Archivo de junio, 2021

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.

Contacto

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

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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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.

Contacto

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

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

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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: 

Más información sobre los socios :

Objetivos de Desarrollo sostenible asociados a eGHOST:

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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.

Contacto

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.

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