Energía y Sostenibilidad

Autores: Ángel Martínez Rodríguez,  Alberto Abánades Velasco

Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

RESUMEN

Se están desarrollando nuevos reactores para procesos a alta temperatura basados en el uso de metales líquidos, los cuales son capaces de permanecer en estado líquido con una muy baja presión de vapor hasta más allá de los 1500 ºC. Esas características termofísicas, junto con su alta conductividad/difusividad térmica, los hace muy adecuados para el potencial tratamiento de hidrocarburos. Se busca realizar un avance tecnológico significativo para lograr el desarrollo de un reactor de burbujeo en metal líquido para el tratamiento de gas natural y biogás crudo (una mezcla de CH₄ y CO₂) empleando energía solar concentrada, pudiendo ser viable a gran escala. El proyecto tiene como objetivo verificar experimentalmente reactores de metal líquido para llevar a cabo la pirólisis y el reformado seco de metano, para obtener gas de síntesis (CO y H₂) y partículas sólidas de carbono. Este tipo de reactores son inéditos, pero pueden ser claves en el futuro para el desarrollo de reacciones a muy alta temperatura, incluida la reducción de CO₂, lo que implica: 1) Sistemas de aporte de energía térmica  basado en energía solar concentrada ; 2) un sistema de aporte de reactantes, fundamentalmente hidrocarburos y CO₂,  3) un mecanismo de extracción continua de partículas, que en los casos que se pretende realizar serían de carbono, y 4) caracterización físico-química del carbono producido, y la evaluación de aplicaciones del proceso, para estimar su viabilidad. En caso de comprobar la operación con éxito del reactor propuesto a escala experimental (aprox. 1 kW-H₂), y la viabilidad de las aplicaciones, se estará en condiciones de abordar etapas de desarrollo industrial.

ABSTRACT

New reactors are being developed for high temperature processes based on the use of liquid metals, which are able to remain in a liquid state with a very low vapor pressure up to more than 1500 ° C. These thermophysical characteristics, together with their high conductivity / thermal diffusivity, make them very suitable for the potential treatment of hydrocarbons. A significant technological advance is sought to achieve the development of a liquid metal bubbling reactor for the treatment of natural gas and raw biogas (a mixture of CH4 and CO2) using concentrated solar energy, and it can be viable on a large scale. The project aims to experimentally verify liquid metal reactors to carry out dry methane reforming, to obtain synthesis gas (CO and H2) and solid carbon particles. These types of reactors are unpublished, but they can be key in the future for the development of reactions at very high temperature. The idea is to develop systems to carry out the treatment of hydrocarbons, including the reduction of CO2, which implies: 1) Thermal energy input systems based on concentrated solar energy; 2) a system for the supply of reactants, mainly hydrocarbons and CO2, 3) a mechanism for continuous extraction of particles, which in the cases that are intended to be carbon, and 4) physical-chemical characterization of the carbon produced, and the evaluation of process applications, to estimate its viability. If the operation of the proposed reactor is tested successfully on an experimental scale (approx. 1 kW-H2), and the viability of the applications, it will be able to address stages of industrial development.

Artículo de difusión

El desarrollo de nuevos procesos tecnológicos es imprescindible para lograr la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en procesos energéticos clave que aumenten la sostenibilidad de nuestra Sociedad y ayuden a cumplir con muchos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). En particular, la integración del tratamiento de materiales en una economía circular necesita nuevos procesos innovadores. Los ODS 7 (energía asequible y no contaminante), y ODS 13 (acción por el clima) se conectan directamente con el desarrollo de nuevos procesos químicos innovadores. Entre esos procesos está, evidentemente, el tratamiento de hidrocarburos y de reducción de CO₂, en este caso para producir vectores fundamentales para la transición energética, como H₂ y gas de síntesis, con la captura efectiva de C en forma sólida, o/y la reducción de CO₂, que permita cerrar los ciclos antropogénicos de carbono.

La descomposición del metano (que podría ser extrapolable a otros hidrocarburos gaseosos), también llamada pirólisis de metano, consiste en el desarrollo de la reacción química (1). Este proceso permite producir hidrógeno sin emisiones, y la generación de Carbono de alta calidad para aplicaciones aún poco desarrolladas, como la manufactura de grafeno, óxido de grafeno, o fibras de carbono a gran escala.

Al emplear biogás crudo como corriente de alimentación, tiene lugar la aparición de otra serie de reacciones derivadas del proceso de reformado de CO₂-CH₄, siendo la reacción principal el reformado seco de metano (2):

Descomposición metano:            CH₄ → C + 2H₂                       ΔH=74,5 kJ/mol-H₂         (1)

Reformado seco de metano:   CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂           ΔH=246,9 kJ/mol-H₂                   (2)

La reacción de reformado seco permite el aprovechamiento de CO₂ capturado, y su integración en la economía circular mediante su reducción química directa, así como su aplicación al tratamiento de gases crudos procedentes de la generación de biogás, que forman mezclas de CO₂/CH₄, susceptibles de ser transformadas por la reacción (2) en gas de síntesis, hidrogeno y carbono. En la Figura 1 se muestra una descripción general de las opciones de utilización de gas natural en función de las emisiones de CO₂, y como la pirólisis de metano puede constituir una técnica de captura de carbono, para su integración en la economía circular.

Figura 1: Descripción general de las opciones de utilización de gas natural en función de las emisiones de CO₂

El desarrollo de reactores de alta temperatura se hace imprescindible para lograr esos objetivos, en cuanto los procesos de reducción de CO₂, o de pirólisis de hidrocarburos requieren altas temperaturas que permitan un grado alto de avance de la reacción, y reduzcan el uso de catalizadores, que en muchos casos implican una generación adicional de residuos y complejidad. En resumen, hay una cantidad bastante importante de datos relacionados con la descomposición de metano en lo que se refiere a niveles de conversión teóricos de la reacción, y al comportamiento de potenciales catalizadores, con temperatura de operación como las descritas en la Figura 2.

Figura 2: Rangos de temperatura de aplicación de técnicas de descomposición térmica de metano.

La viabilidad técnico-económica y ambiental de muchos de esos procesos se puede mejorar con el desarrollo de reactores de alta temperatura con metales líquidos. Las buenas propiedades termo-físicas de los metales líquidos pueden abrir una línea muy prometedora para el diseño de reactores de muy alta temperatura. La capacidad de transferencia térmica (difusividad, conductividad, …) es una de las claves para poder desarrollar reactores a gran escala, homogeneizando las condiciones internas del reactor, tal y como se necesitaría para aplicaciones industriales. Por otro lado, la alta conductividad térmica de los metales líquidos da lugar a una buena transmisión de energía a los enlaces moleculares, reduciendo la necesidad de catalizadores.

Los antecedentes de este proyecto se encuentran en los trabajos previos que se han desarrollado para la prueba de concepto de un reactor de metal líquido para pirólisis de metano (Geißler et al., 2016) (Abánades et al., 2016), y que ha sido reconocido como una tecnología de futuro obteniendo premios de innovación como el 2º puesto de la competición de ideas de EIT Raw Materials, o el premio de R&D de la Industria alemana del gas.

En particular, el desarrollo que se propone tiene una relación directa con la “Acción sobre cambio climático y eficiencia en la utilización de recursos y materias primas”, al tratarse de una tecnología para aprovechar residuos orgánicos, productos del tratamiento de biomasa y materias primas fósiles sin emisiones de gases de efecto invernadero en un escenario de captura de CO₂. Cabe destacar que estos recursos, además de la obtención de carbono metalúrgico y gas de síntesis, produce hidrógeno, como una forma de “energía segura sostenible y limpia”. Por otro lado, el empleo de fuentes de energía renovables, como el biogás, es un paso adelante en la obtención de energía, junto con su hibridación con energía solar concentrada. Ambos objetivos están relacionados, siendo este proyecto un desarrollo tecnológico innovador para el uso de recursos energéticos de forma segura y sostenible con implicaciones claras como herramienta para combatir el cambio climático.

REFERENCIAS

Abánades, A., Rathnam, R. K., Geißler, T., Heinzel, A., Mehravaran, K., Müller, G., & Stückrad, S. (2016). Development of methane decarbonisation based on liquid metal technology for CO2-free production of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 41(19), 8159-8167.

Davis, S. J., Caldeira, K., & Matthews, H. D. (2010). Future CO₂ emissions and climate change from existing energy infrastructure. Science, 238(5997), 1330-1333.

Geißler, T., Abánades, A., Heinzel, A., Mehravaran, K., Müller, G., Rathnam, R. K., & Weisenburger, A. (2016). Hydrogen production via methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed. Chemical Engineering Journa, 299, 192-200.

Contacto

Javier Muñoz Antón, Responsable en funciones  de Grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM. – jamuñoz@etsii.upm.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía. 

Autor: José I. Martínez

En las más diversas áreas, desde el campo de la salud, la calidad alimentaria, la detección ambiental, la industria textil, la agricultura, así como en una gran variedad de aplicaciones tecnológicas e industriales, existe una creciente demanda de dispositivos sensores capaces de manifestar una respuesta inmediata mediante cambios simples y rápidos en presencia de moléculas específicas. Entre ellos, los sensores de agua y humedad se encuentran entre los más comúnmente empleados, siendo capaces de controlar y monitorizar la cantidad de agua presente en un determinado entorno o material. Por ejemplo, si un determinado aceite lubricante tiene una gran concentración de agua la lubricación de maquinaria o instrumentación pudiera no ser la más adecuada. De la misma forma, si hay demasiada agua en un combustible, éste  pudiera no combustionar de la manera más eficiente.

En una ambiciosa colaboración interdisciplinar entre científicos pertenecientes a la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y al Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), se ha desarrollado un novedoso sensor de bajo coste y muy flexible, fabricado mediante un material plástico no-tóxico basado en un polímero de coordinación unidimensional de cobre decorado con moléculas de timina, capaz de detectar cantidades de agua extremadamente pequeñas en aire o en solventes orgánicos. El polímero de coordinación de cobre, que constituye la parte funcional de este nuevo sensor, presenta una molécula de agua enlazada a cada átomo de cobre central.

La excelente capacidad sensora de este material tiene su origen en una transformación estructural debido a la pérdida de moléculas de agua del polímero de coordinación – observada mediante el uso de rayos-X de alta energía – bien con la temperatura (a partir de 60º) o mediante la competición con moléculas de solvente, lo que induce, de manera simultánea, un cambio significativo en su color desde un color púrpura a un color azul en condiciones de humedad. Una gran ventaja de este material es que este cambio estructural se puede revertir, y con ello su color, mediante su exposición al aire, poniéndolo en contacto con agua, o en un solvente orgánico con pequeñas trazas de agua.

Para la preparación del sensor el polímero de coordinación se mezcla con una tinta polimérica para impresión 3D químicamente inocua. Se han  impreso sensores con distintas formas y tamaños, los cuales fueron testados con una gran variedad de solventes conteniendo distintas cantidades de agua. Estos estudios demostraron que los sensores impresos resultaban incluso más sensibles a la presencia de agua que el compuesto polimérico de coordinación por sí solo gracias a su naturaleza porosa.

En distintos solventes, los sensores impresos pueden detectar un rango de entre 0.3% y 4% de agua en menos de 2 minutos. En aire pueden incluso detectar una humedad relativa del 7%. Cuando se secan, bien en un solvente libre de agua o mediante calentamiento, el material revierte su color azul de nuevo en púrpura. Un análisis exhaustivo del material muestra que es estable después de muchos ciclos de calentamiento, y que los compuestos de cobre se distribuyen de manera homogénea dentro del material de impresión. Estos sensores son estables en aire hasta 1 año y en entornos biológicos con pHs de entre 5 y 7, lo que sugiere un alto potencial para su aplicación como robustos sensores colorimétricos.

El resultado de esta investigación, presentado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808424), abre la puerta al desarrollo de una nueva familia de materiales sensores impresos en 3D basada en la integración de polímeros de coordinación multifuncionales con polímeros orgánicos.

Fig. Distintas versiones de los dispositivos sensores impresos en 3D. Cuando se secan mediante calentamiento o en un solvente libre de agua el material sensor cambia su color a púrpura.

Autores:  Susana Mª Fernández Ruano. Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Departamento de Energía. CIEMAT. Andrea Inés, Sergio Garay, Israel Arnedo. Das Nano Company.

En 2004, gracias a los Doctores K. Novoselov y A. Geim, se consiguió aislar el grafeno a temperatura ambiente utilizando un método tan simple como es la cinta Scotch. Este descubrimiento fue tan rompedor que bien valió el Premio Nobel de Física en 2010. Desde aquel momento, se prometen miles de aplicaciones en sectores muy dispares para este material increíble, y se piensa que podrá a llegar a ser tan relevante que sustituirá materiales tan utilizados como es el silicio. Esto es debido a las excelentes propiedades que presenta: duro, resistente, flexible y muy ligero; conduce el calor y la electricidad y permanece estable cuando se le somete a grandes presiones. Es tan versátil que se piensa que puede llegar a ser una auténtica revolución para la tecnología no tardando mucho tiempo.

Sin embargo, todo el magnífico progreso que se está realizando para obtener películas de grafeno que cubran grandes superficies no está siendo acompañado por métodos de caracterización rápidos y eficientes que permitan la obtención de sus propiedades eléctricas sin dañarlo. Ante esta nueva necesidad, la empresa tecnológica das-Nano ha desarrollado Onyx, el primer sistema contact-less del mercado, que permite caracterizar materiales en reflexión mediante ondas de Terahercio (ver Figura 1). Onyx permite medir parámetros eléctricos (conductividad, movilidad, densidad de portadores, etc) de materiales avanzados sin contacto y de forma no destructiva, a muy alta velocidad para obleas completas, y proporcionando mapas para una fácil visualización. Como muestra de lo novedoso de este equipo, que cubre la brecha entre las mediciones a macro y nano escala, la oficina de patentes de EEUU ha concedido a das-Nano una patente con la tecnología que está integrada en Onyx [1]. Este equipo permite también medir la distribución espacial de la calidad de la muestra con una excelente resolución espacial, del orden de unos pocos cientos de micras, y tiempo reducido, mejorando la eficiencia en comparación con otros métodos del mercado. Además, Onyx establece un compromiso óptimo entre resolución y velocidad de medida, pudiendo utilizarse tanto en procesos industriales como en investigación. Los estudios realizados con este novedoso equipo han generado recientemente varias publicaciones científicas en revistas de alto factor de impacto, confirmando que la inspección basada en ondas de Terahercio utilizada por Onyx es una gran herramienta para la caracterización de materiales avanzados como el grafeno.

Un ejemplo del buen funcionamiento de Onyx son los mapas de conductancia (Fig. 2a) y resistencia (Fig. 2b) obtenidos para un electrodo conductor transparente basado en la combinación de tres monocapas de grafeno, transferidos sobre una lámina de óxido de indio dopado con estaño (ITO), depositada por pulverización catódica, sobre silicio. Estas estructuras están siendo diseñadas y fabricadas en la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del CIEMAT dentro del marco del proyecto DIGRAFEN, de la convocatoria de Retos de 2017 [2]. Este proyecto de ámbito nacional pretende demostrar que se puede aplicar el grafeno en dispositivos de generación y almacenamiento de energía para desarrollar nuevos y mejores productos.

 Fig. 1.  Imagen del equipo Onyx desarrollado por la empresa tecnológica das-Nano.

Fig. 2. Mapas de (a) conductancia y (b) resistencia de un electrodo transparente híbrido basado en grafeno e ITO, obtenidos con el equipo Onyx [3].

Los mapas mostrados en la Figura 2 son un claro ejemplo de lo potente que puede llegar a ser este equipamiento; pueden obtenerse con excelente resolución a velocidades tan rápidas como 15 mm²/min, lo cual facilita enormemente el proceso de caracterización, y se convierte en una técnica muy competitiva. Además, de estos mapas puede extraerse no sólo los valores de la conductancia y resistencia, 14.03 mS y 76.2 Ω/ en este caso particular, sino que se puede validar la homogeneidad de las muestras, que en el caso del grafeno y su manejo puede resultar muy útil.

A la vista de estos resultados, creemos que Onyx es la tecnología que necesita la industria de producción de grafeno para despegar definitivamente.

Referencias:

 [1] Azanza, E.; Chudzik, M.; López, A.; Etayo, D.; Hueso, L.E.; Zurutuza, A. Das Nano, S.L. Quality 399   inspection of Thin films materials. Unites States patent, US 10,267,836 (B2), 2019 April 23.

[2] http://projects.ciemat.es/web/digrafen

[3] S. Fernández, A. Boscá, J. Pedrós, A. Inés, M. Fernández, I. Arnedo, J.P. González, M. de la Cruz, D. Sanz, A. Molinero, R. Singh Fandan, M.A. Pampillón, F. Calle, J.J. Gandía, J. Cárabe, J. Martínez, “Advanced Graphene-based transparent conductive electrodes for photovoltaic applications”, Micromachines 2019, vol 10, 402 (11 pages). Online version: https://doi.org/10.3390/mi10060402

Contacto:

Susana Mª Fernández Ruano, Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del CIEMAT.

E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es

Autor: Alfonso Vidal-CIEMAT

Resumen

A pesar de que el calor de proceso es reconocido como la aplicación con mayor potencial entre las aplicaciones de calefacción y refrigeración solar, el calor solar para procesos industriales (SHIP) todavía presenta una modesta participación de alrededor de 88 MWth de capacidad instalada (0,3% del total de la capacidad solar térmica instalada).

En este contexto, el proyecto INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes) tiene por objeto la definición de un ECRIA (European Common Research and Innovation Agenda) que reúne a los principales institutos de investigación europeos con actividades reconocidas en el ámbito del SHIP.

El uso de la energía solar concentrada en sustitución de los combustibles fósiles para impulsar la calcinación endotérmica del CO3Ca a más de 1300 K tiene el potencial de reducir las emisiones de CO₂ en un 20% en una planta de cal de última generación y hasta un 40% en una planta de cemento convencional.

En este sentido, la actividad 4.2 del proyecto INSHIP liderada por CIEMAT se centra en la integración de este proceso en una planta de torre central, la selección del tipo de reactor más adecuado y finalmente la evaluación del rendimiento térmico del receptor en condiciones reales.

Abstract

Despite process heat is recognized as the application with highest potential among solar heating and cooling applications, Solar Heat for Industrial Processes (SHIP) still presents a modest share of about 0.3% of total installed solar thermal capacity. In this context, the project INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes) aims at the definition of an ECRIA (European Common Research and Innovation Agenda) engaging major European research institutes with recognized activities on SHIP

Cement is the third-largest energy consumer in the industry sector, accounting for 7% of total final industrial energy use, but due to important process emissions, cement has the second-largest share of CO2 emissions from industry at 27%, i.e. 6.5% of total energy-related CO2 emissions.

The use of concentrated solar energy in place of fossil fuels for driving the endothermic calcination reaction CaCO3 = CaO + CO2 at above 1300 K has the potential of reducing CO2 emissions by 20% in a state-of-the-art lime plant and up to 40% in a conventional cement plant.

The activity 4.2 of the INSHIP project led by CIEMAT focuses on the integration of a cement process in a central tower plant, selection of the most suitable reactor configuration and finally the evaluation of the thermal performance of the receiver under real conditions.

A pesar de que el calor de proceso es reconocido como la aplicación con mayor potencial entre las aplicaciones de calefacción y refrigeración solar, el calor solar para procesos industriales (SHIP) todavía presenta una modesta participación de alrededor de 88 MWth de capacidad instalada (0,3% del total de la capacidad solar térmica instalada). A nivel regional, la contribución del calor de proceso en el consumo total de energía final representa valores en torno al 30% en Asia y América Latina, alrededor del 20% en Europa, Eurasia y Australia no pertenecientes a la OCDE o alrededor del 15% en Europa, África y América de la OCDE.

La gama actual de costes de producción de calor muestra que el calor de proceso impulsado por energías renovables (ER) ya es económicamente competitivo cuando se consideran la biomasa o los recursos geotérmicos. La energía solar térmica se acerca actualmente a la competitividad sólo en aplicaciones de baja temperatura.

En este contexto, el proyecto INSHIP (Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes) tiene por objeto la definición de un ECRIA (European Common Research and Innovation Agenda) que reúne a los principales institutos de investigación europeos con actividades reconocidas en el ámbito del SHIP.

El paquete 4 del proyecto tiene como objetivo identificar aquellos procesos industriales con una demanda importante de calor a alta temperatura y altas emisiones, de cara a una posible integración de energía solar concentrada. 

La industria del cemento es el tercer consumidor de energía del sector industrial, con un 7% del total del consumo final de energía industrial, pero debido a las importantes emisiones de los procesos, el cemento tiene la segunda mayor parte de las emisiones de CO2 de la industria, con un 27%, es decir, un 6,5% del total de las emisiones de CO2 relacionadas con la energía. Se prevé que esta cuota se duplique en 2050 bajo el 2DS, situando al subsector del cemento en el primer lugar.

El uso de la energía solar concentrada en sustitución de los combustibles fósiles para impulsar la calcinación endotérmica [1] a más de 1300 K tiene el potencial de reducir las emisiones de CO₂ en un 20% en una planta de cal de última generación y hasta un 40% en una planta de cemento convencional.

En este sentido, la actividad 4.2 del proyecto INSHIP liderada por CIEMAT se centra en la integración de este proceso en una planta de torre central, la selección del tipo de reactor más adecuado y finalmente la evaluación del rendimiento térmico del receptor en condiciones reales.

Para este tipo de proceso se ha seleccionado la geometría de cavidad,  esta geometría ha sido ampliamente utilizada como concepto de reactor solar dado que ha demostrado tener mayores eficiencias que los receptores externos (1,2). El uso de geometrías de cavidad facilita la reducción de las pérdidas térmicas, minimizando las pérdidas convectivas y radiativas totales, lo que conduce a una mejora de la eficiencia óptica.

Estas configuraciones son adecuadas para aplicaciones de concentración solar ya que suelen mostrar una baja respuesta a los cambios en las condiciones de funcionamiento, lo que evita cambios bruscos de temperatura en presencia de pequeños transitorios, lo que resulta especialmente útil cuando se aplica calor solar a una planta química en la que los cambios de temperatura en un proceso pueden producir problemas en el control de la planta.

Un prototipo de receptor de 100 kW se está ensayando en la torre CRS de la Plataforma Solar de Almería en condiciones reales para confirmar este tipo de comportamiento.

[1] Harris, J.A., Lenz, T.G.,. Thermal performance of solar concentrator/ cavity receiver systems. Solar Energy 34 (2), (1985). 135–142.

[2] Clausing, A.M. An analysis of convective losses from cavity solar central receivers. Solar Energy 27 (4), (1981) .295–300.

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Alfonso Vidal, Investigador del Grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM.- alfonso.vidal@ciemat.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía.

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

En el 2004 el grafeno irrumpe en el panorama científico con la promesa de ser uno de los principales materiales del futuro tecnológico debido a sus excelentes propiedades tanto electrónicas como mecánicas, ópticas…. Es por ello, que desde entonces una gran parte de la comunidad científica ha realizado un gran esfuerzo en el estudio y desarrollo de este material y sus posibles aplicaciones. De hecho, la Comunidad Europea  financia con 1 Billón de euros un proyecto coordinado con diferentes laboratorios europeos sobre grafeno conocido como Graphene Flagship desde el año 2013 y con duración hasta el 2023.

La síntesis de grafeno sobre metales mediante diversas técnicas está ya bastante optimizada, sin embargo, la fuerte interacción entre el grafeno y el sustrato es el principal punto problemático a la hora de la aplicación directa de esté material en la electrónica. Para solventar este problema, diversas soluciones han sido propuestas: desde la síntesis directa en sustratos aislantes, a la transferencia de la lámina de grafeno a otros sustratos más relevantes o el desacoplo de grafeno del sustrato. Es en ésta última propuesta donde el  grupo ESISNA del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) en colaboración con la línea CIRCE del Sincrotrón ALBA de Barcelona y el Centro de Física de Materiales en San Sebastián,  ha desarrollado una nueva metodología para el desacoplo de grafeno de superficies metálicas mediante la fotodisociación de sal (NaCl).

Concretamente, el trabajo, recientemente publicado en la revista 2D Materials, demuestra cómo desacoplar el grafeno sintetizado sobre un metal de una forma sencilla y reversible. La idea es evaporar una lámina delgada de sal sobre la muestra de grafeno para luego irradiar la muestra con fotones altamente energéticos. Éste haz de fotones, disocia las moléculas de NaCl, y mientras que los iones de cloro se desorben, los de sodio se intercalan a través del grafeno desacoplándolo del sustrato. Además de desacoplarlo, logran dopar el grafeno (tipo n), lo que es una ventaja para ciertas aplicaciones. El proceso es totalmente reversible, pudiéndose recuperar la muestra original y sin dañar de grafeno mediante un calentamiento.

Esta nueva metodología tiene un gran potencial tecnológico, ya que es simple y eficaz  y se sirve de un elemento, la sal, abundante y barato.

Esquema  y patrones de difracción demostrando el desacoplo de grafeno de una superficie metálica mediante la fotodisociación de sal, así como la reversibilidad del proceso.

Publicación: I.  Palacio et al.  2D Materials, 6, 025021 (2019)

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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: Javier Muñoz-Antón-Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La independencia energética de países de escasos recursos fósiles resulta prácticamente imposible, lo que en el caso de países como España obliga a orientar la política energética hacia recursos renovables, entre las que se puede destacar la energía solar. El fiasco nacional de la política de subvenciones de principio de siglo XXI, y la crisis económica complican la implantación de estas tecnologías que a día de hoy resultan excesivamente caras en comparación con ciertas alternativas tradicionales y otras renovables. La investigación que se presenta a continuación trata de mitigar el problema de la incursión de nuevas tecnologías de aprovechamiento solar en el mercado con un nuevo concepto de planta termosolar que presente cambios disruptivos frente a diseños previos en base a una sistemática de análisis de coherencia térmica en todos los procesos de la planta de aprovechamiento y generación. Esta tecnología ya se está explotando a nivel de prototipo mediante el proyecto Futuro Solar, fruto de la colaboración entre la Universidad Politécnica de Madrid y OHL Industrial: Futuro Solar fue presentado en el marco de la 2ª convocatoria de proyectos de Investigación y Desarrollo cofinanciados por el Mecanismo Financiero del Espacio Económico Europeo (EEA-Grants gestionadas por CDTI IDI-20140942) constituyendo en su momento un prototipo avanzado en cuanto a la curva de aprendizaje respecto al estado de la técnica de la tecnología termosolar. Como evolución se llegó al diseño del Reloj De Sol, el cual ha sido construido con fondos propios de la F2I2-GIT y constituye un sistema robusto y barato para producción de calor de proceso, que se encuentra actualmente en fase de pruebas.

Abstract

The energy independence of countries with scarce fossil resources is practically impossible, which in the case of countries like Spain obliges to direct energy policy towards renewable resources, among which solar energy can be highlighted. The national fiasco of the subsidy policy of the beginning of the 21st century, and the economic crisis complicate the implementation of these technologies that today are too expensive compared to certain traditional and other renewable alternatives. The research presented below tries to mitigate the problem of the incursion of new technologies of solar use in the market with a new concept of solar thermal plant that presents disruptive changes compared to previous designs based on a systematic analysis of thermal coherence in all the processes of the use and generation plant. This technology is already being exploited at the prototype level through the Futuro Solar project, the result of collaboration between the Universidad Politécnica de Madrid and OHL Industrial: Futuro Solar was presented within the framework of the 2nd call for Research and Development projects co-financed by the Financial Mechanism of the European Economic Area (EEA-Grants managed by CDTI IDI-20140942) constituting at the time an advanced prototype in terms of the learning curve with respect to the state of the art of solar thermal technology. As an evolution, the design of the Sun Dial was reached, which has been built with the F2I2-GIT’s own funds and constitutes a robust and cheap system for the production of process heat, which is currently in the testing phase.

 Artículo difusión

La agricultura siempre ha sido un referente para sistemas de producción en los que se necesita gran superficie para obtener beneficio económico, siempre tratando de reducir los costes de recolección respecto a la superficie donde se realiza.

Esta máxima se puede aplicar al aprovechamiento de energía solar en los campos solares para producción de energía renovable, donde aparecen dos competidores importantes: fotovoltaica y solar térmica. La primera adolece actualmente de almacenamiento de energía en grandes cantidades con buen rendimiento. La segunda lo permite, pero con un coste mayor. El almacenamiento térmico tiene el inconveniente de que cuanto mayor es la temperatura, mayores son las pérdidas… e  interesa que la temperatura sea cuanto mayor mejor para la producción de energía eléctrica.

Para el caso de la solar térmica existen cuatro tecnologías disponibles a nivel comercial (figura 1) con diferentes costes, eficiencias, temperaturas… sin que exista un dominador claro a día de hoy.

Figura 1: Tipos de tecnologías termosolares

En la búsqueda de ese dominador se basa en economía, fiabilidad y rendimiento, que deben ser analizadas desde una perspectiva novedosa como puede ser la coherencia térmica, o de forma más explícita, evitar requerimientos excesivos par el fin que se persigue. Para ello, se puede tener en cuenta otros ámbitos de la ingeniería como el nuclear, donde multitud de centrales funcionan con temperaturas moderadas (300ºC).

Los años anteriores a la crisis financiera fueron caracterizados a nivel nacional por importantes subvenciones, cuyo objetivo era impulsar el desarrollo de tecnologías renovables competitivas, pero que en la práctica del ámbito termosolar replicó una y otra vez el mismo concepto de campo desarrollado en los años 80 del pasado siglo sin avances tecnológicos sustanciales.

La tendencia tradicional a mejorar las prestaciones de los sistemas termosolares incrementando su temperatura lastra la competitividad de la tecnología incrementando los requerimientos de precisión y materiales, cuando lo necesario para producir energía eléctrica no es tan exigente si se toma como referente el ámbito nuclear, que requiere unos 300ºC.

La falta de necesidad detectada de ir a requerimientos tan exigentes, como en el ámbito de la energía eólica con el molino de tres palas, lleva a reconsiderar el diseño de plantas termosolares. Sin olvidar que aumentar la temperatura tiene dos consecuencias fundamentales: disminuye el rendimiento del receptor al aumentar las pérdidas térmicas y aumenta el rendimiento de la conversión de energía eléctrica al hacerlo el bloque de potencia.

Tradicionalmente los sistemas Fresnel se han utilizado a pequeña escala para producir un efluente térmico cercano a 350ºC, haciendo uso de una única tubería situada en el receptor. Pero el perfil de concentración que alcanza el receptor de un sistema Fresnel se asemeja no es constante, por lo que colocar un único tubo limita la máxima temperatura que se puede llegar a alcanzar. Aumentar el número de tubos permite tener la posibilidad de elevar la temperatura del efluente térmico (figura 3), y posibilitando una especialización de los tubos: los que reciben menor radiación solar trabajan a menor temperatura y los que reciben mayor radiación solar trabajan a mayor temperatura, existiendo una temperatura para cada densidad de potencia.

Figura 2: Sección transversal de un receptor Fresnel multitubo para un mejor aprovechamiento térmico

Figura 3: Reloj de Sol

Figura 4: Receptor del Reloj de Sol en funcionamiento

Conclusiones

La posibilidad de reducir requerimientos y prestaciones no debe ser olvidada para conseguir una mayor rentabilidad de la producción de energía termosolar, y soluciones como el Reloj de Sol (figuras 4 y 5) deben ser tenidas en cuenta, fundamentalmente por el hecho de no requerir de tecnología compleja y poderse construir con medios disponibles en polígonos industriales comunes.

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Javier Muñoz Antón, Responsable en funciones  de Grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM. – jamuñoz@etsii.upm.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía.

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.