Mejorando la durabilidad y eficiencia de plantas termosolares
Autores: Noelia Martínez1,2, David Merino1, Álvaro Rico1, Claudio J. Múnez1, Pedro Poza1
1 DIMME – Grupo de Durabilidad e Integridad de Materiales Estructurales, Universidad Rey Juan Carlos, C/ Tulipán s.n. 28933 Móstoles, Madrid.
2 Abengoa Energía, Departamento de Energía Solar, Energía Solar 1, 41014 Sevilla.
La energía solar de concentración (“Concentrated Solar Power”, CSP) tiene el potencial de llegar a ser una de las energías renovables con mayor presencia en la energía eléctrica consumida a nivel mundial. La necesidad de reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, para afrontar el reto del cambio climático, obliga a aumentar el peso de las energías renovables en el mix energético [1]. La energía solar de concentración presenta algunas ventajas frente a otras renovables, como poder gestionarla gracias a las posibilidades de almacenamiento. Los estudios realizados por la Unión Europea para reducir las emisiones de CO2 predicen que la energía solar de concentración puede llegar a alcanzar el 11% del total de la energía consumida.
Figura 1. Plantas solares de concentración construidas por Abengoa. a) Planta Xina Solar One con tecnología cilindro parabólica construida en Sudáfrica. b) Plataforma solar de Sanlúcar con tecnología de torre.
La tecnología asociada a la energía solar de concentración se basa en focalizar la energía del sol, mediante un sistema espejos, sobre un receptor, que constituye un caso particular de intercambiador de calor. La radiación solar incide sobre el receptor donde se transforma en energía térmica que calienta un fluido portador. Se utilizan diferentes configuraciones como los sistemas cilindro-parabólicos, donde el receptor se encuentra en el foco lineal de un espejo parabólico (Figura 1a), o las plantas de torre, en las que un campo de helióstatos se focaliza sobre un receptor de grandes dimensiones situado en una torre (Figura 1b).
La eficiencia de la producción de energía depende de la capacidad del receptor para recoger la radiación solar. Por tanto, es necesario modificar la superficie del tubo metálico con recubrimientos que aporten una elevaba absortividad de la radiación solar (a) y una baja emisividad térmica (e). Desde un punto de vista estructural, estos recubrimientos deben ser capaces de operar en condiciones de alta temperatura, en un medio agresivo, y sometido acciones mecánicas que degradarán el material por procesos de fatiga, erosión y desgaste. Estos requerimientos funcionales y estructurales obligan a utilizar recubrimientos absorbedores capaces de mantener la integridad estructural en las condiciones de servicio. Sin embargo, las soluciones empleadas en la actualidad no son satisfactorias, ni desde el punto de vista funcional ni desde los requisitos estructurales, y constituye una de las principales limitaciones al desarrollo de la nueva generación de plantas termosolares.
Precisamente una de las líneas de investigación del grupo URJC-SOLAR, dentro del Programa de Actividades de I+D ACES 2030, es la mejora del comportamiento de los recubrimientos utilizados en los receptores centrales de plantas solares de concentración con tecnología de torre. Se han seguido dos estrategias: optimizar la durabilidad de los recubrimientos que se utilizan en la actualidad, fundamentalmente pinturas refractarias de base silicona con absortividades del orden del 96%, y desarrollar nuevos recubrimientos, mediante técnicas de proyección térmica.
El análisis de la durabilidad de pinturas refractarias se ha realizado mediante ensayos de nanorayado, descritos en la Figura 2. Estos ensayos permitieron determinar la tasa de desgaste, definida como el volumen de recubrimiento arrancado por unidad de carga aplicada y distancia recorrida.
Figura 2. Ensayos de nanorayado: una punta de diamante se desplaza por la superficie del recubrimiento bajo la acción de una carga normal, generando un surco en el material. a) Esquema del ensayo. b) Imagen obtenida mediante microscopía de fuerzas atómicas del surco generado.
Se midió la tasa de desgaste de pinturas refractarias fabricadas siguiendo diferentes tratamientos térmicos. Los resultados muestran una gran influencia de las condiciones de fabricación en la tasa de desgaste (Figura 3a). Por otra parte, la durabilidad de las pinturas se correlaciona con su temperatura de transición vítrea (Figura 3b). En consecuencia, las prestaciones de los recubrimientos utilizados pueden mejorarse eligiendo adecuadamente las condiciones de aplicación de las pinturas [2].
Figura 3. a) Tasa de desgaste medida en diferentes condiciones de curado de las pinturas. El recubrimiento E presenta la mejor durabilidad al tener la menor tasa de desgaste. b) Correlación entre la tasa de desgaste y la temperatura de transición vítrea de las pinturas.
Finalmente se están buscando nuevos recubrimientos con propiedades mejoradas fabricados por técnicas de proyección térmica. Mediante esta tecnología de fabricación pueden depositarse metales, cerámicas y mezclas metal-cerámica sobre la superficie del tubo receptor, fabricado en acero. Se han estudiado recubrimientos formados por óxidos cerámicos, que pueden llegar a proporcionar absortividades superiores a las de las pinturas siliconadas con una vida en servicio más larga. Sin embargo, las propiedades de estos recubrimientos, tanto funcionales como estructurales, dependen en gran medida de las condiciones de fabricación. En la actualidad se está realizando un análisis detallado que permita optimizar las condiciones de fabricación para obtener las máximas prestaciones.
Referencias
[1] European Commission. Roadmap 2050. Policy 2012:1–9. https://doi.org/10.2833/10759.
[2] Martínez N, Rico A, Múnez CJ, Prieto C, Poza P. Improving durability of silicone-based paint coatings used in solar power plants by controlling consolidation procedures. Sol Energy 2020;199:585–95. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.02.049
Contacto
Pedro Poza, Investigador del Grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
Nanomateriales como impulsores de la sostenibilidad en transporte
Autores: Juan José Vilatela García, IMDEA Materiales; Tamara Blanco Varela, Airbus
Poca duda cabe de la rapidez con que está cambiando el transporte y de la imparable transformación hacia vehículos con propulsión eléctrica/híbrida. En automoción, la constante reducción en costos de las baterías ion-litio nos pone a las puertas de cambios sísmicos en la movilidad. Se estima que el costo de vehículos de 2-3 ruedas eléctricos (EV, por sus siglas en inglés) será menor que el de motores de combustión interna a partir de 2023, y el de los automóviles comenzando en 20251, consolidando su irrupción en el sector.
La electrificación en el transporte se observa también en la aviación civil. Los esfuerzos por electrificar los sistemas datan al menos desde los años 80, con la iniciativa conocida como MEA (More Electric Aircraft). Esta tendencia se ha acelerado por el interés en sistemas con tecnologías de propulsión alternativas – baterías y/o hidrógeno-, que en pocos años pasaron de ser diseños futuristas a máquinas que vuelan. Conforme un número creciente de aviones eléctricos/híbridos conceptuales son desarrollados queda patente los enormes retos técnicos para las siguientes décadas.
En un estudio en preparación, los autores hemos identificado tecnologías clave para conseguir los objetivos de sostenibilidad del sector, con especial interés en áreas donde materiales tradicionales serán probablemente reemplazados por nanomateriales. La perspectiva es que retos nuevos requieren materiales nuevos, que deben desarrollarse lo antes posible.
Figura 1. Evolución de la potencia eléctrica del mayor elemento eléctrico en aeronaves.2
Los dos ejemplos más claros son la transmisión y el almacenamiento de energía. La transmisión de energía se refiere en este contexto a la corriente eléctrica. Los estudios de la NASA3 y otras instituciones2 predicen que la potencia del mayor elemento eléctrico en aviones aumentará por un factor de 30 en los próximos 15 años (ver gráfico). Por experiencia, se sabe que a 1kW de potencia en un avión comercial corresponden unos 6.5kgs de peso en cables eléctricos. Esto implicaría que la potencia eléctrica de 30MW proyectada para antes de 2035 requeriría 200 toneladas de cableado eléctrico por avión, ¡el equivalente en peso a cinco A320!
Claramente los aviones del futuro requerirán alternativas a los conductores de cobre y aluminio usados actualmente. Una opción son los superconductores, materiales exóticos en los que la carga eléctrica fluye prácticamente sin resistencia eléctrica, pero que requieren temperaturas de operación criogénicas y son extremadamente caros (> €5000/kg)4. La otra alternativa son conductores de carbono altamente dopados (mediante intercalación o hibridación con Cu). Más de una década en desarrollo en laboratorios académicos ha conseguido producir cables macroscópicos de nanocarbonos, con conductividad eléctrica superior a metales (para pesos equivalentes) y en formatos similares a componentes industriales (ver Figura 2). Tres elementos adicionales hacen de estos conductores un serio candidato a reemplazar metales en la nueva generación de aviones. Datos históricos muestran una mejora anual del 26% en propiedades eléctricas sin vistas de estabilizarse aún,5 dando aún más margen de mejora. Por otro lado, es sorprendente el gran número de plantas con producción de nanocarbonos en la escala de toneladas y con precios asequibles anunciadas recientemente por las mayores empresas en el sector del petróleo, gas y química fina.5 El vertiginoso desarrollo de estos materials por muchas de estas empresas se debe a su potencial fabricación como subproducto en la generación de combustible hidrógeno a partir de gas natural (ver entrada anterior en este blog).
Figura 2. Cables eléctricos de nanocarbonos. A) Evolución en la conductividad específica (i.e. por unidad de masa) reportada. B) Cable eléctrico de alta potencia.6
En el ámbito de almacenamiento de energía los nanomateriales juegan también un papel clave. Su morfología y dimensiones los hace intrínsecamente tolerantes al daño, a la vez que permite su organización en redes capaces de conducir carga eléctrica y permeables a electrolitos o gases. No es de sorprender, por lo tanto, que los nanomateriales figuren en las hojas de ruta para el desarrollo de las nuevas químicas de baterías, aún a reserva de consideraciones sobre la escasez u origen de las materias primas usadas en la actualidad.7 La Figura 3 muestra la evolución en baterías comerciales de altas prestaciones fabricadas a escala suficiente para suministrar al sector transporte. Superpuestos hay ejemplos recientes a nivel laboratorio de baterías con electrodos nanoestructurados con diferentes químicas. Los altos valores de densidad de energía obtenidos con baterías nanoestructuradas dan un atisbo de su importancia en los futuros sistemas de almacenamiento electroquímico.
Figura 3. Evolución en la densidad media de energía de baterías ion Li comerciales y recientes ejemplos de baterías con electrodos nanoestructurados 8,9,10.
Una vez identificadas las aplicaciones de mayor impacto de los nanomateriales en los aviones del futuro próximo, hemos analizado las áreas de desarrollo prioritarias. El objetivo es lograr una progresión paralela en los métodos de fabricación, integración y propiedades. Adicionalmente, conforme aumenta la complejidad de los sistemas de transporte y de los ciclos de vida de los materiales, identificamos el desarrollo de métodos analíticos a nivel sistema como otra prioridad emergente.
La versión completa de este estudio se hará pública en los próximos meses.
Referencias
(1) Tyson, C. B. J. N. S. S. M. Breakthrough Batteries: Powering the Era of Clean Electrification; 2019.
(2) Schefer, H.; Fauth, L.; Kopp, T. H.; Mallwitz, R.; Friebe, J.; Kurrat, M. Discussion on Electric Power Supply Systems for All Electric Aircraft. IEEE Access 2020, 8, 84188–84216.
(3) Madavan, N. Hybrid-Electric and Distributed Propulsion Technologies for Large Commercial Air Transports: A NASA Perspective. In Special Session on Future Electric Aircraft – Systems IEEE ECCE; Montreal, 2015.
(4) Haugan, T. J. Impact of Nanotechnology on Carbon-Based and Superconducting Wire Development. In 2018 Nanotechnology Materials and Devices (NMD 2018); Cincinnati, 2018.
(5) Taylor, L. W.; Dewey, O. S.; Headrick, R. J.; Komatsu, N.; Peraca, N. M.; Wehmeyer, G.; Kono, J.; Pasquali, M. Improved Properties, Increased Production, and the Path to Broad Adoption of Carbon Nanotube Fibers. Carbon N. Y. 2020.
(6) Cress, C. D.; Ganter, M. J.; Schauerman, C. M.; Soule, K.; Rossi, J. E.; Lawlor, C. C.; Puchades, I.; Ubnoske, S. M.; Bucossi, A. R.; Landi, B. J. Carbon Nanotube Wires with Continuous Current Rating Exceeding 20 Amperes. J. Appl. Phys. 2017, 122 (2), 25101.
(7) European Commission. Report on Raw Materials for Battery Applications; 2018.
(8) Qiao, Y.; Jiang, K.; Deng, H.; Zhou, H. A High-Energy-Density and Long-Life Lithium-Ion Battery via Reversible Oxide–peroxide Conversion. Nat. Catal. 2019, 2 (11), 1035–1044.
(9) Park, S.-H.; King, P. J.; Tian, R.; Boland, C. S.; Coelho, J.; Zhang, C. (John); McBean, P.; McEvoy, N.; Kremer, M. P.; Daly, D.; et al. High Areal Capacity Battery Electrodes Enabled by Segregated Nanotube Networks. Nat. Energy 2019, 4 (7), 560–567.
(10) Amprius Technologies https://www.amprius.com/.
Contacto
Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales, y Responsable del Grupo FIMDEAM del Programa FotoArt-CM.
Tamara Blanco Varela, Composites Research & Technology – Multifunctional Materials, Airbus Operations, S.L.
Nuevo dispositivo de aprovechamiento solar: Integración coherente entre torre solar y fluidos supercríticos
Autores: González-Portillo, Luis F; Muñoz-Antón, Javier; Martínez-Val, José M.
Universidad Politécnica de Madrid, Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, ETSI Industriales, Departamento de Ingeniería Energética
Resumen
Los sistemas de torre solar se están constituyendo en una de las tecnologías más atractivas en los últimos años. Las torres solares habituales están formadas por un campo solar de espejos que concentran la radiación solar en un área relativamente más pequeña, el receptor, con objeto de calentar un fluido. En este texto se indican algunas de las ventajas de aplicar diferentes niveles de concentración a diferentes secciones de la torre solar, resultando así un nuevo diseño de dispositivo de concentración solar. En esas secciones se calentará CO2 supercrítico a diferentes niveles entálpicos con objeto de mejorar las prestaciones del ciclo Brayton con el que se acopla esta nueva torre. Con este nuevo diseño, en el que se especializan secciones del receptor para diferentes valores de concentración y, por tanto, de temperaturas, se reducen los requerimientos mecánicos de los materiales, respecto a las torres que funcionan a un único nivel entálpico. En términos de diseño térmico, este nuevo dispositivo de aprovechamiento solar fundamenta su diseño en los principios de coherencia térmica para obtener mejores rendimientos con menores requerimientos de materiales.
Abstract
Solar tower has become one of the most attractive concentrating solar power technologies during the last years. The common solar tower consists of a field of mirrors concentrating solar radiation into a small area in order to heat a fluid. This study shows the benefits of applying different concentrations to different sections of the tower receiver, resulting in the design of a solar thermal new engine. These sections will heat supercritical CO2 at different enthalpies in order to take advantage of the supercritical Brayton cycles characteristics. This new solar thermal concept allows to reduce system concentration and temperatures in relation to a common solar tower system, which works at a unique enthalpy level.
In terms of thermal design, this new solar thermal engine uses the basis of thermal coherence to obtain higher efficiency with lower material requirements.
Descripción
Este estudio presenta un nuevo dispositivo de aprovechamiento solar como resultado de la búsqueda de coherencia entre la termodinámica y la gestión del calor (figura 1). En la parte central se concentra una mayor radiación que en las partes laterales.
Desde el punto de vista de la termodinámica, el uso de fluidos supercríticos en ciclos Brayton (figura 2) parece ser un nicho muy prometedor en plantas solares de concentración [1]. Interesa sobre todo analizar qué es lo que ocurre en la zona cercana al punto crítico, donde por las pendientes de las isentrópicas en sus cercanías, el menor trabajo específico requerido en la fase de la compresión viene de la mano de las irreversibilidades en el recuperador de calor intermedio [2]. Sin embargo, esas irreversibilidades pueden compensarse con el uso de aportes de calor a diferentes temperaturas.
Figura 1: Ciclo Brayton regenerativo
Desde el punto de vista de la gestión del calor, trabajos previos [3] analizan la relación óptima entre la temperatura del fluido y la intensidad de la radiación que alcanza el receptor refrigerado por dicho fluido, tal y como se ve en el ejemplo de la figura 2. El ajuste adecuado de la concentración de la radiación y las necesidades térmicas del fin útil constituye una herramienta de análisis muy útil para aumentar la eficiencia global de este tipo de instalaciones [4].
Figura 2: Concepto de nuevo dispositivo de aprovechamiento solar
Resultados
El nuevo concepto de dispositivo de aprovechamiento solar considerado en este texto considera dos secciones del receptor con diferentes requerimientos térmicos, temperatura y flujo térmico. La menor temperatura requerida en una de las secciones implica también un menor flujo térmico [3]. Este sistema da lugar a un aumento de eficiencia con una configuración de menores requerimientos térmicos.
Las características particulares de los ciclos Brayton se pueden integrar de forma coherente en plantas de energía solar del receptor central, con un ajuste fino entre ambas partes, lo que parece ser una herramienta adecuada para alcanzar elevadas eficiencias. Este estudio muestra que esta es una línea muy prometedora en el campo de la energía solar térmica. Investigaciones posteriores estudiarán la configuración óptima del nuevo motor solar térmico junto con un campo de heliostatos.
Agradecimientos
Discusiones con el resto de miembros del Grupo de Investigaciones Termoenergéticas (GIT-UPM) han sido muy útiles para la realización de este trabajo.
Referencias
[1] M.T. Dunham, B.D. Iverson, High-efficiency thermodynamic power cycles for concentrated solar power systems, Renew. Sustain. Energy Rev. 30 (2014) 758–770.
[2] V. Dostal, M.J. Driscoll, P. Hejzlar, A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors, Tech. Rep. MIT-ANP-TR-100. (2004) 1–317
[3] J. Muñoz, J.M. Martinez-Val, A. Ramos, Thermal regimes in solar-thermal linear collectors, Sol. Energy 85 (2011) 857–870.
[4] J. Muñoz, A. Abánades, J.M. Martínez-Val, A conceptual design of solar boiler, Sol. Energy 83 (2009) 1713–1722.
Contacto
Luis F. González Portillo, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM - lf.gonzalez@upm.es
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
Fijación de CO2 por procesos enzimáticos mediante reacciones de carboxilación
Autor: Marcos Pita (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC)
En pleno siglo XXI se puede dar por aceptada la idea de que es necesario un cambio en la manera de producir y usar energía por parte de la humanidad, además de una descarboxilación activa de la atmósfera para evitar un calentamiento superficial irreversible de consecuencias drásticas para los seres vivos del planeta. Es por ello que muchos científicos están volcados en descubrir y desarrollar tecnologías de energía limpia. Dado que la mayor fuente de energía disponible en la Tierra es aquella procedente del Sol, los procesos fotosintéticos han servido de inspiración para contribuir a la obtención de combustibles cuya huella de carbono sea menor. De esta manera se ha investigado sobre la producción de hidrógeno como combustible a partir de la fotólisis de agua durante décadas, y más recientemente, cuando ya ha resultado innegable la necesidad de reducir las emisiones de CO2, emular la fotosíntesis natural mediante procesos fotoquímicos para la fijación del dióxido de carbono. Han aparecido muchos ejemplos en los que se usan catalizadores inorgánicos para reducir el CO2, lo cual ha desvelado muchas complejidades, dado que en primer lugar la reducción de CO2 compite con la producción de H2 a partir del agua, y en segundo lugar los productos de dicha reducción son muchos y muy variados, dificultando la implementación de estos procesos. Alternativamente se pueden utilizar catalizadores de origen biológico para aprovechar sus características: alta selectividad, alta eficiencia y condiciones de trabajo suaves. Existen multitud de ejemplos en los que se utilizan enzimas combinadas con electrodos y/o semiconductores: hidrogenasas para formar H2 a partir de agua, CO monooxigenasas para formar monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono, o utilizar la enzima formato deshidrogenasa para acometer su reacción inversa, la reducción selectiva de CO2 a ácido fórmico.
Una estrategia revolucionaria que combina la biocatálisis enzimática con foto-electroquímica apareció recientemente, donde en lugar de utilizar directamente los electrones fotoexcitados para reducir un compuesto como CO2 o protones, se diseñó un bioelectrodo diferente [Morello, 2019]. En concreto se diseñó un electrodo nanoestructurado con nanopartículas de óxido de estaño dopado con indio (ITO), que forma una retícula sobre un electrodo de titanio. El trabajo presenta dos ventajas sobre los sistemas de reducción directa de CO2. En primer lugar, los recovecos que deja el electrodo sirven para facilitar el nano-confinamiento y la compartimentalización de los biocatalizadores, emulando una de las principales características de las células vivas: un principio clave para asegurar los procesos catalíticos en cascada. De ese modo se acelera y se aumenta la eficacia de los procesos enzimáticos concatenados gracias al aumento de concentración a nivel local, de modo que la distancia de difusión de reactivos y productos sea muy corta. De este modo, cargando un electrodo con nanopartículas de ITO y las enzimas ferredoxin-NADP+ reductasa (FNR) y malato-NADP+ oxidorreductasa (MNO) consigue reducir el espacio para la difusión del NADPH, facilitando su ciclo catalítico. En segundo lugar, en el trabajo se evita la diversidad de productos que acarrea la fotorreducción del CO2 dado que se forma, en primer lugar, NADPH a partir de NADP+ gracias a la FNR, que toma los electrones excitados para hacer dicha reducción; y el NADPH es utilizado por la MNO para formar un enlace carbono-carbono entre el piruvato y el CO2, dando lugar a malato. El método además permite trabajar en concentraciones catalíticas de NADPH, un cofactor de precio elevado.
Referencias
G. Morello, B. Siritanaraktul, C. F. Megarity, F. A. Armstrong. Efficient Electrocatalytic CO2 Fixation by Nanoconfined Enzymes via C3-to-C4 Reaction That Is Favored over H2 Production. ACS Catal. 2019, 9, 11255−11262.
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Marcos Pita, Investigador del grupo FCF del Programa FotoArt-CM - marcospita@icp.csic.es
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.
Perovskitas redox para el almacenamiento de calor solar a alta temperatura
Autores: Emanuela Mastrornardo y Juan M. Coronado (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC)
La energía solar, al ser un recurso accesible y básicamente ilimitado, es una fuente de energía renovable muy atractiva, que se puede convertir en electricidad mediante distintas tecnologías, entre las que se incluyen las plantas de energía solar de concentración (CSP por su acrónimo en inglés). Sin embargo, la naturaleza diurna de la luz solar y su variabilidad con el tiempo atmosférico imponen un límite importante al rendimiento de esta tecnología. Por tanto, para su desarrollo futuro, las plantas de CSP necesitan ser acopladas con un sistema de almacenamiento de energía económico y eficiente, cuyo desarrollo podría facilitar una mayor expansión de la producción de este tipo de energías renovable. Con este propósito, los sistemas de almacenamiento termoquímico (TCS) resultan particularmente atractivos para operar plantas CSP a altas temperaturas, ya que pueden almacenar directamente el calor solar y reutilizarlo en los periodos nocturnos o de baja irradiación, permitiendo la generación de electricidad en continuo. Para avanzar en el desarrollo de esta tecnología proyecto SESPer (Marie Sklodowska-Curie grant, 746167), desarrollado en colaboración entre la Universidad Northwestern de Estados Unidos y el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) del CSIC, tiene como objetivo el desarrollo de mejores materiales para el almacenamiento térmico. Para ello se propone desarrollar la metodología para una determinación precisa de sus propiedades termodinámicas, y realizar ensayos de intercambio de calor, inicialmente en condiciones de laboratorio y posteriormente en condiciones más realistas, que permitan acercar el desarrollo de esta tecnología a un nivel más próximo a la escala comercial de las futuras plantas CSP.
Los óxidos de tipo perovskita (con fórmula general ABO3) resultan especialmente interesantes como posibles candidatos para los sistemas TCS. Estos materiales presentan la capacidad de liberar o absorber oxígeno de forma continua dentro de un rango de temperatura muy amplio, a través de un proceso de creación/destrucción de vacantes de oxígeno en la red cristalina. El principio de operación de un sistema TCS basado en perovskitas se fundamenta en la siguiente reacción:
ABO3 (s) ↔ ABO3-δ (s) + δ/2 O2 (g)
La liberación de una cantidad de oxígeno (reducción), al ser endotérmica, constituye la etapa de almacenamiento de calor, mientras que el proceso inverso de oxidación genera calor cuando es necesario. La cantidad de oxígeno que es intercambiable de manera reversible, δ, es una función de la temperatura y la presión parcial de oxígeno, que son parámetros que se pueden controlar durante el funcionamiento de la planta. Una de las características más interesantes de estos óxidos mixtos es que los metales A y B pueden ser fácilmente reemplazados por elementos similares, sin sufrir ningún cambio de fase. Esto significa que, modificando la composición química, el material puede presentar una amplia gama de comportamientos, y en concreto permite modular el grado de reducción que es posible alcanzar. Sin embargo, muchos de los tipos de perovskita estudiados hasta ahora contienen elementos de tierras raras, lo que incrementa su coste y dificulta su utilización a gran escala. Por ello el objetivo general del proyecto SESPer es estudiar perovskitas que contengan elementos más abundantes en la corteza terrestre (fundamentalmente Ca, Fe, y Mn) para identificar la perovskita de composición más adecuada para el almacenamiento térmico y llevar a cabo un estudio termodinámico integral que permite la evaluación precisa de la capacidad de almacenamiento de calor.
Referencias
E. Mastronardo, X. Qian, J. M. Coronado, S. M. Haile, The favourable thermodynamic properties of Fe-doped CaMnO3 for thermochemical heat storage J. Mater. Chem. A, (2020),8, 8503-8517. https://doi.org/10.1039/D0TA02031A
http://sesperproject.blogspot.com/p/project-description.html
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Juan M. Coronado, Investigador del Grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM.
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
Una nueva metodología para la obtención de materiales fotocatalíticos más eficientes
Autores: Alberto López-Magano, Rubén Mas-Ballesté y José Alemán
Resumen: La aplicación de la estrategia de truncamiento de monómeros ha permitido la incorporación covalente de nuevos complejos fotocatalíticos de Pt(II)-hidroxiquinolina en Covalent Organic Frameworks laminares basados en iminas. Esta estrategia consiste en bloquear uno de los puntos de unión de un bloque de construcción, de tal manera que se generan defectos aleatoriamente distribuidos en la construcción del esqueleto orgánico. El nuevo material híbrido Pt@COF presenta un aumento importante de la actividad fotocatalítica en comparación con el complejo molecular en reacciones de sulfoxidación y debromación reductora, alcanzando un turnover number de alrededor de 8000.
Abstract: The application of the monomer truncation strategy has enabled the covalent incorporation of new photocatalytic Pt(II)-hydroxyquinoline complexes into imine-based layered Covalent Organic Frameworks. This strategy consists on blocking one of the linking points of a building block, generating structural defects randomly distributed in the construction of the organic backbone. The new hybrid material Pt@COF presents a great enhancement of the photocatalytic activity in comparison with the molecular complex towards sulfoxidation and reductive debromination reactions, reaching turnover numbers around 8000.
Se ha empleado una metodología que permite la inmovilización de complejos con baja simetría y sin necesidad de un diseño previo para la obtención de nuevos materiales fotocatalíticos.
Los Covalent Organic Frameworks (COFs) son materiales orgánicos porosos y cristalinos formados mediante la unión de enlaces covalentes de diferente naturaleza. Cobran especial relevancia los COFs basados en iminas, debido a la alta reversibilidad de este tipo de enlace (que permite el aislamiento de estructuras más ordenadas gracias a la autorreparación del material en el proceso de crecimiento) y a la fácil disposición de los bloques de construcción que los constituyen (aldehídos y aminas). A pesar de su temprana edad, los COF han supuesto una revolución en el sector de los nuevos materiales, con un amplio rango de posibles aplicaciones que van desde la producción y el almacenamiento de gases a la catálisis.
En concreto, en el campo de la catálisis, la estructura covalente privilegiada de los COF (con alto contenido en átomos coordinantes como N y O) los hace ideales para su funcionalización con diferentes metales. Para ello, la tendencia general consiste en la combinación de bloques de construcción prediseñados con geometrías adecuadas. Sin embargo, esta tendencia presenta un desafío añadido: el diseño de ligandos y bloques de construcción que contengan dos, tres o incluso cuatro grupos funcionales en la simetría apropiada, lo que incrementa la dificultad en su síntesis, alargando en muchos casos las etapas necesarias.
Recientemente, se desarrolló una nueva metodología para la incorporación de fragmentos moleculares en estructuras tipo COF: la estrategia de truncamiento de monómeros. Bloqueando uno de los puntos de unión de los bloques de construcción, es posible generar defectos aleatoriamente distribuidos en la estructura del material. Sin embargo, esta estrategia no había sido explorada hasta la fecha en la inmovilización y aislamiento de complejos metálicos en COFs. De tal manera, hemos sido capaces de obtener de manera sencilla un COF funcionalizado con complejos de Pt(II), sin necesidad de recurrir a etapas previas de diseño y síntesis de los bloques de construcción.
Para la obtención del material híbrido, fue necesaria la elección previa del complejo a incorporar. Debido a la experiencia de nuestro grupo de investigación en complejos fotocatalíticos de Pt(II) con ligandos hidroxiquinolina, procedimos a la síntesis de un complejo de este tipo que presentara en su estructura un grupo aldehído. Este grupo funcional es capaz de condensar como imina en presencia de aminas y de un medio ácido. Tras su síntesis y caracterización, se llevó a cabo la obtención del Pt@COF mediate un proceso one-pot en medio ácido: en primer lugar, se sintetizaba el monómero truncado combinando el complejo propuesto y un exceso del bloque de construcción a bloquear, en este caso una amina con geometría trigonal. Posteriormente, se añadía el otro bloque de construcción, que contiene tres grupos aldehído, dando lugar así a la estructura tipo COF con defectos de Pt(II) unidos covalentemente. El Pt@COF fue caracterizado por diferentes técnicas como difracción de rayos X en polvo, resonancia magnética nuclear en estado sólido, espectroscopía de infrarrojo y microscopía electrónica de barrido. El entorno de coordinación del complejo de Pt, así como su interacción con la estructura del COF, fue estudiado mediante la técnica de Pair Distribution Function.
El nuevo material Pt@COF es un excelente fotocatalizador heterogéneo tanto en procesos oxidativos como reductores.
Para la evaluación de la actividad fotocatalítica del nuevo material obtenido, se utilizó la oxidación selectiva de sulfuros a sulfóxidos como reacción modelo, que emplea oxígeno molecular como oxidante y LEDs azules como fuente de luz. Puede llevarse a cabo bajo condiciones muy suaves y su alcance es bastante general. Además, al inmovilizar el complejo de Pt en la estructura del material, se observa un aumento de su actividad fotocatalítica y de su estabilidad en comparación con su análogo molecular, alcanzando turnover numbers de 8000, e incluso de 25000 al ser reciclado. Finalmente, los estudios mecanísticos revelaron la doble naturaleza del material obtenido como fotocatalizador heterogéneo: es capaz de actuar tanto por transferencia de energía como por transferencia electrónica.
Debido a esta doble naturaleza, el Pt@COF también fue empleado como fotocatalizador en la deshalogenación reductora de diferentes derivados orgánicos bromados. Esta reacción es de interés medioambiental, dado que muchos productos bromados son considerados como contaminantes persistentes. De tal manera, diferentes sustratos (bromomalonatos, bromuros bencílicos y aromáticos) fueron deshalogenados bajo condiciones excepcionalmente suaves y utilizando etanol como disolvente, alcanzando nuevamente turnover numbers muy elevados (>7500 TON).
Referencia bibliográfica:
López-Magano, A.; Platero-Prats, A. E.; Cabrera, S; Mas-Ballesté, R.; Alemán, J. “Incorporation of photocatalytic Pt(II) complexes into imine-based layered covalent organic frameworks (COFs) through monomer truncation strategy” Appl. Catal. B: Environ. 272 (2020) 119027
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José Alemán, Responsable del Grupo FRUAM del Programa FotoArt-CM – jose.aleman@uam.es
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.
ASTEP: Application of Solar Thermal Energy to Processes
Autores: Montes, M. J.*; Abbas, R.**; Barbero, R.*; Rovira, A.*
*Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED)
**Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
Resumen
El Proyecto Europeo ASTEP (Application of Solar Thermal Energy to Processes), en el que participan dos universidades del consorcio ACES 2030 (Universidad Nacional de Educación a Distancia, UNED, y Universidad Politécnica de Madrid, UPM) se acaba de poner en marcha [1]. Este proyecto tiene el objetivo específico de generar energía solar de alta calidad y fiabilidad para procesos industriales, tanto para demanda de calor como de frío, en operación continua. Para conseguir este objetivo, en el proyecto se propone un diseño de colector tipo Fresnel rotatorio, llamado SunDial. Este sistema se caracteriza por ser modular y de fácil instalación, lo que permite reducir costes. Además, permite trabajar con uno o dos ejes de seguimiento, lo cual es una ventaja si se quiere instalar en ubicaciones de mayor latitud. La operación y el mantenimiento son también sencillos, así como la integración dentro de procesos industriales ya existentes.
Abstract
The European Project ASTEP (Application of Solar Thermal Energy to Processes), in which the Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) and the Universidad Politécnica de Madrid (UPM) participate (both also in ACES 2030), has just been launched [1]. This project has the specific challange of generating high quality and reliable solar energy for industrial processes, for both heat and cold demand, in continuous operation. To achieve this objective, the project proposes a rotary Fresnel type collector design, called SunDial. This system is characterized by being modular and easy to install, which reduces costs. In addition, it allows working with one or two tracking axes, this last option for higher latitude locations. Operation and maintenance are also simple, as well as integration into existing industrial processes.
Artículo
El calor solar para procesos industriales (SHIP; Solar Heat for Industrial Processes) está adquiriendo cada vez más importancia perfilándose como una forma de acoplar la energía solar a la alta demanda térmica que existe en la industria. Esto trae consigo un doble beneficio: al usar una fuente de energía renovable, el consumo de combustible fósil se reduce y, por tanto, también la emisión de gases contaminantes a la atmósfera; en segundo lugar, la demanda térmica en los procesos industriales puede convertirse en un nicho de mercado importante para la tecnología solar, lo cual repercute en una disminución del coste a través de las economías de escala.
De acuerdo con un estudio reciente [2] del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL; National Renewable Energy Laboratory) de Estados Unidos, la Unión Europea ha sido en la última década líder en el desarrollo de instalaciones de calor solar para procesos industriales. Sin embargo, hasta la fecha, prácticamente todas las demandas térmicas de calor solar han sido por debajo de 150 ºC. Se hace necesario, por tanto, que existan tecnologías capaces de suministrar calor a procesos industriales por encima de ese umbral de 150 ºC.
Actualmente hay 111 plantas SHIP operando en Europa, de acuerdo con la base de datos del IEA, task 49 [3-4], de las cuales sólo 17 trabajando por encima de 150ºC, y sólo en 6 países europeos. Es importante hacer notar que no todos los colectores son válidos para la temperatura objetivo que se propone en este proyecto. Para obtener temperaturas por encima de 150ºC, los colectores más adecuados son los colectores Fresnel o cilindro-parabólicos, tal y como se muestra en la siguiente figura 1.
Figura 1. Marco de trabajo del proyecto ASTEP
Como se puede ver en dicha figura 1, el colector Fresnel SunDial se ha aplicado a dos procesos industriales distintos, uno dentro del consorcio SPIRE (Sustainable Process Industry through Resource and Energy Efficiency), y otro no:
- Proceso de precalentamiento, por encima de 220 ºC, en una industria de procesado de metal, en Rumanía (47.1 N)
- Proceso de pasteurización, a 175ºC, en una industria láctea, ubicada en Grecia (37.93 N)
Los colectores solares para proporcionar calor a procesos industriales deben ser más sencillos que los que se emplean para producción de energía eléctrica, ya que se busca fundamentalmente abaratar costes. En el proyecto ASTEP se propone el colector solar SunDial, de instalación sencilla, y con unos requerimientos de operación y mantenimiento también limitados, lo que permite reducir costes. El SunDial es el resultado de 4 patentes españolas: ES2578804B2, ES1138715U, ES2537607B2 y ES2713799A1, y de 2 patentes internacionales: WO/2016/166388A1 and WO/2016/166390A1, que pertenecen a la UPM y a la UNED.
El SunDial es un colector Fresnel rotatorio que consiste en una plataforma horizontal, que rota alrededor de un eje vertical. Los espejos concentradores primarios se encuentran instalados sobre la plataforma rotatoria, tienen sección circular y son paralelos al receptor, paralelo a su vez al diámetro de la plataforma, tal y como se observa en la figura 2.
Figura 2. Concentrador Fresnel Rotatorio SunDial
Dentro del concepto de Fresnel rotatorio SunDial, podemos distinguir dos diseños diferentes:
En el primer diseño, el Sol se mantiene siempre en el plano de simetría del concentrador, para lo cual, el SunDial tiene un seguimiento azimutal diario; de esta manera, los espejos están fijos a la estructura. Este hecho, junto con la pequeña curvatura de los espejos permite un montaje sencillo que abarata costes, consiguiendo un dispositivo con una alta precisión de enfoque.
En el segundo diseño, los espejos no son fijos, sino que rotan alrededor de su eje longitudinal. De esta manera, el SunDial está dotado de un sistema de seguimiento en dos ejes: seguimiento azimutal mediante la plataforma rotatoria y seguimiento en elevación mediante el ángulo de inclinación de los espejos que rotan siguiendo la altura solar. Este sistema de seguimiento adicional introduce un mayor coste que la anterior, pero conduce a un alto rendimiento óptico que permite utilizar el SunDial en latitudes en las tecnologías Fresnel convencionales tendrían un rendimiento muy limitado.
Acknowledgements
The ASTEP project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 884411. Disclosure: The present publication reflects only the author’s views and the EU are not liable for any use that may be made of the information contained therein.
Referencias
[1] Horizon H2029 ASTEP Project: https://cordis.europa.eu/project/id/884411
[2] https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/64709.pdf
[4] http://task49.iea-shc.org/data/sites/1/publications/Task%2049%20Deliverable%20A1.3_20160504.pdf
Contacto
María José Montes, Investigadora principal grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – mjmontes@ind.uned.es
Antonio Rovira, Catedrático. Coordinador ASTEP – rovira@ind.uned.es
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
Desarrollo de una nueva metodología para detectar deformaciones inducidas por gravedad 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 que debido a su gran peso y tamaño (~ 100 m2), su estructura está sujeta a posibles deformaciones por efecto de la gravedad. Estas deformaciones influyen negativamente en la eficiencia óptica del concentrador, por lo que su conocimiento y estudio resulta de gran interés para poder minimizar sus efectos adversos. En la Unidad de Procesos de Alta Temperatura (UPAT) del Instituto IMDEA Energía han desarrollado una nueva metodología que permite detectar este tipo de deformaciones. Tradicionalmente, el efecto de cargas estáticas, como la gravedad, en la estructura de los heliostatos, se estudia mediante modelos basados en el análisis de elementos finitos. Esta nueva metodología, por el contrario, se basa en el análisis de los mapas de flujo producidos por la radiación reflejada por el heliostato al impactar sobre un blanco.
La metodología desarrollada por la UPAT se basa en adquirir varios mapas de flujo a distintas horas del día, es decir, para diferentes posiciones y por lo tanto para diferentes repartos de la carga gravitatoria sobre la estructura del heliostato, y después compararlos con sus correspondientes mapas de flujo numéricos. Para simular éstos últimos debe conocerse la forma exacta de la superficie del heliostato para una posición en concreto, por lo que previamente debe haberse empleado alguna técnica de caracterización óptica como, por ejemplo, la deflectometria. La comparación entre los mapas de flujo numérico y experimental se lleva a cabo mediante el coeficiente de correlación de Pearson. En el caso de que la estructura del heliostato sea lo suficientemente rígida, las deformaciones serán despreciables, por lo que la correlación entre los mapas de flujo numérico y experimental no dependerá de la hora del día. Por el contrario, si las deformaciones son notables, la correlación entre ambos mapas será máxima para el mapa de flujo experimental adquirido en la posición más próxima a aquella en la que se caracterizó la superficie del heliostato.
Figura 1: (a) Campo de heliostatos ubicado en instituto IMDEA Energía. (b) Superposición de los mapas de flujo numérico y experimental de un heliostato de la instalación para su posterior comparación.
Esta novedosa metodología, a pesar de no ofrecer información sobre el tipo de deformaciones inducidas en la estructura, permite determinar fácilmente la existencia o no de éstas. Además, proporciona información de manera directa sobre el impacto de las mismas en la eficiencia óptica del concentrador, permitiendo predecir si existirán, por ejemplo, pérdidas por desbordamiento. Esta metodología ha sido aplicada en el campo solar ubicado en el instituto IMDEA Energía, concluyendo que sus heliostatos no adolecen de deformaciones apreciables, posiblemente debido a su pequeño tamaño, de tan solo 3 m2.
Referencias
Martínez-Hernández, A., Gonzalo, I. B., Romero, M. & González-Aguilar, J. (2020) Determination of Gravity-Induced Deformations of Heliostat Structures through Flux Maps Analyses. In Proceedings ISES Solar World Congress 2019, under review.
Contacto
José González Aguilar, Responsable del grupo IMDEAE-UPAT en ACES2030-CM - jose.gonzalez@imdea.org
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
¿Viene la vida del espacio? Fotoquímica en el medio interestelar
Autor: Gonzalo Santoro, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)
El medio interestelar es un lugar frío, inhóspito y eminentemente vacío. Parece difícil imaginar, por tanto, que estas regiones del espacio presenten una química rica y compleja. Sin embargo, es posible que en las denominadas nubes moleculares densas se hayan formado moléculas esenciales para la vida tales como los aminoácidos. De hecho, el aminoácido más simple, la glicina, se detectó por primera vez en el medio interestelar hace casi veinte años [1], aunque sigue siendo el único que se ha detectado en el espacio.
El medio interestelar está constituido por la materia – fundamentalmente hidrógeno y helio – y la radiación que existe entre las estrellas. Es éste un medio extremadamente diluido con densidades medias de 1 partícula por cm3, llegándose en determinadas regiones a presiones de tan sólo 10-4 partículas por cm3. De entre los distintos entornos del medio interestelar, las nubes moleculares densas – masas de gas y polvo a temperaturas de entre 10 K y 20 K – son las regiones de mayor densidad con un número de moléculas por cm3 de entre 102 y 106, un número que continúa siendo minúsculo si lo comparamos con la densidad de moléculas de la atmósfera terrestre, que es de 1019 moléculas por cm3.
En estas condiciones, las moléculas en fase gas condensan sobre la superficie del polvo disperso en las nubes moleculares, de manera que los granos de polvo se encuentran recubiertos de hielo. Así, los granos de polvo interestelar actúan como puntos de nucleación del hielo interestelar de manera que localmente se alcanza una concentración de moléculas suficiente como para que interaccionen.
Estos hielos están compuestos mayoritariamente por agua, dióxido y monóxido de carbono y metanol, junto con metano, amoníaco, formaldehído y ácido fórmico en menores cantidades. Todas estas moléculas, se formaron directamente en fase gas en las etapas más tardías de la vida de las estrellas y fueron expulsadas al medio interestelar junto con el polvo cósmico, que también se formó principalmente en estrellas moribundas, y que se compone en su mayor parte de carbono hidrogenado, carburo de silicio y silicatos.
No obstante, a pesar de que localmente la concentración de moléculas en los hielos interestelares es muy superior a la que presenta la materia gaseosa de las nubes moleculares, la energía térmica no es suficiente para promover reacciones químicas y es aquí donde la fotoquímica entra en juego.
Como se ha comentado previamente, el medio interestelar no es sólo materia sino también radiación y las nubes moleculares están sometidas a una intensa radiación cósmica (rayos gamma) y a radiación ultravioleta. Estas radiaciones son lo suficientemente energéticas como para iniciar y sostener reacciones químicas en los hielos de las nubes moleculares densas.
Hace casi dos décadas – y sólo un año antes de que la glicina se detectara en el espacio – se demostró en el laboratorio la síntesis de aminoácidos a partir de la irradiación ultravioleta de mezclas de hielos análogas a las del medio interestelar [2]. De hecho, esos experimentos observaron no sólo la síntesis de glicina, sino también de aminoácidos más complejos como la serina o el ácido aspártico. Más recientemente, se ha observado en el laboratorio que la fotoquímica de hielos análogos a los del medio interestelar puede dar lugar a la síntesis de azúcares, incluida la ribosa, una de las unidades moleculares del ARN [3]. Así, la simulación en el laboratorio de las condiciones y procesos del medio interestelar constituye una herramienta fundamental para la astroquímica y, además, ayuda enormemente a los astrónomos a centrar sus observaciones del espacio.
Los pilares de la creación (izquierda) es una de las fotografías más icónicas del telescopio espacial Hubble. Estas masas de gas y polvo (nubes moleculares) se encuentran en la nebulosa del Águila a unos 6500 años luz de la Tierra. Para simular estos entornos espaciales, en el grupo ESISNA, hemos diseñado y construido una máquina de ultra alto vacío (derecha) que nos permite investigar mecanismos plausibles para la formación de moléculas biológicas en el espacio.
En el grupo ESISNA del ICMM, dentro del proyecto europeo Nanocosmos, hemos diseñado y construido una máquina para estudiar en el laboratorio la formación de polvo cósmico en estrellas evolucionadas, es decir, en las últimas etapas de su vida, así como los procesos que experimenta el polvo cósmico en el espacio [4, 5]. Esta máquina – denominada Stardust por razones obvias – tiene un módulo específico para simular la formación y el procesado de hielos de interés astrofísico, permitiendo investigar, entre otras cosas, la fotoquímica de hielos en las condiciones que se dan en las nubes moleculares densas.
Con este módulo estamos investigando actualmente la incorporación de oxígeno y nitrógeno a hidrocarburos alifáticos – empezando por los más sencillos, es decir, los alcanos – mediante irradiación ultravioleta en mezclas de hielos análogas a las que podrían encontrarse en las nubes moleculares. Muy recientemente, la misión Rosetta ha confirmado la presencia de hidrocarburos alifáticos en cometas, incluyendo alcanos lineales hasta el heptano [6, 7]. La composición molecular de lo volátiles en los cometas es extremadamente similar a la de las nubes moleculares y, por tanto, a pesar de que aún no se hayan detectado alcanos en el medio interestelar, es muy probable que existan. De hecho, simulando en nuestro laboratorio la formación de polvo cósmico en estrellas evolucionadas ricas en carbono, que son las que sintetizan hidrocarburos, hemos demostrado que estas estrellas generan predominantemente material alifático [4], que posteriormente es expulsado al medio interestelar y se dispersa por el espacio. Por desgracia, la detección de alcanos en el medio interestelar no es trivial, ni mucho menos; en el caso de los cometas ha habido que esperar hasta que una misión espacial, la misión Rosetta, orbitara un cometa y una de sus sondas se posase sobre su superficie.
Los procesos que estamos investigando actualmente en nuestro laboratorio permiten explorar la síntesis de aminoácidos alifáticos a partir de hielos de alcanos y validar mecanismos plausibles para la formación en el espacio de moléculas biológicas prebióticas, contribuyendo de esta forma a aumentar nuestro conocimiento sobre cómo pudo empezar la vida en la Tierra. Quizá no seamos sólo polvo de estrellas sino también hielo interestelar.
Referencias
[1] Kuan, Charnley, Huang et al. Interstellar Glycine, The Astrophysical Journal 593, 848 (2003).
[2] Muñoz-Caro, Meierhenrich, Schutte et al. Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogues, Nature 416, 403 (2002).
[3] Meinert, Myrgorodska, Marcellus et al. Ribose and related sugars from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogs, Science 352, 208 (2016).
[4] Martínez, Santoro, Merino et al. Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes, Nature Astronomy 4, 97 (2020).
[5] Santoro, Martínez, Lauwaet et al. The chemistry of cosmic dust analogues from C, C2, and C2H2 in C-rich circumstellar envelopes, The Astrophysical Journal (accepted) arXiv:2005.02902.
[6] Schuhmann, Altwegg, Balsiger et al. Aliphatic and aromatic hydrocarbons in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko seen by ROSINA, Astronomy & Astrophysics 630, A31 (2019).
[7] Raponi, Ciarniello, Capaccioni et al. Infrared detection of aliphatic organics on a cometary nucleus, Nature Astronomy 4, 500 (2020).
Contacto
Gonzalo Santoro, Investigador del Grupo ESISNA del Programa FotoArt-CM, gonzalo.santoro@icmm.csic.es
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.
Producción de H2 mediante ciclos termoquímicos basados en perovskitas empleando energía solar de concentración
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.
La volatilidad en los precios de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), el agotamiento de las reservas y la emisión de gases contaminantes que contribuyen al calentamiento global de la atmósfera son tres de las mayores preocupaciones a nivel mundial. Por este motivo resulta necesario buscar fuentes de energía alternativas que sean limpias y no contaminantes, las conocidas como energías renovables como las energías eólica, solar, hidráulica, geotérmica. Pero también es necesario buscar combustibles alternativos.
Es en este punto donde aparece el interés de utilizar el hidrógeno como vector energético capaz de producir energía de manera limpia y sostenible (1). No obstante, el hidrógeno no se encuentra como materia prima libre en la Tierra, sino que es necesaria su obtención a partir de otros compuestos que lo contienen en su composición, como agua, gas natural e incluso otros hidrocarburos ligeros. Pero siempre teniendo en cuenta que, para que el hidrógeno sea realmente un combustible alternativo, su producción debe ser sostenible.
Actualmente hay muchos grupos de investigación trabajando en la búsqueda de metodologías alternativas para la producción de hidrógeno, siendo uno de los métodos más destacados su producción a partir de agua como materia prima y usando la radiación solar como fuente de energía. Utilizando estos recursos, son tres los métodos con mayor desarrollo para la obtención de hidrógeno descomponiendo la molécula de agua: procesos fotoquímicos (usan los fotones de la luz), electroquímicos (usan energía eléctrica) y termoquímicos (usan energía térmica) (2).
Para llevar a cabo la descomposición térmica del agua en sus componentes hidrógeno y oxígeno con conversiones significativas, son necesarias temperaturas superiores a 2500ºC. Además, se necesitan técnicas que eviten la recombinación del hidrógeno y el oxígeno a las elevadas temperaturas de operación (3). Sin embargo, mediante los ciclos termoquímicos también se puede conseguir la descomposición del agua en sus componentes, y trabajando a menores temperaturas. En la figura 1 se muestra el esquema de un ciclo termoquímico basado en óxidos metálicos (MOn). En la primera etapa del ciclo, el óxido es calentado con la energía solar de concentración produciéndose su reducción térmica acompañada de la producción de oxígeno. En la segunda etapa del ciclo, el óxido reducido (MOn-δ) reacciona con agua, produciendo hidrógeno y regenerando el óxido inicial. De esta manera, el hidrógeno y el oxígeno se obtienen en dos corrientes separadas, evitando su recombinación.
Figura 1. Esquema global de un ciclo termoquímico basado en óxidos metálicos MOn/MOn-δ.
El Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos trabaja en la búsqueda y desarrollo de óxidos metálicos que puedan ser empleados en estos ciclos termoquímicos, en el marco de proyectos de investigación financiados por la Comunidad de Madrid como SOLGEMAC, ALCCONES y ACES2030. Entre los materiales más estudiados, destaca el óxido de cerio puro y modificado con otros metales (4), sin embargo, su alta temperatura de operación (1300-1500ºC) promueve la búsqueda de alternativas, entre las que destacan las perovskitas. Las perovskitas, son unos materiales que reciben su nombre en honor al mineralogista Lew A. Perowski que los descubrió en 1839 como un mineral de composición CaTiO3 (5). La estequiometría general de las perovskitas es ABO3, siendo “A” un metal alcalinotérreo o lantánido y “B” un metal de transición, ambos cationes de tamaños diferentes (6), siendo cúbica la estructura más común como se puede observar en la figura 2.
Figura 2. Estructura de una perovskita tipo cúbica ABO3.
A continuación se indica el comportamiento que presenta este tipo de material en las reacciones que se producen en ciclos termoquímicos redox:
ABO3 ➟ ABO3-δ + δ/2 O2 (Ec. 1)
ABO3-δ + δ H2O ➟ ABO3 + δ H2 (Ec. 2)
Donde “δ” es el grado de reducción que se produce. En la primera etapa, la perovskita se reduce térmicamente de forma que libera parte de los átomos de oxígeno de su estructura, formando de este modo vacantes de oxígeno en la misma. En la segunda etapa, la especie oxidante (H2O) se disocia formando los compuestos que se desean con este tipo de proceso, H2, y logrando así la reoxidación de la perovskita a su estado inicial.
No obstante, también existen estructuras de perovskitas complejas, en las que los cationes A y B pueden ser parcialmente sustituidos por otros distintos (A1-xA’xB1-xB’xO3) permitiendo realizar numerosas combinaciones en busca de mejorar las propiedades redox y conseguir que la temperatura requerida para el proceso termoquímico sea la menor posible (7).
Es en este punto donde se centran las últimas investigaciones del grupo, que, además de demostrar con estudios realizados con perovskitas comerciales de tipo La1-xSrxMeO3 (Me = Mn, Co y Fe) su aplicación en la producción de hidrógeno en ciclos termoquímicos (8), se están sintetizando diferentes formulaciones de perovskitas empleando métodos de síntesis que resulten óptimos y eficientes. Entre los métodos de síntesis usados destacan el método Pechini, basado en una síntesis del tipo sol-gel, y la síntesis por mezcla física de alta intensidad. Tras las síntesis de las perovskitas, éstas son caracterizadas mediante diferentes técnicas y probadas en reacción en una instalación experimental como la que se muestra esquemáticamente en la figura 3, que permite alcanzar la temperatura de reacción y registrar de forma continua la producción de hidrógeno y oxígeno.
Figura 3. Esquema de la instalación experimental de reacción con horno tubular de alta temperatura: a) configuración de la etapa de reducción, y b) configuración de la etapa de hidrólisis (8).
Por todo ello, puede decirse que las perovskitas se presentan como unos materiales con gran interés y proyección en la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos que usan energía solar, debido a su gran variedad de composiciones y de métodos de síntesis. Por otra parte, además de su aplicación en estos procesos, las perovskitas se presentan como materiales potencialmente sustitutos del silicio en la producción de las células fotovoltaicas para placas solares por lo que nos encontramos ante una familia de materiales con un gran abanico de oportunidades y posibilidades de cara al futuro de las energías renovables.
Bibliografía:
1 Roeb M., Monnerie N., Houaijia A., Thomey D., Sattler C. Solar thermal water splitting. Renew Hydrogen Tech., 2013;4,20-23.
2 Rao C.N.R. and Dey S. Solar thermochemical splitting of water to generate hydrogen. Proc Natl Acad Sci USA, 2017;114;51;1339.
3 Orfila M., Linares M., Molina R., Botas J.A., Sanz R., Marugán J. Estudio de diferentes óxidos no estequiométricos para la producción de hidrógeno. XVI Congreso Ibérico y XII Congreso Iberoamericano de Energía Solar. Madrid, junio 2018. España.
4 Orfila, M., Sanz, M., Linares, M., Molina, R., Sanz, R., Marugán, J., Botas, J.A. H2 production by thermochemical water splitting with reticulated porous structures of Ceria-based mixed oxide materials. Int. J. Hydrogen Energ., 2020; in press.
5 Steinfeld A. Solar thermochemical production of hydrogen a review. Solid State Energ, 2005;78:603-15.
6 Tanaka, H., M. Advances in Designing Perovskite Catalysts. Solid State Mater., 2001;5:80-81.
7 Charvin P., Abanades S., Lemort F., Gilles F. Analysis of solar chemicals processes for hydrogen production from water splitting thermochemical cycles. Energ Convers Manage., 2009;49:1547-56.
8 Orfila M., Linares M., Molina, Botas J.A., Sanz R., Marugán J. Perovskite materials for hydrogen production by thermochemical water splitting. Int. J. Hydrogen Energ., 2016;41:19329-38.
Contacto:
Juan Ángel Botas, Investigador del Grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM, juanangel.botas@urjc.es
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
