Energía y Sostenibilidad

Manipulación controlada del efecto Kondo en moléculas individuales

Autor: José Ignacio Martínez

El diseño de sistemas moleculares en superficies es crucial para la comprensión fundamental del transporte electrónico. El desarrollo de la electrónica molecular, los dispositivos espintrónicos y la computación cuántica sólo evolucionará hasta sus cotas más elevadas mediante un control preciso del espín electrónico y su interacción con el entorno. El efecto Kondo es un fenómeno que ha atraído mucha atención recientemente debido a su alto potencial en aplicaciones espintrónicas de una sola molécula. La fenomenología Kondo resulta de la interacción entre el espín de impurezas magnéticas y electrones de conducción, lo que se manifiesta en un cambio de conductividad eléctrica por debajo de cierta temperatura. Este fenómeno ha sido ampliamente investigado en superficies, particularmente en moléculas macrocíclicas sobre metales; sin embargo, el magnetismo de los complejos de coordinación que involucran lantánidos aún permanece en gran medida inexplorado.

Investigadores del Grupo “Nanoarchitectonics on Surfaces” del instituto IMDEA Nanociencia dirigido por el Dr. David Écija, en colaboración con el Dr. José Ignacio Martínez del Grupo ESISNA instituto ICMM del CSIC, ambos en Madrid, han publicado recientemente su trabajo sobre especies de lantánidos-porfirinas en la revista Nanoscale de RSC (Nanoscale, 2021, 13, 8600-8606). En su publicación, los investigadores prepararon porfirinas de disprosio (Dy) sobre una superficie de oro y estudiaron el efecto Kondo emergente. Las porfirinas son compuestos orgánicos macrocíclicos con interés como pigmentos, catalizadores y en electrónica molecular. Los investigadores pudieron “apagar” la resonancia de Kondo simplemente eliminando un átomo de hidrógeno del macrociclo a través de pulsos de voltaje inducidos por una punta con precisión submolecular.

El trabajo dirigido por el Dr. Écija combina el diseño en superficie de nanomateriales 2D reticulares basados en porfirinas, química de coordinación de lantánidos, microscopía de efecto túnel de barrido (STM) a baja temperatura y espectroscopía, con cálculos teóricos de simulación computacional basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT). Las especies premetalizadas que presentan esta resonancia Kondo se pueden manipular lateralmente para ensamblar redes Kondo artificiales. Los resultados de esta investigación, financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), manifiesta el gran potencial de la química de coordinación inducida por puntas para la espintrónica que aprovecha las propiedades magnéticas inherentes de los elementos con electrones f.

Imágenes STM de la síntesis en superficie de porfirinas de disprosio y derivados mediante la deposición secuencial de moléculas 2H-4FTPP y disprosio sobre la superficie Au(111).

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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.

La importancia de la entropía para el almacenamiento termoquímico de calor en perovskitas

Autor: Juan M. Coronado

Las perovskitas son compuestos que responden a la formula general ABX₃ y presentan una estructura cristalina característica. Actualmente son uno de los tipos de materiales que están atrayendo un mayor interés en la en campo de la energía solar. En concreto las perovskitas híbridas organo-inorgánicos, como por ejemplo (CH₃NH₃⁺)PbI₃, están generando una auténticarevolución en el campo de las celdas fotovoltaicas, debido a su elevada eficiencia y a que su síntesis se lleva a cabo a baja temperatura. Mucho menos conocida es la investigación de óxidos redox, también con estructura perovskita, ABO_3, pero cuya composición es puramente inorgánica, para su utilización como medio de almacenamiento termoquímico de calor solar. Sin embargo, estos materiales están cobrando una importancia creciente en el ámbito de la energía termosolar de concentración (abreviada como CSP).

El almacenamiento térmico a alta temperatura permite seguir generando electricidad después de la puesta de sol en las plantas CSP. Recientemente, la perovskita CaMnO₃ se ha propuesto como un candidato prometedor para esta aplicación. Este proceso aprovecha que este material libera oxígeno de manera reversible y rápida en respuesta a los cambios en la presión parcial de oxígeno (pO₂) en el rango de temperatura de 800-1000 ° C. La energía puesta en juego en estas reacciones permite acumular o producir calor (según el sentido de la reacción) en unas condiciones de operación que se adaptan a las de una futura generación las plantas CSP. Sin embargo, el CaMnO₃ es inestable y se descompone en condiciones de presión reducida (pO₂<0.008 atm) y temperatura elevada (≥ 1100°C), limitando las posibilidades de su utilización. Como estrategia para modular el comportamiento termoquímico de esta perovskita, en un estudio reciente de Mastronardo y colaboradores [1] se investigó el efecto de la sustitución parcial (entre un 10 y un 30 %) de Ca por el elemento La. Los resultados obtenidos indican que las muestras que contienen La son más estables que el óxido inicial de CaMnO₃, y no se descomponen hasta al menos 1200°C en presión reducida de oxígeno. Por tanto, empleando los materiales modificados con La es posible ampliar significativamente el intervalo de temperaturas de operación. Experimentalmente se determinó que la capacidad de almacenamiento de calor de Ca_0.9La_0.1MnO₃ (~ 265 kJ / kg_ABO3)es comparable a la del CaMnO₃ sin modificar, que a su vez es mucho mayor que la deCa_0.7La_0.3MnO₃ (~ 97 kJ / kg_ABO3). Estas diferencias entre las densidades de calor acumulado se pueden entender considerando la modificación de las propiedades termodinámicas, fundamentalmente la entalpía y entropía de reducción, inducida por la incorporación de La. En la muestra con el 10 % de La, tanto la entalpía como la entropía de la reacción aumentaron, mientras que ambas variables termodinámicas disminuyeron para el material con un 30 % de La. Aunque la entropía no es un parámetro que se suela considerar a la hora de estimar la capacidad de almacenamiento termoquímico de un material, este estudio evidencia que es una propiedad esencial. Esto es debido a que la extensión de la reacción de liberación de O₂ depende directamente de esta variable termodinámica. En consecuencia, los óxidos con elevada entropía y una entalpía a de reducción moderada, son los más adecuados para las aplicaciones de almacenamiento de calor termoquímico, ya que permiten alcanzar un compromiso entre el calor puesto en juego por mol de O₂ liberado y la extensión de reacción.

Gráfico reproducido de https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102793

Referencias

[1] E. Mastronardo, X. Qian, J. M. Coronado, S. M. Haile, Impact of La doping on the thermochemical heat storage properties of CaMnO_3-δ, Journal of Energy Storage, 40 (2021) 102793; https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102793.

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Juan M. Coronado, Investigador del grupo CSIC-ECI del programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

Receptores solares de CO2 supercrítico para una nueva generación de plantas termosolares más eficientes y competitivas

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

Resumen: De acuerdo con IRENA [1], el coste nivelado de la energía (LCOE) en las plantas termosolares (STPPs) se ha reducido de 0.346 $ / kWh_e a 0.182 $/ kWh_e. Aunque es una reducción importante, este coste está todavía lejos del objetivo de 0.06 $ /kWh_e que establece el programa SunShot, promovido por el Departamento de Energía (DOE) de EEUU [2]. Aumentar el rendimiento térmico de las centrales termosolares es una forma prometedora de hacer más competitivas este tipo de centrales. En esta línea, el uso de CO₂ supercrítico (sCO₂) es un elemento clave. Aunque existen diferentes formas de integrar el sCO₂ en una central termosolar (en el ciclo de potencia, o como fluido de trabajo en el almacenamiento térmico o el receptor), este artículo se ha centrado en una revisión de distintos prototipos de receptores solares usando sCO₂.

Abstract: According to IRENA [1], the levelized Cost of Energy (LCOE) in Solar Thermal Power Plants (STPPs) has reduced from $ 0.346 / kWh_e to $ 0.182 / kWh_e. Although it is an important reduction, this LCOE is still far away from the goal of $ 0.06 / kWh_e established by the SunShot Initiative of the US Department of Energy (DOE) [2]. Increasing the global thermal performance of the STPPs is a promising approach to make CSP competitive. In this line, the use of sCO₂ is a key element. Although there are different ways to integrate the sCO₂ in a STPP (supercritical power cycles or sCO₂ as working fluid in the thermal storage or the receiver), this work has focused on a review of the solar receiver prototypes employing sCO₂.

La investigación sobre receptores solares de torre empleando sCO₂ es relativamente reciente, con un interés creciente en los últimos años. Como trabajo previo interesante, cabe citar la revisión sobre diferentes estructuras de intercambiadores de calor compactos (Compact Heat Exchangers, CHEs), que podrían aplicarse a receptores solares presurizados [3].

Aunque no es lo habitual, uno de los primeros diseños de receptor supercrítico se basaba en el concepto de receptor externo tubular [4]. En este caso, aunque el diseño estaba inicialmente pensado para aire presurizado (5-7 bar y 800 ºC), también se estudió la posibilidad de adaptarlo a sCO₂ trabajando a
200 bar y 700 ºC. Sin embargo, en este estudio no se profundizó excesivamente sobre el grosor de tubo necesario para aguantar las altas presiones, ni las prestaciones térmicas de este tipo de receptores, que no son muy elevadas para un receptor externo trabajando a una temperatura tan alta.

Posteriormente, y ya dentro de la línea de usar estructuras compactas, se encuentra el diseño de receptor solar de cavidad de 3 MW_th presentado en [5]. En este caso, las estructuras compactas utilizan aletas rectas rectangulares; al unir entre sí varias placas con aletas, se forman canales de sección cuadrangular, por los que circularía el fluido supercrítico a elevada presión, en este caso, sCO₂.

Otra solución interesante es la configuración propuesta en [6]. En este diseño, existe un fluido intermedio, que es aire presurizado, sobre el que incide la radiación solar concentrada directamente, ya que circula por una estructura porosa, provista de un cristal de cuarzo en su apertura, como los receptores volumétricos presurizados. La diferencia con este tipo de receptores radica en que, en este caso, el aire es un fluido de transferencia de calor intermedio, que cede el calor al sCO₂ que circula por unos conductos embebidos en la propia estructura porosa.

Por último, cabe citar un trabajo muy interesante y relativamente reciente [7], llevado a cabo por el NREL (National Renewable Energy Laboratory). En este trabajo se presentan dos conceptos diferentes de receptor central de sCO₂. El primer de ellos consiste en un receptor de cavidad para un ciclo de potencia de 2 MW_e; el segundo sería un receptor externo para una planta de 10 MW_e. En ambos casos, el sCO₂ circula por una estructura compacta que consiste en dos placas unidas con una estructura aleteada ondulada entra ambas placas. Estas placas actúan como paneles absorbedores de la radiación solar. La principal diferencia entre uno y otro diseño reside en cómo se disponen dichos paneles para formar un receptor de cavidad, en el primer caso, y un receptor cilíndrico externo, en el segundo caso. Las pérdidas por radiación serían muy altas en este último caso, por lo que se ha diseño una trampa de radiación, que consiste básicamente en pequeños cilindros transparentes adosados perpendicularmente a la superficie exterior. Esta configuración reduce las pérdidas por radiación y convección, lo que permite que el rendimiento térmico del receptor sea alto (alrededor del 80%), aunque las temperaturas de trabajo sean también elevadas (750 ºC aproximadamente). Para ambos diseños, el trabajo concluye que se puede alcanzar el objetivo de 0.06 $ /kWh_e que establece el programa SunShot.

Dentro del programa ACES2030-CM, se está trabajando en el desarrollo de un diseño de receptor supercrítico para sCO₂, que permita trabajar a elevadas presiones (del orden de 200 bar) y que presente unas adecuadas prestaciones térmicas, con una buena trasferencia de calor a la fase supercrítica, y unas pérdidas por convección y radiación moderadas, a pesar de las elevadas temperaturas de operación (en el rango de 700 ºC).

Referencias

[1] IRENA, Renewable power generation costs in 2019, Tech. Rep., International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2020, p. 144.

[2] US Department of Energy, SunShot Vision Study. Chap. 5. Feb. 2012, p. 115.

[3] Li, Q., Flamant, G., Yuan, X., Neveu, P., Luo, L., 2011. Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 4855–4875. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.066

[4] Ho, C.K., Iverson, B.D., 2014. Review of high-temperature central receiver designs for concentrating solar power. Renewable and Sustainable Energy Reviews 29, 835–846. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.099

[5] Besarati, S.M., Yogi Goswami, D., Stefanakos, E.K., 2015. Development of a Solar Receiver Based on Compact Heat Exchanger Technology for Supercritical Carbon Dioxide Power Cycles. Journal of Solar Energy Engineering 137, 031018. https://doi.org/10.1115/1.4029861

[6] Teng, L., Xuan, Y., 2019. A Novel Solar Receiver for Supercritical CO2 Brayton Cycle. Energy Procedia 158, 339–344. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.099

[7] Sullivan, S.D., Kesseli, J., Nash, J., Farias, J., Kesseli, D., Caruso, W., 2016. High-Efficiency Low-Cost Solar Receiver for Use Ina a Supercritical CO2 Recompression Cycle (No. DOE-BRAYTON–0005799, 1333813). https://doi.org/10.2172/1333813

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

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

Calentamiento de áridos de la industria asfáltica en un concentrador solar CPC

Autores: M. J. Simón-Castellano, A. López Quiroz, S. Taramona, J. Gómez-Hernández

El uso de tecnologías renovables para la generación de energía eléctrica cuenta ya con un amplio campo de desarrollo e implementación. En la industria la incorporación de estas tecnologías ha sido utilizada también principalmente para la producción de electricidad destinada al autoconsumo. Como es el caso, por ejemplo, de la planta de producción de Seat en Martorell donde se han instalado 53.000 placas solares para la producción de electricidad.

Sin embargo, algunos de los procesos industriales que son generadores directos de emisiones de gases contaminantes, no se han visto afectados por este gran desarrollo. La sustitución de quemadores, principales consumidores de combustibles fósiles, por tecnologías sostenibles con el medioambiente, disminuiría notablemente la cantidad de emisiones liberadas a la atmósfera. Esto contribuiría a cumplir con los objetivos de sostenibilidad establecidos a nivel mundial.

Una de las industrias con alto consumo de combustibles fósiles y altas emisiones de gases contaminantes es la industria asfáltica. El asfalto se compone de áridos, piedras de pequeño tamaño, arena de relleno y betún, un compuesto proveniente del petróleo. Estas fracciones son calentadas hasta altas temperaturas para, una vez mezclado, asegurar su fluidez y hacer posible su utilización. En las plantas de producción de asfalto, las partículas son calentadas a través de hornos rotatorios. Se estima que la energía utilizada para la construcción de las carreteras es equivalente a la consumida por el tráfico que va a circular por ellos entre el primer y segundo año de utilización. Por otro lado, las emisiones de CO₂ generadas variarán típicamente entre 124,22 – 372,671 t/Km.

Los autores de esta comunicación han realizado una campaña experimental estudiando el calentamiento de los áridos utilizados en plantas asfálticas a bajas concentraciones. Para ello, se ha diseñado y construido un concentrador solar de parábola compuesta (Compound Parabolic Concentrator en inglés). Este concentrador solar consta de una estructura base de perfiles de aluminio, cuatro costillas de metacrilato incoloro para sustentar y dar forma a las parábolas laterales y, por último, las hojas reflectantes de las parábolas. Estas han sido construidas a través de chapas de aluminio sobre las que se han adherido unas chapas de aluminio pulido efecto espejo de alta reflectividad.

Figura 1. Concentrador solar CPC

En la Figura 2 se muestra la irradiancia medida por el radiómetro en el transcurso de un experimento. Al tratarse de un dispositivo de seguimiento solar, el flujo de concentración sobre la superficie del receptor varía en función del tiempo.

Figura 2. Flujo de calor sobre el receptor solar (17 mayo 2021)

El receptor solar se instala entre ambas hojas reflectantes del concentrador. Este receptor aloja una capa de arena de 7,5 cm de espesor con termopares para medir su calentamiento. La Figura 3 se observa el proceso de calentamiento para cada termopar. La temperatura máxima alcanzada es de 76 ºC en el minuto 40 por el termopar TC1 situado en la superficie del centro de la capa de arena.

Figura 3. Evolución de las temperaturas en la capa de arena del receptor solar (17 mayo 2021)

Estos resultados preliminares han permitido analizar el comportamiento del proceso de calentamiento de arena a bajas concentraciones solares. Esto nos permite estudiar la evolución de las propiedades del lecho poroso, implementando nuevos diseños que mejoren el proceso de transferencia de calor desde la superficie hacia el interior del lecho. Futuros trabajos plantearán nuevos diseños de receptores solares a mayores concentraciones solares para estudiar su integración con procesos industriales a escala comercial.

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Jesús Gómez Hernández, Investigador del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

Baterías flexibles para su integración en componentes del interior del automóvil como techos, maleteros y suelos

Autores: Rebeca Marcilla (IMDEA Energía) y Juan José Vilatela (IMDEA Materiales)

Grupo Antolin, proveedor global de soluciones tecnológicas para el interior del automóvil, colabora con los Institutos IMDEA Materiales e IMDEA Energía en la investigación de baterías de litio flexibles que se puedan integrar fácilmente en los componentes del interior de los vehículos. El objetivo es trabajar en el desarrollo de baterías de litio que sean flexibles, seguras y ligeras.

Con esta investigación, Grupo Antolin quiere hacer más rentable, eficiente y accesible la movilidad eléctrica y, de esta forma, impulsar la sostenibilidad de la industria automovilística. Para ello, la compañía está colaborando con dos grupos de investigación punteros en el desarrollo de nanomateriales de carbono (IMDEA Materiales) y de baterías innovadoras (IMDEA Energía). Este equipo ha trabajado de manera coordinada durante los últimos años en la investigación de materiales innovadores y la fabricación de componentes, así como en el ensamblado de baterías delgadas y su caracterización electroquímica.

Como resultado de esta investigación, se han obtenido baterías delgadas de gran superficie con buenas propiedades de almacenamiento de energía, alta seguridad y excelentes propiedades mecánicas. Estas propiedades mecánicas permiten que la batería se adapte a las formas que presentan los diferentes componentes del interior del automóvil, como techos, maleteros o suelos.

La principal innovación viene de la mano de los materiales ya que, a diferencia de las baterías de litio convencionales, en las baterías flexibles se sustituye el electrolito líquido por uno sólido lo que elimina el riesgo de fugas y mejora la seguridad. Además, los colectores de corriente metálicos se sustituyen por electrodos formados por fibras de nanotubos de carbono que son mucho más delgados, flexibles y baratos. Gracias a estas innovaciones, se ha conseguido un ahorro de peso significativo con el consiguiente aumento de densidad de energía y de potencia.  

Hasta el momento, se han alcanzado resultados prometedores obteniendo electrodos con propiedades mecánicas superiores a los de las baterías de litio-ión comerciales, así como prototipos de baterías flexibles que ofrecen la posibilidad de adaptarse a formas complejas y a las condiciones de los procesos de transformación habituales en el sector.

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Rebeca Marcilla, IMDEA Energía rebeca.marcilla@imdea.org

Juan José Vilatela, IMDEA Materiales juanjose.vilatela@imdea.org

El proyecto pionero en Europa eGHOST desarrollará las directrices de referencia para el ecodiseño de tecnologías de hidrógeno.

El consorcio internacional, liderado por el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA) Energía, definirá los principios de ecodiseño y mejorará la comprensión de los sistemas de hidrógeno como inversión sostenible y rentable.

La Comisión Europea considera el hidrógeno verde fundamental para cumplir su compromiso de obtener una economía neutra en carbono y circular para el año 2050. Para lograrlo, Europa quiere acelerar el uso de tecnologías basadas en hidrógeno que le permitan descarbonizar sectores económicos y almacenar energía que cubra la demanda cuando no haya generación de renovables. Asimismo, España también ha propuesto recientemente una hoja de ruta alineada con la estrategia europea y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la Naciones Unidades, para contribuir a liderar el impulso del hidrógeno como modelo energético del futuro.

A tal efecto, aunque el hidrógeno verde es un vector energético producido a partir de fuentes de energía, resulta esencial asegurar su sostenibilidad estableciendo unas pautas de ecodiseño que tengan un impacto favorable desde el punto de vista económico, social y medioambiental, durante todo su ciclo de vida. Es decir, desde el diseño propiamente, hasta la producción, utilización y fin de vida de las tecnologías de hidrógeno. Así, el ecodiseño es una parte clave de la economía circular. 

En este contexto, el proyecto pionero eGHOST (Eco-design Guidelines for HydrOgen Systems and Technologies) definirá las directrices y criterios de ecodiseño de dos productos clave en las tecnologías de hidrógeno que afectan, por ejemplo, a la fabricación de coches que usan este tipo de combustible. Por un lado, los electrolizadores de óxido sólido (técnica para romper las moléculas de agua y extraer el hidrógeno), y por otro las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico, para la generación de energía a partir de hidrógeno. 

El proyecto eGHOST –cuya reunión de lanzamiento se celebró el 21 de enero de 2021– mejorará la comprensión de los sistemas de hidrógeno como una inversión sostenible, según la taxonomía de la UE, incorporando un enfoque de toma de decisiones de triple impacto que incluye los aspectos ambientales, sociales y económicos del ciclo de vida. Las conclusiones que se extraigan, se integrarán en el Libro Blanco de eGHOST, un documento de orientación y referencia para cualquier futuro proyecto de ecodiseño de tecnologías de hidrógeno.

El IMDEA Energía coordina el proyecto de tres años de duración, en el que participan socios internacionales de reconocido prestigio en los campos de la energía, las tecnologías del hidrógeno y el análisis de sistemas, como CEA (Comisionado para la Energía Atómica y Renovables de Francia), la Universidad de Liubliana (Eslovenia), la Fundación Hidrógeno Aragón (España), SYMBIO (Francia) y el Instituto de Energía Aplicada (Japón). 

eGHOST ha recibido casi un millón de euros de financiación de la Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno («The Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking»), bajo el contrato Nº 101007166. Esta Empresa Común recibe el apoyo del Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea Horizonte 2020 y de Hydrogen Europe y Hydrogen Europe Research.

Para más información: 

• Web oficial: https://eghost.eu/home/ 
• LinkedIn: https://www.linkedin.com/company/eghost-project/
• Twitter: https://twitter.com/eGHOSTProject

Más información sobre los socios :

• Instituto IMDEA Energía (España):  www.energy.imdea.org/
• CEA (Francia): https://www.cea.fr/
• Universidad de Liubliana (Eslovenia): https://www.uni-lj.si/university/
• FHa (España): https://hidrogenoaragon.org/en/
• SYMBIO (Francia): https://www.symbio.com/
• IAE(Japón): https://www.iae.or.jp/e/

Objetivos de Desarrollo sostenible asociados a eGHOST:

El dióxido de carbono como sustrato de metaloenzimas redox

Autor: Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC.

Recientemente se ha reportado un método electroquímico sencillo para demostrar que dos tipos de metaloenzimas redox utitilizan directamente el CO₂ como sustrato en lugar de su forma hidratada (bicarbonato).

Las metaloenzimas redox son proteínas que catalizan reacciones de oxidación/reducción y que contienen en su centro catalítico metales. Éstas son capaces de catalizar de forma específica reacciones de gran interés para aplicaciones energéticas con bajo sobrepotencial y en condiciones de reacción suaves, es decir a temperatura ambiente, presión atmosférica y en medio acuoso. Estas propiedades catalíticas son muy adecuadas para el diseño de procesos sostenibles de conversión energética y de acuerdo a los principios de la química verde, como son evitar el uso de disolventes orgánicos y de condiciones de reacción de alto consumo energético.  

Uno de los retos más importantes que tiene actualmente el campo de la química es el desarrollo de catalizadores eficientes y selectivos para la reducción del CO₂, ya que es bien sabido que los niveles atmosféricos de esta molécula gaseosa han subido de forma alarmantemente en las últimas décadas, lo cual probablemente está acelerando el cambio climático con sus devastadores efectos en el medio ambiente y la economía mundial.  Teniendo en cuenta que hay varios tipos de metaloenzimas que son capaces de catalizar de forma reversible la reducción de CO₂, es muy interesante su estudio para aplicación en electrolizadores o celdas fotoelectroquímicas para obtener compuestos de valor añadido, a la vez que se elimina el gas de efecto invernadero.

En concreto, las enzimas formiato deshidrogenasa y CO deshidrogenasa catalizan de forma reversible  y selectiva la reducción del dióxido de carbono a formiato y monóxido de carbono respectivamente. Dado que catalizan estas reacciones en medio acuoso, ha sido motivo de debate desde hace décadas si el sustrato de estas enzimas era propiamente la molécula de CO₂ disuelta en agua o su forma hidratada mayoritaria a pH neutro o ligeramente ácido, el bicarbonato (HCO₃^-). Por este motivo, en muchas ocasiones se añade la enzima anhidrasa carbónica al medio, ya que cataliza la conversión rápida del CO₂ a bicarbonato, para acelerar la reducción de CO₂. Sin embargo, en un artículo muy reciente publicado en la prestigiosa revista Angewandte Chemie se ha demostrado por un sencillo método electroquímico que el sustrato de ambas metaloenzimas es el CO₂. El método de Fourmond y colaboradores ha consistido en la adsorción de la metaloenzima a estudiar en la superficie de un electrodo de grafito y en realizar cronoamperometrías a un potencial de -0.66 V vs. NHE. A partir de las diferencias en las cinéticas de los incrementos en intensidad de corriente de reducción cuando se añade CO₂ o bicarbonato sódico, en presencia o en ausencia del enzima anhidrasa carbónica en el electrolito acuoso. Los resultados indican que para ambas enzimas el proceso de reducción es más rápido cuando se añade directamente CO₂ en lugar de bicarbonato sódico, independientemente de que haya anhidrasa carbónica en el medio o no. Por lo tanto, los autores han demostrado de forma sencilla que el sustrato que participa en el mecanismo catalítico de ambas metaloenzimas es la molécula de CO₂ y no sus formas hidratadas. Esta conclusión tiene gran importancia para el futuro desarrollo de catalizadores biomiméticos más selectivos para la valorización del dióxido de carbono.

Referencias

1. M. Yuan, M. J. Kummer, S. D. Minteer. Strategies for bioelectrochimical CO₂ reduction.

2. M. Meneghello, A. R. Oliveira, A. Jacq-Bailly, I. A. C. Pereira, C. Leger, V. Fourmond. Formate dehydrogenases reduce CO₂ rather than HCO₃^-: An electrochemical demonstration.

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Antonio López de Lacey, Investigador Responsable del Grupo FCF del Programa FotoArt-CM

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

Ensuciamiento en sistemas solares: Retos y oportunidades

Autor: Ricardo Conceição, IMDEA Energía

El ensuciamiento producido por la acumulación de materia sólida sobre la superficie de los dispositivos de captación de energía solar, como paneles fotovoltaicos o los espejos de sistemas de concentración solar, son el origen de la diminución de la eficiencia óptica y así del rendimiento de la producción de energía eléctrica. Durante las dos últimas décadas, el análisis del ensuciamiento en sistemas solares ha sido objeto de un interés creciente, principalmente a partir de 2015, y se prevé que será todavía mayor en el futuro. Esta circunstancia tiene como origen la significativa reducción de los costes de fabricación e instalación de las tecnologías solares (fundamentalmente la fotovoltaica) conducente a una mayor penetración de las tecnologías renovables de origen solar en el mercado eléctrico y la necesidad de reducir los costes de operación y mantenimiento de las plantas, así como optimizar su operación. Se ha estimado que el ensuciamiento puede ocasionar una caída de al menos 3%-4% de la producción eléctrica de origen solar, la cual supone una disminución de ingresos de 3-5 mil millones de euros (Ilse et al. 2019 Joule 3(10) 2303-2321).

Las actividades de investigación en el área del ensuciamiento en sistemas solares se dirigen a: (i) la caracterización del ensuciamiento in-situ; (ii) la modelización de formación así como de modelos predictivos; y (iii) desarrollar soluciones tecnológicas eficientes y de bajo coste para mitigar el ensuciamiento y/o limpiar los sistemas de captación. En este marco, se pueden enumerar los recientes avances en sistemas de limpieza activos, como el desarrollo de cortinas electrostáticas (Sayyah et al. 2017 J. Electrostatics, 87, 173–179) o de sistemas semi-automatizados de limpieza; técnicas de medida ultrarrápidos basados en el uso de cámaras y drones para cuantificar espacial y temporalmente el ensuciamiento y que complementará o sustituirán técnicas clásicas (como el uso de reflectómetros y trazadores de curvas I-V); los modelos predictivos que permiten optimizar la programación de actividades de limpieza así como de posición de los sistemas solares en períodos de reposo.

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José González Aguilar, Responsable del grupo IMDEAE-UPAT en ACES2030-CM – jose.gonzalez@imdea.org

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez, IMDEA Energía

EL PAPEL DE LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO EN EL MIX ENERGÉTICO ESPAÑOL

Autor: Dra. Esther Rojas, CIEMAT-PSA

El Plan Nacional de Energía y Clima, PNIEC 2021-2030 es la estrategia propuesta por el Gobierno español para que España contribuya activamente al cumplimiento del compromiso de la Unión Europea para que ésta llegue a tener una economía próspera, moderna, competitiva y climáticamente neutra en 2050. Dentro de este Plan y en referencia al Almacenamiento Térmico se menciona que “Adicionalmente, es importante señalar el aumento del almacenamiento térmico que se producirá asociado a las instalaciones de energía solar de concentración. Instalaciones que incrementan su potencia instalada en 5 GW entre 2021 y 2030 y que disponen de 9 horas de almacenamiento empleando unos depósitos de sales fundidas” [1].

Los sistemas de almacenamiento térmicos a los que se refiere el PNIEC son sistemas perfectamente validados y que, junto con el almacenamiento por hidro-bombeo, son los únicos sistemas de almacenamiento de energía con gran capacidad para centrales eléctricas actualmente disponibles comercialmente: desde 20MW_e / 300MW_eh de la planta STE Gemasolar en España hasta el 280MW_e / 1880 MW_eh de la Central de potencia Solana en EEUU. El coste medio de inversión de estos sistemas de almacenamiento de energía ronda los 40 €/KW_eh en la actualidad [2]. Estos dos hechos -gran capacidad de almacenamiento y bajo coste- sitúan los sistemas de almacenamiento térmicos en una posición privilegiada –pero, lamentablemente, muy desconocida- para la gestionabilidad de centrales de producción eléctrica.  Es por ello que en la actualidad se está explorando, y no solo a nivel de investigación si no a nivel comercial,  el uso de estos sistemas para almacenar grandes cantidades de energía procedentes de otras fuentes de energía renovables, como son la eólica y la fotovoltaica. Tecnologías renovables éstas que, a fecha de hoy, no son gestionables puesto que carecen de sistemas de almacenamiento de gran capacidad a un precio asumible. Así, por ejemplo, Siemens-Gamesa, empresa del sector eólico, está impulsando los sistemas de almacenamiento de energía térmica como sistemas de almacenamiento de gran capacidad para campos eólicos, gestores de calor de procesos y reconversión de plantas de combustibles fósiles [3].

Por otro lado, es de destacar que  las empresas españolas han sido líderes mundiales en la tecnología de sistemas comerciales de almacenamiento térmicos para centrales de potencia con energía solar térmica de concentración.  En este sentido, la colaboración CIEMAT – empresas ha sido una constante a lo largo del tiempo, fortaleciendo el papel del CIEMAT como herramienta y vínculo de las empresas para el desarrollo de la Ciencia y la Tecnología.

Existen tecnologías solares de concentración muy prometedoras para la producción de electricidad para las que los sistemas de almacenamiento térmicos comentados en los párrafos anteriores no son los más adecuados. Así, entre las 12 actividades de I + D + i priorizadas en la Iniciativa de Liderazgo Global en Energía Solar Concentrada-Plan de Implementación del SET-Plan (2017), se mencionan las siguientes tecnologías de concentración: Nueva generación de plantas de torre con sales fundidas a temperaturas más altas (prioridad 3), Plantas de torre con receptor volumétrico atmosférico (prioridad 6), Plantas de torre con receptor de aire presurizado (prioridad 9) y Desarrollo de un ciclo combinado híbrido supercrítico Brayton (1000 ºC) (prioridad 12). Las descripciones de las actividades priorizadas 6 y 9 incluyen explícitamente la necesidad de sistemas de almacenamiento adecuados. Los retos tecnológicos que plantean estas nuevas plantas termosolares de concentración en relación a los sistemas de almacenamiento son diversos en función de la tecnología correspondiente. En el Proyecto ACES2030-CM (S2018/EMT-4319) a través del Programa de Actividades de I+D entre Grupos de Investigación de la Comunidad de Madrid en Tecnologías 2018, cofinanciado con fondos estructurales, se está estudiando el funcionamiento de lechos fijos de rocas y otros materiales como sistemas de almacenamiento y que utilizan como medio de transferencia aire atmosféricos (tecnología priorizada. 6). Para ello, el CIEMAT está utilizando su prototipo experimental ALTAYR   (ver foto) en el que se pueden estudiar diferentes tipos de materiales cargándolos con energía térmica con aire hasta 900ºC.

Dispositivo experimental ALTAYR  (CIEMAT)

Para concluir, decir que el almacenamiento térmico también puede y debe jugar un papel importante dentro del sector industrial. Siendo este sector  el consumidor de alrededor del 30% de la energía total del país, en el PNIEC  es el único sector de la economía que aumenta sus emisiones (4%) en el período del Plan. Gran parte de este consumo de energía es en forma de energía térmica (calor de proceso) y es por eso que las tecnologías solares térmicas, con y sin concentración, pueden jugar un papel importante. En cualquier caso, la simple optimización de los flujos de energía ya podría reducir significativamente el consumo de energía asociado. Dentro de esta optimización de flujos, los sistemas de almacenamiento térmico pueden jugar un papel importante como gestores eficientes del calor residual.

Referencias

Fotocatálisis potenciada con luz visible vía funcionalización endohédrica de un fotocatalizador orgánico en nanotubos de carbono de pared sencilla

Autores: Daniel González-Muñoz, Ana Martín-Somer, Klara Strobl, Silvia Cabrera, Pedro J. de Pablo, Sergio Díaz-Tendero, Matías Blanco y José Alemán

Resumen: En este trabajo se presenta la encapsulación de un fotocatalizador orgánico, 10-fenilfenotiazina (PTH), en la cavidad interna de nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNTs) como una novedosa estrategia de heterogenización. El material generado se utilizó como fotocatalizador heterogéneo en reacciones de deshalogenación mediante transferencia sencilla de un electrón usando luz visible. Nuestro material híbrido tiene una actividad fotocatalítica potenciada, llegando a valores de turnover de hasta 3200, presentando además un completo y estable reciclaje en más de 8 ciclos de reacción. Mediante cálculos computacionales se confirmó la comunicación electrónica entre ambos miembros ya que, tras iluminar, un electrón de una unidad de PTH excitada se transfiere desde el sistema π de la molécula a la nube π deslocalizada del nanotubo, lo cual justifica esta potenciada actividad fotocatalítica.

Abstract: The encapsulation of an organic dye, 10-phenylphenothiazine (PTH), in the inner cavity of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as a breaking heterogenization strategy is presented. The PTH@oSWNT was employed as a heterogeneous photocatalyst in single electron transfer dehalogenation reactions under visible light irradiation. The material showed an enhanced photocatalytic activity, achieving turnover numbers as high as 3200, with complete recyclability and stability for more than eight cycles. Computational calculations confirm that electronic communication between both partners is established because, upon illumination, an electron of the excited PTH is transferred from the π system of the molecule to the delocalized π-cloud of the SWNT, thus justifying the enhanced photocatalytic activity.

Hemos descrito cómo la funcionalización endohédrica de un fotocatalizador orgánico en la cavidad de nanotubos de carbono genera un material híbrido que potencia su estabilidad y su actividad fotocatalítica.

Los nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNT) son alótropos del carbono monodimensionales cuyas propiedades son increíbles, aunque la cantidad de reacciones que pueden catalizar son escasas. En el campo de la fotocatálisis se han desarrollado materiales compuestos donde los SWNT integran la parte conductora al combinarse con unidades fotoactivas inorgánicos (TiO₂ fundamentalmente), organometálicos (complejos de iridio y rutenio) y orgánicos (colorantes orgánicos). Para obtener estas nanoestructuras se suelen emplear dos estrategias. La primera se basa en contacto físico sin ningún tipo de interacción química, lo que supone un método fácil que genera una buena comunicación entre el tubo y la unidad fotoactiva, pero la estabilidad del híbrido resultante está comprometida y suele ser frágil. La segunda estrategia utiliza fuertes enlaces covalentes, lo que aporta estabilidad y reciclaje del catalizador, pero el esfuerzo sintético en ocasiones es demasiado tedioso para el bajo resultado catalítico obtenido, ya que la comunicación entre nanotubo y fotocatalizador no está asegurada.

En este trabajo nos planteamos la posibilidad de introducir el fotocatalizador en la cavidad interna de los nanotubos, lo que teóricamente supondría una combinación de las dos grandes estrategias de funcionalización en términos de comunicación electrónica y estabilidad del material resultante. A pesar del gran desarrollo de la ciencia de (nano)materiales y de los procedimientos de funcionalización de nanotubos, la funcionalización endohédrica con fines fotocatalíticos no había sido descrita hasta el momento. El grupo de investigación FRONCAT, liderado por el Profesor Alemán, ha descrito la introducción de una molécula orgánica, 10-fenilfenotiazina (PTH), con conocidas propiedades fotocatalíticas en el interior de SWNTs con el fin de generar un fotocatalizador heterogéneo híbrido. Esta idea no solo ofrece la posibilidad de heterogenizar un fotocatalizador y ganar estabilidad y reciclaje durante la reacción, sino también la posibilidad de establecer efectos sinérgicos que hagan que el material hibrido PTH@oSWNT pueda trabajar con una actividad catalítica potenciada con respecto a los ensayos homogéneos. En realidad, estudios computacionales combinados con pruebas espectroscópicas demostraron que tras iluminar el fotocatalizador PTH@oSWNT, la PTH es capaz de seguir excitándose y donar electrones. No obstante, tal como afirma el Dr. Blanco, esos electrones que darían lugar a los procesos fotocatalíticos homogéneos, por el hecho de funcionalizar endohédricamente, son inyectados en el sistema π conjugado del nanotubo. Por tanto, se genera un “material híbrido excitado” capaz de llevar a cabo procesos de deshalogenación mediante procesos de transferencia sencilla de un electrón que permiten la síntesis de compuestos de interés en síntesis orgánica, como procesos de ciclación para sintetizar heterociclos orgánicos e incluso reacciones de α-alquilación de aldehídos. Estas reacciones son importantes desde un punto de vista sintético y medioambiental. La sinergia establecida permite realizar con altísima eficiencia la catálisis estudiada, llegando a valores de turnover de 3200, un orden de magnitud superior al ensayo homogéneo en las mismas condiciones de trabajo, e incluso completar las reacciones en tiempos inferiores a 1h.

Las conclusiones obtenidas por los autores se basan en un profundo estudio de las características del material. Mediante microscopía y espectroscopia se comprobó que efectivamente la molécula PTH se encontraba en el interior de los nanotubos de carbono, mientras que al iluminar con un láser azul y registrar la emisión de la muestra, se registraron unidades tubulares que presentaban fuertes destellos. Además, las reacciones orgánicas estudiadas permiten afirmar que el material PTH@oSWNT es un versátil fotocatalizador con un gran alcance, capaz de transformar una gran variedad de sustratos, especialmente moléculas aromáticas altamente condensadas. Otro hecho muy importante es que el material PTH@oSWNT es tremendamente robusto durante operación. Un estudio de reciclado del catalizador durante más de 8 reacciones consecutivas demostró idénticos resultados comparados con el primer ciclo catalítico (resultados que el catalizador homogéneo no es capaz de realizar) sin que las características del material se viesen modificadas y sin lixiviar cantidades detectables de PTH al medio de reacción.

Referencia bibliográfica:

González-Muñoz, D.; Martín-Somer, A.; Strobl, K.; Cabrera, S.; de Pablo, P.J.; Díaz-Tendero, S.; Blanco, M.; and Alemán, J. “Enhancing Visible Light Photocatalysis via Endohedral Functionalization of Single Walled Carbon Nanotubes with Organic Dyes” ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021, In press. DOI: 10.1021/acsami.1c04679

Contacto:

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

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