El futuro de la energía solar de concentración


Autor: Luis F. González Portillo, Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La energía termosolar de concentración es una pieza clave en el futuro del mix energético ya que permite generar electricidad sin emisiones de efecto invernadero cuando las fuentes renovables habituales, como el viento y el sol, no están disponibles. Si bien las centrales termosolares comerciales existentes permiten funcionar con almacenamiento energético a precio competitivo, la futura reducción de costes de las plantas de próxima generación hará este tipo de energía aún más atractiva. En estas centrales, los ciclos de CO2 supercrítico sustituirán a los convencionales ciclos con turbina de vapor, y los receptores de partículas sustituirán a los actuales receptores con sales fundidas.

 Abstract

Concentrating solar power is essential in the future energy mix since it allows generating electricity without greenhouse effect emissions when other renewable sources, such as wind and sun, are not available. While commercial plants generate electricity at a competitive cost, the future cost reduction of next-generation plants will make this type of energy even more attractive. In these plants, the supercritical CO2 cycles will replace the conventional steam turbine cycles, and the particulate receivers will replace the current receivers with molten salts.

Artículo de difusión

Uno de los grandes problemas que acecha desde hace años al mundo de las energías renovables es su escasa gestionabilidad. Hacer coincidir la producción eléctrica de las centrales de energía renovable y la demanda requiere un almacenamiento de energía adecuado y, hasta el momento, las principales tecnologías renovables, como son la fotovoltaica y la eólica, no han encontrado forma de almacenar la energía de una manera técnica y económicamente viable. Sin embargo, sí hay una tecnología que, pese a haber experimentado un menor desarrollo debido a diversos factores, es capaz de gestionar la energía, y lleva décadas probando la viabilidad de su capacidad de almacenamiento. Esta tecnología es la energía termosolar de concentración.

Las centrales termosolares de concentración generan electricidad de una manera muy similar a las centrales de carbón, pero sin emitir gases de efecto invernadero dado que utilizan el sol como fuente de energía. En las centrales termosolares actuales, un campo de espejos es el encargado de concentrar la energía del sol en lo alto de una torre de manera tal que el fluido que esté circulando dentro de ella absorba esta energía, lo que se traducirá en un aumento de temperatura. Esta energía es almacenada de forma sencilla y, posteriormente, es transformada en energía eléctrica a través de un ciclo convencional Rankine con turbina de vapor para convertir esa energía almacenada en energía eléctrica. Aumentar 275 °C la temperatura de 1 g de sal fundida equivale a bombear la misma masa hasta 43 km, lo cual refleja el gran potencial del almacenamiento de esta tecnología.

El principal problema de las centrales termosolares es el alto coste de inversión que requieren estos sistemas. Cierto es que el coste de una central termosolar no se debería de comparar con el de una central fotovoltaica dado que la primera integra almacenamiento de energía y la segunda no. Pero, aun así, la energía solar de concentración debe de reducir su coste de producción eléctrica si quiere competir en el mix energético contra combustibles fósiles o contra posibles métodos de almacenamiento que puedan surgir en el futuro como, por ejemplo, unas posibles baterías (que parecen no llegar nunca) más baratas y sin problemas de seguridad. Por ello, desde hace años se lleva trabajando en las llamadas plantas termosolares de próxima generación [1]. El objetivo de estas plantas es producir energía eléctrica a un precio muy por debajo del actual (llegando a 0.05 $/kWh), manteniendo la gran ventaja que la energía termosolar de concentración tiene con respecto a otras fuentes de energía renovable: el almacenamiento de energía a gran escala técnica y económicamente viable.

Para reducir el precio de la generación de electricidad, las centrales solares de concentración de próxima generación sustituyen los ciclos con turbina de vapor por unos novedosos ciclos de CO2 supercrítico. Gracias a la mayor eficiencia de estos ciclos y al pequeño tamaño de sus turbomáquinas, los costes de generación de electricidad a los que aspiran estos nuevos ciclos son mucho menores que los de los ciclos Rankine. Por ello, estos ciclos no solo son estudiados en el campo de la energía termosolar, sino que otros tipos de energía, como la nuclear, también apuestan fuertemente por ellos [2]. Debido a las peculiares características de los fluidos supercríticos [3], cada fuente de energía requerirá una configuración del ciclo distinta. Un gran ejemplo de ello es la configuración multi-heating propuesta para centrales termosolares con aportes de calor a distintas temperatura [4,5], que puede incrementar la eficiencia del sistema hasta un 6%.

Para poder aprovechar al máximo el potencial de los ciclos de CO2 supercrítico es necesario alcanzar temperaturas por encima de 700 ºC a la entrada de la turbina, lo cual requiere un aporte de calor a temperaturas por encima de los 720 ºC. Dado que las centrales termosolares de torre central actuales no pueden superar los 600 ºC debido a limitaciones impuestas por el fluido (sales fundidas), es necesario cambiar de fluido en las centrales de próxima generación. Hay varias opciones encima de la mesa: partículas, sodio + sales fundidas, y gases [1,6]. Pero últimamente, parece que el uso de partículas como fluido calor-portador empieza a destacar sobre el resto. Estas partículas pueden llegar a más de 1000 ºC sin ningún problema, lo que supone un gran potencial para el aumento de eficiencia de los ciclos de CO2 supercrítico y, a su vez, para la reducción del coste de generación electricidad. El uso de partículas fabricadas con materiales de alta absortividad y durabilidad, como las partículas de bauxita sinterizadas de CARBO Ceramics, compiten con el uso de partículas de área que, pese a tener peores propiedades térmicas, su bajo coste hace que sean una opción a tener cuenta [7]. A día de hoy, países como EEUU y Arabia Saudí, quienes llevan muchos años investigando esta tecnología, ya están construyendo las primeras centrales de este tipo a escala precomercial [8]. Los últimos estudios tecno-económicos apuntan a que las plantas termosolares con receptor de partículas podrían generar electricidad a un coste por debajo de los 0.06 $/kWh [9,10]. La figura 1 muestra un esquema de una planta de energía solar de concentración con receptor de partículas y ciclo de CO2 supercrítico.

Figura 1: Esquema de una planta de energía solar de concentración con receptor de partículas y ciclo de CO2 supercrítico [1]

Referencias

[1] M. Mehos, C. Turchi, J. Vidal, M. Wagner, Z. Ma, C. Ho, W. Kolb, C. Andraka, A. Kruizenga, Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, NREL/TP-5500-67464. (2017).

[2] M.-J. Li, H.-H. Zhu, J.-Q. Guo, K. Wang, W.-Q. Tao, The development technology and applications of supercritical CO2 power cycle in nuclear energy, solar energy and other energy industries, Appl. Therm. Eng. 126 (2017) 255–275. https://doi.org/10.1016/J.APPLTHERMALENG.2017.07.173.

[3] L.F. González-Portillo, J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, Thermodynamic mapping of power cycles working around the critical point, Energy Convers. Manag. 192 (2019) 359–373. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.04.022.

[4] L.F. González-Portillo, J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, Supercritical carbon dioxide cycles with multi-heating in Concentrating Solar Power plants, Sol. Energy. 207 (2020) 144–156. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.06.066.

[5] L.F. González-Portillo, J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, Thermodynamic analysis of multi-heating cycles working around the critical point, Appl. Therm. Eng. 174 (2020) 115292. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115292.

[6] C. Turchi, S. Gage, J. Martinek, S. Jape, K. Armijo, J. Coventry, J. Pye, C.-A. Asselineau, F. Venn, W. Logie, A. Fontalvo, S. Wang, R. Mcnaughton, D. Potter, T. Steinberg, G. Will, CSP Gen3: Liquid-Phase Pathway to SunShot, (2021). www.nrel.gov/publications.

[7] L.F. González-Portillo, R. Abbas, K. Albrecht, C. Ho, Analysis of optical properties in particle curtains, Sol. Energy. 213 (2021) 211–224. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.012.

[8] C.K. Ho, J. Sment, K. Albrecht, B. Mills, N. Schroeder, H. Laubscher, L.F. Gonzalez-Portillo, C. Libby, J. Pye, P.G. Gan, Y. Wang, Gen 3 Particle Pilot Plant (G3P3) – High-Temperature Particle System for Concentrating Solar Power (Phases 1 and 2), SAND2021-14614. (2021).

[9] L.F. González-Portillo, K. Albrecht, C.K. Ho, Techno-Economic Optimization of CSP Plants with Free-Falling Particle Receivers, Entropy. 23 (2021) 76. https://doi.org/10.3390/e23010076.

[10] L.F. González-Portillo, K. Albrecht, C.K. Ho, J. Sment, B. Mills, Sensitivity Analysis of the Levelized Cost of Electricity for a Particle-Based CSP System, J. Sol. Energy Eng. (2021) 1–19. https://doi.org/10.1115/1.4053167.

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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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Sinergia y cooperatividad en Covalent Organic Frameworks prediseñados para fotocatálisis dual


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

Resumen: En los últimos años, el uso de materiales porosos ha experimentado un gran auge en una multitud de aplicaciones que van desde el almacenamiento de gases hasta la catálisis. En nuestro grupo, nos enfocamos en la familia de COFs (Covalent Organic Frameworks), materiales orgánicos cristalinos y porosos de fácil diseño y versátiles. En este caso, la funcionalización de un COF basado en enlaces imina que contiene ligandos fenantrolina en su estructura ha permitido la obtención de un nuevo material heterobimetalado, Ir,Ni@Phen-COF. Los fragmentos fotoactivos de Ir y Ni se inmovilizaron dentro de la estructura porosa del COF, lo que permitió llevar a cabo acoplamientos cruzados Csp3 – Csp2 mediados por luz de forma heterogénea. Además, en todos los casos estudiados, se ha observado una mayor actividad, versatilidad y estabilidad en comparación con sistemas homogéneos análogos.

Abstract: In recent years, the use of porous materials has boomed in a multitude of applications ranging from gas storage to catalysis. In our group, we focus on the family of COFs (Covalent Organic Frameworks), crystalline and porous organic materials that are easily designed and versatile. In this case, the functionalization of an imine-based layered COF containing phenanthroline units as ligands, has allowed the obtention of a new heterobimetallated material, Ir,Ni@Phen-COF . Photoactive Ir and Ni fragments were immobilized within the porous structure of the COF, enabling heterogeneous light-mediated Csp3−Csp2 cross-couplings. Moreover, in all the studied cases, an enhanced activity, versatility, and stability have been observed in comparison with analogous homogenous systems.

La coordinación de los complejos de iridio y níquel a la estructura del COF nos ha permitido llevar a cabo diferentes reacciones químicas mediadas por luz con excelentes resultados.

Los acoplamientos carbono-carbono se encuentran entre las transformaciones más útiles e importantes en la química moderna. La importancia de estas reacciones se basa en su papel clave en la síntesis de fármacos y en la construcción de moléculas complejas. Sin embargo, sigue existiendo la necesidad de buscar nuevas metodologías con alta tolerancia de grupos funcionales, en las que se incluye la formación de nuevos enlaces Csp3 −Csp2. En este sentido, las reacciones fotocatalíticas han aparecido como una nueva herramienta en los últimos años, resolviendo algunos de los problemas asociados con la formación de enlaces C-C en condiciones de reacción suaves. Entre ellos, la fotocatálisis dual Ir-Ni se ha convertido en una solución excepcional. En este tipo de reacciones, se combinan dos ciclos catalíticos bien diferenciados y conectados: primero, el fotocatalizador (Ir) genera un radical intermedio bajo irradiación de luz; y segundo, la especie de Ni media en la formación del nuevo enlace carbono-carbono. Aunque esta es una metodología muy potente también presenta algunos inconvenientes generales, como el elevado precio del iridio y la desactivación y aglomeración de las especies de níquel, además de un reciclaje costoso y complicado. Por ello, la búsqueda de sistemas heterogéneos robustos y altamente activos en este tipo de procesos está en auge.

En este contexto se enmarca nuestro trabajo, en el que hemos diseñado un nuevo material, llamado Phen-COF, que contiene ligandos fenantrolina en su estructura. Dichos ligandos nos han permitido introducir de manera muy robusta complejos metálicos de Ir(III) y Ni(II). La sinergia y cooperatividad entre ambos centros metálicos ha resultado muy útil para llevar a cabo de manera heterogénea procesos de fotocatálisis dual con muy buenos resultados.

En primer lugar, tras la obtención del material, llevamos a cabo su caracterización por diversas técnicas, como difracción de rayos X en polvo (donde observamos que se trata de un material cristalino), espectroscopía infrarroja, resonancia magnética nuclear de sólidos y diferentes microscopías. Además, gracias a la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), constatamos la coordinación y estados de oxidación de los complejos de Ni(II) e Ir(III) inmovilizados en el material.

Finalmente, estudiamos su actividad catalítica en diversas reacciones. Como precursores radicálicos, empleamos bencil- y alcoxi-trifluoroboratos de potasio, silicatos orgánicos y derivados de prolina, lo que le brinda al material una elevada versatilidad. Además, en todos los casos, observamos un importante aumento de la actividad catalítica en comparación con otros sistemas análogos, lo que nos permitió reciclar el catalizador y alcanzar turnover numbers de hasta 3800 sin observar ningún tipo de degradación del material.

Referencia bibliográfica:

López-Magano, A.; Ortín-Rubio, B.; Imaz, I.; Maspoch, D.; Alemán, J; Mas-Ballesté, R. “Photoredox Heterobimetallic Dual Catalysis Using Engineered Covalent Organic FrameworksACS Catal. 2021, 11, 19, 12344–12354. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03634

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

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

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Jugando con la anisotropía magnética de los lantánidos en superficies


Autor: José Ignacio Martínez, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

El camino hacia la reducción del tamaño de dispositivos electrónicos pasa por el uso de átomos como elementos de memoria. Para convertir un átomo en un bit de información es necesario manipular su estado magnético. Es por ello que los investigadores buscan átomos con un alto grado de anisotropía, y que puedan ser fácilmente manipulables. Los lantánidos (elementos 4f) poseen propiedades que los hacen altamente interesantes para estabilizar el magnetismo. El acoplamiento espín-órbita hace que puedan tener una anisotropía muy alta, y un estado magnético muy estable que podría ser protegido de desestabilizaciones del entorno. Estos elementos 4f tienen un momento magnético mayor que elementos usados habitualmente para aplicaciones magnéticas como son el hierro (Fe) o el cobalto (Co).

Recientemente se ha demostrado que átomos individuales de lantánidos pueden usarse para almacenar información como bits. Sin embargo, el principal problema con estos sistemas de átomos aislados es su alta difusión al depositarlos en superficies con el objetivo de construir dispositivos de memoria. Investigadores liderados por David Écija, del Instituto IMDEA Nanociencia (Madrid), han diseñado redes metal-orgánicas de disprosio en superficies, manifestando un fuerte aumento de la anisotropía magnética en comparación con átomos individuales. También se ha detectado un cambio en la dirección del eje de magnetización. En un átomo aislado de disprosio la orientación de la anisotropía es fuera del plano, mientras que en el átomo coordinado mediante enlaces moleculares la anisotropía presenta un ángulo oblicuo y es más fuerte. El resultado pone de manifiesto la complejidad del magnetismo en sistemas de lantánidos en superficies, que pueden ser alterados drásticamente mediante pequeños cambios estructurales.

El magnetismo del sistema se midió mediante la técnica de dicroísmo magnético por Sofia Parreiras (MSCA fellow en el IMDEA Nanociencia) en colaboración con los científicos de la línea BOREAS del Sincrotrón ALBA (Barcelona), dirigidos por Pierluigi Gargiani. En el próximo paso de esta investigación, esperan encontrar una anisotropía más fuerte usando otros elementos lantánidos, como el erbio, así como desacoplar el sistema usando otros sustratos diferentes. Este resultado científico, publicado con el título “Tuning the Magnetic Anisotropy of Lanthanides on a Metal Substrate by Metal–Organic Coordination” en la revista académica Small, ha sido portada principal del número 35 de esa revista. La investigación es una colaboración entre el IMDEA Nanociencia y el ICMM-CSIC en Madrid, el ICN2 y el Sincrotrón ALBA en Barcelona, y la Freie Universität de Berlín, esta última en Alemania, bajo la dirección de David Écija.

Los átomos de disprosio en redes metal-orgánicas bidimensionales sobre una superficie de cobre reorientan su eje fácil de imanación.

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

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

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Diseño de un reflector lineal Fresnel con reflector secundario con espejos planos


Autores: S. Taramona, P. A. González-Gómez, J. V. Briongos, J. Gómez-Hernández y D. Santana

Un reflector de Fresnel lineal de haz descendente (BDLFR) es un sistema de concentración solar que proporciona un flujo de calor solar en un receptor ubicado a nivel del suelo [1]. El sistema BDLFR está compuesto por dos etapas de reflexión. Primero, los reflectores lineales Fresnel (LFR) dirigen la irradiación solar a una segunda etapa con un espejo hiperbólico. Esta segunda etapa refleja la irradiancia solar hacia el receptor, en el que se procesan térmicamente los materiales pesados [2]. Este concepto fue propuesto originalmente para combinar las ventajas de la tecnología Linear Fresnel y los sistemas de haz descendente de foco puntual, donde varias filas de reflectores Fresnel dirigen la irradiación solar a un espejo secundario con forma hiperbólica que redirige la concentración solar hacia el receptor. Esto permite combinar las ventajas principales de ambos conceptos: bajo coste de espejos y posibilidad de procesar materiales pesados.

Reflector secundario con espejos planos

Los autores han propuesto la construcción del reflector secundario que permite redirigir la irradiancia solar hacia el suelo, utilizando espejos planos, y que permita conservar la propiedad de interés de los sistemas convencionales de haz descendente [3], tal como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Campo solar propuesto [3]

En la figura se observan todos los componentes del campo solar: los espejos lineales Fresnel localizados cerca del suelo, el reflector secundario ubicado a mayor altura y compuestos por espejos planos, y el receptor solar donde se obtiene la concentración y se procesan los materiales pesados. Además, también son representados los focos superior e inferior, necesarios para la definición del reflector secundario.

Se aprecia cómo los rayos solares incidentes en los espejos ubicados cerca del suelo son reflejados hacia el foco alto, hasta que el reflector secundario compuesto de espejos planos intercepta estos rayos solares y los redirige hacia el receptor solar ubicado a nivel del suelo.

Beneficios del nuevo diseño

El nuevo BDLFR con reflector secundario compuesto de espejos planos supera las principales desventajas del reflector hiperbólico propuesto anteriormente, siendo estas la complejidad de fabricación de un espejo con forma hiperbólica y su estructura de soporte asociada, además de las dificultades de montaje para obtener la precisión necesaria.

Además, se han comparado reflectores secundarios planos e hiperbólicos y los resultados muestran que, para concentraciones similares, el nuevo enfoque propuesto presenta una mayor eficiencia óptica que reflector hiperbólico original. Este resultado promueve la futura integración de la tecnología propuesta con procesos industriales que requieran el tratamiento térmico de materiales pesados.

Referencias

[1] D. Santana, J. Gómez-Hernández, J. Villa Briongos, P.A. González-Gómez, Sistema óptico de haz descendente lineal solar, ES 2648148, A1, n.d.

[2] Gómez-Hernández, J., González-Gómez, P., Briongos, J. and Santana, D. (2020). Technical feasibility analysis of a linear particle solar receiver. [online] Madrid. Available at: https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.11.052

[3] Taramona, S., González-Gómez, P.A., Briongos, J.V., Gómez-Hernández, J., 2022. Designing a flat beam-downs linear Fresnel reflector. Submitt. to Renew. Energy.

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Domingo J. Santana, Investigador Responsable del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM dsantana@ing.uc3m.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Hacia el control del producto final de la fotosíntesis artificial


Autor: Fernando Fresno, IMDEA Energía

La conversión directa de energía solar en energía química (es decir, combustibles) utilizando materias primas ampliamente abundantes y reciclables (dióxido de carbono, agua, oxígeno y nitrógeno) está llamada a convertirse en uno de los pilares que sostengan la transición de la actual economía lineal a una economía circular. Una de las tecnologías enmarcadas en este contexto es la fotosíntesis artificial, que utiliza catalizadores capaces de utilizar la luz como fuente de energía para convertir dióxido de carbono y agua en productos útiles desde el punto de vista químico y energético. Puesto que existen diferentes posibles productos de dicha conversión, cada uno con una utilidad diferente, controlar la selectividad del proceso hacia uno u otro es clave de cara a la implantación de esta tecnología.

En colaboración con el Sincrotrón ALBA de Barcelona y la Universidad de Nacional de San Martín (Argentina), investigadores de la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía han publicado recientemente un estudio sobre el control del producto final de la fotosíntesis artificial utilizando como catalizadores óxidos de tipo perovskita que incorporan nanopartículas de plata en su superficie. Utilizando varias técnicas físico-químicas, este trabajo profundiza en los mecanismos moleculares responsables de los cambios de selectividad observados utilizando diferentes versiones de estos catalizadores, que dan lugar a productos que van desde el monóxido de carbono, que en combinación con hidrógeno sirve de base para posteriores síntesis químicas, hasta el metanol, directamente utilizable, por ejemplo, en pilas de combustible.

Referencia

Fresno, F., Galdón, S., Barawi, M., Alfonso-González, E., Escudero, C., Pérez-Dieste, V., Huck-Iriart, C., de la Peña O’Shea, V.A., Selectivity in UV photocatalytic CO2 conversion over bare and silver-decorated niobium-tantalum perovskites. Catalysis Today 2021, 361, 85; https://doi.org/10.1016/j.cattod.2020.01.013

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Fernando Fresno, Responsable del REDLAB-369, laboratorio participante en el programa FotoArt-CM.

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

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Sistemas de trigeneración acoplados a campos solares de concentración


Autores: Jesús García-Domínguez y José Daniel Marcos (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: Los sistemas de trigeneración (CCHP en sus siglas en inglés) son actualmente una solución prometedora para la generación simultánea de electricidad y calefacción y refrigeración útiles para grandes edificios o industrias. En este trabajo se propone un enfoque de trigeneración con activación mediante energía solar de concentración basado en diferentes configuraciones del ciclo Rankine orgánico (ORC) y en una bomba de calor de absorción de H2O/LiBr de simple efecto integrada en la cola del sistema de trigeneración.

Abstract: Modular and scalable distributed generation solutions as combined cooling, heating and power (CCHP) systems are currently a promising solution for the simultaneous generation of electricity and useful heating and cooling for large buildings or industries. In the present work, a solar-heated trigeneration approach based on different organic Rankine cycle (ORC) layouts and a single-effect H2O/LiBr absorption heat pump integrated as a bottoming cycle is analysed from the thermodynamic viewpoint.

El objetivo principal del estudio es proporcionar una guía completa para seleccionar la configuración de CCHP más adecuada para un sistema de accionado por concentradores cilindro parabólicos (CCP). Se han estudiado seis configuraciones alternativas de CCHP basadas en ORCs de simple y de doble presión, como ciclos simples, sobrecalentados y con recuperación de calor, y sus diferentes combinaciones, y siete fluidos orgánicos como medio de trabajo propuestos y comparados sistemáticamente. Por su parte, el campo de los colectores cilindro parabólicos utilizados como fuente de calor de los diferentes esquemas y la bomba de calor de absorción se mantienen invariables.

Se ha llevado a cabo un análisis paramétrico exhaustivo de las diferentes configuraciones propuestas realizado para diferentes condiciones de funcionamiento de diseño. Se analizan varios parámetros de salida, como la eficiencia energética y exergética, la potencia eléctrica neta y los ratios entre electricidad y calefacción y refrigeración. El estudio revela que la configuración CCHP más eficiente es la de ciclo sobrecalentado regenerativo ORC con un nivel de presión y con tolueno como fluido de trabajo, que es en promedio un 25% y un 8% más eficiente que las variantes de CCHP con ciclo simple de un nivel de presión y el ciclo recalentado recuperado de doble presión, respectivamente (ver fig. 1).

Fig. 1. CCHP con ciclo ORC sobrecalentado regenerativo de un nivel de presión.

En condiciones nominales de diseño, la variante CCHP de mejor rendimiento presenta un 163,7% de eficiencia energética y un 12,3% de eficiencia exergética, mientras que las producciones de electricidad, refrigeración y calefacción son de 56,2 kW, 223,0 kW y 530,1 kW, respectivamente.

Asimismo, se ha llevado a cabo un proceso de optimización siguiendo criterios energéticos y exergéticos. Se ha llevado a cabo una optimización multi-objetivo para cada uno de los mejores pares identificados requiriendo la satisfacción simultánea de ciertos objetivos, como es la eficiencia energética del ORC y la eficiencia exergética del sistema de trigeneración completo (ver tabla adjunta).

Tabla 1. Resultados de la optimización multiobjetivo

Los resultados obtenidos destacan que el diseño óptimo para todos los casos analizados se produce para la máxima temperatura de salida del campo solar (260 ºC) y la mínima temperatura de condensación del ciclo ORC (85 ºC). El par que mejor funciona es el caso 5 con tolueno como fluido de trabajo, presentando unos valores de eficiencia energética del ORC y eficiencia exergética del CCHP del 16,82% y 18,23%, respectivamente. En comparación con las condiciones nominales de diseño, el diseño óptimo para el caso 5 es, en términos de eficiencia energética del ORC, un 50% más eficiente.

Referencias

[1] Thermodynamic Analysis and Systematic Comparison of Solar-Heated Trigeneration Systems Based on ORC and Absorption Heat Pump. Autor/es: Jesús García-Domínguez and J. Daniel Marcos. Revista: Energies (2021). DOI: https://doi.org/10.3390/en14164770 URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/14/16/4770

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José Daniel Marcos, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – jdmarcos@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Desarrollo de una nueva metodología para corregir la deriva en heliostatos


Autor: Alejandro Martínez, IMDEA Energía

Los heliostatos son los concentradores solares que se emplean en las centrales solares de torre central. Se componen de uno o varios espejos, denominados facetas, anclados a una estructura que sigue al sol mediante un sistema de seguimiento de doble eje. Su objetivo es reflejar la radiación solar y dirigirla al receptor, situado en la parte más alta de la torre, para generar calor y producir, por ejemplo, electricidad. Uno de los principales problemas de este tipo de concentradores es la deriva o error de apunte dependiente del tiempo, lo que produce que la luz reflejada por el heliostato se desplace por el receptor a lo largo del día. La deriva influye negativamente en la eficiencia óptica del concentrador al producir perdidas por desbordamiento, por lo que su conocimiento y estudio resultan de gran interés para poder minimizar sus efectos adversos. Con dicho fin, la Unidad de Procesos de Alta Temperatura (UPAT) del Instituto IMDEA Energía ha desarrollado una nueva metodología que permite corregir la deriva.

La deriva se produce por desalineaciones en la estructura del heliostato, como que el pedestal no esté completamente vertical, que esté ligeramente rotado, que los dos ejes del sistema de seguimiento no sean perpendiculares, etc. La Fig. 1 muestra todas las desalineaciones posibles para un heliostato con sistema de seguimiento basado en alabeo-cabeceo. Tradicionalmente, la deriva se corrige sin conocer la causa que la produce. Para ello, la deriva es evaluada para después calcular las correcciones dependientes del tiempo que deben aplicarse a los motores capaces de corregirla. Esta forma de corrección obliga a evaluar la deriva con cierta periodicidad, ya que la deriva variará dependiendo de la posición del sol. Por el contrario, la metodología desarrollada por la UPAT se basa en la determinación de todas las desalineaciones de la estructura del heliostato para después resolver el sistema de ecuaciones del seguimiento solar teniéndolas en cuenta. Dado que las desalineaciones de la estructura no dependen del tiempo, tan solo es necesario determinarlas una vez.

Figura 1: Heliostato del campo solar de IMDEA Energía (izquierda) y esquema con las posibles desalineaciones de su estructura (centro y derecha)

Esta nueva metodología se divide en dos partes. La primera emplea el uso de un inclinómetro biaxial para determinar la posible falta de perpendicularidad de los ejes del sistema de seguimiento y la posible inclinación del pedestal. Con el inclinómetro se determinan además las relaciones ángulo-elongación de los motores. La segunda parte consiste en evaluar la deriva y obtener las desalineaciones de la estructura restantes que no se pueden determinar con el inclinómetro. La clave de esta metodología es dividir el problema en dos, ya que el número de parámetros a determinar es demasiado elevado para hacerlo solo mediante el análisis de la deriva. Esta metodología ha sido aplicada a 7 heliostatos del campo solar ubicado en el instituto IMDEA Energía, logrando corregir la deriva durante 8 horas tal y como se muestra en la Fig. 2.

Figura 2: Curvas de deriva de uno de los 7 heliostatos antes y después de corregirla. La imagen de la izquierda muestra la deriva sobre el receptor y la imagen de la derecha muestra sus dos componentes, horizontal y vertical, en función del tiempo

Los resultados de esta investigación han sido presentados en la pasada edición del congreso internacional SolarPACES 2021 y se enmarca en las actividades del programa de investigación ACES2030-CM y el proyecto europeo H2020 SFERA-III.

Referencias

Martínez-Hernández, A., Gonzalo, I. B., Romero, M., González-Aguilar, J. (2020). Drift analysis in tilt-roll heliostats. Solar Energy, 211, 1170-1183.

Martinez Hernandez, A., Conceição, R., Romero, M. Gonzalez-Aguilar, J. Heliostat Drift Correction by Parametrized Analysis, en SolarPACES2021 (online), contribución oral.

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Alejandro Martínez, Investigador del grupo IMDEAE-UPAT del Programa ACES2030-CM.

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

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Recubrimientos altamente eficaces en la inactivación del coronavirus SARS-CoV-2 así como una amplia colección de virus y bacterias


Autor: Ana Iglesias Juez. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

Investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad de Alcalá de Henares han desarrollado un nuevo tipo de recubrimientos para superficies de contacto que inactiva eficientemente el coronavirus SARS-CoV-2, causante de la covid-19, y evita la propagación y transmisión de agentes patógenos (tanto virus como bacterias) permitiendo entornos más seguros.

Esta barrera de contención se basa en el empleo de un material con acción biocida sobre las superficies. El nanomaterial, que ya ha sido protegido mediante patente, es utilizado como recubrimiento de diferentes superficies (superficies de trabajo, textiles, de instrumental, de tránsito…). Por tanto, la invención se enmarca en el sector de la salud y tiene su aplicación no sólo en el ámbito hospitalario y de la industria alimentaria para evitar infecciones, sino que también se puede extender a todos aquellos entornos con gran tránsito de personas, como guarderías y colegios, aeropuertos, gimnasios, instalaciones deportivas, restaurantes, hoteles, oficinas, estaciones de transporte masivo, edificios públicos, áreas comerciales y residenciales, cuyas superficies de contacto se convierten en focos de propagación de infecciones y enfermedades, por las condiciones de aglomeración, calor y humedad.

Estos recubrimientos incluyen un nanomaterial fotocatalítico que se activa en condiciones de iluminación y produce alto estrés oxidativo sobre la envoltura lipídica y las proteínas de la membrana del microorganismo, anulando su capacidad de infectar células o causando su muerte (en el caso de las bacterias). Además, las superficies permanecen libres de colonización bacteriana y de formación de biopelículas. Esto les confiere propiedades biocidas muy eficientes evitando la proliferación de microorganismos en las superficies y su consiguiente transmisión.

Figura 1. Inactivation results for CSIC patented material based on ZnO and BiVO4. Top: Colony Forming Units (CFU), S. aureus and E. coli aerosol. Bottom: Plaque-forming units (PFU), (A) HCoV-229E and (B) SARS-CoV-2. (Dark conditions: L (-). Daytime lighting conditions: L (+))

El material está constituido por nanopartículas de dos semiconductores: óxido de cinc y vanadato de bismuto. Ambos compuestos son muy estables, fáciles de sintetizar, de bajo coste y reducida toxicidad, siendo biocompatibles en contacto con la piel. Los recubrimientos son estables y resistentes a la abrasión y a los lavados sin perder su actividad ni liberar material.
La elevada eficacia viricida y bactericida se debe a la reducción efectiva de la recombinación de pares de electrones-hueco fotogenerados y se correlaciona con una mayor generación de radicales HO• (especies ROS). Estas especies ROS fotogeneradas son las causantes del daño en la membrana celular y producen un alto estrés oxidativo intracelular en las bacterias.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) insiste en que se deben tomar acciones preventivas contra los microorganismos patógenos. Los productos biocidas deben servir para destruir o suprimir la propagación de bacterias, virus y hongos en objetos y superficies inanimados. Además, la legislación europea exige el desarrollo de productos más eficientes con aditivos más ecológicos y con baja o nula toxicidad para el ser humano. Todo ello hace que los recubrimientos desarrollados presenten un gran potencial de implementación en el mercado.

Referencia: ES1641.1595. Ana Iglesias Juez, Belén Bachiller Baeza, Eva Castillejos López, Fernando Fresno García, Ángela Vázquez Calvo, Antonio Alcamí Pertejo, Laura Valenzuela, Roberto Rosal García.

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Ana Iglesias Juez, Investigadora del grupo FCF del programa FotoArt-CM.

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

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Creación de un ecosistema de almacenamiento de energía a nivel europeo. Principal reto del proyecto STORIES (Storage Research Infrastructure Ecosystem)


Autor: Rocío Bayón, CIEMAT

El próximo 1 de noviembre de 2021 arrancará el proyecto STORIES (Storage Research Infrastructure Ecosystem) que durará 4 años y estará financiado por el Programa Europeo Horizon 2020 dentro de la convocatoria H2020-LC-GD-2020 (Building a low-carbon, climate resilient future: Research and innovation in support of the European Green Deal).

Su principal objetivo es iniciar y mantener a largo plazo un esfuerzo coordinado de investigación entre compañías privadas e instituciones de investigación con experiencia común en tecnologías de almacenamiento de energía (AE) con el fin de identificar y promover formas de escalar dichas tecnologías dentro de la Unión Europea. En este sentido, el Proyecto STORIES pretende alcanzar seis objetivos bien definidos:

  1. Promover un ecosistema europeo formado por la industria y los centros de investigación en tecnologías de almacenamiento híbrido.
  2. Proporcionar acceso a materiales e infraestructuras de talla mundial relacionadas con el AE.
  3. Extender y avanzar la integración de la comunidad europea del AE.
  4. Mejorar la innovación involucrando a expertos industriales.
  5. Asegurar la sostenibilidad de la investigación en AE a largo plazo.
  6. Establecer una organización de referencia europea para promover y coordinar la cooperación internacional en investigación sobre AE desde y hacia Europa.

Para conseguir estos objetivos el proyecto STORIES cuenta con una financiación total de 7 M€ y la participación de 16 instituciones como socios de un núcleo central y otras 23 organizaciones que constituyen lo que se denomina una red extendida. El CIEMAT es uno de los 16 socios de dicho núcleo central y participa en el proyecto a través de cinco Unidades de Investigación: cuatro del Departamento de Energía (Almacenamiento Térmico de Energía (IP del CIEMAT), Análisis de Sistemas Energéticos, Energía Solar Fotovoltaica y Valorización Termoquímica Sostenible) y una del Departamento de Tecnología (Sistemas Eléctricos de Potencia).

Uno de los principales alicientes de este proyecto es que va a permitir el acceso a usuarios tanto de mundo académico como de la industria a un total de 58 instalaciones singulares de talla mundial y 6 servicios virtuales pertenecientes a un total de 39 instituciones. Dicho acceso lleva asociado un proceso selectivo previo en el que se evaluará, no sólo la actividad propuesta por los aspirantes sino también, la capacidad de la instalación correspondiente para cumplir con los requisitos técnicos demandados para realizar dicha actividad. En este sentido el CIEMAT participa con tres instalaciones singulares:

Además del acceso a instalaciones singulares, el proyecto STORIES consta de otros paquetes de trabajo donde se van a desarrollar actividades de I+D relacionadas con el AE en toda la cadena de valor: desde el punto de vista de materiales y medios de almacenamiento, modelizado de sistemas de almacenamiento híbridos así como la evaluación de la sostenibilidad de dichos sistemas a lo largo de todo su proceso de implementación. Finalmente, otra parte importante del proyecto se ocupa de actividades de formación y movilidad internacional principalmente de estudiantes y jóvenes investigadores así como de la diseminación y explotación de los resultados obtenidos.

Para más información sobre el proyecto STORIES visitar el siguiente enlace:

https://www.eera-energystorage.eu/stories.html

Contacto

Rocío Bayón, Investigadora del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM.

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

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ACES2030-CM y SOLTOCOMB en el 9th International Conference on Hydrogen Energy (dentro de la serie de conferencias Advanced Nano Materials, ANM2021)


Autores: Alejandro Pérez, María Orfila, María Linares, Raúl Molina, Raúl Sanz, Javier Marugán, Juan Ángel Botas

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos

C/ Tulipán, s/n, 28933, Móstoles, Madrid

Entre los días 22 y 24 de julio se celebró en Aveiro (Portugal) la decimoséptima edición las conferencias Advanced Nano Materials (ANM2021), que contaron con un total de 240 contribuciones de muy diversa índole (desde nanomateriales para aplicaciones energéticas hasta tecnologías de fabricación y aplicación de OLEDs -Organic Light Emitting Diodes-). Estas conferencias se celebran anualmente y engloban a participantes de 8 congresos diferentes, que se dieron cita esos días en la ciudad portuguesa:

  • 17th International conference on Advanced Nanomaterials
  • 10th International conference on Advanced Graphene Materials
  • 9th International conference on Hydrogen Energy
  • 7th International conference on Advanced Energy Materials
  • 6th International conference on Advanced Magnetic and Spintronics Materials
  • 4th International conference on Advanced Polymer Materials and Nanocomposites
  • 5th International conference on Solar Energy Materials
  • 3rd International conference on Organic Light Emitting Diodes

Uno de los principales focos de atención del ANM2021 ha sido el hidrógeno, albergando la novena conferencia internacional sobre energía relacionada con el hidrógeno. Es de sobra conocido que el hidrógeno, si bien es un interesante candidato como vector energético limpio y renovable conocido por muchos como el combustible del futuro, necesita una producción sostenible a partir de fuentes de energía y materias primas renovables para convertir esta potencial alternativa en realidad. La conferencia sobre energía relacionada con el hidrógeno contó con contribuciones de temática muy variada, focalizándose en alternativas tecnológicas para la obtención de hidrógeno verde como la electrolisis con energía eléctrica obtenida a partir de dispositivos fotovoltaicos, producción de hidrógeno a partir de foto-reformado de glucosa, teniendo cabida nuevos materiales para la intensificación y optimización de procesos de producción de hidrógeno bien establecidos como el reformado de metano, introduciendo nuevos sistemas de almacenamiento en materiales grafénicos, o proponiendo nuevos materiales para la optimización de pilas de combustible para diferentes tipos de aplicaciones móviles (Tabla 1). En total hubo 35 contribuciones relacionadas con el hidrógeno suponiendo un 20 % del total de contribuciones del congreso ANM2021 lo que demuestra la gran relevancia actual de esta temática. Los resúmenes de las comunicaciones presentadas se encuentran disponibles actualmente en abierto en la página del congreso: https://www.advanced-nanomaterials-conference.com/program/.

Tabla 1. Comunicaciones presentadas al 9th International conference on Hydrogen Energy.

Innovative catalytic monoliths for methane steam reforming process intensification
Ni/Co and Ni/Cu-based nanocrystalline materials for hydrogen production from CO2 reforming of methane
Grand Canonical Monte Carlo Simulations of the Hydrogen Storage on Schwarzites
Analyses comparative of ZnO catalysts used for H2S removal from syngas, raw material for hydrogen production
Mechanochemical transduction pathways of complex chemical hydrides
Study of the cyclability behaviour of La0.8Sr0.2CoOδfor hydrogen production by thermochemical water splitting
LaCr0.75Mn0.25O3+δ–CGO nanocomposite electrodes for highly efficient Solid Oxide Fuel Cells
On the effect of H2/CO2 ratio during CO2 hydrogenation over Ni-Ceria-Zirconia catalysts under plasma or thermal reaction
Effect of Co-promotion on hydrotalcite-derived Ni catalyst for CO2 methanation
Understanding the Role of Ceria Supports in Reverse Water Gas Shift Reaction Over Ceria Supported Transition Metals Nanoparticles
In-situ 11B NMR decomposition study of Zn-B-N-H system for hydrogen storage
Naphthalene Sulfonate-Functionalized Graphene Oxide Membranes as Potential Electrolytes for PEM Fuel Cells
Borate-Reinforced Sulfonated Graphene Oxide Membranes as an Alternative Proton Conductor for PEM Fuel Cells
Effect of H2 generated by Ethanol Steam Reforming in SCR of NOx from emissions of Diesel engines with Pt-Ag/Al2O3-Wox
Numerical modeling of ammonia-coal co-combustion in a pilot-scale fluidized bed reactor
H2 production by photoreforming of glucose
Photo-oxidation of ammonia in wastewater to N2 under UV, Vis and Sunlight
Structural phase transitions in the Ti45Zr38Fe17 nano-alloy and their amorphous hydride
Thermal synthesis of Pt nanoparticles on carbon paper supports
Noble metal-free water-splitting electrocatalysts
A composite polymer exchange membrane based on Poly (vinylidene fluoride) PVDF
Reactivity of chromium containing vapour with compounds with perovskite and fluorite structures
Reduced cerium phases in ceria additive incorporated hydrogen storage system magnesium hydride
Ti-peroxo/phosphorus composites: synthesis, characterization and application in visible-light driven photocatalytic hydrogen evolution
Carbon fibre electrodes coated by electrodeposition from transition metal salts as electrocatalysts for water splitting reactions
Efficient and Stable Catalyst for PEM Fuel Cells based on Iodine-doped Graphene
Tin carbide monolayers decorated with alkali metal atoms for hydrogen storage
Hydrogen storage on tin carbide monolayers with transition adatoms
Metal-decorated B-doped germanene as hydrogen storage media: A DFT study
Modeling the effects of boron doping on the hydrogen storage capacities of Na, K, and Ca decorated siligene
Doped silicon carbide monolayers with light metal adatoms for hydrogen storage
Copper Catalysts on Alumina-supported Ceria and Y-doped Ceria: Influence of the Method of Supports Preparation on the Water-Gas Shift Activity
Low equilibrium pressure metal hydride for hydrogen storage in a renewable energy system
Grain boundary conductivity of CGO based materials sintered by hot pressing
Silica scavenging effect of yttria on CGO based materials sintered by hot press 

El Grupo de investigación en Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) de la Universidad Rey Juan Carlos, formado por investigadores de los Departamentos de Tecnología Química y Ambiental y Tecnología Química, Energética y Mecánica, participó en esta sesión con una ponencia titulada “Study of the cyclability behaviour of La0.8Sr0.2CoO3±δ for hydrogen production by thermochemical water splitting”. Esta investigación ha sido financiada por la Comunidad de Madrid y la Universidad Rey Juan Carlos mediante el Programa de Actividades de I+D ACES2030-CM “Energía solar térmica de concentración en el sector del transporte y en la producción de calor y de electricidad” (liderado por la Fundación IMDEA Energía y en el que, además del GIQA, también participan grupos de investigación de la Universidad Nacional de Educación a Distancia, la Universidad Carlos III de Madrid, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, la Universidad Politécnica de Madrid, y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) y el Proyecto de Investigación SOLTOCOMB “Desarrollo de materiales conformados para la conversión de CO2 y H2O en combustibles solares empleando energía solar térmica de concentración” ejecutado por investigadores del GIQA.

En la ponencia oral, se expusieron algunos de los resultados más relevantes obtenidos por el GIQA en la producción de hidrógeno solar mediante ciclos termoquímicos basados en materiales perovskita tipo ABO3. Este proceso consiste en utilizar la energía solar térmica de concentración para provocar la reducción térmica de la perovskita, que a continuación reacciona con agua para reoxidarse y producir el hidrógeno. En este estudio se ha conseguido una producción de 16 STP cm3/gperovskita, valor superior a lo obtenido en estudios anteriores, pero lo más destacable es que la reducción térmica se lleva a cabo a 1000 °C, una temperatura muy inferior a la mostrada en bibliografía por otros materiales (~1400 ºC) y compatible con la tecnología solar térmica de concentración actual. En este trabajo se estudió la ciclabilidad de estos materiales (Figura 1) mostrando elevada estabilidad en los valores de hidrógeno producido cuando la reducción térmica se lleva a cabo a 1000 ºC. Adicionalmente se presentó por primera vez un estudio de la evaluación energética del proceso completo con eficiencias en la conversión de energía solar a combustible de un 50 % y de hasta un 65 % cuando hay una integración energética entre las corrientes que intervienen en el proceso.

Figura 1. Ciclabilidad de los materiales operando con temperaturas de reducción de 1400 ºC y 1000 ºC.

Los investigadores del GIQA seguirán trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para la obtención de hidrógeno y otros combustibles solares basándose en ciclos termoquímicos activados con energía solar, en línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible y la Agenda 2030, ya que gracias a esta metodología se consigue obtener hidrógeno de forma limpia (el único residuo es oxígeno), contribuyendo al objetivo global de sostenibilidad energética futura y los objetivos del Horizonte 2030.

 Contacto

 Juan Ángel Botas, Investigador Responsable del grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.

 Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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