Energía y Sostenibilidad

Durante este mes de noviembre, el Instituto IMDEA Energía abrió sus puertas a muchos jóvenes curiosos con motivo de la XII Semana de la Ciencia. Bajo el nombre de “En busca de un mundo sostenible” se organizó una divertida gymkana donde se combinó la teoría con la práctica y el juego.

 Autora: [Cristina Ochoa Hernández – Instituto IMDEA Energía]

Entre los días 5 y 18 de noviembre ha tenido lugar la celebración de la XII Semana de la Ciencia en Madrid, bajo el lema comprender y mejorar el mundo. Según Lucía Figar de Lacalle (Consejera de educación y empleo de la Comunidad de Madrid), dicho lema quiere recalcar la importancia que tiene la Ciencia en nuestras vidas, como motor de cambio para lograr un futuro mejor.

Un año más, y coincidiendo con el Año Internacional de la Energía Sostenible, el Instituto IMDEA Energía ha querido sumarse a esta iniciativa mediante la realización de diferentes eventos con el objetivo de acercar la Ciencia tanto a estudiantes de bachillerato como a universitarios. En este sentido, la primera de las actividades organizadas por el Centro fue una gymkana lúdico-científica, una manera diferente de aprender jugando. De esta manera, los asistentes participaron en los siguientes talleres:

• Concurso de la carrera del coche eléctrico contra el coche de combustión: los investigadores de la Unidad de Procesos Eléctricos realizaron una adaptación del clásico juego de la Oca para llevar a cabo esta actividad. En ella, se propusieron diferentes itinerarios combinando tramos de ciudad y de carretera. El objetivo del juego era valorar qué vehículo (eléctrico o de combustión interna) presentaba las mejores prestaciones en cuanto a costes, emisiones de CO₂, recargas y otras consideraciones. 
• Taller de biocombustibles: los investigadores de la Unidad de Procesos Termoquímicos estuvieron al frente de esta actividad. En ella, los asistentes tuvieron la oportunidad de estar en contacto directo con los diferentes equipos de laboratorio para aprender, de forma práctica, cómo es el proceso de fabricación del biodiésel, así como las ventajas e inconvenientes de los biocombustibles.
• Concurso de los impactos ambientales: orientado al conocimiento de los impactos ambientales de nuestras actividades cotidianas, así como a la divulgación de aspectos energéticos básicos mediante un juego de preguntas y respuestas. Esta divertida actividad fue supervisada por los investigadores de la Unidad de Análisis de Sistemas.
• Taller sobre energía solar concentrada: bajo la dirección de los investigadores de la Unidad de Procesos de Alta Temperatura, los participantes aprendieron a diferenciar las distintas tecnologías solares (fotovoltaica, agua caliente sanitaria y tecnologías de concentración) y las similitudes entre una planta térmica convencional y una planta termoeléctrica. La actividad concluyó con la simulación de un campo de heliostatos humano.   

En segundo lugar, y en colaboración con la Universidad Rey Juan Carlos (URJC), se organizó un ciclo de conferencias bajo el título “Energía, medio ambiente y desarrollo sostenible”, en el que el Instituto IMDEA Energía participó activamente a través de las siguientes ponencias:

• Los retos de la integración de las energías renovables en la red eléctrica, a cargo de los investigadores de la Unidad de Procesos Eléctricos. En ella, se explicaron las tecnologías renovables existentes para la producción de energía eléctrica, la estructura de la red eléctrica actual y sus requisitos funcionales. Para concluir, se puso de manifiesto los problemas de la incorporación de las energías renovables a la red eléctrica y sus posibles soluciones.
• Biocombustibles de tercera generación: microalgas, donde los investigadores de la Unidad de Procesos Biológicos evidenciaron la tendencia actual a usar microalgas en vez de sustratos convencionales como la paja, soja, maíz… cómo se cultivan y los factores que afectan a su crecimiento. También, explicaron los procesos de producción de biogás y bioetanol, así como los inconvenientes que presentan y las posibles soluciones mediante el uso de la ingeniería genética.   

Esperemos que este tipo de iniciativas perduren en el tiempo y los investigadores podamos seguir mostrando a la sociedad la repercusión que tiene la Ciencia en nuestra vida cotidiana y en posibles mejoras futuras.

Ilustración 1. Alumnos de 1º de Bachillerato del colegio Santa María del Bosque.

En la industria de miniaerogeneradores, tradicionalmente, se ha sacrificado el diseño de las palas para centrarse en los componentes eléctricos. Un diseño aerodinámico eficiente repercute en un aumento de la potencia generada y en una disminución de las cargas en el rotor y en consecuencia en toda la máquina, aumentando la fiabilidad y la vida del aerogenerador.

Autores: Borja Plaza Gallardo / Rita Gómez González-INTA

La generación de energía renovable distribuida tiene un gran interés, no solo económico, sino también estratégico. Utilizar recursos propios del país, y que la generación se produzca de forma uniformemente distribuida, disminuye la dependencia energética y aumenta la eficiencia de la red de distribución minimizando las pérdidas en el transporte.

Los aerogeneradores de pequeña potencia son una de las tecnologías renovables que más pueden ayudar a la creación de una red eléctrica de generación distribuida. Su reducido impacto visual, comparado con aerogeneradores de mayor potencia, y su disponibilidad para ser instalados tanto a la red eléctrica como para autoconsumo, incluyendo diferentes técnicas de almacenamiento, permite su utilización en distintos emplazamientos y una mayor facilidad de implantación.

Para mejorar su posición frente a otras energías renovables es preciso mejorar el rendimiento energético, realizar diseños más silenciosos, aumentar la fiabilidad y reducir los riesgos estructurales.

En la fabricación de nuevos aerogeneradores, uno de los puntos más importantes, es el diseño aerodinámico de las palas. La generación eléctrica anual de un aerogenerador depende de su capacidad de obtener el máximo rendimiento posible en la extracción de energía del aire. En la eólica de baja potencia se tiende a prestar una atención limitada a la aerodinámica en favor del problema eléctrico, la fabricación a bajo coste, un precio de compra reducido, o la fiabilidad de operación, por ejemplo.

Sin embargo, un diseño eficiente repercute en un aumento de la potencia generada, una disminución del ruido generado y en una disminución de las cargas en el rotor y en consecuencia en toda la máquina, aumentando la fiabilidad y la vida de la máquina, lo que repercute en la “eficiencia económica” del aerogenerador.

El cálculo de fuerzas que aparecen sobre un cuerpo fuselado puede ser muy complicado. Ciertos cuerpos tridimensionales, como las palas de un aerogenerador, cumplen una serie de condiciones geométricas que permiten estudiar la generación de fuerza en cada sección o perfil de la pala (problema bidimensional) y aplicar las fuerzas así calculadas como una distribución de fuerzas que se integra para obtener las fuerzas totales.

El diseño o selección de los perfiles aerodinámicos determina el comportamiento del generador en todas las situaciones de operación. Perfiles con mucha resistencia producirán menor potencia, pero perfiles más eficientes pueden presentar disminuciones drásticas de la potencia producida si se deterioran (suciedad, impactos, etc.) y variaciones bruscas de las cargas en la pala. Perfiles muy delgados impedirán el arraigo estructural al buje y las palas no serán suficientemente rígidas.

Para seleccionar los perfiles que conforman una pala adecuada, es necesario conocer las condiciones de operación, en particular, cómo es el flujo en el que va a trabajar el perfil.

Anteriormente,  los perfiles utilizados para fabricar palas de aerogeneradores eran los diseños desarrollados para la industria aeronáutica pero las condiciones operativas difieren, ya que los aviones operan a ángulos de ataque pequeños, sus métodos de fabricaciones son mejores, están sometidos a un mantenimiento periódico exhaustivo y el número de Reynolds de operación es mucho mayor.

Para el análisis de nuevos perfiles, especialmente diseñados para las condiciones propias de funcionamiento de los miniaerogeneradores, existen herramientas de cálculo que van desde las más rápidas y sencillas basadas en métodos potenciales y en la resolución de las ecuaciones de Euler, hasta las más complejas y costosas basadas en códigos Navier-Stokes con modelos CFD.

Las investigaciones realizadas por el Área de Dinámica de fluidos del INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial) van encaminadas a reducir las fuentes de error de los códigos de cálculo de aerogeneradores, como son los datos de los perfiles a su actuación en bajo número de Reynolds, sus características para altos ángulos de ataque, fundamentalmente la entrada en pérdida, los modelos de estimación de pérdidas en punta de pala y el efecto de aumento de sustentación y retraso de la entrada en pérdida debido a la rotación.

Para todas estas características existen múltiples modelos que presentan gran dispersión en los resultados según se utilice uno u otro, lo cual hace necesario su ajuste mediante datos experimentales (ensayos en túnel de viento, Área de Ensayos Aerodinámicos, INTA) y cálculos

con CFD de alto nivel, además de una investigación más profunda en el desarrollo de la aerodinámica detrás de estos fenómenos.

El conocimiento de la aerodinámica del aerogenerador es crucial para aumentar su tiempo de vida y operatividad, así como la captura de energía y la calida de ésta. La innovación en los diseños, no solo crea máquinas mejores y aumenta las posibilidades de emplazamiento, sino que adicionalmente, genera mayor confianza por parte de la opinión pública en las energías renovables y conciencia del problema energético.

Recientemente se ha puesto en práctica una tecnología de extracción de gas natural de depósitos subterráneos: la fracturación hidráulica.  La fracturación de la roca se produce mediante agua, productos químicos y partículas finas de arena o cuarzo en suspensión que se inyectan en las formaciones rocosas subterráneas. Como consecuencia de la elevada presión, el líquido fractura la roca al mismo tiempo que las partículas de arena o cuarzo en suspensión mantienen abiertas las fracturas producidas. Las aberturas producidas permiten que el gas contenido dentro o debajo de las rocas fluya mediante tuberías. Por esta vía las reservas de gas se han incrementado sustancialmente en los últimos años.

[Autor: José L.G. Fierro-Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC, Cantoblanco, 28049 Madrid]

 Las compañías energéticas han aplicado recientemente una metodología denominada fracturación hidráulica “fracking” para acceder a los depósitos de gas existentes en rocas bituminosas. Esta tecnología tiene el potencial de abrir las reservas de gas subterráneas y utilizarlo después en combustión menos contaminante que el carbón o el petróleo. La cara positiva de esta energía limpia contrapone algunos riesgos ambientales.

Para la extracción de gas natural de depósitos subterráneos las compañías emplean diversos métodos en función de la geología del subsuelo. Para fracturar la roca, las compañías de exploración utilizan agua, productos químicos y partículas finas de arena o cuarzo en suspensión que inyectan en las formaciones rocosas subterráneas generadas

Figura 1. Emplazamiento de una unidad de fracturación hidráulica

Figura 2. Corte de terreno en el que se aprecia la perforación horizontal. Cuando la cabeza perforadora alcanza el emplazamiento de gas, se inyecta agua, productos químicos y arena o cuarzo en suspensión para romper la capa que cubre el depósito de gas. A continuación el gas se envía por tubería hacia la superficie. (fotografía cortesía de M. Mathis/iStockphoto.

Como consecuencia de la elevada presión, el líquido fractura la roca al mismo tiempo que las partículas de arena o cuarzo en suspensión mantienen abiertas las fracturas producidas. Las aberturas producidas permiten que el gas contenido dentro o debajo de las rocas fluya mediante tuberías hasta la superficie.

Conforme a la información dela EIA(Energy Information Administration) de Estados Unidos, esta nueva metodología ha producido un incremento de la producción de gas de 48% por año en el período 2006-2010.

Algunos científicos critican el hecho de que la fracturación hidráulica lleva asociada la contaminación del agua potable. En casos concretos se observó que la cantidad de metano disuelto en el agua tomada de zonas próximas a las áreas en las que se exploró esta fracturación aumentaba considerablemente. No obstante, las compañías exploradoras de gas insisten que la fracturación hidráulica se produce a profundidad mucho más elevada (del orden de1 km) que la profundidad de las aguas superficiales (solo de algunas decenas de metros. Otra connotación negativa de la fracturación hidráulica es la observación de pequeños movimientos de tierra (mini terremotos). Estos movimientos se producen como consecuencia de la inyección de agua durante la fracturación.

Si bien la controversia acerca de la fracturación hidráulica continuará, resulta evidente que la obtención de cualquier recurso energético lleva asociado algún nivel de contaminación.

La Comisión Europea  propone limitar la reconversión de tierras para la producción de biocarburantes. Pretende fomentar el desarrollo de biocarburantes de segunda generación, es decir materias primas que no interfieran en la producción mundial de alimentos, por ejemplo residuos como la paja, así como aumentar los beneficios en cuanto a la reducción de las emisiones de los gases de efecto invernadero GEI.

Autora: [Felicia Sáez -Unidad de Biocarburantes- Dpto. de Energía- CIEMAT]

La propuesta afecta a dos Directivas, la de energías renovables¹ y la de calidad de los combustibles² cuyas modificaciones son las siguientes:

-Incrementar al 60% el umbral mínimo de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de las nuevas instalaciones, para mejorar la eficiencia de los procedimientos de producción de biocarburantes y desincentivar las inversiones en instalaciones cuyo rendimiento, medido en emisiones de GEI, es malo.

-Incluir los factores de cambio indirecto del uso del suelo en la comunicación por los suministradores de combustible y los Estados miembros de la disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero de los biocarburantes” Limitar al nivel de consumo actual (5%) el volumen de biocarburantes y biolíquidos producidos a partir de cultivos alimentarios que puede contabilizarse en el porcentaje del 10% fijado como objetivo de energía renovable para el sector del transporte de la UE de aquí a 2020, sin variar los objetivos generales de producción de energía renovable y disminución de las emisiones de carbono.

-Arbitrar incentivos de mercado para los biocarburantes que no supongan emisiones por cambio indirecto del uso del suelo o que supongan pocas emisiones de esa naturaleza, y, en particular, para los de segunda y tercera generación producidos con materia prima que no genere una demanda adicional de tierras como, por ejemplo, las algas, la paja y varios tipos de desechos, dado que contribuirán en mayor medida a alcanzar el objetivo del 10% de energía renovable en los transportes.

¹ Directiva 2009/28/CE, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables.

² Directiva 98/70/CE, relativa a la calidad de la gasolina y el gasóleo

Autora: Süheda Isikli. Instituto IMDEA Energía

Las técnicas de microscopía de sonda próxima (SPM)- microscopía de efecto túnel, microscopía de fuerza atómica, microscopía de fuerza eléctrica y magnética, microscopía electroquímica, etc.- son herramientas muy útiles en la caracterización de materiales, de manera que se usan tanto en investigación básica como en investigación aplicada e incluso en innovación industrial. Por tanto, estas microscopías tienen un papel fundamental en la caracterización local de las propiedades de los dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía, que se percibe como el siguiente paso necesario para la mejora de los mismos, dado que actualmente los materiales que los componen son nanoestructurados.

La microscopía electroquímica de sonda próxima (SECM) es útil para el estudio local de estucturas y procesos, llegando a resoluciones submicrométicas. Desde su descubrimiento a finales de los 80 se ha usado su alta resolución espacial y su posibilidad de análisis cualitativo y cuantitativo para caracterizar una gran variedad de procesos electroquímicos^1-2.

La SECM usa un ultramicroelectrodo (UME) como su “punta” (Fig.1a) que, en analogía a las otras microscopías de sonda próxima, se posiciona cerca del sustrato. La Figura 1b ilustra un montaje experimental típico de SECM.

Figura 1. Representación de una SECM: punta (a); y montaje experimental (b).

La respuesta electroquímica (normalmente en forma de corriente medida) proporciona información sobre propiedades locales como topografía o reactividad³. La SECM puede operar en varios modos. Para el estudio de superficies de electrodos, el UME se puede usar para detectar electroquímicamente el producto detectado en la superficie del electrodo, en lo que se llama el modo de trabajo de generación en la superficie y recolección en la punta (SG/TC). En este modo la punta genera una especie R por reducción de una especie O que está en disolución; la especie R difunde hacia el sustrato y se reoxida a O (Fig2a); el otro modo es el de generación en la punta y recolección en el sustrato (TG/SC), en el que O se electrogenera en la superficie del sustrato y se detecta en la punta.

Figura 2. Ilustración esquemática del modo: TG/SC (A) y SG/TC (B) ⁴.

En un experimento en el modo de retroalimentación la punta se sumerge en una disolución que contiene un mediador redox (como por ejemplo una especie oxidable R). Cuando se aplica a la punta un potencial suficientemente positivo, R se oxida a una velocidad que viene determinada por la difusión de R a la superficie del UME. Cuando la punta se encuentra a una distancia de la superficie de un sustrato conductor que es del orden de unos pocos radios de punta (Fig.3a), la especie O que se forma en la reacción difunde hacia el sustrato, donde se puede volver a reducir a R. Este proceso produce un flujo adicional de R hacia la punta cuando el sustrato es conductor eléctrico que se llama “retroalimentación positiva”. Si el sustrato es un aislante eléctrico inerte, la especie generada en la punta no puede reaccionar en su superficie porque el aislante bloquea la difusión de especies R hacia la superficie de la punta. A esto se le llama “retroalimentaci´n negativa” (Fig.3b) ⁴.

Figura 3. Modos de retroalimentación en SECM: positivo (a) y negativo (b) ⁴.

La SECM se ha usado mucho por ejemplo para la exploración de electrocatalizadores para las reacciones de oxidación y evolución de hidrógeno (HOR/HER) y las reacciones de reducción y evolución de oxígeno (ORR/OER), que son de interés para el desarrollo de dispositivos energéticos electroquímicos como las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) y las baterías de metal-aire.

Por ejemplo, la reducción electroquímica del oxígeno molecular es uno de los procesos más importantes para la conversión de energía. La investigación de electrocatalizadores activos para esta reacción es importante para mejorar el rendimiento de las pilas de combustible y las baterías de metal-aire. En medio ácido se suele usar platino como electrocatalizador, pero la investigación reciente se centra en metales no tan nobles (Au, Ag, Ni) y sus óxidos en medio alcalino. Se requiere un mejor conocimiento de los mecanismos de reacción para evitar la degradación de los electrodos y aumentar la eficiencia de los dispositivos.

LA SECM, como una herramienta diagnóstica aún en fase de desarrollo, puede ayudar a que la industria entienda los mecanismos en la nano-escala que pueden degradar el rendimiento de dispositivos energéticos electroquímicos como las baterías, ayudando a que los fabricantes de baterías puedan usar esta información para evaluar nuevas químicas con materiales menos costosos y que puedan dar lugar a mayores densidades de energía.

1)      A.J. Bard , F.R.F. Fan , J. Kwak , O. Lev , Anal. Chem. 61, 132 (1989).

2)      J. Kwak , A.J. Bard , Anal. Chem. 61 , 1794 ( 1989 ).

3)      S.C.S. Lai, J.V. Macpherson, P.R. Unwin, Mrs Bulletin.37, 668 (2012)

P.S, François O. Laforge, M.V. Mirkin, Phys. Chem. Chem. Phys.,9, 802–823 (200

¿Cuánto pesa un gas?, ¿cómo podemos aprovechar el sol?, ¿qué es el cambio climático?

Muchas preguntas fueron contestadas por los científicos de IMDEA Energía durante la Noche de los Investigadores donde pusieron de manifiesto las propiedades de los gases y el aprovechamiento de la energía solar a un público muy exigente, los más pequeños. Además la actividad se completó con una sesión de ciclismo indoor, la emisión de un documental sobre el cambio climático y una visita guiada a los laboratorios.

Autora: [Alicia Bayón Sandoval – IMDEA Energía]

El pasado 28 de septiembre, centros de investigación y universidades europeos abrieron sus puertas para recibir a los más curiosos. En este acto de acercamiento al público del trabajo de los científicos, IMDEA Energía, dedicó parte de sus actividades a los más pequeños.

La jornada se inició con dos intensas sesiones de spinning, de la mano de dos instructores de la Federación Española de Ciclismo Indoor IBC. La actividad reunió a un gran número de asistentes que compartieron su esfuerzo con los investigadores más deportistas del instituto.

A continuación se llevó a cabo el taller de “científicos por las nubes” donde pudieron explicar distintas propiedades de los gases. El primer taller fue realizado por la investigadora Cristina Ochoa y la técnico de laboratorio Mª Eugenia Di Falco, realizando varias experiencias donde los niños pudieron participar mostrando a sus padres cómo varios globos llenos con gases de distinta naturaleza ascendían o descendían según su densidad.

El segundo taller consistió en mostrar las propiedades del nitrógeno líquido, de la mano de los investigadores Alfonso Carrillo y Alicia Bayón. En uno de los experimentos se pudo observar cómo se modificaba el volumen de los globos al introducirlos en nitrógeno líquido. El último taller de la actividad, el investigador Julio Núñez, utilizó hielo seco (o CO₂ en estado sólido) para fabricar burbujas de jabón. Al ponerse en contacto el hielo seco con el agua, se sublima formando un humo que se extraía de un recipiente cerrado por una manguera conectada a un tapón de una botella con un pequeño orificio. Éste se sumergía en agua jabonosa creando pompas de jabón.

Posteriormente se mostró el aprovechamiento de la energía solar de concentración con varias actividades, empleando la instalación solar de la Unidad de Procesos de Alta Temperatura. Esta fue realizada por los investigadores Carlos Pérez, Fabrisio Gómez y Elisa Alonso.

Después de realizar una breve explicación del funcionamiento de la técnica, los más valientes pudieron experimentar personalmente cómo se puede concentrar la luz solar en forma de calor, mediante el empleo de un concentrador elíptico.

La principal actividad del taller consistió en simular el funcionamiento de una central termosolar. Para ello se requirió la ayuda de varios voluntarios que, a modo de heliostatos, intentaron reflejar la luz procedente de un foco fijo.

La jornada se completó con la proyección del documental “Seis grados que podrían cambiar el mundo” en el salón de actos del instituto y una visita guiada a los laboratorios realizada por el director del centro David Serrano.

Finalmente todos los participantes se reunieron en el hall para cerrar la visita con una hot-dog party.