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    Nuevo hito hacia la producción de queroseno mediante agua, CO2 y energía solar

    Energia y Sostenibilidad - Mié, 08/03/2022 - 10:21

    El desarrollo de tecnologías solares para producir combustibles de aviación se ha convertido en un reto energético mundial, pero sus logros se han limitado hasta el momento a estudios a escala de laboratorio.

    Un reciente artículo publicado en la revista Joule informa por primera vez la producción termoquímica de queroseno utilizando energía solar, agua y CO2, en un sistema experimental integral de producción del combustible en un campo solar de receptor central ubicado en el Instituto IMDEA Energía en Móstoles, España. Este trabajo, realizado en el marco del proyecto Horizonte 2020 de la UE SUN-to-LIQUID, supone un avance en el nivel de desarrollo tecnológico de la producción de combustibles solares al demostrar la viabilidad técnica de toda la cadena del proceso de conversión desde la radiación solar hasta el combustible líquido.

    La descomposición simultánea de H2O y CO2 mediante un ciclo termoquímico de oxidación/reducción empleando ceria da lugar a una mezcla sintética de H2 y CO (llamada gas de síntesis) con total selectividad, que se procesa posteriormente para obtener queroseno. El reactor solar de 50 kW consiste en una cavidad receptora que contiene una estructura porosa reticulada expuesta directamente a una concentración media de flujo solar de 2.500 kW/m2. Se confirma una eficiencia de conversión de energía solar a gas de síntesis del 4,1%, sin aplicar la recuperación de calor.

    Se trata de una demostración tecnológica pionera que representa un hito en el camino hacia la producción sostenible de combustibles de aviación, sector que en la actualidad depende en gran medida del queroseno de origen fósil y es responsable de grandes cantidades de emisiones de gases de efecto invernadero.

    Junto a IMDEA Energía, el consorcio SUN-to-LIQUID reúne centros de investigación y empresas trabajando en la producción termoquímica de combustibles solares, como Bauhaus Luftfahrt e.V., ETH Zúrich, DLR, Abengoa, ARTTIC y HyGear.

    Más información: https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.012

    Contacto

    Manuel Romero Álvarez, Investigador Responsable de IMDEA Energía en el proyecto SUN-to-LIQUID y coordinador del programa ACES2030-CM.

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    Descarbonización de la industria pesada

    Energia y Sostenibilidad - Mié, 07/06/2022 - 03:11

    Autores: Jesús Gómez-Hernández, Sebastián Taramona, Javier Villa Briongos, Domingo Santana

    En 2021, el calor del proceso en la industria representó aproximadamente el 25 % del consumo mundial de energía [1]. La mayor parte de este calor provino de combustibles fósiles: en la UE, por ejemplo, el gas, el petróleo y el carbón proporcionan el 42 %, el 12 % y el 8 % del calor, respectivamente. Actualmente, solo el 13 % del calor de proceso en la UE proviene de fuentes renovables, y el 11 % de éste lo proporciona la biomasa. La electricidad proporciona el 12 % del calor de proceso de la UE; parte de este puede ser renovable, dependiendo de la combinación local de generación de energía. Debido a que una fracción tan baja del calor de proceso global es proporcionada por fuentes de energía renovables, las emisiones de carbono son muy altas, estimadas en 7,5 Gt a nivel mundial en 2016, aproximadamente una quinta parte de todas las emisiones globales de CO2 [2].

    Desde la Universidad Carlos III de Madrid se está trabajando en el suministro de calor de proceso a temperaturas en el rango de 150 – 300 °C para la industria asfáltica y minera. A continuación, se resumen los proyectos asociados a esta línea. En concreto, los principales hitos conseguidos en el proyecto INTECSOLARIS, finalizado en marzo 2022, y los objetivos propuestos en proyecto SHHIP-CO2, que comenzará en septiembre 2022.

    Integración de nuevas tecnologías solares en procesos industriales (INTECSOLARIS)

    Este proyecto ha sido financiado por la Comunidad de Madrid. El principal objetivo del proyecto INTECSOLARIS ha sido desarrollar una tecnología termosolar de concentración técnica y económicamente viable que minimice consumos de agua de limpieza del campo solar, para integrarla con procesos térmicos industriales a alta temperatura (T > 150 °C) de materiales pesados y difíciles de transportar. Esta tecnología incluye un nuevo sistema de medición del grado de ensuciamiento de los heliostatos y un nuevo concepto de tecnología termosolar (LBD) para maximizar la futura integración del desarrollo en la industria, minimizando la dependencia en combustibles fósiles y las emisiones de efecto invernadero.

    El campo solar representa un 40-50% de los costes de inversión de una planta termosolar. Su correcto funcionamiento depende de la reflectividad de los heliostatos. El IP J. Gómez posee los conocimientos necesarios para determinar el efecto del ensuciamiento sobre el rendimiento global de la planta termosolar y el consecuente aumento de costes. Sin embargo, ITF no es capaz de desarrollar una estrategia óptima de mantenimiento del campo solar que sea técnicamente viable. Hasta ahora, los heliostatos se limpian sin medidas del grado de ensuciamiento, traduciéndose en un alto impacto medioambiental por el consumo de agua. Es decir, altos costes económicos ya que la tecnología termosolar se suele situar en lugares áridos y secos. Los conocimientos del IP P. Contreras son fundamentales para diseñar una instrumentación electrónica robusta, de bajo peso y a distancia capaz de determinar el grado de ensuciamiento de los heliostatos. Así, las mediciones de esta tecnología electrónica permitirían optimizar las estrategias de operación y apuntamiento del campo de heliostatos con el fin de minimizar.

    Además, se afronta el reto de sustituir la tecnología actual de horno rotatorio por un nuevo diseño de receptor solar para integrar esta tecnología renovable en el procesado térmico de agregados en plantas asfálticas HMA. Para minimizar los costes (es decir, el área de heliostatos), es necesario reducir la longitud del receptor. Esto es sólo posible teniendo medidas fiables de la temperatura de los agregados de HMA. Sin embargo, los variables y desconocidos valores de emisividad de los agregados de HMA impiden el empleo de las actuales cámaras termográficas para medir su temperatura. La utilización de un termopar no es viable ya que los agregados están en movimiento. Por ello, se debe medir de forma no intrusiva la temperatura de los productos tratados térmicamente para determinar su óptimo funcionamiento. Esto sólo es posible mediante el desarrollo de sensores de fibra óptica para diseñar el receptor solar en función de las necesidades térmicas de los agregados de HMA.

    Figura 1. Resumen gráfico de INTECSOLARIS. Planta termosolar tipo Fresnel de Dhursar (Desierto del Thar, India) de 125MWe de potencia eléctrica, 2.190.640 m2 de área de apertura, coste total de 342 Millones de $US y un coste estimado del campo solar del 40% del total. La limpieza del campo solar se realiza sin mediciones de la reflectividad.

    Integración de la energía solar en la industria pesada para mitigar las emisiones de CO2 (SHHIP-CO2)

    Este proyecto está financiado por la convocatoria «Proyectos de Generación de Conocimiento» del Programa Estatal para Impulsar la Investigación Científico-Técnica y su Transferencia del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023.

    El objetivo de este proyecto es estudiar nuevos receptores solares para mejorar la penetración de la energía solar en aplicaciones de la industria pesada. Este proyecto desarrollará receptores solares para el secado y calentamiento de las partículas empleadas en la producción de asfalto y en el procesamiento de yeso de fuentes naturales. Los procesos considerados en ambas industrias requieren alta energía a altas temperaturas (T > 150 °C) para secar y calentar las partículas, las cuales actualmente son procesadas térmicamente en hornos rotatorios a gas. Esto se debe al contenido inicial de agua tanto de las partículas de asfalto como de yeso (5 – 8 %, respectivamente), que pueden distribuirse en la superficie de las partículas o en su interior, dificultando su secado. La carga ambiental de ambas industrias está marcada por el bajo contenido de humedad a la salida (0 %), los altos caudales másicos y las altas temperaturas necesarias. En este sentido, la industria del asfalto consume 85 kWh/ton y emite 18 kg CO2/ton de asfalto producido, en los que el 97 % de la energía total se consume en el secado y calentamiento de las partículas de asfalto. El horno rotatorio utilizado en la industria del yeso para secado y calentamiento consume 375 kWh/ton y emite 44 kg CO2/ton. Como se puede apreciar, el impacto de la integración solar para reducir la huella de carbono y la dependencia de combustibles fósiles en ambas industrias pesadas es alto.

    España, como séptimo productor de yeso del mundo (segundo de Europa), produjo 7.000 millones de toneladas de yeso en 2019, mostrando una producción media de 11 t/h por planta. Además, España produjo en 2019 18,8 millones de toneladas de mezcla asfáltica en caliente, mostrando una producción media de 65-75 ton/h por planta. Los precios bajos en ambas industrias dependen principalmente de los precios del gas y, en el futuro, también pueden depender del costo de las emisiones de CO2. Por lo tanto, se necesitan nuevos procesos renovables para garantizar bajos costos para estos productos básicos.

    Los receptores solares a desarrollar transportarán los materiales pesados ​​durante su procesamiento térmico a altas temperaturas. Estos receptores, basados ​​en tecnologías de cinta transportadora y lecho vibratorio, se combinarán con una nueva tecnología solar concentrada, el campo solar Linear Fresnel de haz descendente lineal (BDLFR), que ha sido patentado por ambos investigadores principales (PI). El campo solar BDLFR ha sido desarrollado para el procesamiento de materiales pesados ​​a temperaturas de T = 150 – 300 °C mediante la irradiación lineal y directa de energía solar concentrada. Para ello, el campo solar BDLFR consta de dos etapas de reflexión. Primero, los reflectores lineales de Fresnel dirigen la radiación solar a una segunda etapa de espejos planos. Aprovechando la óptica beam-down, estos espejos secundarios se instalan elevados del suelo, redirigiendo hacia abajo la energía solar concentrada hacia un receptor pesado y lineal situado en el suelo. Esta disposición facilita el tratamiento térmico de materiales pesados, como partículas, cuando se necesitan concentraciones solares de 14 – 31 kW/m2 en el receptor.

    Figura 2. Principales parámetros del campo solar BDLFR, en este ejemplo, la concentración solar es C = 17 y la eficiencia óptica es ηSF = 56 % [3].

    Para integrar ambas industrias pesadas, el proyecto generará un conocimiento profundo de los mecanismos de transferencia de calor y masa durante el secado y calentamiento de un lecho de partículas sometido a un flujo de calor solar en su superficie. Se desarrollarán modelos analíticos para la optimización de receptores solares tanto de cinta transportadora como de lecho vibratorio. Se propondrán sistemas de recuperación de calor para ambas industrias. Finalmente, se realizará un análisis de ciclo de vida comparando las tecnologías verdes innovadoras propuestas con las tecnologías convencionales actualmente aplicadas en la industria.

    El equipo de este proyecto de 3 años está formado por 4 Profs. Titulares, 1 Prof. Ayudante Doctor y 2 Profs. Visitantes y 1 estudiante de doctorado (Becario FPU) del Departamento de Térmica y Fluidos de la Universidad Carlos III. Todos los investigadores forman parte del grupo de investigación del ISE, que cuenta con 26 investigadores con experiencia acreditada en tecnología solar y transferencia de calor y masa.

    Referencias

    [1] IEA. Heating. 2022.

    [2] Thiel GP, Stark AK. To decarbonize industry, we must decarbonize heat. Joule 2021;5:531–50. https://doi.org/10.1016/J.JOULE.2020.12.007.

    [3] Taramona, S., González-Gómez, P. A., Briongos, J. V., & Gómez-Hernández, J. (2022). Designing a flat beam-down linear Fresnel reflector. Renewable Energy, Vol. 187, 484-499.

    Contacto

    Domingo J. Santana, Investigador Responsable del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM dsantana@ing.uc3m.es
    Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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    Alquilación tipo Minisci de N-Heteroarenos con Haluros de Alquilo bajo condiciones Electroquímicas

    Energia y Sostenibilidad - Lun, 06/27/2022 - 03:48

    Autores: Roberto del Río-Rodríguez, Lorena Fragoso-Jarillo, Alberto F. Garrido-Castro, M. Carmen Maestro, Jose A. Fernández-Salas y José Alemán

    Resumen: En los últimos años, la electroquímica está experimentando un importante auge como herramienta sintética en química orgánica al demostrar la capacidad de promover procesos redox en condiciones suaves y respetuosas con el medio ambiente, evitando el uso de cantidades estequiométricas de oxidantes y reductores al requerir simplemente corriente eléctrica como fuente de electrones. En este sentido, hemos enfocado nuestra investigación en el desarrollo de nuevas metodologías electroquímicas que involucran el control y adición de radicales libres. En concreto, hemos descrito una metodología de alquilación de tipo Minisci a N-heteroarenos general, fácil y respetuosa con el medio ambiente, en condiciones electroquímicas simples y directas, utilizando haluros de alquilo que representan reactivos muy deseables ya que son precursores de radicales altamente disponibles a nivel comercial. Hemos demostrado que los radicales alquílicos primarios, secundarios y terciarios se generan y acoplan de manera eficiente con una gran variedad de N-heteroarenos. El método presenta una tolerancia de grupos funcionales muy alta, incluidos varios productos naturales heterocíclicos, lo que destaca la robustez de la metodología. Esta aplicabilidad se ha probado además en la síntesis de varios intermedios de compuestos biológicamente activos. Además, hemos propuesto un mecanismo basado en diferentes pruebas y evidencias electroquímicas.

    Abstract: Herein, we report, a general, facile and environmentally friendly Minisci-type alkylation of N-heteroarenes under simple and straightforward electrochemical conditions using widely available alkyl halides as radical precursors. Primary, secondary and tertiary alkyl radicals have shown to be efficiently generated and coupled with a large variety of N-heteroarenes. The method presents a very high functional group tolerance, including various heterocyclic-based natural products, which highlights the robustness of the methodology. This applicability has been further proved in the synthesis of various interesting biologically valuable building blocks. In addition, we have proposed a mechanism based on different proofs and electrochemical evidence.

    Hemos desarrollado una metodología que ha permitido incorporar haluros de alquilo en el portafolio de precursores radicálicos de la reacción de Minisci usando condiciones electroquímicas muy suaves.

    Los heterociclos con átomos de nitrógeno en su estructura han atraído la atención de los químicos orgánicos a lo largo de los años, ya que son intermediarios versátiles en síntesis orgánica y estructuras predominantes en productos naturales y sintéticos con un amplio espectro de propiedades biológicas. De hecho, más del 85% de todos los compuestos biológicamente activos son heterociclos, lo que destaca su importancia en química orgánica y química médica. Debido a su relevancia, el desarrollo de funcionalizaciones sencillas de estructuras heterocíclicas ha sido un punto focal en la investigación en química orgánica, con especial énfasis en estrategias capaces de reemplazar enlaces C-H con nuevas funcionalidades en un solo paso de reacción y de manera selectiva. En este contexto, la reacción de Minisci es una poderosa y atractiva herramienta sintética para la modificación directa y rápida de unidades heteroaromáticas. Además, en los últimos tiempos a parte de la necesidad de desarrollar nuevos métodos sintéticos cada vez más eficientes, se ha añadido la gran necesidad de desarrollar nuevos “procesos verdes” en síntesis orgánica con el fin de alcanzar metodologías sostenibles. Así, la electroquímica está empezando a ser considerada una herramienta sintética apreciada por presentar una gran variedad de beneficios, ofrecer condiciones de reacción suaves y dar acceso a métodos eficientes desde el punto de vista atómico que permiten llevar a cabo oxidaciones o reducciones, que además pueden lograrse de manera selectiva y precisa utilizando electrones como reactivos mediante la aplicación de una corriente eléctrica.

    En este trabajo, describimos una alquilación de tipo Minisci usando haluros de alquilo en condiciones electroquímicas simples, suaves y fáciles de manejar. Los radicales alifáticos generados electroquímicamente interactúan eficientemente con heteroarenos basados en átomos de nitrógeno en presencia de un ácido de Brønsted como único promotor. Así, hemos desarrollado una metodología electroquímica que presenta una gran versatilidad y tolerancia a diferentes grupos funcionales, lo que nos ha permitido extender el protocolo en presencia de grupos funcionales versátiles desde el punto de vista sintético como: bromuros, derivados de ácidos carboxílicos, cetonas, etc. Como consecuencia de la alta tolerancia obtenida, hemos demostrado cómo la metodología de alquilación electroquímica tipo Minisci puede usarse de manera eficiente para la funcionalización directa y selectiva de productos naturales y para llevar a cabo el paso sintético clave en la síntesis formal de compuestos biológicamente activos.


    Referencia bibliográfica

    R. del Río-Rodríguez, L. Fragoso-Jarillo,   A. F. Garrido-Castro,    M. Carmen Maestro,    J. A. Fernández-Salas,  J. Alemán. General electrochemical Minisci alkylation of N-heteroarenes with alkyl halides. Chem. Sci., 2022, 13, 6512.

    Contacto

    José Alemán, Responsable del Grupo FRONCAT e Investigador responsable del Grupo FRUAM del Programa FotoArt-CM – jose.aleman@uam.eswww.uam.es/jose.aleman

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

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    Diseño de Receptores de Torre Central para el Proyecto Integración Avanzada de Ciclos Combinados en Centrales Termosolares (AvanCCSol)

    Energia y Sostenibilidad - Mar, 06/21/2022 - 05:12

    Autores: Rubén Barbero y Guillermo Ortega (UNED)

    Resumen: España es el país con la mayor potencia de concentración solar (CSP) instalada y, aunque en los últimos años se detuvo su crecimiento, debido a la moratoria de las Energías Renovables de 2012, se espera que la nueva hoja de ruta planteada por la UE para convertir al territorio en neutro en carbono [1] provoque un relanzamiento de la instalación de plantas CSP. De hecho, el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [2] plantea como escenario objetivo la introducción de 5 GW hasta 2030. En paralelo se plantea un aumento importante del número de plantas fotovoltaicas y de generación eólica, lo que implicará la necesidad de introducir plantas de energía renovable capaces de adaptarse a la demanda no cubierta por estas últimas y con costes nivelados de la electricidad (LCOE) reducidos. En este sentido el proyecto Integración Avanzada de Ciclos Combinados en Centrales Termosolares (AvanCCSol) plantea el estudio y desarrollo de cuatro tecnologías solares con sus correspondientes cuatro ciclos termodinámicos avanzados.

    Abstract: Spain is currently the country with the largest installed concentrated solar power (CSP) and, although its growth has stopped in recent years due to the moratorium on Renewable Energies in 2012, it is expected that the new roadmap proposed by the EU to convert the territory into carbon neutral [1] makes that the installation of CSP plants is launched again. In fact, the National Integrated Energy and Climate Plan 2021-2030 [2] proposes the introduction of 5 GW by 2030 as a target scenario. In parallel, a significant increase of photovoltaic and wind generation plants is proposed, which will imply the need to introduce renewable energy plants with increased dispatchablity and reduced Levelized Costs of Electricity (LCOE). Aligned with this framework, the Advanced Integration of Combined Cycles in Solar Thermal Power Plants (AvanCCSol) project plans the design and study of four solar technologies with their corresponding four advanced thermodynamic cycles.

    El proyecto AvanCCSol busca el avance global tanto en plantas CSP como en plantas híbridas, introduciendo sinergias que conduzcan a mayores eficiencias y un menor LCOE. Además, se incluyen nuevos procedimientos para la gestión de la energía con el fin de mejorar su factor de capacidad y su rentabilidad. Se ha planteado el desarrollo de 4 tecnologías solares con sus 4 ciclos termodinámicos avanzados, constituyendo plantas híbridas con un gran aporte solar y una gestión eficaz de las fuentes.

    El proyecto AvanCCSol dedica una parte importante de los recursos al desarrollo de los colectores solares que formarían parte de dichas plantas. En concreto, uno de ellos consiste en un receptor de torre central (CTR) trabajando hasta las temperaturas de los diseños comerciales (565 ºC) y otro operando a temperaturas superiores (700 ºC), en línea con el programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap [3], en el que se han identificado los receptores de torre central como la tecnología que logrará una reducción importante de los costes de generación debido al aumento de la temperatura de trabajo. Existen tres líneas de trabajo dentro de dicho programa, en función del estado del fluido transferencia: gas, líquido o sólido; asignando probabilidades de éxito similares para todas ellas, aunque con una ligera ventaja para el caso de receptores de partículas. En este proyecto se trabaja sobre dos de ellas:

    • Receptores con fluido de transferencia líquido: sales fundidas para temperaturas comerciales o incluso superiores (hasta 700 ºC), o metales líquidos, hasta temperaturas próximas a los 1000ºC.
    • Receptores con partículas para temperaturas de trabajo en el entorno de los 1000 ºC.

    Por supuesto, el diseño de estos nuevos colectores requerirá el desarrollo de componentes específicos donde actualmente no existen soluciones industriales. En este ámbito, el proyecto tratará de contribuir a superar algunas de las barreras existentes hoy en día.

    Esta entrada, en particular, se centra en el diseño de receptores centrales abiertos para trabajar a temperaturas comerciales (565 ºC) y hasta 700 ºC, para lo que se plantea el uso de sales y/o metales fundidos. Para ello se ha desarrollado una metodología de optimización del diseño de receptor basada en el uso combinado de dos herramientas desarrolladas dentro del grupo:

    • Una orientada al diseño óptico del campo de heliostatos, que permite el cálculo la potencia concentrada en el receptor por unidad de área y la optimización de dicho campo, así como su apuntamiento [4-5].
    • Otra orientada al cálculo del rendimiento térmico en receptores solares basada en el modelo desarrollado en [6].

    En una primera etapa se ha establecido una estrategia de apuntamiento que permitirá el análisis paramétrico de los distintos diseños con un apuntamiento óptico, de manera óptima, para cada instante de operación. A partir de ahí se analizarán parámetros como la altura y diámetro del receptor, el diámetro de los tubos o el circuito de circulación del fluido, entre otros.

    Para ello se ha probado con aproximaciones a distribuciones normales con distintas desviaciones (σ), tal y como se puede observar en la Figura 1.

    Figura 1. Distribuciones de potencia en receptor para distintas estrategias de apuntamiento

    Estos diseños tendrán una serie de restricciones en su operación que han sido implementadas en el modelo de cálculo de rendimiento térmico:

    • Tensiones térmicas debido al gradiente de temperaturas circunferencial y radial.
    • Corrosión en la superficie interior de los tubos. Ambos basados en el método expuesto en [7].
    • Pérdida de carga y estabilidad del flujo en el interior de los tubos.

    En la Figura 2 se muestran parte de resultados obtenidos. Se puede observar que el rendimiento térmico aumenta según se uniformiza la distribución. Este efecto se incrementa para bajas irradiaciones solares (DNI). Por otro lado, para distribuciones más uniformes, pueden aumentar los errores de apuntamiento, con lo que habrá una distribución de la concentración óptima.

    Figura 2. Rendimiento térmico del receptor en función de la DNI y para distintas estrategias de apuntamiento

    Estos resultados y otros, obtenidos en esta primera fase, serán presentados en el próximo XII Congreso Nacional y III Internacional de Ingeniería Termodinámica. Esta metodología permitirá el replanteamiento de los diseños comerciales actuales y el diseño óptimo a temperaturas superiores.   

    Agradecimientos

    Este trabajo ha sido apoyado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del proyecto PID2019-110283RB-C31; y ha sido realizado dentro del Proyecto ACES2030-CM, financiado por el programa  regional de investigación y desarrollo en tecnología 2018 de la Comunidad de Madrid (ref. P2018/EMT-4319)

    Referencias

    [1] Comunicación de la Comisión, COM/2018/773 final, “Un planeta limpio para todos. La visión estratégica europea a largo plazo de una economía próspera, moderna, competitiva y climáticamente neutra”

    [2] Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030, MITECO (2020).

    [3] M. Mehos, C. Turchi, J. Vidal et al., 2017. Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap (No. NREL/TP–5500-67464, 1338899).

    [4] G. Ortega, A. Rovira, A new method for the selection of candidates for shading and blocking in central receiver systems, Renew. Energy 152 (2020) 961-973.

    [5] G. Ortega, A. Rovira, Proposal and analysis of different methodologies for the shading and blocking efficiency in central receivers systems, Sol. Energy 144 (2017) 475-488.

    [6]  R Barbero, A. Rovira, M. J. Montes, J. M. Martínez Val, (2016). A new approach for the prediction of thermal efficiency in solar receivers. Energy Conversion and Management

    [7]  Alberto Sánchez-González, María Reyes Rodríguez-Sánchez, Domingo Santana (2019). Allowable solar flux densities for molten-salt receivers: Input to the aiming strategy. Results in Engineering.

    Contacto

    Rubén Barbero, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – rbarbero@ind.uned.es

    Guillermo Ortega, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – guillermo@didp.uhu.es

    Antonio Rovira, Catedrático UNED. Coordinador AvanCCSol  – rovira@ind.uned.es

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    La porosidad abre la puerta a novedosos electrocatalizadores sin metal

    Energia y Sostenibilidad - Mié, 06/08/2022 - 04:09

    Autor: José Ignacio Martínez, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

    La reacción de reducción de oxigeno (ORR) es un proceso clave para las nuevas tecnologías de conversión de energía, como baterías al aire y celdas de combustible, las cuales han adquirido una vital relevancia para un futuro sostenible. Sin embargo, la dificultad para romper el robusto enlace doble O=O requiere del uso de electrocatalizadores. Mientras que los catalizadores metálicos se usan en la mayoría de aplicaciones industriales, la comunidad académica está focalizando sus esfuerzos en la búsqueda de alternativas puramente orgánicas. La gran mayoría de los catalizadores metálicos están basados en metales preciosos, cuyas reservas planetarias son muy limitadas, y su precio desorbitado. Sin embargo, en los últimos años, estructuras basadas en carbono se están erigiendo como poderosas herramientas en el desarrollo de catalizadores de última generación. Materiales basados en metales de transición como peruskitas y otros óxidos metálicos, así como boruros, nitruros, hidróxidos metálicos laminares, aleaciones metálicas y otras alternativas con alto contenido en carbono son particularmente interesantes debido a su bajo precio y relativa abundancia en comparación con los catalizadores basados en Pt, ampliamente utilizados. En la actualidad, sin embargo, la preparación de electrocatalizadores ORR punteros y disruptivos basados en carbono requiere la transformación desde materiales orgánicos a muy alta temperatura, lo que incrementa sustancialmente el coste y los límites de control sobre sus características estructurales. Para soslayar esta importante limitación, el Prof. José L. Segura de la Universidad Complutense de Madrid, ha liderado una ambiciosa investigación multidisciplinar con colegas de la Universidad Autónoma de Madrid, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), y del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA-Nanociencia). A lo largo de este proyecto, el Prof. Segura y el resto de colaboradores han desarrollado una familia de electrocatalizadores libres de metal basados en moléculas orgánicas con grupos funcionales de naftalenodiimida (NDI) como centros activos para la reacción ORR [Martínez-Fernández et al., Applied Materials Today 26 (2022) 101384, https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101384]. Se ha sintetizado un nuevo tipo de polímero conocido como COF (del inglés “Covalent Organic Framework”), el cual se organiza en forma de una estructura porosa que constituye la base de estos electrocatalizadores. De esta manera, mediante la simple formación de enlaces imídicos entre dianhídrido de naftaleno y compuestos de triamina se obtiene una batería de COFs hexagonales basados en NDI con una alta actividad para la reacción ORR, donde los centros activos son las unidades NDI. Puesto que los electrocatalizadores basados en NDI catalizan la reacción ORR directamente no se requiere un proceso de pirolisis, lo que reduce los costes en comparación con otros basados en carbono. El uso de diferentes conectores moleculares con triamina favorece el control de la distorsión de la estructura global, alterando el acceso de moléculas O2 y con ello la actividad electrocatalítica. Estos materiales también poseen una alta selectividad al O2 y una gran robustez y estabilidad intrínseca. La mejora de la accesibilidad de los reactivos a un centro activo heterogéneo aún no había sido explorada para estos sistemas, lo que también se ha logrado mediante el control de su porosidad para la mejora sustancial de la respuesta ORR. Los materiales obtenidos y caracterizados en esta investigación ofrecen una prometedora alternativa a catalizadores basados en Pt debido al gran área efectiva disponible, a una inherente estabilidad y durabilidad, un eficiente transporte de carga y su facilidad de síntesis. Esta investigación abre las puertas al objetivo último de la incorporación de estos COFs en dispositivos reales funcionales, tales como baterías de Zn al aire o celdas de combustible para la producción de energía limpia.

     La adecuada combinación de precursores NDI con alta actividad electrocatalítica con distintos conectores moleculares con triamina en COFs permite un alto control estructural de centros electroactivos para la electrocatálisis de la ORR.

    Contacto

    José Ignacio Martínez, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.
    Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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    La Tecnología de Nanotubos de IMDEA Materiales Revolucionará la Fabricación

    Energia y Sostenibilidad - Lun, 05/30/2022 - 06:04

    Autor: IMDEA Materiales

    Los avances en la tecnología de fibra de nanotubos de carbono (CNT) del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados de Materiales (IMDEA Materiales) formarán parte de la nueva revolución que se está produciendo en el ámbito de la fabricación en los próximos cinco años.

    Así lo afirma el Dr. Juan José Vilatela, investigador sénior de IMDEA Materiales, quien también cree que la nueva tecnología podría conducir a una reducción masiva de las emisiones de CO2.

    Los comentarios del Dr. Vilatela se producen tras la publicación el viernes pasado de una nueva investigación en la prestigiosa revista Science Advances que detalla un desarrollo significativo en el campo de las fibras de ultra alto rendimiento.

    Los CNTs se consideran el bloque de construcción definitivo para tales fibras, y las nanoestructuras multidimensionales propuestas por el equipo de IMDEA Materiales crearían un material de una resistencia y una conductividad térmica y eléctrica sin precedentes.

    La investigación, que fue el resultado de un esfuerzo internacional conjunto con investigadores de España, Estados Unidos y Corea del Sur, encontró que las nanoestructuras multidimensionales propuestas superarían muchos de los límites asociados con las fibras sintéticas convencionales.

    La tecnología de fibras de CNT tiene una amplia gama de aplicaciones, incluidos los sectores de automoción, aeronáutica, telecomunicaciones y la transferencia de datos.

    Y lejos de ser simplemente teórico, el Dr. Vilatela confía en que el uso a gran escala de los CNTs está a la vuelta de la esquina.

    “Estamos muy cerca de la industrialización de esta nueva clase de materiales”, dijo Vilatela. “Ahora tenemos las moléculas correctas, los métodos adecuados para ensamblarlas y la comprensión de cómo producir materiales que superan a las fibras de carbono tradicionales”.

    “Eso se refleja, no solo en el hecho de que son más fuertes y rígidos, sino que tienen conductividades eléctricas y térmicas muy altas, algo que las fibras de carbono realmente no tienen. Entonces, este material comenzará a reemplazar, no solo a las fibras de carbono estructurales, sino también a los metales”.

    El grupo de investigación del Dr. Vilatela lleva trabajando en CNT desde 2011, pero los avances más recientes se han producido después de poder combinar ese conocimiento con nuevos materiales producidos en los países socios, Corea y EE. UU.

    También ha sido clave al éxito del proyecto el trabajo de la asistente de investigación Cristina Madrona, una especialista en las bajas propiedades dimensionales de las fibras CNT.

    La adopción de la tecnología CNT también podría ser un elemento clave para combatir el aumento de los niveles de CO2 dado su potencial para reemplazar el cobre, el acero, el aluminio e incluso el hormigón en los procesos de fabricación.

    “Es revolucionario. Tiene un enorme potencial para reducir las emisiones en una escala de millones de toneladas por año de CO2 porque una fracción muy significativa de las emisiones mundiales proviene de la fabricación de… acero, cobre, aluminio y cemento”.

    “Esos son los mayores contaminantes como materiales, por lo que, si podemos reemplazarlos, es donde está la oportunidad de conseguir un impacto significativo. Así que ese es el objetivo a largo plazo”.

    Contacto

    Juan José Vilatela, Investigador Responsable del grupo FIMDEAM del Programa FotoArt-CM.
    Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

    Power-to-heat-to-power (P2H2P) usando microondas y sistemas comerciales de almacenamiento térmico de gran capacidad

    Energia y Sostenibilidad - Lun, 05/23/2022 - 10:39

    Autores: E. Rojas, M. Rodriguez-García, C. Valverde

    Los sistemas Power-to-heat-to-power (P2H2P), también conocidos como baterías de Carnot, son, hoy en día, unas de las soluciones mejor valoradas para facilitar una contribución real y relevante de las tecnologías renovables eólica y fotovoltaica en el mercado eléctrico actual [1]. Y es que, a fecha de hoy, no se dispone de baterías lo suficientemente grandes con la capacidad de almacenar de manera rentable el exceso de energía producido por las plantas de energía fotovoltaica y los parques eólicos. Para mantener el equilibrio entre la oferta y la demanda de energía, los operadores de plantas de energía fotovoltaica y parques eólicos reducen su producción de electricidad en momentos en que hay mucho sol o viento, pero poca demanda. Por lo tanto, parte del potencial de generación de energía con estas tecnologías permanece sin explotar [2]. No es este el caso de las centrales termosolares que, gracias a sus ya comerciales sistemas de almacenamiento de gran capacidad (actualmente el sistema más grande es de 2GWeh, (https://estelasolar.org/) y relativo bajo coste de inversión (entre 20-55 €/kWeh) [3], pueden gestionar su producción de forma independiente a la disponibilidad de recurso solar1. Estos sistemas utilizan como medio de almacenamiento una mezcla no eutéctica de nitratos, llamada sal solar, en estado líquido que se va transfiriendo a uno de los dos tanques que configuran el sistema según se esté haciendo un proceso de carga o de descarga. Así pues, la propuesta P2H2P es la de utilizar estos sistemas de almacenamiento térmico para almacenar el excedente eléctrico de plantas eólicas y fotovoltaicas, transformándolo posteriormente de nuevo en energía eléctrica en bloques de potencia ya existentes, ya sean de centrales termosolares, de centrales de carbón a punto de ser desmanteladas [4], o de cualquier otra central térmica de potencia (gas o, incluso, nuclear).

    Figura 1. Vista aérea del sistema de almacenamiento en una planta termosolar de cilindro parabólico. Se aprecian los dos tanques, así como el tren de intercambiadores de la sal solar (sistema de almacenamiento) con aceite térmico (campo solar)

    Hasta la fecha, la conversión de electricidad en calor se ha contemplado hacerla con calentadores o intercambiadores eléctricos, donde la energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica, calentando el material por el que circulan (efecto Joule). Luego, este material transfiere el calor al medio de almacenamiento que está directamente en contacto con la resistencia calefactora, de modo que el intercambio de energía se produce en su superficie. Con una eficiencia de conversión eléctrico-térmica bastante alta, la transferencia de calor por convección, así como la inexistencia de zonas de remanso en el intercambiador eléctrico determinan, en gran medida, la funcionalidad de este método, sobre todo para líquidos que tienen poca conductividad térmica y que trabajan muy cerca de su límite de temperatura de degradación, como ocurre en el caso de la sal solar. Investigadores de la Unidad de Almacenamiento de Energía Térmica del Ciemat (http://www.psa.es/es/areas/atycos/index.php) están explorando otros procesos de conversión eléctrica-térmica que no tengan estas desventajas, como es el calentamiento por microondas [5].

    Las microondas (MW) son ondas electromagnéticas con frecuencias en el rango de 0,3 a 300 GHz y, por lo tanto, ubicadas entre el infrarrojo y las ondas de radio. Cuando los materiales dieléctricos (es decir, moléculas o iones polares) se exponen a radiaciones de microondas, sus dipolos eléctricos oscilan en su intento de alinearse con el campo eléctrico alterno de esas ondas. A medida que estos dipolos giran, se producen fricciones y colisiones, aumentándose la temperatura del medio. Esto se conoce como polarización dipolar.

    Durante las últimas décadas, las microondas se han utilizado cada vez más en procesos de calentamiento, mostrando beneficios en cuanto a la eficiencia, el ahorro de tiempo y la intensificación de algunos procesos industriales a baja y alta temperatura (p. ej., secado, cocción, sinterización de cerámica, curado de polímeros, etc.). A diferencia del calentamiento por resistencias eléctricas o efecto Joule, el calentamiento por microondas es un proceso volumétrico, selectivo en términos de qué material se calienta y cuál no, y con una respuesta muy rápida de activación y desactivación. Esto conduce tanto a tasas de calentamiento muy altas como a importantes ahorros de energía. Aunque las microondas pueden presentar problemas de fugas e interferencias con otras ondas electromagnéticas, siendo problemas manejables dentro de unos límites aceptables [3], se han seleccionado como fuente de calor en muchos procesos de la industria alimentaria, de tratamiento de residuos, de vitrificación y también en la síntesis de materiales inorgánicos en estado sólido [6].

    Los investigadores del Ciemat han verificado que las propiedades dieléctricas no solo de la sal solar, sino también de cada una de sus componentes de forma individual (KNO3 y NaNO3), les hacen ser susceptibles de ser calentadas con este método, por lo que ahora se encuentran trabajando en el desarrollo de un sistema completo –y complejo- que pueda utilizarse en un sistema P2H2P.

    Figura 2. Esquema de una planta de potencia híbrida termosolar y fotovoltaica con almacenamiento para ambas fuentes, usando microondas para el almacenamiento de la energía eléctrica fotovoltaica.

    Referencias

    [1] Dumont, et al., “Carnot battery technology: A state-of-the-art review”, Journal of energy storage, 32, 101756 (2020), https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101756

    [2] Martin Grolms, “Power-to-Heat-to-Power”. Advance Science news, Mar (2019) https://www.advancedsciencenews.com/power-to-heat-to-power/

    [3] Crespo, The double role of CSP plants on the future Electrical Systems, presented in the WBG Conference ‘Concentrating Solar for Power and Heat’ (2020)

    [4] Han, Y. Sun, J. Wu, “A low-cost and efficient solar/coal hybrid power generation mode: Integration of non-concentrating solar energy and air preheating process”, Energy, 235, 121367 (2021), https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121367

    [5] Rodriguez-Garcia, M.M; Bayon, R.; Alonso, E.; Rojas, E. “Experimental and Theoretical Investigation on Using Microwaves for Storing Electricity in a Thermal Energy Storage Medium”, SolarPACES2021 Conference

    [6] L. Lee, et al., “Numerical modelling of liquid heating and boiling phenomena under microwave irradiation using OpenFOAM”, International journal of heat and mass transfer, 148, (2020), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119096

    1Para ver la producción real horaria, no solo termosolar, sino de cualquier tecnología de generación eléctrica ver https://demanda.ree.es/visiona/peninsula/demanda/total. Actualmente el sistemas retributivo que tienen las plantas termosolares no favorece ni mejoras en el funcionamiento y producción de estas plantas, ni un vertido de potencia a la red beneficioso para el sistema y el ciudadano.

    Contacto

    Esther Rojas, Investigadora Responsable del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM
    Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

    Investigaciones recientes sobre fijación solar de nitrógeno

    Energia y Sostenibilidad - Mar, 05/17/2022 - 11:19

    Autor: Alejandro Herrero, IMDEA Energía

    La situación geopolítica en 2022 ha provocado un repunte en los precios del gas natural, combustible principal en la producción de amoníaco en el proceso Haber-Bosch, lo que se ha traducido en el alza del precio de los fertilizantes y, por extensión, de los alimentos y otros productos de primera necesidad.

    Dicho proceso consume entre el 3% y el 5% del gas natural producido anualmente a nivel mundial, emitiendo cerca de dos toneladas de CO2 por cada una de amoníaco. Los precios de amoníaco varían entre los 170 $/ton e incluso más de 600 $/ton en situaciones de crisis como la actual. La mayor parte del amoníaco producido, alrededor de un 80% [1], se emplea en la fabricación de fertilizantes, entre los cuales el más consumido a nivel mundial es la urea [2].

    En los últimos años se han desarrollado plantas de producción de “amoníaco verde” en las que el hidrógeno consumido en el proceso es obtenido mediante electrólisis con energías renovables. Sin embargo, el precio a día de hoy no es competitivo con el proceso Haber-Bosch en plantas de gran producción [3]. Según algunas estimaciones, la síntesis de hidrógeno y nitrógeno como vectores energéticos mediante energías renovables podría reemplazar a otros combustibles fósiles en un importante porcentaje para 2040-2050 [4, 5]. En los últimos años se ha tratado de mejorar la síntesis de amoníaco mediante el mismo proceso Haber-Bosch a condiciones de presión y temperatura más bajas, con el empleo de distintos tipos de catalizadores que contienen en su estructura Ru, Co, Ni o Mo [5].

    La situación actual pone de manifiesto la vulnerabilidad del sistema de producción centralizado en el que el transporte de mercancías se ve, a su vez, comprometido en situaciones de excepcionalidad.

    En los últimos años se han desarrollado tecnologías de fijación de nitrógeno alternativas que podrían ser competitivas en modelos de producción descentralizada en un plazo temporal no muy lejano. Pese a que aún no están plenamente desarrolladas, en el futuro permitirían amortiguar subidas en los precios durante épocas de crisis, reduciendo la dependencia exterior, costes de transporte y mejorando la capacidad de respuesta de cada país.

    Figura 1. Esquema de los tipos de amoníaco producidos. Adaptado con permiso de [6].

    La fijación de nitrógeno puede conseguirse en condiciones de baja presión y temperatura con otras tecnologías novedosas en las que se emplea energía solar o eléctrica renovable, obteniendo el hidrógeno necesario mediante electrólisis. Entre las tecnologías que pueden utilizar fuentes de energía renovables destacan los procesos de electrocatálisis, fotocatálisis, fotoelectrocatálisis, fototermocatálisis o la fijación de N2 por plasma. En todos estos casos, el nivel de madurez tecnológica es aún bajo y requiere de más años de investigación y desarrollo para su implantación comercial. Sin embargo, los primeros estudios económicos sugieren que en determinadas circunstancias se podrían alcanzar precios competitivos en un futuro no muy lejano.

    Entre las tecnologías referidas, aquellos procesos que permiten la obtención de amoníaco mediante energía solar directa requieren aún mejoras sustanciales que permitan reducir los costes de producción. Entre ellas, las principales radican en la obtención de catalizadores estables con alta actividad catalítica y el empleo de las condiciones de operación más favorables. La configuración de las plantas solares, la combinación con otros procesos de producción y la ordenación del territorio pueden jugar también un importante papel en el desarrollo e implantación de este tipo de tecnologías.

    Recientemente, se han comparado distintas configuraciones en algunas de estas tecnologías. En sistemas electrocatalíticos se ha planteado la conveniencia de emplear dos etapas en las que se produce hidrógeno y amoníaco respectivamente de forma secuencial, o bien una sola etapa en la que se sintetiza amoníaco directamente a partir de nitrógeno y agua, consiguiéndose costes estimados en 600 $/ton [3].

    En fotocatálisis en fase acuosa se ha planteado el uso de aire y agua como mezcla inicial de reacción. Se ha evaluado la conveniencia del uso de sistemas de separación de nitrógeno del aire como paso previo a la síntesis en fase acuosa, donde se sacrificaría parte de la actividad catalítica debido a la presencia de oxígeno disuelto, pero consiguiendo importantes reducciones en los costes de producción [7].

    Se ha evaluado recientemente un sistema de obtención de hidrógeno mediante foto-electro-catálisis que posteriormente es usado como reactivo en una segunda etapa de obtención de amoníaco mediante síntesis electroquímica, estimándose un coste de producción de 840 $/ton de amoníaco [8].

    En conclusión, invertir en tecnologías alternativas a la producción de amoniaco por Haber-Bosh es una necesidad acuciada por la crisis actual de los combustibles. Aunque estas tecnologías son incipientes se ha evaluado que su coste podrá ser asumible en un futuro no muy lejano. En este contexto, las tecnologías relacionadas con la producción de amoniaco como combustible, fertilizante o reactivo de alto valor añadido de origen solar, son unas de las mas interesantes.

    Referencias

    [1] G. Chehade y I. Dincer. Progress in green ammonia production as potential carbon-free fuel. Fuel 299. 120845.

    [2] https://www.fertilizerseurope.com/fertilizers-in-europe/facts-figures/

    [3] C.A. Fernández y M. C. Hatzell. Editors’ Choice—Economic Considerations for Low-Temperature Electrochemical Ammonia Production: Achieving Haber-Bosch Parity. Journal of The Electrochemical Society 167 (2020). 143504.

    [4] A. E. Yüzbaşıoğlu, C. Avşar, A. O. Gezerman. The current situation in the use of ammonia as a sustainable energy source and its industrial potential. Current Research in Green and Sustainable Chemistry 5 (2022). 100307.

    [5] J. Humphreys, R. Lan, S. Tao. Development and recent progress on ammonia synthesis catalyst for Haber-Bosch process. Advanced Energy & Sustainability Research. 2 (2021). 2000043.

    [6] K. Smart. Review of Recent Progress in Green Ammonia Synthesis. Johnson Matthey Technol. Rev., 2022, 66, (3), 230–244. https://doi.org/10.1595/205651322X16334238659301.

    [7] Y.-H. Liu, C. A. Fernández, S. A. Varanasi, N. N. Bui, L. Song, and M. C. Hatzell. Prospects for Aerobic Photocatalytic Nitrogen Fixation. ACS Energy Lett. 2022, 7, 24−29.

    [8] Y. Bicer and I. Dincer. Exergoeconomic analysis and optimization of a concentrated sunlight-driven integrated photoelectrochemical hydrogen and ammonia production system. International Journal of Hydrogen Energy 44 (2019).

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    Alejandro Herrero, investigador de la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía.
    Víctor A. de la Peña O´Shea, coordinador del proyecto FotoArt-CM.

    Almacenamiento termoquímico de energía solar

    Energia y Sostenibilidad - Lun, 05/09/2022 - 03:42

    Autores: L. Briones1, C. M. Valverde-Pizarro1, I. Barras-García1, C. Tajuelo1, E. S. Sanz-Pérez1, R. Sanz1, J. M. Escola1, J. González-Aguilar2 y M. Romero2

    1 Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA), Universidad Rey Juan Carlos, c/ Tulipán s/n, 28933, Móstoles.

    2 Unidad de Procesos de Alta Temperatura, Instituto IMDEA Energía, Avenida Ramón de la Sagra, 28935, Móstoles.

    En la actualidad, el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía es un elemento decisivo para facilitar la progresiva implantación de las energías renovables en nuestras sociedades. Un problema general de las energías renovables es su intermitencia, de forma que no siempre es factible adaptar la producción a la demanda, con lo que en numerosas ocasiones se obtienen excedentes que acaban perdiéndose. Ello obliga a desarrollar sistemas de almacenamiento efectivos y baratos que permitan almacenar esos excedentes de energía renovables y poder utilizarlos cuando son realmente necesarios. Se han propuesto diferentes sistemas de almacenamiento como las presas de bombeo, baterías de flujo, baterías de ión Li, electrolisis del agua para generar el vector hidrógeno, etc., de modo que muchos de ellos se encuentran en la actualidad bajo profundo estudio para determinar su viabilidad técnica y económica. Una vía de almacenar energía solar que está recibiendo cada vez más interés es el almacenamiento termoquímico de energía. En esta opción, la energía proyectada por los concentradores solares en las centrales CSP se enfoca sobre un compuesto químico que experimenta una reacción reversible, la cual puede utilizarse en ambos sentidos para almacenar o liberar energía, según proceda. Nuestro grupo en la Universidad Rey Juan Carlos en colaboración con investigadores del Instituto IMDEA Energía se ha centrado particularmente en la aplicación de la reacción reversible de hidratación/deshidratación del CaO con fines de almacenamiento de energía. Esta reacción tiene bastantes ventajas. Por ejemplo, su entalpía es considerable (104 kJ/mol), tiene una alta ciclabilidad, su cinética es rápida, no hay subproductos y los reactivos son abundantes y baratos. En este sentido, se puede almacenar energía mediante la deshidratación del Ca(OH)2 por acción de los concentradores solares, produciendo CaO. Posteriormente, esta energía se puede recuperar en cualquier momento simplemente poniendo en contacto el CaO con vapor de agua, liberándose los 104 kJ/mol por ejemplo a un fluido circulante, que pueden aprovecharse en la generación de electricidad.

    No obstante, la implantación efectiva de esta tecnología requiere el desarrollo de sistemas con alta ciclabilidad y también, provistos de resistencia estructural. Así, la aplicación en lechos fijos o móviles implica el desarrollo de composites o pellets capaces de resistir los considerables cambios de volúmenes producidos durante las reacciones de hidratación/deshidratación, y que conducen irremediablemente a la desintegración del pellet y su progresiva conversión en polvo. Este fenómeno dificulta enormemente su aplicación práctica real. En investigaciones previas, nuestro grupo de investigación realizó avances en este campo diseñando pellets de CaO con mayor integridad estructural y buena características de ciclabilidad. De este modo, se llevó a cabo la elaboración de pellets esféricos de Ca(OH)2 aglomerados con Al2O3 (60/40 w/w) y recubiertos con geles de alúmina mesoporosa. Estos composites presentaron mayor resistencia estructural y ciclabilidad tras 20 ensayos que los pellets de CaO puros, con unos rendimientos de hidratación considerables y superiores al 80%1.

    Nuestro grupo en la Universidad Rey Juan Carlos, nuevamente en colaboración con investigadores del Instituto IMDEA Energía, ha realizado más avances en este campo, desarrollando pellets tanto esféricos como cilíndricos de Ca(OH)2 y Al2O3, recubiertos tanto de sílice densa como porosa, mediante aplicación de una técnica de dip-coating2. En estos estudios, se observó que los pellets cilíndricos recubiertos de sílice porosa permitían alcanzar rendimientos de hidratación superiores al 85% tras 10 ciclos, manteniendo su forma y una cierta dureza (> 7 N), a pesar de los considerables cambios de volumen experimentados por el pellet tras los sucesivos ciclos de hidratación/deshidratación. Este buen comportamiento se atribuyó a la naturaleza del recubrimiento y al procedimiento de preparación del pellet. Así, el recubrimiento de sílice porosa está formado por granos dispersos y porosos sobre la superficie del pellet, que permitieron preservar mejor su estructura porosa, facilitando la difusión del vapor de agua en los sucesivos ciclos. En este sentido, estos resultados recalcan que son necesarios pero también posibles los avances en los materiales utilizados para el almacenamiento termoquímico de energía en centrales solares del tipo CSP.

    Referencias

    1 C.M. Valverde-Pizarro, L. Briones, E. Sanz-Pérez, J.M. Escola, R. Sanz, J. González-Aguilar, M. Romero. Coating of Ca(OH)2/γ-Al2O3 pellets with mesoporous Al2O3 and its application in thermochemical heat storage for CSP plants. Renewable Energy 162 (2020) 587-595

    2 L. Briones, C. M. Valverde-Pizarro, I. Barras-García, C. Tajuelo, E. S. Sanz-Pérez, R. Sanz, J. M. Escola, J. González-Aguilar, M. Romero. Development of stable porous silica-coated Ca(OH)2/γ-Al2O3 pellets for dehydration/hydration cycles with application in thermochemical heat storage, Journal of Energy Storage 51 (2022) 104548.

    Contacto

    Laura Briones, Investigadora del grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.

    Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

    ¿De qué está compuesto el biodiesel que echamos a nuestros coches?

    Energia y Sostenibilidad - Mar, 05/03/2022 - 07:46

    Autora: Carmen Jarne Lardiés. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica de Madrid, CSIC

    Los mercados energéticos mundiales siguen dependiendo en gran medida de los combustibles fósiles como el carbón, el gas natural y el petróleo. Según la Agencia Internacional de la Energía, los productos petrolíferos proporcionan casi el 80% del suministro de energía primaria del mundo [1]. Sin embargo, estos combustibles fósiles son una de las fuentes más importantes de gases de efecto invernadero y de contaminación ambiental, ya que cuando se queman producen dióxido de carbono (CO2). Las emisiones mundiales anuales de CO₂ procedentes del petróleo son de unos 5.000 millones de toneladas y se producen unos 4,2 millones de muertes humanas al año debido a la contaminación del aire ambiente [2]. Ante esta situación, muchos países están avanzando hacia la reducción de su dependencia de los combustibles fósiles promoviendo el uso de energías renovables alternativas más limpias. En este sentido, los biocombustibles se consideran una de las estrategias más eficaces para alcanzar este reto. La consultora Goldstein Market Intelligence ha pronosticado que se espera que los biocombustibles satisfagan el 30% de la demanda mundial de energía en 2050.

    El biodiésel es un combustible renovable compuesto por lípidos (ésteres metílicos de ácidos grasos o FAME) y diésel de origen fósil. Tiene un alto poder calorífico, es respetuoso con el medio ambiente, tiene una baja toxicidad y es de naturaleza líquida, lo que lo convierte en una atractiva alternativa para sustituir al gasóleo fósil sin necesidad de realizar grandes modificaciones en los motores convencionales de los coches [3]. Los FAMEs pueden utilizarse en su forma pura (denominada B100) o mezclados con el gasóleo de origen fósil en diferentes proporciones (BX, siendo X el porcentaje en volumen en la mezcla).  Pero, ¿de dónde proceden estos lípidos (FAME) que forman parte del biodiésel?  Los FAMEs se producen a partir de numerosas fuentes de ácidos grasos (aceites) mediante una reacción de transesterificación con un alcohol y en presencia de un catalizador. Se ha investigado la producción de FAMEs a partir de diferentes materias primas, que se clasifican en primera, segunda y tercera generación. Las materias primas de primera generación incluyen plantas comestibles (aceites vegetales de soja, colza, girasol, palma, etc.) que compiten con la alimentación humana. Sin embargo, las materias primas de segunda y tercera generación incluyen recursos no comestibles, como los residuos lignocelulósicos, los residuos municipales orgánicos, las grasas animales, los aceites de cocina reciclados o las algas, que pueden paliar los inconvenientes de sostenibilidad asociados a la primera generación. La calidad de los FAMEs depende, entre otros factores, de la naturaleza de los lípidos utilizados como materia prima, ya que, dependiendo de ella, los FAMEs pueden contener diferentes impurezas como glicerol, monoglicéridos (MG), diglicéridos (DG), triglicéridos (TG), ácidos grasos (AG) e incluso colesterol que pueden provocar graves problemas en el motor, como corrosión, formación de depósitos en los inyectores y la obstrucción de los filtros de combustible. Para evitar estos problemas, es necesario conocer en profundidad cuál es la composición molecular de los FAMEs obtenidos tras la reacción de transesterificación de las diferentes materias primas. Esta información permitirá una adecuada selección de las materias primas a utilizar, así como la optimización de los parámetros operativos en los procesos de producción (pretratamientos de los aceites, catalizadores, etc.) y logísticos (sistemas de almacenamiento, transporte, distribución, etc.).

    En este contexto, este proyecto se centra en el desarrollo de nuevos métodos analíticos que permiten una completa caracterización de los FAMEs (B100) y de sus mezclas con diésel (Bx). Esto se lleva a cabo mediante el diseño e implementación de una avanzada plataforma analítica basado en cromatografía en capa fina de alta resolución (HPTLC) acoplada a espectrometría de masas (MS). Esta plataforma modular totalmente automatizada, consta de diferentes instrumentos que controlan cada una de las etapas cromatográficas: inyección de las muestras por nebulización sobre la placa cromatográfica, separación en gradiente (mezclas de hasta 5 disolventes), detección por densitometría de barrido UV-vis o por inducción de fluorescencia (FDIC) [4] y trasferencia directa de las muestras separadas desde la placa cromatográfica al espectrómetro de masas para su identificación utilizando diferentes métodos de ionización como ionización por electrospray (ESI) e ionización química a presión atmosférica (APCI). Finalmente, para una inequívoca identificación estructural de las muestras se hacen espectros ESI-MSn (fragmentación de iones seleccionados) y espectros de alta resolución ESI-HRMS (m/z con cuatro decimales).  Mediante este procedimiento se ha conseguido la determinación de MG, DG y AG en muestras de biocombustibles de diferente procedencia (aceites vegetales, grasas animales o aceites de cocina reciclados,) pudiendo establecer perfiles cromatográficos cualitativos (por HPTLC) y semicuantitativos (por ESI-MS) de las diferentes especies de lípidos identificados en las muestras. Gracias a este trabajo hemos afianzado el uso de la plataforma HPTLC-MS en la determinación de impurezas, presentes en muy bajas concentraciones (por ejemplo, por debajo de 0.7% para MG) en muestras de biocombustibles, logrando, de esta manera, el objetivo final de nuestro estudio que consistía en la optimización final de las formulaciones de los FAMEs (B100) y del biodiésel (BXs), la cual es necesaria para mejorar la  sostenibilidad de estos biocombustibles, su producción rentable y su rendimiento.

    Agradecimientos

    Esta investigación forma parte de un proyecto financiado por la empresa petrolera francesa TOTAL RAFFINAGE MARKETING a través del Instituto de Carboquímica del CSIC de Zaragoza

    Referencias

    [1] Energy Transitions: Global and National Perspectives. ISBN: 144085324X

    [2] World Health Organisation. Ambient air pollution: health impacts 2018. http://www.who.int/airpollution/ambient/health- impacts/en/ (Accessed 5 April 2020)

    [3] Nigam PS, Singh A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Prog Energy Combust Sci 2011;37:52–68

    [4] Cebolla VL, Jarne C, et al. Fluorescence detection by intensity changes for highperformance thin-layer chromatography separation of lipids using automated multiple development. Journal of Chromatography A, 2011. 1218(19): p. 2668-2675.

    [5] Carmen Jarne et al. Separation, quantitative determination, and composition profile of monoglycerides in biodiesel using a hyphenated technique based on high-performance thin-layer chromatography. Fuel, 177, 244-250, 2016

    [6] Carmen Jarne et al.  High-Performance Thin-Layer Chromatography Coupled to Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry for Identifying Neutral Lipids and Sphingolipids in Complex Samples. Journal of AOAC International, 101 (6), 1993-2000, 2018

    Contacto

    Carmen Jarne Lardiés, investigadora del grupo FCF del programa FotoArt-CM – c.jarne@csic.es

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


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