Energía y Sostenibilidad

Autor: Alejandro García Eguizábal. Unidad de Procesos Fotoactivados. Instituto IMDEA Energía.

Uno de los retos más importantes para la sociedad actual, desde el punto de vista medioambiental, es el desarrollo de tecnologías capaces de paliar los efectos de los gases efecto invernadero como principales causantes del calentamiento global.

En esta línea, el grupo de Procesos Fotoactivados (http://www.hymap.eu/) liderado por el investigador Víctor A. de la Peña, ha sido uno de los premiados con la financiación de la fundación Ramón Areces para trabajar, durante los próximos tres años, en desarrollar la ansiada fotosíntesis artificial. El grupo, ubicado en el madrileño instituto IMDEA Energía (https://www.energia.imdea.org/), ha logrado ser seleccionado presentando el proyecto: “Membranas multifuncionales nanoestructuradas para la producción de combustibles solares por fotosíntesis artificial.”

El desafío, imitar a la naturaleza para desarrollar la tecnología capaz de resolver la fotosíntesis artificial, no es sencillo. Las plantas verdes realizan este proceso usando energía solar para producir sus propios alimentos a partir de CO₂. La reacción combina CO₂ y agua produciendo glucosa y oxígeno como resultado. Más importante aún, es la vía clave de valorización del CO₂ y una de las estrategias más prometedoras para el almacenamiento de la energía y el reciclaje del CO₂ mediante el uso de energía limpia.

Así, el principal reto del grupo de investigación es el diseño de un dispositivo fotoelectro-catalítico que permita la conversión de energía solar a través de la transformación de CO₂ y H₂O en combustibles o productos de valor añadido.

Para ello, se proponen como primer objetivo el desarrollo de nuevos materiales híbridos multifuncionales. Dichos materiales serán los encargados de llevar a cabo las reacciones implicadas. Esto es, dado que el proceso foto-multielectrónico es muy complejo, deben ser materiales capaces de: absorber luz ultravioleta y visible que logre la separación de cargas electrónicas, las cuales serán transportadas a un sistema catalizador encargado de realizar las reacciones químicas.

Otra de las determinaciones del grupo es llevar a cabo una caracterización exhaustiva de sus materiales para poder comprender su funcionamiento. Para ello, se utilizarán desde técnicas químicas, estructurales y ópticas hasta estudios teóricos; con la idea de comprender la relación estructura-actividad, los mecanismos de reacción y de teorización de los componentes fundamentales del centro activo.

La meta final del proyecto es la realización de un dispositivo fotolectro-químico, también conocido como hoja artificial, que aúna dos celdas electroquímicas, compuestas con los materiales sintetizados. Esta celda tándem funcionará sin más recurso que el de la irradiación de luz, es decir, sin la aplicación de un potencial eléctrico externo.

De esta manera, el grupo de Procesos Fotoactivados (IMDEA Energía) trabajará desde una de las escalas más pequeñas de la materia: la nanoescala, mediante nuevos conceptos de síntesis, hasta la macroescala, por medio de avances en ingeniería de reactores solares. Con la intención de entender ambos mundos y poder convertir en realidad el uso eficiente de la energía solar.

https://www.fundacionareces.es/fundacionareces/es/becas-y-ayudas/proyectos-de-investigacion/listado-de-proyectos/membranas-multifuncionales-nanoestructuradas-para-la-produccion-de-combustibles-solares-por-fotosintesis-artificial.html?idAmbito=1

 Contacto

 Víctor A. de la Peña O´Shea del Instituto IMDEA Energía victor.delapenya@imdea.org

El 4 de julio de 2019, el Dr. Víctor A. de la Peña fue entrevistado en el programa de Radio Internacional “Quien exporta… importa” para explicar en qué consiste el fenómeno de la fotosíntesis artificial.

El Dr. de la Peña es un investigador del Instituto IMDEA Energía de Madrid . ¡No te pierdas su entrevista!

https://www.youtube.com/watch?v=SwW6-uM5daY

Autores: Montes M.J.*, Abbas R.**, Barbero R.*, Martínez-Val, J.M.**

* Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), C/ Juan del Rosal 12, Madrid, 28040, España, mjmontes@ind.uned.es, rbarbero@ind.uned.es

** Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Politécnica de Madrid (UPM), C/ José Gutiérrez Abascal 2, Madrid, 28006, España, rubenabbas@etsii.upm.es, mval@etsii.upm.es

 RESUMEN

Los colectores Fresnel resultan especialmente atractivos para la obtención de calor para procesos industriales, en el rango de temperatura 100ºC-400ºC. Por ello, uno de los estudios realizados dentro del marco del proyecto ACES 2030 se ha centrado en el análisis de un nuevo diseño de receptor Fresnel, que permite reducir costes sin disminuir prácticamente el rendimiento. Para ello, se propone un lazo híbrido en el que los primeros módulos, con temperaturas de trabajo menores empleen receptores con tubos no evacuados y los restantes módulos del lazo, a mayor temperatura media, utilicen receptores evacuados.

Basándose en cálculos económicos y en simulaciones anuales, se demuestra que para cada configuración particular, existe hibridación óptima que minimiza el coste del calor producido

 ABSTRACT

Fresnel collectors are particularly attractive to generate heat for industrial thermal processes, in the temperature range 100ºC‑400ºC. Thus, one of the studies in the ACES 2030 project has been focused on the analysis of a new Fresnel receiver design, which allows costs to be reduced without practically reducing thermal performance. For that, an hybrid Fresnel loop is proposed, in which, the first modules, at lower working temperature, use non-evacuated receivers, and the remaining, at greater temperature, use evacuated receivers.

Based on economic calculations and annual simulations, an optimal hybridization, that minimizes the cost of the heat produced, is obtained for each particular configuration.

En los últimos años se han hecho numerosos estudios comparativos entre los colectores cilindro-parabólicos y los colectores lineales Fresnel, ambos aplicados a la producción de electricidad, mediante un ciclo de potencia (Morin et alt., 2012). Aunque la comparativa no establecía una ventaja excesiva del primero sobre el segundo, lo cierto es que el Fresnel precisaba una reducción adicional del coste para resultar competitivo.

En este artículo se presenta otra aplicación para la cual los colectores Fresnel resultan especialmente atractivos, que es la obtención de calor para procesos industriales, en el rango de temperatura 100ºC-400ºC. De acuerdo con los datos que aparecen en (Farjana et alt., 2018), aproximadamente 2/3 del consumo final de energía en la industria es energía térmica. Aunque el rango de temperaturas para el calor de proceso está aproximadamente entre 20ºC y 400ºC, los colectores Fresnel son particularmente adecuados para temperaturas entre 100ºC y 400ºC. Para el estudio que se expone a continuación, se han tomado como referencia plantas comerciales, de acuerdo con la información que aparece en la base de datos SHIP (Solar Heat for Industrial Process, 2018), y han sido adaptados para extraer conclusiones generales.

 El estudio se ha centrado en el análisis de un nuevo diseño de receptor Fresnel, que permite reducir costes sin disminuir prácticamente el rendimiento. Para ello, se propone un lazo híbrido en el que los primeros módulos, con temperaturas de trabajo menores empleen receptores con tubos no evacuados con menores prestaciones térmicas y los restantes módulos del lazo, a mayor temperatura media, utilicen receptores evacuados, de mayor rendimiento. El receptor no evacuado consiste en un tupo de pyromark dentro de una cavidad provista de reflector secundario tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator), que está abierta al ambiente. El receptor evacuado se basa en un doble tubo concéntrico, similar al de los colectores cilindroparabólicos, que se encuentra también en una cavidad abierta al ambiente con reflector secundario. En la Fig. 1 se muestra un esquema de la configuración propuesta.

Los Colectores Lineales Fresnel (CLF) que se utilizan en las aplicaciones  de calor de proceso, tienen normalmente una razón de concentración menor que los que se utilizan para generar electricidad. Para este trabajo, se ha tomado como referencia el colector LF‑11 de la empresa Industrial-Solar (2019). Las características principales de dicho colector aparecen en la Tabla 1.

Para el análisis anual se ha realizado una caracterización óptica y térmica del colector Fresnel utilizado, extrayendo correlaciones sencillas en función de la posición del sol y de las condiciones ambiente en cada instante determinado. Para el análisis óptico se ha utilizado un programa de trazado de rayos propio (Abbas et alt., 2012, 2013), mientras que las correlaciones de pérdidas térmicas se han obtenido mediante un modelo de resistencias térmicas aplicado a cada tipo de receptor (Montes et alt., 2017a).

Una vez realizada la caracterización óptica y térmica, se ha realizado la simulación anual de lazos de CLF para calor de proceso y el análisis económico.

En la figura 2 se muestra los resultados obtenidos para una planta Fresnel ubicada en Túnez (latitud=33°53’12.9” N; longitud=9°32’15” E). El fluido de trabajo en este caso es aceite VP1 trabajando entre 200-250ºC, y el número de módulos utilizado es igual a 56. La longitud de cada módulo es igual a 4.06 metros, coincidiendo con la longitud habitual de los tubos evacuados.

Para los resultados que se muestran en la anterior figura, el coste levelizado del calor (LCOH, Levelized Cost Of Heat), que es el coste del calor generado en una instalación particular con una temperatura determinada del fluido de trabajo. De manera simplificada, para una planta de colectores Fresnel de pequeña concentración, sin acoplamiento a un sistema auxiliar fósil y sin almacenamiento térmico, el LCOH se define mediante la siguiente ecuación:

En la ecuación anteriore, IC (Mio.$) es el coste de inversión; CRF es la tasa de retorno de capital; OMC son los costes fijos de operación y mantenimiento (Mio.$) y E_th (MWh_th) es la energía térmica anual producida.

Como conclusión, en este trabajo se ha demostrado la viabilidad económica de un nuevo diseño de lazo de colector Fresnel, que combina receptores de tubo no-evacuado con receptores de tubo evacuado. La aplicación concreta a la que va acoplado el campo solar de lazos híbridos es la obtención de calor de proceso, para la que se requieren temperaturas moderadas, por lo que el uso de Fresnel está especialmente indicado.

El análisis económico, realizado en base a simulaciones anuales, muestra que puede existir una configuración óptima, dependiendo del salto térmico del fluido de trabajo en el campo solar. Se extrae también como conclusión que a temperaturas bajas (entre 50ºC y 150ºC, aproximadamente), el óptimo económico es el lazo no híbrido de tubos no-evacuados; de igual manera, a temperaturas altas (a partir de 300ºC), compensa económicamente trabajar con tubos evacuados. Todos estos resultados dependen del escenario económico que se considere.

 REFERENCIAS

 Abbas R., Montes M.J., Piera M. and Martínez-Val J.M. (2012). Solar radiation concentration features in Linear Fresnel Reflector arrays. Energy Convers. and Manag. 54 (1):133-44.

Database for applications of solar heat integration in industrial processes (2018) http://ship‑plants.info/

Farjana S.H., Huda N., Mahmud M.A.P., Saidur R. (2018). Solar process heat in industrial systems – A global review. Renew. and sustainable Energy Reviews 82, 2270-2286.

Industrial-Solar (2019) https://www.industrial-solar.de/

Montes M.J., Abbas R., Muñoz M., Muñoz-Antón J., Martínez-Val J.M. (2017a). Advances in the linear Fresnel single-tube receivers: Hybrid loops with non-evacuated and evacuated receivers. Energy Convers. and Manag. 149, 318–333.

Morin G., Dersch J., Platzer W., Eck M., Häberle A. (2012). Comparison of linear Fresnel and parabolic trough collector power plants. Sol. Energy 86, 1-12.

Contacto

María José Montes Pita, Responsable de la Universidad Nacional de Educación a Distancia. Grupo UNED-STEM del Programa ACES2030-CM mjmontes@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Grupo IMDEAE-UAPAT de IMDEA Energía.

Autora: A. Serano-Lotina

El proyecto de divulgación ¡Qué invento, la Ciencia! está enmarcado dentro de la II Convocatoria de “Cuenta la Ciencia” de la Fundación General  CSIC y se plantea con el fin de dar a conocer de una manera práctica, lúdica y divertida, la importancia que tiene la investigación, la ciencia y el trabajo de los científicos en el desarrollo de nuestra sociedad. En este proyecto se han diseñado actividades orientadas a despertar las vocaciones científicas de los estudiantes desde las edades más tempranas.

El pasado junio se realizaron diversas actividades en institutos madrileños que impartieron investigadores del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC) y de la UNED en colaboración con la asociación ColArte en Madrid. Uno de los talleres impartido se basó en investigar sobre la relación de la química con el sentido del olfato utilizando el método científico (“Esto me huele a ciencia”). Los alumnos también tuvieron la oportunidad de estudiar reacciones de polimerización, ejemplificadas por la esferificación que es una técnica culinaria que permite la encapsulación de líquidos, quedando con texturas de gelatina (“Cómete la ciencia, ñam ñam”). En otra de las actividades se explicó el ejemplo del uso de zeolitas en Etiopía para eliminar el exceso de flúor y evitar graves problemas de salud (“Zeolitas, flúor y Etiopía”). La actividad “La Química a través del espejo” permitió dar a conocer la quiralidad y el funcionamiento asimétrico de los seres vivos mediante la realización de ejercicios prácticos con espejos, modelos moleculares sencillos y trucos con cuerdas. En el taller “¡Qué dulce es la Química!” se prepararon gominolas, acercando a los alumnos a los procesos químicos involucrados, de una forma lúdica y muy dulce.

Hasta el momento han participado 300 alumnos de los Institutos Santamarca y Cardenal Cisneros de Madrid y está previsto que el próximo curso se desarrollen actividades científicas en el Instituto Menéndez Pelayo de Getafe. La experiencia ha sido un éxito y ha resultado muy enriquecedora tanto para los jóvenes participantes como para los científicos.

Contacto: Ana Serano-Lotina . Miembro de grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM de la Comunidad de Madrid pavila@icp.csic.es.

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero Álvarez de IMDEA Energía.

Autor: Pedro Ávila García

El pasado mes de junio de 2019 se ha celebrado en Córdoba la Reunión Bienal de la Sociedad Española de Catálisis (SECAT).

Entre los días 24 a 26 se celebró el congreso, con el título: “CATÁLISIS PARA EL FUTURO: Avances en Estructuras, Procesos y Aplicaciones”. La SECAT’19 ha contado con más de 300 asistentes y se han presentado un total de 264 comunicaciones, de las cuales 116 fueron orales, 29 flash oral y 119 póster. Se presentaron además 4 conferencias plenarias:

PL.1 José Manuel López Nieto (ITQ, Valencia) “Óxidos metálicos multifuncionales con estructura tipo bronce y sus aplicaciones catalíticas”

PL.2 Bert F. Sels (KU Leuven, Bélgica) Integration of heterogeneous catalysis in biorefinery and biomass conversion.

PL.3 Regina Palkovits (RWTH Aachen University, Alemania) “Solid catalyst desing for closed CO₂ cycles”

PL.4 Juana Frontela (Centro de Investigación CEPSA, España). “Retos y oportunidades de la catálisis aplicada a la industria del petróleo”.

Y dos keynote, correspondientes a los premios SECAT a las mejores tesis presentadas en España sobre catálisis en los años 2017 y 2018.

K.1 Transformación catalítica de la glicerina, subproducto en la obtención de biodiésel, en productos de interés en química fina e industrial. Rafael Estévez Toledano.

K.2 Síntesis de materiales híbridos metal-orgánicos estructurados a partir de unidades unidimensionales. Estudio de sus propiedades y aplicaciones. José María Moreno Rodríguez.

La temática de las comunicaciones presentadas al congreso ha estado relacionada con las siguientes áreas:

-Avance en Estructuras y Arquitecturas de Catalizadores

-Procesos Petroquímicos Sostenibles

-Procesos de Química Fina catalizados

-Catálisis del C1

-Catálisis y Energía

-Catálisis Medioambiental

-Valorización de Residuos

-Fotocatálisis; Biocatálisis; Electrocatálisis y Catálisis Homogénea-Heterogeneizada

A continuación, los días 27 y 28 de Junio, en el Colegio Mayor de la Asunción, se ha dictado un curso con el título “Avances en catálisis orgánica”, con el siguiente programa:

1 Estrategias catalíticas para aplicaciones energéticas y ambientales, Mª Ángeles Larrubia, Universidad de Málaga.

2  Nuevos desarrollos en la síntesis de óxidos mixtos basados en ceria y sus aplicaciones en protección ambiental y en la combustión catalítica de compuestos orgánicos, Avelina García, Universidad de Alicante.

3  Acid formic as energetic vector, Miguel Ángel Centeno, Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (CSIC).

4  Aproximaciones para la caracterización de nanopartículas en catálisis, Miguel Ángel Cauqui, Universidad de Cádiz.

5  Materiales híbridos: síntesis, caracterización y aplicaciones, Mª Dolores Esquivel Merino, Universidad de Córdoba.

6  Catálisis para un futuro más sostenible: conversión de biomasa, Rafael Luque Álvarez de Sotomayor, Universidad de Córdoba.

7   Hidrogenación selectiva de compuestos carbonílicos α,β insaturados mediante economía de hidrógeno. Alberto Marinas Aramendía, Universidad de Córdoba.

8  Breve guía de buenas prácticas para obtener una buena isoterma de adsorción por el método estático volumétrico. David Otero, Bonsai Technologies.

Contacto: Pedro Ávila García . Jefe de grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM de la Comunidad de Madrid pavila@icp.csic.es.

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero Álvarez de IMDEA Energía.

Una nueva iniciativa de investigación a gran escala para Horizonte Europa

Autor:  Víctor A. De la Peña O´Shea.

El proyecto europeo SUNRISE: “Energía solar para una economía circular” es una de las seis Acciones de Coordinación y Apoyo (CSA) seleccionadas en la convocatoria FETFLAG-01-2018 dentro del programa marco de investigación e innovación de la Unión Europea Horizonte 2020 para su financiación con 1 millón de euros, con el objetivo de sentar las bases de una próxima iniciativa de investigación a gran escala para conseguir una alternativa sostenible al sistema energético actual basado en combustibles fósiles, mediante la conversión y almacenamiento de energía solar en combustibles y productos químicos básicos.

Con su enfoque en la producción de combustibles y productos químicos basada en la conversión de energía solar y materias primas ampliamente disponibles, como el dióxido de carbono (CO₂), el agua (H₂O) y el nitrógeno (N₂) consiguiendo un ciclo de CO₂ sostenible, pretende una disminución de la concentración de CO₂ en la atmósfera y la estabilidad climática, apuntando también a un uso sostenible de la tierra y los recursos naturales, facilitando la transición a una economía circular y una sociedad neutral en emisiones de carbono.

 SUNRISE propone tres estrategias científico-técnicas: i) Conversión electroquímica con fuentes de energía renovable; (ii) Conversión directa a través de sistemas foto-electroquímicos; (iii) Conversión directa a través de sistemas biológicos y bio-híbridos. Estas estrategias serán implementadas utilizando para el diseño de materiales innovadores, metodologías de computación de alto rendimiento, biomímica avanzada y biología sintética.

“El objetivo de SUNRISE es cambiar la forma en que se producen los combustibles. Pretende proporcionar productos químicos y de valor añadido a una economía circular basada en la abundante energía solar y los gases atmosféricos, con un alto rendimiento. En un futuro no muy lejano, existirá una cartera de tecnologías SUNRISE que impulsarán nuevas industrias con ciclos de carbono neutros en ciudades inteligentes que irán más allá de lo que nos podemos imaginar ahora mismo.” – Prof. Huub de Groot, coordinador de SUNRISE.

El Prof. Huub de Groot de la Universidad de Leiden (Países Bajos) coordina SUNRISE, formado por un consorcio multidisciplinario de 20 socios de 13 países europeos, incluyendo: siete universidades (Universidad de Leiden, Universidad de Uppsala, Imperial College London, Universidad de Turku, Universidad de Varsovia, Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología y Universidad de Lovaina); ocho centros de investigación (Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA), Consejo Nacional de Investigación Italiano (CNR), Laboratorios Federales Suizos para la Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa), Instituto IMDEA Energía, Fraunhofer-Gesellschaft Jülich, J. Heyrovský Instituto de Química-Física e Instituto Catalán de Investigación Química); dos asociaciones europeas (Alianza Europea de Investigación en Energía, EERA; Iniciativa de Investigación Industrial de Materiales Energéticos, EMIRI); y tres empresas (Siemens AG, Johnson Matthey y ENGIE). Además, en la actualidad el proyecto cuenta con más de 200 apoyos de ámbitos tanto científicos, como académicos o empresariales, incluyendo también organizaciones sin ánimo de lucro, con el objetivo final de luchar contra el cambio climático hacia un modelo de sociedad sostenible energética y medioambientalmente.

IMDEA Energía y el ICIQ son los centros que representan a la comunidad científica y empresarial de España en este proyecto. Iniciativas similares relacionadas con la producción de combustibles solares por fotosíntesis artificial como Foto-ART-CM, RAPhUEL, Art-LEAF y HyMAP (ERC-CoG), entre otras están siendo lideradas por estos centros tanto a nivel regional, nacional como internacional. Cabe destacar que Víctor A. de la Peña O’Shea, a su vez coordina la red española de combustibles solares (FOTOFUEL).

El primer gran evento de SUNRISE tuvo lugar durante la Semana Europea de la Energía Sostenible celebrada en Bélgica del 15 al 22 de junio. El 20 de junio el coordinador de la iniciativa SUNRISE, participó en la sesión del panel ‘Almacenamiento de energía para impulsar la descarbonización y la competitividad de la UE’, junto con representantes de las iniciativas de investigación europeas Battery2030+ y Energy-X, afirmando que existe un potencial de mercado en una escala de cientos de miles de millones de euros anuales, en la conversión de energía solar en combustible.

 Contacto:

España: Víctor A. De la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía, representante nacional del proyecto SUNRISE. victor.delapenya@imdea.org — +34 917 37 11 58

 Más información:            https://sunriseaction.com

                                              https://bit.ly/2RsOGge

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 816336.

Autores: Jesús Gómez Hernández y Domingo Santana.

Actualmente, las plantas termosolares de concentración de potencia con almacenamiento térmico son una de las tecnologías renovables más prometedoras para abastecer la creciente demanda de electricidad y de calor de proceso en muchas aplicaciones industriales. Sin embargo, esta tecnología se enfrenta a un desafiante escenario de altos costes comparada con las tecnologías convencionales basadas en combustibles fósiles. Por tanto, es necesario implementar nuevos desarrollos en la tecnología termosolar que permitan transformar el sistema energético de forma renovable, no contaminante y económicamente viable.

El concepto

El proyecto plantea diseñar una nueva disposición de heliostatos y un nuevo receptor solar en el que se utilicen partículas para almacenar la energía solar.  La novedad del diseño radica en que el nuevo receptor se instala al nivel del suelo, haciendo posible el empleo de partículas, que son pesadas y difíciles de transportar, como medio caloportador de la energía solar. Al instalar el receptor en el suelo, se ha de recibir la radiación desde la parte superior. Por tanto, se diseña un sistema de reflexión secundario “Beam-down” lineal, tal y como esquematiza la figura.

Así, el nuevo campo de heliostatos está formado por varias líneas de heliostatos Fresnel que dirigen la radiación hacia el reflector secundario “Beam-down”. Este espejo sigue la forma de una hipérbola, ya que esta geometría tiene la propiedad de que cualquier rayo dirigido al primer foco sea redirigido hacia el segundo foco, en donde se localiza el receptor solar. Por tanto, los rayos solares se impactan verticalmente sobre el receptor solar.

Del concepto a la aplicación

Este prometedor diseño permite el empleo de receptores pesados, ya que se instalan sobre el suelo. Así, es posible aplicar este diseño a:

- La generación de electricidad.

Se puede utilizar partículas, por ejemplo de arena, como fluido caloportador (HTF) en nuevos receptores de partículas absorbiendo la energía solar concentrada a altas temperaturas, con el potencial de llegar a temperaturas de 800-1000ºC debido a la alta estabilidad térmica de las partículas y a su alto punto de fusión. Este calor almacenado en las partículas se puede utilizar para generar vapor en un intercambiador de calor y mover una turbina de vapor, generando electricidad con un ciclo de potencia Rankine. Detalles de este diseño se pueden encontrar en https://youtu.be/xEZ2NB1V3Gc.

- Secado de minerales.

La industria minera consume ingentes cantidades de recursos energéticos para extraer y tratar las materias primas. Uno de los procesos térmicos más comunes es el secado de las minerales granulados, como por ejemplo: arcillas, sepiolita, arena, feldespato o bentonita. Así, los materiales se transportarían y secarían dentro del receptor solar mientras son directamente irradiados con la energía solar concentrada desde el reflector secundario.

Potencial impacto

El proyecto plantea desarrollar una nueva tecnología capaz de:

- Alcanzar altas temperaturas (800-1000ºC) en el fluido caloportador de las centrales termosolares mediante el uso de partículas, lo que implica un mayor rendimiento energético en la planta de generación eléctrica.

- Disminuir el impacto energético de la industria minera, sustituyendo los actuales hornos secadores que utilizan gas natural y emiten grandes cantidades de CO2, por una solución renovable y no perjudicial para el calentamiento global.

Datos del proyecto

ACES2030-CM es un proyecto con una duración de cuatro años que recibe financiación de los Fondos Estructurales de la Unión Europea a través de la Comunidad de Madrid. Además, esta propuesta cuenta con el apoyo de la Fundación Iberdrola a través del programa de becas “Ayudas para la investigación 2019”.

Domingo J. Santana, Responsable de la Universidad Carlos III de Madrid. Grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM dsantana@ing.uc3m.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Grupo IMDEAE-UAPAT de IMDEA Energía.

Recientemente se ha obtenido un nuevo hito en la fotosíntesis artificial, que ha alcanzado una eficiencia energética sostenida del 1% en la producción de metano y de etano.

Autores: Juan M. Coronado y Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

A pesar del papel cada vez más relevante de otros sistemas alternativos de automoción, como los vehículos eléctricos, el uso de combustibles fósiles constituye todavía la base fundamental de nuestro sistema de transporte. Esto es así, entre otras razones, porque los hidrocarburos son ricos en energía (por ejemplo, la gasolina presenta una densidad energética de 45.7 MJ/kg), razonablemente seguros, fáciles de almacenar y transportar y, a pesar de lo que podamos pensar cuando llenamos nuestro depósito, relativamente baratos.  Actualmente, según los datos de la Agencia de International de la Energía (IEA), el consumo total del petróleo en todo el mundo es de aproximadamente 93 millones de barriles por día (equivalente a 15,000 millones litros diarios). Sin embargo, es de sobra conocido que la combustión de hidrocarburos genera cantidades masivas de CO₂ que se acumula en la atmósfera. Este gas, cuya concentración en el aire ha alcanzado recientemente las 410 ppm, es el principal responsable del cambio climático que ya nos está afectando. Las consecuencias negativas de esta modificación de la composición atmosférica están bien documentadas, y existe un importante consenso internacional, plasmado en acuerdos como el de París de 2015, para limitar y, en a la medida de lo posible, revertir sus efectos. Mantener el planeta en condiciones climáticas estables requerirá conseguir en el año 2030 una disminución en las emisiones globales de CO₂ de un 45% respecto a los niveles de 2010. Este ambicioso objetivo precisa del desarrollo de tecnologías radicalmente diferentes, que puedan contribuir a paliar nuestra dependencia del petróleo.

De entre los procesos que se están investigando actualmente, una de las vías más atractivas para la producción de combustibles sostenibles es empleo de luz solar para reciclar el CO₂, combinarlo con agua, y convertirlo en combustibles basados en hidrocarburos. Siguiendo esta ruta de transformación sería posible limitar casi totalmente las emisiones de gases de efecto invernadero, sin renunciar a utilizar combustibles basados en hidrocarburos, y plenamente compatibles con la actual infraestructura de distribución, pero obtenidos de forma sostenible. Sin embargo, aunque este concepto es muy atractivo, este proceso, a menudo denominado fotosíntesis artificial, no es todavía viable debido a las reducidas eficiencias de la fotoconversion de CO₂. Aunque se han investigado una gran variedad de semiconductores para determinar su capacidad para promover la fotorreducción de CO₂ bajo la luz solar, la producción global de hidrocarburos, fundamentalmente metano, no ha superado la producción de unos pocos microgramos por gramo catalizador y hora de reacción. Obviamente esto valores son muy insuficientes para obtener las cantidades masivas de combustibles que requiere nuestra sociedad. En términos energéticos, las eficiencias de la conversión de luz solar en combustibles que se han obtenido en la mayoría de los trabajos son muy inferiores al 0.1%.

No obstante, el enorme potencial de la fotosíntesis artificial está promoviendo de forma muy activa la investigación en esta área, con el fin de lograr producciones de hidrocarburos mucho más atractivas. Una de las vías para conseguir esta mejora es aumentar nuestra comprensión de los mecanismos a escala atómica de estas reacciones, para facilitar el diseño de nuevos catalizadores más activos.¹ En este sentido, una colaboración reciente entre grupos de investigación de Corea, Japón y Estados Unidos ha permitido alcanzar un nuevo record en la producción de metano y cantidades menores de etano, a partir de CO₂ y H₂O empleado un fotocatalizador de TiO₂ reducido y utilizando con nanopartículas de Cu y Pt espacialmente separadas como co-catalizadores.² Con este material se han obtenido un rendimiento energético del 1%, que supone un incremento de más de un orden de magnitud respecto a resultados anteriores. Además, el sistema ha demostrado una estabilidad notable, siendo capaz de mantener la actividad durante al menos 5 ciclos de irradiación sucesivos de 12 h sin mostrar signos de desactivación. Estos resultados prometedores refuerzan el interés de esta ruta como futura alternativa para la producción de combustibles obtenidos mediante la reutilización del CO₂ y energía solar.

Bibliografía

1. L. Collado, A. Reynal, F. Fresno, M. Barawi, C. Escudero, V. Perez-Dieste, J. M. Coronado, D. P. Serrano, J. R. Durrant, V. A. de la Peña O’Shea. Unravelling the effect of charge dynamics at the plasmonic metal/semiconductor interface for CO₂ photoreduction. Nature Comm. volume 9, Article number: 4986 (2018)https://www.nature.com/articles/s41467-018-07397-2.pdf
2. S. Sorcar, Y. Hwang, J. Lee, H. Kim, K. M. Grimes, C. A. Grimes, J-W Jung, C-H Cho, T. Majima, M. R. Hoffmannd, S-I In, CO2, water, and sunlight to hydrocarbon fuels: a sustained sunlight to fuel (Joule-to-Joule) photoconversion efficiency of 1%. Energy Environ. Sci. (2019) . en prensa. DOI: 10.1039/c9ee00734b

Autores: Carlos Sánchez Sánchez y José Ángel Martín Gago. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

La complejidad del cosmos es inmensa. Pese a los siglos de investigaciones, es muy poco lo que se conoce sobre la composición química del universo. Estudios y observaciones realizados sobre diferentes cuerpos celestes tales como cometas, meteoritos y estrellas han demostrado la presencia de una rica variedad de compuestos de base orgánica, desde hidrocarburos alifáticos a compuestos aromáticos, pasando incluso por moléculas biológicas simples como aminoácidos. La gran pregunta que subyace a estos descubrimientos es: ¿cómo han podido surgir estos compuestos en el espacio a partir de moléculas simples?

El grupo ESISNA del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), en colaboración con el grupo Nanotech@surfaces del Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa, Suiza) ha propuesto un nuevo mecanismo que podría explicar la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) complejos a partir de otros más simples gracias a las propiedades catalíticas que posee el hidrógeno atómico, de gran presencia en nubes de polvo o zonas de formación de planetas.

Concretamente, el estudio, recientemente publicado en la prestigiosa revista Journal of the American Chemical Society (JACS), demuestra, mediante un enfoque multitécnica que combina experimentos y teoría, que es posible hacer reaccionar diversos PAHs tales como pentaceno y perileno en presencia de hidrógeno atómico para formar compuestos más complejos tales como nanografenos. En este mecanismo, el papel del hidrógeno es clave ya que es capaz de reducir sustancialmente la barrera de acoplamiento gracias a la formación de una especie radicalaria intermedia como consecuencia de la superhidrogenación de las moléculas que intervienen en la reacción.

 El nuevo mecanismo propuesto en este estudio liderado por el grupo ESISNA abre tanto una nueva vía de síntesis sobre superficies poco reactivas como a la posible formación de la complejidad química encontrada en el espacio.

Esquema de la reacción y productos obtenidos a partir de pentaceno y perileno

Jose Ángel Martín Gago, Responsable de Grupo ESSISNA del Programa FotoArt-CM. – gago@icmm.csic.es

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

Autor: Rocío Bayón, CIEMAT.

Grupo CIEMAT-ATYCOS. Programa ACES2030

Durante las últimas décadas, el almacenamiento térmico es un tema que ha suscitado un gran interés debido a que posibilita el aprovechamiento de la energía residual, aumenta la inercia térmica en edificios, además de hacer que algunas energías renovables sean gestionables. En cualquier sistema de almacenamiento, el factor más crítico es siempre el medio en el cual se almacena el calor. Dicho calor puede ser almacenado a través de tres mecanismos principalmente: mediante un cambio de temperatura (calor sensible), mediante un cambio de fase (calor latente) o mediante una reacción química (termoquímico). Para que un determinado material sea considerado como medio de almacenamiento, no solo debe tener unas propiedades termofísicas adecuadas en el rango de temperaturas de la aplicación sino que, además, dichas propiedades no tendrían que variar de forma significativa a lo largo de la vida de servicio del sistema. Por tanto, la estabilidad a largo plazo de los medios de almacenamiento térmico es una cuestión prioritaria que debería ser analizada en profundidad a la hora de desarrollar cualquier tipo de sistema de almacenamiento pues de ella depende que dicho sistema funcione de forma adecuada a lo largo de su vida útil.

Desde los años 80 han sido muchos los estudios que se han llevado a cabo sobre la estabilidad a largo plazo de medios de almacenamiento, especialmente dentro del campo de los materiales utilizados en almacenamiento de calor latente, también denominados PCMs por sus siglas  en inglés, “phase change materials”. Esto es debido a la gran cantidad de PCMs que en principio son adecuados para aplicaciones en un rango muy amplio de temperaturas (entre 0 °C y 800 °C). Estos materiales van desde las sales hidratadas y compuestos orgánicos -como alcoholes azucarados, parafinas, ácidos grasos, polímeros, etc.- para aplicaciones por debajo de 200 °C; hasta sales anhidras y metales para almacenamiento a temperaturas más altas. La mayoría de estos PCMs sufren transiciones sólido-líquido si bien algunos de ellos pueden almacenar calor latente mediante transiciones sólido-sólido o líquido-líquido.

A pesar de la gran cantidad de potenciales aplicaciones, la implantación comercial de los sistemas de almacenamiento en calor latente es difícil debido a la falta de PCMs validados. La mayoría de los estudios que se encuentran en la literatura cuyo objetivo es evaluar la fiabilidad de los PCMs como medios de almacenamiento de calor latente focalizan su atención en el ciclado térmico. Cuando se analizan dichos estudios, lo que se observa es una gran dispersión en las condiciones de ensayo, no solo en relación con el dispositivo experimental utilizado sino también con los intervalos de temperatura y, sobretodo, con el número de ciclos realizados. Por otro lado, en muchos de esos estudios, los ciclos térmicos son considerados como ensayos “acelerados”, por lo que los autores establecen correlaciones entre el número de ciclos y el tiempo de operación real sin ninguna justificación previa. Sin embargo, este tipo de ensayos no cumple con los requisitos de ensayos acelerados claramente establecidos en otras ramas de la ciencia y la tecnología para la validación de materiales utilizados en distintos tipos de aplicaciones. Por tanto los resultados de los ciclos térmicos no pueden ser extrapolados para predecir el funcionamiento de un PCM a largo plazo en condiciones reales de operación.

En Unidad de Almacenamiento Térmico y Combustibles Solares (ATYCOS) del CIEMAT creemos que este tipo confusiones ocurren porque a día de hoy no existe todavía un protocolo de ensayo específico para validar materiales de almacenamiento térmico, en general, ni para PCMs, en particular. Por eso, cada autor aplica su propio criterio, no solo para los procedimientos de ensayo sino para, a partir del número de ciclos, predecir el comportamiento de los materiales a largo plazo en condiciones reales. Así pues desde la Unidad ATYCOS del CIEMAT surge la iniciativa de desarrollar una metodología que permita la validación de medios de almacenamiento, centrando la atención en los materiales de cambio de fase o PCMs. El artículo científico que describe dicha metodología acaba de ser publicado como Open Access en el International Journal of Energy Research [1] y se puede descargar siguiendo el link correspondiente.

La metodología de validación desarrollada se muestra en la Figura 1 dentro del recuadro con línea discontinua. Esta metodología consiste en una serie de etapas que deberían conducir a la validación de un determinado PCM para una aplicación determinada. En ella se incluyen los distintos pasos que se deberían seguir para dicha validación, como son la caracterización del PCM, los ensayos preliminares de estabilidad y los ensayos acelerados. En el artículo se discuten, además, los ensayos que se podrían realizar en los distintos pasos así como conceptos claves de la metodología: propiedades de control, condiciones de servicio, factores de degradación y modelos de vida útil.

Es importante mencionar que la metodología propuesta en el artículo pretende ser una guía inicial que se pueda usar no sólo para validar PCMs sino también otro tipo de materiales para almacenamiento en calor sensible o termoquímico. En este sentido creemos que la metodología se puede convertir en una herramienta muy útil para toda la comunidad científica que trabaja en el campo del almacenamiento térmico y esperamos que sus miembros contribuyan al desarrollo de la misma.

De hecho, una de las actividades que se van a realizar dentro del Proyecto ACES2030, incluye el desarrollo y la aplicación de esta metodología para la validación de PCMs con temperaturas de cambio de fase en el rango de 200 °C-700 °C.

[1] Rocío Bayón and Esther Rojas, Development of a new methodology for validating thermal storage media. Application to Phase Change Materials. International Journal of Energy Research. Online version: https://doi.org/10.1002/er.4589

 Programa ACES2030 S2018/EMT-4319; Coordina IMDEA Energía