Electrodos basados en grafeno, ¿una revolución para la tecnología fotovoltaica?
Autores: Susana Mª Fernández Ruano. José Javier Gandía Alabau. Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Departamento de Energía. CIEMAT.
Uno de los retos a los que se enfrenta la sociedad actual es el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan generar y almacenar energía de manera segura, sostenible y limpia; como consecuencia de la fuerte demanda energética existente. La generación de energía está originando una gran discusión socioeconómica que se ve agravada por el enorme crecimiento de la demanda en países emergentes. Esto da lugar a serios problemas medioambientales, de contaminación y cambio climático, así como a importantes problemas económicos por la cada vez más acuciante escasez de los recursos naturales y el continuo incremento de la factura de la electricidad. Estamos pues ante una sociedad altamente dependiente de las fuentes de energía, que comienza a ser consciente de la urgencia que hay por desarrollar y utilizar nuevas energías alternativas con carácter sostenible, por temor de que se agoten los recursos naturales.
En este escenario energético, en los próximos años se espera que la tecnología fotovoltaica juegue un papel crucial en la lucha contra el cambio climático. Hoy en día, la hoja de ruta del mercado fotovoltaico, dominado por la tecnología de la oblea de silicio, muestra una fuerte tendencia hacia células más delgadas y más baratas. En este sentido, la tecnología de heterounión de silicio surge como solución potencial de baja temperatura, ya que se trata de dispositivos con excelentes prestaciones y bajo consumo de energía en su fabricación. Uno de los progresos en esta tecnología requiere desarrollar nuevas arquitecturas de electrodos frontales transparentes que permitan la extracción de la corriente del dispositivo de manera más eficiente. En este sentido, el uso del grafeno, el material más resistente que se conoce en la naturaleza, atrae un gran interés. Se piensa que puede ser el substituto incluso de materiales tan importantes como el propio silicio en algunas aplicaciones, y promete su aplicación en sectores muy dispares. Las expectativas generadas para este material están siendo enormes, y no hay duda que presenta propiedades excepcionales que en principio podrían suponer una verdadera revolución tecnológica debido a sus características específicas.
Bajo estas premisas, la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del CIEMAT, en colaboración con la División de Química y la Unidad de Electrónica, ambas también del CIEMAT, y el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnologías (ISOM), perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), se encuentra inmersa en el proyecto DIGRAFEN de la convocatoria de Retos de 2017 [1]. Una de las finalidades de este proyecto es llegar a implementar el grafeno, aprovechando sus excelentes propiedades, en dispositivos de generación de energía ya existentes. En particular, se pretende incorporar este material de modo que se mejoren las propiedades electrónicas y ópticas de los electrodos frontales, obteniendo así células fotovoltaicas más eficientes. Este proyecto es altamente innovador puesto que su principal enfoque es desarrollar nuevas tecnologías e ingeniería de procesado del grafeno para su uso en dispositivos de generación y almacenamiento de energía.
Actualmente la UESF, en estrecha colaboración con el ISOM, se encuentra explorando nuevas arquitecturas de electrodos transparentes basadas en incorporar una, dos y/o tres capas de grafeno atómico en unión con un óxido conductor transparente convencional, en diferentes configuraciones (ver Fig. 1 (a)).
Fig. 1. (a) Configuraciones de electrodo transparente con grafeno, y (b) sus propiedades ópticas, testeadas en el marco del proyecto DIGRAFEN [2].
Los primeros resultados obtenidos revelan que las propiedades optoelectrónicas del electrodo transparente basado en grafeno dependen dramáticamente del orden en el que se encuentren las capas de grafeno atómico. Tanto es así que se han obtenido valores de resistencia de hoja de 55 Ω/sq cuando el grafeno se coloca en la parte superior del electrodo, y de 150 Ω/sq, cuando el grafeno está situado en la parte posterior del mismo (cubierto por el óxido conductor transparente). En cuanto a sus propiedades ópticas, se ha observado que la transmitancia del conjunto no se ve afectada por la posición del grafeno; mientras que la comparación de las reflectancias espectrales con y sin grafeno transferido en la parte superior, nos permiten determinar una importante reducción en este valor, esencial para el dispositivo, validándose así la nueva arquitectura. Estos electrodos se aplicarán en un futuro muy cercano sobre un dispositivo fotovoltaico de heterounión de silicio. Todo ello con la intención de convertir en realidad el uso de uno de los materiales más prometedores que existen, contribuyendo además a la mejora de la generación de una energía limpia y sostenible.
Referencias:
[1] http://projects.ciemat.es/web/digrafen/
[2] 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
Socios del proyecto:
- CIEMAT (División de Química, Unidad de Electrónica y Unidad de Energía Solar Fotovoltaica): www.ciemat.es
- ISOM (UPM): www.isomgraphene.es
Contacto:
Susana Mª Fernández Ruano de la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del CIEMAT. E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es
Hacia un ciclo sostenible de carbono
Autor: Juan José Vilatela García. Instituto IMDEA Materiales
El eje conductor de la ciencia de materiales de hoy en día se debe centrar prioritariamente en mitigar directa o indirectamente las emisiones de gases invernadero de la actividad humana. Estudios recientes nos dan una guía para navegar a través de los enormemente complejos retos tecnológicos asociados, poniendo el foco en transformar el transporte y la industria, contribuyentes de cerca del 62% de emisiones de CO2. Estamos urgidos también a acelerar el paso. A pesar de los loables objetivos de sostenibilidad liderados por Europa hacia el 2050, las proyecciones muestran una realidad alarmante; la producción de acero y aluminio, los materiales con mayores emisiones asociadas, se duplicarán en 30 años [1].
Una estrategia prometedora es el reemplazo de metales altamente emisores por nuevos materiales de carbono, más ligeros, evidentemente, pero sobre todo, fabricados mediante procesos de menores emisiones. El punto de partida es usar procesos para transformar catalíticamente una fuente de carbono, por ejemplo gas natural, en materiales estructurales y conductores eléctricos.
De cara al objetivo de reducir emisiones mediante el reemplazo de metales, la reacción simplificada asociada nos permite analizar las distintas áreas a desarrollar
La energía suministrada al proceso contiene las mayores contribuciones a las emisiones y es una variable a minimizar. Para tener una métrica de comparación se puede considerar, por ejemplo, la huella de 10kg CO2/kg en la producción de aluminio [2]. En comparación, las emisiones en la fabricación de negro de humo (en inglés carbon black, CB) a partir de gas natural, son cercanas al 0.8 CO2/kg [3]. La perspectiva energética es aún más halagüeña si en el proceso se recupera el H2 y se utiliza como combustible. Visto desde otra perspectiva, los elementos estructurales y conductores del futuro se pueden fabricar como subproductos durante la generación de hidrógeno; una idea en la que ya apuesta el sector público-privado en EEUU [4], por ejemplo.
La utilidad práctica del proceso descrito por esta sencilla ecuación depende principalmente de las características del carbono resultante, es decir, de cuánto pueden competir con metales tradicionales. Y es aquí donde los detalles importan y por lo tanto donde la actividad científica es intensa. La capacidad de fabricar nanocarbonos y ensamblarlos en materiales macroscópicos como cables, fibras, telas, con propiedades superiores a las del acero y el aluminio, nos abre por primera vez en la historia, la puerta a considerar seriamente la posibilidad de usar estos procesos transformativos a gran escala como vehículos de reducción de emisiones. Desde distintos ángulos, diversas iniciativas a nivel mundial persiguen este objetivo basado en nanocarbonos: el desarrollo de nuevos cables eléctricos en Japón, la nueva generación de materiales compuestos estructurales en Corea impulsada por LG Chemical, el centro para la transformación de carbono en Houston, EEUU, impulsado por la industria petroquímica [5], y la producción masiva de nanotubos de carbono presentada por el mismo Putin en la cumbre de París de las Naciones Unidas [6]. 
Esquema de la fabricación de fibras estructurales y conductoras a partir de la síntesis de nanotubos de carbono (CNT) mediante descomposición catalítica de una fuente de carbón (izquierda). Ejemplos de imágenes de la fibra durante su fabricación e hilado continuo y su estructura de CNTs (derecha).
Con esta perspectiva investigadores de IMDEA Materiales, IMDEA Energía e IMDEA Nanociencia llevamos casi una década trabajando conjuntamente en la investigación de nanotubos de carbono, centrados en tres áreas principales: entender y controlar mejor la reacción de síntesis, ensamblar nanotubos de maneras que potencien sus propiedades axiales, y su integración en aplicaciones principalmente en aligeramiento y gestión energética en transporte. Recientemente, realizamos estudios sobre la ruta térmica de descomposición de distintos precursores de carbono in-situ durante la fabricación de fibras de CNTs [7]. Esto permitió encontrar nuevas herramientas para aumentar el rendimiento del proceso y las propiedades del material resultante a través de la elección de precursores de carbono. Actualmente, nuestros esfuerzos buscan continuar dando pasos en la mejora de propiedades de materiales a base de nanocarbonos a través del control molecular y del ensamblado, así como en el desarrollo de herramientas analíticas para evaluar el impacto de estas tecnologías desde una perspectiva de sostenibilidad global.
[1] Sustainable Materials Without the Hot Air: Making Buildings, Vehicles and Products Efficiently and with Less New Material. Julian M. Allwood, Jonathan M. Cullen, UIT Cambridge Ltd, 2015.
[2] United Nations: Climate Change and Transnational Corporations – Analysis and Trends. U. N. Centre on Transnational Corporations, Environment Series 2, 1992, ST/CTC/112, ISBN 92‐1‐104385‐9, Chapter 7 “Production of Energy Intensive Metals”.
[3] http://www.remanufacturing.org.uk/pdf/story/1p158.pdf.
[4] R&D Opportunities for Development of Natural Gas Conversion Technologies for Co-Production of Hydrogen and Value-Added Solid Carbon Products, Lawrence Livermore Laboratory, 2017
[6] https://www.climatechangenews.com/2016/01/06/vladimir-putins-global-warming-fix-carbon-nanotubes/.
[7] X. Rodiles et al, Nature Scientific Reports, (2019) 9:9239.
Contacto
Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales, y miembro del Programa FotoArt-CM.
ONYX, UN SISTEMA CONTACT-LESS ROMPEDOR, DISEÑADO PARA CARACTERIZAR EL GRAFENO
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
INSHIP – Integrating National Research Agendas on Solar Heat for Industrial Processes
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.
De la cocina al laboratorio: el uso de la sal para desacoplar grafeno de sustratos metálicos.
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.
La búsqueda de rentabilidad de la energía solar térmica de concentración
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.
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.
Membranas multifuncionales nanoestructuradas para la producción de combustibles solares por fotosíntesis artificial.
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.
Contacto
Víctor A. de la Peña O´Shea del Instituto IMDEA Energía victor.delapenya@imdea.org
Fotosíntesis Artificial: Entrevista a Víctor A. de la Peña
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
LAZOS HÍBRIDOS DE COLECTORES FRESNEL PARA LA OBTENCIÓN DE CALOR DE PROCESO
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 Eth (MWhth) 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.
¡Qué invento, la ciencia!
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.
