimpiada transmitida en color y en directo, la olimpiada en la que se utilizó por primera vez la cámara lenta y la olimpiada en la que el tren bala fue inaugurado.  Todos esos desafíos tecnológicos que se pusieron en práctica por primera vez en esas olimpiadas hoy son tecnologías de uso común. Con ese espíritu, los organizadores de la próxima olimpiada de Tokio quieren que esta olimpiada quede en la memoria como la olimpiada que sirva de comienzo al uso extendido de las tecnologías energéticas basadas en hidrógeno.

Autor: [R. M. Navarro-  Grupo de Energía y Química Sostenibles- Instituto de Catálisis y Petroleoquímica]

Los organizadores de las olimpiadas de Tokio tienen planeado invertir 303 MM € para promover el uso del hidrógeno como vector energético de las olimpiadas. Los organizadores tienen previsto poner en funcionamiento cientos de vehículos impulsados con hidrógeno, al menos 100 autobuses operados con celdas de combustible y una red de estaciones para el suministro de hidrógeno a vehículos. También  incluyen en su planificación construir una red de conducción de hidrógeno en la villa olímpica para suministrar el hidrógeno a celdas de combustible que suministraran energía eléctrica en la residencia de los atletas y en los centros de prensa.

Los planes previstos para los Juegos Olímpicos forman parte de un plan más amplio del gobierno de Japón con el objetivo de disminuir su dependencia de los combustibles fósiles y de la energía nuclear. En una primera etapa Japón pretende producir el hidrógeno fuera de su país utilizando infraestructuras ya construidas y transportarlo mediante barcos a Japón. El fabricante de barcos Kawasaki Heavy Industries Ltd y el constructor de plantas químicas Chiyoda están ya trabajando con la compañía  Electric Power Development para producir hidrógeno a partir de carbón de baja calidad en Australia. El primer envío de hidrógeno producido en Australia tienen previsto que llegue precisamente con la inauguración de los Juegos Olímpicos de 2020. Las autoridades japonesas se están también acercando a países como Arabia Saudi y Malasia para obtener hidrógeno a partir de sus refinerías y también están evaluando la posibilidad de obtenerlo a partir de energía hidroeléctrica en países como Canadá y Rusia e importarlo via marítima a Japón.

Si la motorización fue el símbolo para Japón en sus olimpiadas del año 1964, la des-motorización va a ser el símbolo para las olimpiadas de 2020. Para alcanzar este hito se está promoviendo el uso de la bicicleta y el subsidio de vehículos alimentados con celdas de combustible. El primero de los vehículos de celda de combustible ya ha sido puesto a la venta por Toyota con su modelo Mira con un precio de 35.000€  incluyendo los incentivos gubernamentales para su compra (1/3 de su valor). Honda también tiene planeado introducir su modelo Clarity en Marzo de 2016. Para implementar el uso del hidrógeno existen ya una docena de puntos de repostaje de hidrógeno en el país con un precio equivalente al de la gasolina mediante subvención. Todos los esfuerzos que está poniendo en práctica Japón tienen como objetivo el aumentar el uso del hidrógeno para permitir reducir sus costes de producción y distribución a valores inferiores a los que tienen en la actualidad los combustibles de origen fósil. El reto al que se enfrenta Japón puede parecer imprudente pero de acuerdo a la filosofía japonesa, este reto debe ser acicate para sus compañías a la hora de innovar y crear mejores productos.

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Estudio de materiales para su aplicación en la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos empleando energía solar concentrada

Autora: C. Caravaca. CIEMAT

El desarrollo industrial ha hecho que el uso y la necesidad de fuentes de energía hayan crecido exponencialmente. Esta energía ha sido proporcionada principalmente por combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural, que a pesar de su propiedades muy útiles, tienen una duración limitada y emiten gran cantidad de contaminantes medioambientales (CO, CO2, CnHm, SOx, NOx, metales pesados, cenizas, etc) [1].

A finales de los años 70 y principios de los años 80 con la crisis del petróleo creció el interés por la búsqueda de fuentes de energía alternativas. Entre los combustibles seguros, no contaminantes y eficaces que sustituyan a los combustibles fósiles se encuentra el hidrógeno. El hidrógeno es capaz de generar energía a través de un proceso limpio que conduce a la formación de agua como único producto. La energía química liberada se puede aprovechar directamente o se puede transformar en energía eléctrica por medio de las pilas de combustible o los motores de combustión de alto rendimiento.

Sin embargo, el hidrógeno no es una materia prima, sino que ha de obtenerse a partir de compuestos que lo contienen como son el gas natural, los hidrocarburos ligeros o el agua. Actualmente, el 96% de esta producción mundial de hidrógeno se obtiene a partir de materias primas fósiles (petróleo, gas natural y carbón), el 3,9 % mediante electrolisis de agua y el 0,1% restante mediante otros métodos [2].

Uno de los procesos limpios de producción de hidrógeno a partir de agua se basa en la utilización de energía solar. Esta fuente de energía no convencional es muy valiosa, ya que posee reservas esencialmente ilimitadas. Sin embargo, presenta ciertas desventajas en cuanto a que la radiación solar que llega a la tierra es muy diluida (sólo 1 kW/m2), intermitente (disponible durante el día) y está distribuida de manera desigual sobre la superficie terrestre [3]. Los métodos de obtención de hidrógeno utilizando energía solar se engloban en 3 grupos: procesos fotoquímicos, electroquímicos y termoquímicos, aunque también existen combinaciones de los anteriores.

La descomposición térmica del agua en hidrógeno y oxígeno requiere temperaturas superiores a 2.500 °C para obtener grados de conversión significativos. Los productos de la descomposición H2(g) y O2(g) han de ser enfriados para evitar su recombinación y posteriormente hay que separar las dos corrientes gaseosas.

Los ciclos termoquímicos que emplean óxidos metálicos utilizan la energía solar concentrada como fuente calorífica de alta temperatura para lograr la conversión de agua en hidrógeno y oxígeno mediante una serie de reacciones endotérmicas y exotérmicas, es decir, transforman la energía térmica en energía química [4]. Como se muestra en el esquema de la Figura 1, mediante estos ciclos es posible realizar la descomposición térmica del agua a temperaturas inferiores que en la descomposición directa y además, las corrientes de H2(g) y O2(g) se obtienen en etapas separadas lo que evita tener que realizar una etapa de separación posterior .La primera etapa del ciclo consiste en un proceso endotérmico en el que se produce la reducción del óxido metálico en metal o en un óxido de menor valencia. La segunda etapa consiste en un proceso exotérmico de descomposición del agua en hidrógeno a la vez que se regenera el óxido inicial.

Los materiales empleados en los ciclos deben cumplir una serie de criterios como son el rendimiento de reducción térmica y de producción de hidrógeno, las cinéticas de las reacciones químicas, mantener su estructura a lo largo de ciclos repetitivos, toxicidad, disponibilidad y coste de los reactivos, fácil manejo de los materiales o la separación de los productos finales.

Figura 1. Esquema general de un ciclo termoquímico basado en óxidos metálicos.

En la actualidad se están estudiando varios ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos aunque todavía no se dispone de un dispositivo industrial. Entre los materiales estudiados se encuentra el ciclo basado en el ZnO; presenta el inconveniente de que la etapa de reducción requiere una temperatura muy elevada (~ 1700 °C) y es necesaria un etapa posterior de separación y concentración de los productos obtenidos durante la etapa de reducción, Zn(g) y O2(g), ya que durante el proceso de enfriamiento tienden a recombinarse. El enfriamiento rápido de los productos o “quenching” evita su recombinación pero supone un gasto extra de energía [5].

Los ciclos basados en óxidos de metales de transición como TiO2/TiOx, Co3O4/CoO se han desarrollado y probado en reactores solares, pero el rendimiento de hidrógeno generado es bajo para su aplicación a escala industrial. Otro de los ciclos está basado en el óxidos de hierro, la magnetita (Fe3O4) es una ferrita que forma parte del ciclo Fe3O4/FeO. Este ciclo también requiere temperaturas elevadas en la etapa de reducción (1600 °C) y un enfriamiento rápido o “quenching” para evitar la recombinación de los productos de la reacción. Se ha investigado la sustitución parcial de hierro de las ferritas por otros metales como Mn, Mg, Co o Ni para formar óxidos mixtos (Fe1-xMx)3O4), los cuales pueden ser reducidos a menor temperatura generando fases reducidas (Fe1-xMx)1-yO) que son capaces de descomponer el agua y producir hidrógeno. Sin embargo, existen ciertos inconvenientes como el necesario “quenching”·de los productos de reducción, la posible sinterización y en ocasiones la baja producción de hidrógeno

Uno de los ciclos que presenta mejores rendimientos con velocidades de reacción elevadas en las dos etapas y que poseen gran ciclabilidad es el basado en el CeO2. Sin embargo, la reducción estequiometrica a Ce2O3 requiere temperaturas muy elevadas (2000 °C), lo que hace casi imposible su utilización con instalaciones de concentración solar en gran escala [6]. Se han realizado estudios empleando materiales de CeO2 dopados con distintos metales de transición, lantánidos o Zr [7-9] en las que la reducción es no-estequiometrica y se realiza temperaturas considerablemente inferiores (1400-1500C). Los rendimientos de reducción, aunque aceptables, son inferiores a los del CeO2, excepto en el caso del Zr, sin embargo, se ha indicado que este tipo de materiales pierde actividad con el ciclado.

Desde hace varios años en el CIEMAT se vienen estudiando procesos de ciclos termoquímicos para la producción de hidrógeno mediante energía solar concentrada. Concretamente, se han estudiado ciclos basados en ferritas dopadas con distintos metales, se han ensayado tanto óxidos comerciales como sintetizados en el CIEMAT. Entre los que presentaban mejores resultados está la ferrita de Ni [10]. Entre los inconvenientes de este material se encuentra la elevada temperatura requerida para lograr rendimientos de reducción aceptables (1400- 1450°C). esta elevada temperatura produce una sinterización del material y la formación de dos fases de tipo NiO y FeO. Además, las cinéticas de las reacciones son lentas.

Actualmente, una de las actividades en las que está involucrado el CIEMAT dentro del proyecto ALCCONES es el estudio de nuevos materiales óxidos que permitan reducir la temperatura necesaria para llevar a cabo la etapa de reducción, con alta producción de hidrógeno y cinéticas rápidas. Los materiales considerados son óxidos de tipo perovskita, de fórmula ABO3. La estructura perovskita ideal es cúbica, y se deben cumplir una serie de reglas en cuanto a los radios iónicos de los cationes A y B y además, se debe cumplir la neutralidad electrónica de manera que la carga de A+B sea igual a la carga de los aniones oxígeno; lo cual se logra mediante la distribución de carga. Esto unido al hecho que los cationes A y B pueden tener diferentes valencias produce defectos y distorsiones de la estructura perovskita que pueden dar lugar a materiales deficientes en oxígeno cuyas propiedades redox son las adecuadas para los ciclos termoquímicos.

Los materiales considerados inicialmente son perovskitas del tipo: La1-xSrxB1-yBy’O3 (B, B’ =Mn, Al, Co, Fe). Los materiales son sintetizados mediante un proceso sol-gel y posteriormente calcinados a las temperaturas adecuadas para formar la fase perovskita, la cual se caracteriza mediante análisis de difracción de rayos X. Hasta el momento se han sintetizado tres compuestos y se ha comenzado a probar su comportamiento durante la etapa de reducción. Dichos ensayos se están realizando en termobalanza para determinar su grado de reducción de estos compuestos y los resultados se comparan con los obtenidos con CeO2, considerado como material de referencia.

 

 

 

 

Esta investigación se está llevando a cabo gracias a la financiación del proyecto ALCCONES financiado por la comunidad de Madrid- REF. P2013/MAE2985.

 

Bibliografía:

[1]        M. Momirlan and T. N. Veziroglu. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2002, 6 (1-2) 141-179.

[2]        Ewan, B.C.R. and R.W.K. Allen. Int. J. Energy, 2005, 30(8), 809-819.

[3]        Serpone, N., D. Lawless, and R. Terzian. Solar Energy, 1992. 49(4): p. 221-234

[4]        A. Steinfeld. Solar Energy, 2005. 78(5): p. 603-615.

[5]        Palumbo, R., et al. Chem. Eng. Sci., 1998. 53(14): p. 2503-2517..

[6]        Abanades, S. and G. Flamant. Solar Energy, 2006. 80(12): p. 1611-1623

[7]        Kaneko, H., et al. Energy, 2007. 32(5): p. 656-663

[8]        Demont, A., S. Abanades, and E. Beche. J.  Phys. Chem. C, 2014. 118(24): p. 12682-12692.

[9]        Le Gal, A., S. Abanades, and G. Flamant. Energy & Fuels, 2011. 25(10): p. 4836-4845.

[10]      Fernández-Saavedra, R., et al. Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39(13): p.

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Producción solar de hidrógeno a partir del agua: Proyecto HYDROSOL-Plant

[Autor: Alfonso Vidal; CIEMAT-Plataforma Solar de Almería]

Desde el punto de vista medioambiental, la mayor preocupación en los países industrializados está centrada en encontrar opciones viables al sector transporte causante de la emisión de gases de efecto invernadero. En efecto, el transporte, representa más del 30% del total de consumo de energía y depende de un 98% de los combustibles fósiles; este sector es la principal causa del incumplimiento de los objetivos y compromisos del Protocolo de Kioto.

Una de las respuestas a este problema es el uso de hidrógeno como fuente de energía y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. Esta propuesta reduciría la dependencia actual sobre los combustibles fósiles, ya que el hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las renovables. Igualmente se disminuiría la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero, puesto que el único residuo generado por una pila de combustible es agua.

La utilización  hidrógeno a gran escala debería ir acompañada del necesario desarrollo de procesos de generación que garanticen un desarrollo sostenible sin el consumo de combustibles fósiles. El proyecto HYDROSOL tiene como objetivo principal  demostrar la viabilidad técnica de la producción solar de H2 a partir de radiación solar concentrada. 


Fig. 1 Vista del campo CRS con los helióstatos en primer término y la torre metálica.

El proyecto HYDROSOL PLANT, “Thermochemical HYDROgen production in a SOLar monolithic reactor: construction and operation of a 750 kW PLANT” (Producción solar termoquímica de hidrógeno en un reactor monolítico: construcción y operación de una planta de 750 KW), es proyecto financiado por la Unión Europea dentro de la iniciativa FCH-JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking, Iniciativa Tecnológica Conjunta en Pilas de Combustible e Hidrógeno). El proyecto cuenta con la participación de diferentes Instituciones y empresas europeas, APTL (Aerosol and Particle Technology Laboratory, Laboratorio de Tecnología de Partículas y Aerosoles, Grecia), DLR (German Aerospace Center, Agencia Aeroespacial Alemana, Alemania), HYGEAR (Engineering for sustainable growth, Ingeniería para un crecimiento sostenible, Holanda), CIEMAT (España) y HELP-RES (Hellenic Petroleum – Renewables Energy Resources S.A, Compañía de Petróleos Helénica-Fuentes de Energía Renovables, S.A.), y la Plataforma Solar de Almería perteneciente al  CIEMAT.

Este proyecto vendría a completar iniciativas anteriores, como HYDROSOL II e HYDROSOL-3D que han permitido demostrar la viabilidad técnica del proceso, puesto que se ha avanzado en  el desarrollo de un ciclo termoquímico,  la introducción el concepto de reactores solares monolíticos multi-canal y, finalmente, se ha conseguido la integración del receptor en una planta de torre central.

Los ciclos termoquímicos son procesos considerados como solución a medio-largo plazo para la producción masiva de H2 limpio a partir de energía solar mejorando los rendimientos alcanzados en la disociación electrolítica del agua (con eficiencias en el entorno del 25-30%). Los ciclos termoquímicos constan de una serie de reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas que tienen como objetivo la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno de forma separada (en dos etapas distintas). Entre los más de 100 ciclos posibles que se encuentran descritos en bibliografía, merece la pena destacar los ciclos basados en óxidos metálicos cuyo esquema se resume en el diagrama siguiente:

Activación (1000 – 1200 ºC)

Hidrólisis (700 – 1000ºC)

El objetivo del proyecto HYDROSOL-Plant sería completar el estudio realizado en estos últimos años, mediante la construcción de una planta de demostración de 750 kW a instalar en la Plataforma Solar de Almería, PSA-CIEMAT,  que produzca hidrógeno a partir del agua  con unos requerimientos mínimos para la producción y almacenamiento in-situ. Por lo tanto, la futura planta integrará todas las etapas del proceso: producción, purificación y almacenamiento del hidrógeno producido. Este estudio se completará con un estudio técnico-económico y un análisis de mercado que determinará la viabilidad del escalado del proceso.

[1]. Página web proyecto  http://hydrosol-plant.certh.gr

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