Energía y Sostenibilidad

Autor: Alejandro Martínez, IMDEA Energía

Los heliostatos son los concentradores solares que se emplean en las centrales solares de torre central. Se componen de uno o varios espejos, denominados facetas, anclados a una estructura que sigue al sol mediante un sistema de seguimiento de doble eje. Su objetivo es reflejar la radiación solar y dirigirla al receptor, situado en la parte más alta de la torre, para generar calor y producir, por ejemplo, electricidad. Uno de los principales problemas de este tipo de concentradores es la deriva o error de apunte dependiente del tiempo, lo que produce que la luz reflejada por el heliostato se desplace por el receptor a lo largo del día. La deriva influye negativamente en la eficiencia óptica del concentrador al producir perdidas por desbordamiento, por lo que su conocimiento y estudio resultan de gran interés para poder minimizar sus efectos adversos. Con dicho fin, la Unidad de Procesos de Alta Temperatura (UPAT) del Instituto IMDEA Energía ha desarrollado una nueva metodología que permite corregir la deriva.

La deriva se produce por desalineaciones en la estructura del heliostato, como que el pedestal no esté completamente vertical, que esté ligeramente rotado, que los dos ejes del sistema de seguimiento no sean perpendiculares, etc. La Fig. 1 muestra todas las desalineaciones posibles para un heliostato con sistema de seguimiento basado en alabeo-cabeceo. Tradicionalmente, la deriva se corrige sin conocer la causa que la produce. Para ello, la deriva es evaluada para después calcular las correcciones dependientes del tiempo que deben aplicarse a los motores capaces de corregirla. Esta forma de corrección obliga a evaluar la deriva con cierta periodicidad, ya que la deriva variará dependiendo de la posición del sol. Por el contrario, la metodología desarrollada por la UPAT se basa en la determinación de todas las desalineaciones de la estructura del heliostato para después resolver el sistema de ecuaciones del seguimiento solar teniéndolas en cuenta. Dado que las desalineaciones de la estructura no dependen del tiempo, tan solo es necesario determinarlas una vez.

Figura 1: Heliostato del campo solar de IMDEA Energía (izquierda) y esquema con las posibles desalineaciones de su estructura (centro y derecha)

Esta nueva metodología se divide en dos partes. La primera emplea el uso de un inclinómetro biaxial para determinar la posible falta de perpendicularidad de los ejes del sistema de seguimiento y la posible inclinación del pedestal. Con el inclinómetro se determinan además las relaciones ángulo-elongación de los motores. La segunda parte consiste en evaluar la deriva y obtener las desalineaciones de la estructura restantes que no se pueden determinar con el inclinómetro. La clave de esta metodología es dividir el problema en dos, ya que el número de parámetros a determinar es demasiado elevado para hacerlo solo mediante el análisis de la deriva. Esta metodología ha sido aplicada a 7 heliostatos del campo solar ubicado en el instituto IMDEA Energía, logrando corregir la deriva durante 8 horas tal y como se muestra en la Fig. 2.

Figura 2: Curvas de deriva de uno de los 7 heliostatos antes y después de corregirla. La imagen de la izquierda muestra la deriva sobre el receptor y la imagen de la derecha muestra sus dos componentes, horizontal y vertical, en función del tiempo

Los resultados de esta investigación han sido presentados en la pasada edición del congreso internacional SolarPACES 2021 y se enmarca en las actividades del programa de investigación ACES2030-CM y el proyecto europeo H2020 SFERA-III.

Referencias

Martínez-Hernández, A., Gonzalo, I. B., Romero, M., González-Aguilar, J. (2020). Drift analysis in tilt-roll heliostats. Solar Energy, 211, 1170-1183.

Martinez Hernandez, A., Conceição, R., Romero, M. Gonzalez-Aguilar, J. Heliostat Drift Correction by Parametrized Analysis, en SolarPACES2021 (online), contribución oral.

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Alejandro Martínez, Investigador del grupo IMDEAE-UPAT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

Autor: Ana Iglesias Juez. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

Investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad de Alcalá de Henares han desarrollado un nuevo tipo de recubrimientos para superficies de contacto que inactiva eficientemente el coronavirus SARS-CoV-2, causante de la covid-19, y evita la propagación y transmisión de agentes patógenos (tanto virus como bacterias) permitiendo entornos más seguros.

Esta barrera de contención se basa en el empleo de un material con acción biocida sobre las superficies. El nanomaterial, que ya ha sido protegido mediante patente, es utilizado como recubrimiento de diferentes superficies (superficies de trabajo, textiles, de instrumental, de tránsito…). Por tanto, la invención se enmarca en el sector de la salud y tiene su aplicación no sólo en el ámbito hospitalario y de la industria alimentaria para evitar infecciones, sino que también se puede extender a todos aquellos entornos con gran tránsito de personas, como guarderías y colegios, aeropuertos, gimnasios, instalaciones deportivas, restaurantes, hoteles, oficinas, estaciones de transporte masivo, edificios públicos, áreas comerciales y residenciales, cuyas superficies de contacto se convierten en focos de propagación de infecciones y enfermedades, por las condiciones de aglomeración, calor y humedad.

Estos recubrimientos incluyen un nanomaterial fotocatalítico que se activa en condiciones de iluminación y produce alto estrés oxidativo sobre la envoltura lipídica y las proteínas de la membrana del microorganismo, anulando su capacidad de infectar células o causando su muerte (en el caso de las bacterias). Además, las superficies permanecen libres de colonización bacteriana y de formación de biopelículas. Esto les confiere propiedades biocidas muy eficientes evitando la proliferación de microorganismos en las superficies y su consiguiente transmisión.

Figura 1. Inactivation results for CSIC patented material based on ZnO and BiVO4. Top: Colony Forming Units (CFU), S. aureus and E. coli aerosol. Bottom: Plaque-forming units (PFU), (A) HCoV-229E and (B) SARS-CoV-2. (Dark conditions: L (-). Daytime lighting conditions: L (+))

El material está constituido por nanopartículas de dos semiconductores: óxido de cinc y vanadato de bismuto. Ambos compuestos son muy estables, fáciles de sintetizar, de bajo coste y reducida toxicidad, siendo biocompatibles en contacto con la piel. Los recubrimientos son estables y resistentes a la abrasión y a los lavados sin perder su actividad ni liberar material.
La elevada eficacia viricida y bactericida se debe a la reducción efectiva de la recombinación de pares de electrones-hueco fotogenerados y se correlaciona con una mayor generación de radicales HO• (especies ROS). Estas especies ROS fotogeneradas son las causantes del daño en la membrana celular y producen un alto estrés oxidativo intracelular en las bacterias.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) insiste en que se deben tomar acciones preventivas contra los microorganismos patógenos. Los productos biocidas deben servir para destruir o suprimir la propagación de bacterias, virus y hongos en objetos y superficies inanimados. Además, la legislación europea exige el desarrollo de productos más eficientes con aditivos más ecológicos y con baja o nula toxicidad para el ser humano. Todo ello hace que los recubrimientos desarrollados presenten un gran potencial de implementación en el mercado.

Referencia: ES1641.1595. Ana Iglesias Juez, Belén Bachiller Baeza, Eva Castillejos López, Fernando Fresno García, Ángela Vázquez Calvo, Antonio Alcamí Pertejo, Laura Valenzuela, Roberto Rosal García.

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Ana Iglesias Juez, Investigadora del grupo FCF del programa FotoArt-CM.

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

Autor: Rocío Bayón, CIEMAT

El próximo 1 de noviembre de 2021 arrancará el proyecto STORIES (Storage Research Infrastructure Ecosystem) que durará 4 años y estará financiado por el Programa Europeo Horizon 2020 dentro de la convocatoria H2020-LC-GD-2020 (Building a low-carbon, climate resilient future: Research and innovation in support of the European Green Deal).

Su principal objetivo es iniciar y mantener a largo plazo un esfuerzo coordinado de investigación entre compañías privadas e instituciones de investigación con experiencia común en tecnologías de almacenamiento de energía (AE) con el fin de identificar y promover formas de escalar dichas tecnologías dentro de la Unión Europea. En este sentido, el Proyecto STORIES pretende alcanzar seis objetivos bien definidos:

1. Promover un ecosistema europeo formado por la industria y los centros de investigación en tecnologías de almacenamiento híbrido.
2. Proporcionar acceso a materiales e infraestructuras de talla mundial relacionadas con el AE.
3. Extender y avanzar la integración de la comunidad europea del AE.
4. Mejorar la innovación involucrando a expertos industriales.
5. Asegurar la sostenibilidad de la investigación en AE a largo plazo.
6. Establecer una organización de referencia europea para promover y coordinar la cooperación internacional en investigación sobre AE desde y hacia Europa.

Para conseguir estos objetivos el proyecto STORIES cuenta con una financiación total de 7 M€ y la participación de 16 instituciones como socios de un núcleo central y otras 23 organizaciones que constituyen lo que se denomina una red extendida. El CIEMAT es uno de los 16 socios de dicho núcleo central y participa en el proyecto a través de cinco Unidades de Investigación: cuatro del Departamento de Energía (Almacenamiento Térmico de Energía (IP del CIEMAT), Análisis de Sistemas Energéticos, Energía Solar Fotovoltaica y Valorización Termoquímica Sostenible) y una del Departamento de Tecnología (Sistemas Eléctricos de Potencia).

Uno de los principales alicientes de este proyecto es que va a permitir el acceso a usuarios tanto de mundo académico como de la industria a un total de 58 instalaciones singulares de talla mundial y 6 servicios virtuales pertenecientes a un total de 39 instituciones. Dicho acceso lleva asociado un proceso selectivo previo en el que se evaluará, no sólo la actividad propuesta por los aspirantes sino también, la capacidad de la instalación correspondiente para cumplir con los requisitos técnicos demandados para realizar dicha actividad. En este sentido el CIEMAT participa con tres instalaciones singulares:

• MOSA (https://www.eera-energystorage.eu/stories/stories-research-infrastructures.html?id=338)
• HESINT (https://www.eera-energystorage.eu/stories/stories-research-infrastructures.html?id=339)
• HYCEES (https://www.eera-energystorage.eu/stories/stories-research-infrastructures.html?id=340)

Además del acceso a instalaciones singulares, el proyecto STORIES consta de otros paquetes de trabajo donde se van a desarrollar actividades de I+D relacionadas con el AE en toda la cadena de valor: desde el punto de vista de materiales y medios de almacenamiento, modelizado de sistemas de almacenamiento híbridos así como la evaluación de la sostenibilidad de dichos sistemas a lo largo de todo su proceso de implementación. Finalmente, otra parte importante del proyecto se ocupa de actividades de formación y movilidad internacional principalmente de estudiantes y jóvenes investigadores así como de la diseminación y explotación de los resultados obtenidos.

Para más información sobre el proyecto STORIES visitar el siguiente enlace:

https://www.eera-energystorage.eu/stories.html

Contacto

Rocío Bayón, Investigadora del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

Autores: Alejandro Pérez, María Orfila, María Linares, Raúl Molina, Raúl Sanz, Javier Marugán, Juan Ángel Botas

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos

C/ Tulipán, s/n, 28933, Móstoles, Madrid

Entre los días 22 y 24 de julio se celebró en Aveiro (Portugal) la decimoséptima edición las conferencias Advanced Nano Materials (ANM2021), que contaron con un total de 240 contribuciones de muy diversa índole (desde nanomateriales para aplicaciones energéticas hasta tecnologías de fabricación y aplicación de OLEDs -Organic Light Emitting Diodes-). Estas conferencias se celebran anualmente y engloban a participantes de 8 congresos diferentes, que se dieron cita esos días en la ciudad portuguesa:

• 17^th International conference on Advanced Nanomaterials
• 10^th International conference on Advanced Graphene Materials
• 9^th International conference on Hydrogen Energy
• 7^th International conference on Advanced Energy Materials
• 6^th International conference on Advanced Magnetic and Spintronics Materials
• 4^th International conference on Advanced Polymer Materials and Nanocomposites
• 5^th International conference on Solar Energy Materials
• 3^rd International conference on Organic Light Emitting Diodes

Uno de los principales focos de atención del ANM2021 ha sido el hidrógeno, albergando la novena conferencia internacional sobre energía relacionada con el hidrógeno. Es de sobra conocido que el hidrógeno, si bien es un interesante candidato como vector energético limpio y renovable conocido por muchos como el combustible del futuro, necesita una producción sostenible a partir de fuentes de energía y materias primas renovables para convertir esta potencial alternativa en realidad. La conferencia sobre energía relacionada con el hidrógeno contó con contribuciones de temática muy variada, focalizándose en alternativas tecnológicas para la obtención de hidrógeno verde como la electrolisis con energía eléctrica obtenida a partir de dispositivos fotovoltaicos, producción de hidrógeno a partir de foto-reformado de glucosa, teniendo cabida nuevos materiales para la intensificación y optimización de procesos de producción de hidrógeno bien establecidos como el reformado de metano, introduciendo nuevos sistemas de almacenamiento en materiales grafénicos, o proponiendo nuevos materiales para la optimización de pilas de combustible para diferentes tipos de aplicaciones móviles (Tabla 1). En total hubo 35 contribuciones relacionadas con el hidrógeno suponiendo un 20 % del total de contribuciones del congreso ANM2021 lo que demuestra la gran relevancia actual de esta temática. Los resúmenes de las comunicaciones presentadas se encuentran disponibles actualmente en abierto en la página del congreso: https://www.advanced-nanomaterials-conference.com/program/.

Tabla 1. Comunicaciones presentadas al 9^th International conference on Hydrogen Energy.

El Grupo de investigación en Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) de la Universidad Rey Juan Carlos, formado por investigadores de los Departamentos de Tecnología Química y Ambiental y Tecnología Química, Energética y Mecánica, participó en esta sesión con una ponencia titulada “Study of the cyclability behaviour of La_0.8Sr_0.2CoO_3±δ for hydrogen production by thermochemical water splitting”. Esta investigación ha sido financiada por la Comunidad de Madrid y la Universidad Rey Juan Carlos mediante el Programa de Actividades de I+D ACES2030-CM “Energía solar térmica de concentración en el sector del transporte y en la producción de calor y de electricidad” (liderado por la Fundación IMDEA Energía y en el que, además del GIQA, también participan grupos de investigación de la Universidad Nacional de Educación a Distancia, la Universidad Carlos III de Madrid, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, la Universidad Politécnica de Madrid, y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) y el Proyecto de Investigación SOLTOCOMB “Desarrollo de materiales conformados para la conversión de CO₂ y H₂O en combustibles solares empleando energía solar térmica de concentración” ejecutado por investigadores del GIQA.

En la ponencia oral, se expusieron algunos de los resultados más relevantes obtenidos por el GIQA en la producción de hidrógeno solar mediante ciclos termoquímicos basados en materiales perovskita tipo ABO₃. Este proceso consiste en utilizar la energía solar térmica de concentración para provocar la reducción térmica de la perovskita, que a continuación reacciona con agua para reoxidarse y producir el hidrógeno. En este estudio se ha conseguido una producción de 16 STP cm³/g_perovskita, valor superior a lo obtenido en estudios anteriores, pero lo más destacable es que la reducción térmica se lleva a cabo a 1000 °C, una temperatura muy inferior a la mostrada en bibliografía por otros materiales (~1400 ºC) y compatible con la tecnología solar térmica de concentración actual. En este trabajo se estudió la ciclabilidad de estos materiales (Figura 1) mostrando elevada estabilidad en los valores de hidrógeno producido cuando la reducción térmica se lleva a cabo a 1000 ºC. Adicionalmente se presentó por primera vez un estudio de la evaluación energética del proceso completo con eficiencias en la conversión de energía solar a combustible de un 50 % y de hasta un 65 % cuando hay una integración energética entre las corrientes que intervienen en el proceso.

Figura 1. Ciclabilidad de los materiales operando con temperaturas de reducción de 1400 ºC y 1000 ºC.

Los investigadores del GIQA seguirán trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para la obtención de hidrógeno y otros combustibles solares basándose en ciclos termoquímicos activados con energía solar, en línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible y la Agenda 2030, ya que gracias a esta metodología se consigue obtener hidrógeno de forma limpia (el único residuo es oxígeno), contribuyendo al objetivo global de sostenibilidad energética futura y los objetivos del Horizonte 2030.

 Contacto

 Juan Ángel Botas, Investigador Responsable del grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.

 Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

Autor: Ángel Martínez Rodríguez. Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La viabilidad de la producción de hidrógeno como fuente de energía sostenible con el fin de satisfacer la gran demanda energética mundial, es actualmente un reto. Existen varias técnicas para producir hidrógeno, tanto maduras como en desarrollo. La elección del método de producción de hidrógeno tendrá un alto impacto en la sostenibilidad de la economía del hidrógeno. Un aspecto importante para la determinar la viabilidad de un proceso industrial es el cálculo de las eficiencias energética y exérgetica, así como su integración global en la economía circular. Diferentes programas informáticos (DWSIM y MATLAB) junto con condiciones ya referenciadas, se han utilizado para llevar a cabo análisis teóricos de energía y exergía para estimar la producción de hidrógeno. El análisis consolida al reformado de metano o al reformado autotérmico como las tecnologías viables en el estado actual de la técnica, con eficiencias energéticas y exergéticas razonables, pero pendientes del impacto de las restricciones medioambientales como contramedidas a las emisiones de CO₂. Sin embargo, el cracking de gas natural o la electrólisis muestran resultados muy prometedores, y se debe avanzar en su madurez tecnológica y de escalado. La electrólisis muestra una muy buena eficiencia exergética debido a que la electricidad en sí misma es una alta fuente de exergía. Las pérdidas de exergía de la pirólisis son principalmente derivadas del carbón sólido formado, lo que tiene un potencial de integración muy alto en la economía del hidrógeno.

Abstract

The study of the viability of hydrogen production as a sustainable energy source is a current challenge, to satisfy the great world energy demand. There are several techniques to produce hydrogen, either mature or under development. The election of the hydrogen production method will have a high impact into the practical sustainability of the hydrogen economy. An important profile for the viability of a process is the calculation of energy and exergy efficiencies, as well as their overall integration into the circular economy. To carry out theoretically energy and exergy analyses we have estimated proposed hydrogen production using different software (DWSIM and MATLAB) and reference conditions. The analysis consolidates methane reforming or auto-thermal reforming as the viable technologies at the present state of the art, with reasonable energy and exergy efficiencies, but pending on the impact of environmental constraints as CO2 emission countermeasures. However, natural gas or electrolysis show very promising results, and should be advanced in their technological and scaling maturity. Electrolysis shows a very good exergy efficiency due to the fact that electricity itself is a high exergy source. Pyrolysis exergy loses are mostly in the form of solid carbon material, what has a very high integration potential into the hydrogen economy.

Artículo de difusión

El rol del hidrógeno en la transición energética es de gran relevancia al ser considerado un vector alternativo para el almacenamiento de energía y presentar la posibilidad de usarse como combustible. La cantidad de energía producida por la combustión del hidrógeno es mayor que la producida por cualquier otro combustible (2,4, 2,8 y 4 veces más que el metano, la gasolina y el carbón, respectivamente)[1]. El hidrógeno es el compuesto más simple y abundante del universo, sin embargo, no se encuentra en la naturaleza por sí mismo, normalmente está unido a moléculas de oxígeno o de carbono, por lo que debe obtenerse mediante diferentes metodologías.

En la actualidad, se utilizan una gran variedad de procesos de producción de hidrógeno, que pueden dividirse en métodos termoquímicos, que consisten en la obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos, y métodos relacionados con la electrólisis del agua. Algunas de las técnicas más maduras o prometedoras para su aplicación en el futuro se pueden centrar en: reformado de metano con vapor (SMR) [2], [3], oxidación parcial del metano (POM) [4], gasificación del carbón (CG) [5], reformado autotérmico del metano (ATM) [6], electrólisis del agua (WE) [7], gas natural pirólisis (NGP) [8] y reformado en seco del metano (DRM) [9], [10].

La comparativa de los diferentes métodos citados para la producción de hidrógeno desde el punto de vista energético y exergético sirve para evaluar sus limitaciones respecto a sus condiciones de implantación. La diferencia entre las eficiencias energética y exérgica es que la eficiencia energética o térmica utiliza únicamente la fuente de calor como energía de entrada y en el caso de la exergía utiliza la fuente de combustible como energía de entrada. En resumen, la eficiencia exergética siempre será relevante, y la eficiencia energética sólo lo será en los casos en los que la fuente de energía esté en forma de calor [11].

Los procesos se simularon con el simulador de procesos de código abierto DWSIM [11]. De estas simulaciones se obtuvieron los resultados mostrados en la Figura 1.

Figura 1: Comparación entre eficiencias energéticas y exergéticas.

El reformado de vapor de gas natural es la tecnología preferida en muchos proyectos ambiciosos de implantación de hidrógeno. Entre los métodos basados en combustibles fósiles disponibles a escala industrial, el reformado al vapor muestra la menor producción de CO₂ por producto de hidrógeno a un coste razonable del mismo. Hoy en día, es la opción preferida en combinación con la captura y secuestro de carbono (CCS) para proyectos a gran escala. Por el contrario, la electrólisis del agua es un método libre de CO₂ para la producción de hidrógeno, sin embargo, los requisitos energéticos de la hidrólisis son 4 veces superiores a los del reformado con vapor, lo que implica un proceso mucho más intensivo en energía, con una fuerte dependencia de la regulación y los costes del mercado de la electricidad renovable y una tensión mucho mayor sobre la capacidad de las instalaciones de energía renovable.

El análisis exergético muestra las menores eficiencias, tanto para el reformado seco de metano como para la gasificación del carbón, aunque sean procesos maduros. En particular, la gasificación del carbón presenta una mayor producción de CO₂, lo que implica que, a pesar de los aspectos económicos, parece estar en desventaja en su aplicación en la transición energética. El reformado en seco es un proceso que muestra una emisión neta de CO₂ similar a la del reformado con vapor, con la capacidad de reducir el CO₂ a CO en algún punto del proceso, lo que podría aumentar su interés en el contexto de la economía circular.

El impacto en la eficiencia energética de la integración global de las tecnologías de producción de hidrógeno con una producción significativa de CO₂ debe complementarse con la consideración de la captura y secuestro de carbono (CCS) para su implantación en un futuro sostenible. En este sentido, la electrólisis y la pirólisis de gas natural no se verán muy afectadas. Hay otras cuestiones que deberían analizarse para obtener una imagen completa, como las emisiones inducidas por las fugas de gas natural o el ciclo de vida de los componentes de los electrolizadores. Sin embargo, estas tecnologías tienen que enfrentarse al reto de poder alcanzar una capacidad muy alta de producción de hidrógeno. En particular, la pirólisis del gas natural debe avanzar en su madurez. La producción de carbono como subproducto principal y su plena integración en la economía circular aumentaría el interés de la pirólisis de metano, ya que requerirá mucha menos energía que la electrólisis con el resultado adicional de un material útil (carbón) para su posterior procesamiento.

Referencias

[1] G. Marbán and T. Valdés-Solís, “Towards the hydrogen economy?,” 2007. doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.12.017.

[2] S. A. Bhat and J. Sadhukhan, “Process intensification aspects for steam methane reforming: An overview,” AIChE J., vol. 55, no. 2, pp. 408–422, Feb. 2009, doi: 10.1002/aic.11687.

[3] W. Maqbool, S. J. Park, and E. S. Lee, “Steam methane reforming of natural gas with substantial carbon dioxide contents – Process optimization for gas-to-liquid applications,” in Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 548–549, pp. 316–320, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.548-549.316.

[4] P. Corbo and F. Migliardini, “Hydrogen production by catalytic partial oxidation of methane and propane on Ni and Pt catalysts,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 32, no. 1, pp. 55–66, Jan. 2007, doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.06.032.

[5] S. Lin, M. Harada, Y. Suzuki, and H. Hatano, “Hydrogen production from coal by separating carbon dioxide during gasification,” Fuel, vol. 81, no. 16, pp. 2079–2085, Nov. 2002, doi: 10.1016/S0016-2361(02)00187-4.

[6] J. De Castro, R. Rivera-Tinoco, and C. Bouallou, “Hydrogen production from natural gas: Auto-Thermal Reforming and CO 2 capture,” in Chemical Engineering Transactions, 2010, vol. 21, pp. 163–168, doi: 10.3303/CET1021028.

[7] S. Shiva Kumar and V. Himabindu, “Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review,” Mater. Sci. Energy Technol., vol. 2, no. 3, pp. 442–454, Dec. 2019, doi: 10.1016/j.mset.2019.03.002.

[8] C. Guéret, M. Daroux, and F. Billaud, “Methane pyrolysis: Thermodynamics,” Chem. Eng. Sci., vol. 52, no. 5, pp. 815–827, Mar. 1997, doi: 10.1016/S0009-2509(96)00444-7.

[9] L. C. Buelens, V. V. Galvita, H. Poelman, C. Detavernier, and G. B. Marin, “Super-dry reforming of methane intensifies CO2 utilization via le Chatelier’s principle,” Science (80-. )., vol. 354, no. 6311, pp. 449–452, Oct. 2016, doi: 10.1126/science.aah7161.

[10] P. Summa, B. Samojeden, and M. Motak, “Dry and steam reforming of methane. Comparison and analysis of recently investigated catalytic materials. A short review,” Polish J. Chem. Technol., vol. 21, no. 2, pp. 31–37, 2019, doi: 10.2478/pjct-2019-0017.

[11] A. Martínez-Rodríguez and A. Abánades, “Comparative analysis of energy and exergy performance of hydrogen production methods,” Entropy, vol. 22, no. 11, pp. 1–17, Nov. 2020, doi: 10.3390/e22111286.

Contacto

Ángel Martínez Rodríguez, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

Autores: Alberto López-Magano, Alicia Jiménez-Almarza, Rubén Mas-Ballesté y José Alemán

Resumen: En los últimos años, el empleo de materiales porosos ha experimentado un gran auge en una multitud de aplicaciones que van desde el almacenamiento de gases hasta la catálisis. En nuestro grupo, nos centramos en la familia de los COFs (Covalent Organic Frameworks), materiales orgánicos cristalinos y porosos fácilmente diseñables y versátiles. En este último trabajo, hemos sintetizado una serie de COFs que contienen como fragmentos fotoactivos derivados de fenilfenotiazina (PTH) y trifenilamina (TPA). Dichos materiales han sido empleados en la degradación de diferentes contaminantes orgánicos en presencia de luz. La sustitución progresiva de PTH por TPA en los materiales ha demostrado que es posible modular su actividad fotocatalítica, cambiando drásticamente el mecanismo por el que transcurre la degradación.

Abstract: In recent years, the use of porous materials has boomed in a multitude of applications ranging from gas storage to catalysis. In our group, we focus on the family of COFs (Covalent Organic Frameworks), crystalline and porous organic materials that are easily designed and versatile. In this last work, we have synthesized a series of COFs that contain as photoactive fragments derivatives from phenylphenothiazine (PTH) and triphenylamine (TPA). These materials have been used in the degradation of different organic pollutants in the presence of light. The progressive replacement of PTH by TPA in materials has shown that it is possible to modulate their photocatalytic activity, drastically changing the mechanism by which degradation occurs.

Gracias a la incorporación de fragmentos fotoactivos en una nueva familia de materiales, hemos sido capaces de degradar diferentes contaminantes orgánicos persistentes en presencia de luz con excelentes resultados.

El gran auge de la industria durante los siglos XX y XXI ha provocado que la contaminación sea uno de los principales problemas a los que se enfrenta la humanidad en nuestros días. En concreto, los contaminantes orgánicos persistentes suponen una amenaza para la salud humana, dado que son resistentes a la degradación, bioacumulables y tóxicos. Un caso particular de contaminantes orgánicos persistentes son los éteres de difenilo polibromados (PBDE), generalmente utilizados como retardadores de llama. Los tintes sintéticos son otra clase de especies químicas contaminantes de uso común en las industrias textil, alimentaria o cosmética. Entre ellos, los colorantes azoicos como el Rojo de Sudán III son una de las clases de contaminantes más perjudiciales, debido a que son muy persistentes en el medio acuático. Los tintes aromáticos, como el azul de metileno, proceden de la fabricación de productos relacionados con la inyección de tinta, fotografía y xerografía, así como industrias textiles y celulósicas.

Por lo general, se requieren dos vías diferentes para lograr la degradación de contaminantes orgánicos en función de su estructura y naturaleza: procesos de transferencia electrónica y de transferencia energética. De tal manera, es necesario encontrar estrategias para dirigir y modular estos procesos y lograr así su degradación selectiva. Una posible solución consiste en el empleo de materiales porosos, como los COFs. Los Covalent Organic Frameworks (COFs) son materiales orgánicos porosos y cristalinos formados mediante la unión de enlaces covalentes de diferente naturaleza. A pesar de su temprana edad, los COF, tal y como nos describe Rubén Mas-Ballesté, uno de los directores del proyecto, han supuesto una revolución en el sector de los nuevos materiales, con un amplio rango de posibles aplicaciones que van desde la producción y el almacenamiento de gases a la catálisis.

En nuestro grupo de investigación (www.uam.es/jose.aleman), una de nuestras líneas se ha especializado en el empleo de COFs en procesos fotocatalíticos, como la oxidación aeróbica de sulfuros orgánicos o desahalogenaciones radicalarias. Tal y como afirma Alberto López Magano, la combinación de esta excelente fotoactividad del PTH y la versatilidad y robustez de los COF nos hizo pensar en la posible aplicación de una nueva familia de materiales para degradar contaminantes orgánicos con luz. Además, los autores nos preguntamos qué sucedería al reemplazar fragmentos tipo PTH por un bloque de construcción isoestructural, como el TPA, y las consecuencias mecanísticas que podría conllevar. Con esta meta en mente, llevamos a cabo la síntesis de 5 materiales con diferentes proporciones de PTH y TPA. Tras su completa caracterización por diversas técnicas, evaluamos su actividad fotocatalítica en la degradación de tres contaminantes orgánicos persistentes modelo: el PBDE-1, el Rojo de Sudán III y el Azul de Metileno.

Al aumentar la proporción de PTH en el material, se lograron mejores resultados en la degradación del PBDE-1 y el Rojo de Sudán III. Sin embargo, el Azul de Metileno fue degradado más eficientemente al incrementar la proporción de TPA. Experimentos mecanísticos adicionales revelaron que los materiales ricos en PTH desencadenan procesos de transferencia electrónica, mientras que los COFs en los que predomina el TPA dan lugar a procesos de transferencia energética. En el caso del Rojo de Sudán III, la degradación transcurre mediante la generación de oxígeno singlete. Tal y como afirma el Director del grupo, el Dr. Alemán, fuimos capaces de reciclar del material rico en PTH en la degradación del PBDE-1 y solo 1 mg de catalizador, fuimos capaces de generar 50 mg de producto deshalogenado, lo que pone de manifiesto la excelente actividad fotocatalítica y robustez del COF.

Referencia bibliográfica:

Jiménez-Almarza, A.; López-Magano, A.; Cano, R.; Ortín-Rubio, B.; Díaz-García, D.; Gomez-Ruiz, S.; Imaz, I.; Maspoch, D.; Mas-Ballesté, R.; Alemán, J. “Engineering Covalent Organic Frameworks in the Modulation of Photocatalytic Degradation of Pollutants under Visible Light Conditions” Mater. Today Chem. 22 (2021) 100548. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100548

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.

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.

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

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

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