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    La tecnología de nanotubos revolucionará la manufactura

    Energia y Sostenibilidad - Vie, 09/23/2022 - 04:15

    Autores: Juan José Vilatela García, Andrew Johnston. IMDEA Materiales

    Los avances en la tecnología de fibra de nanotubos de carbono (CNT) del Instituto de Investigación Avanzada de Madrid (IMDEA) formaran parte de una revolución en la manufactura en los próximos cinco años, con capacidad para conducir a una reducción masiva de las emisiones de CO2. Como paso en esta dirección, recientemente se ha publicado 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 CNT 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 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 equipo de IMDEA confía en que el uso a gran escala de los CNT está a la vuelta de la esquina. Estamos muy cerca de la industrialización de esta nueva clase de materiales: ahora tenemos las moléculas correctas, los métodos correctos 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. Este material comenzará a reemplazar, no solo a las fibras de carbono estructurales, sino también a los metales.

    El trabajo en CNT ha sido un foco del grupo de investigación del grupo de IMDEA Materiales desde 2011, pero los avances más recientes se produjeron después de poder combinar ese conocimiento con nuevos materiales producidos en los países socios Corea y EE. UU. 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, cuyos procesos productivos tienen asociadas emisiones de CO2 anuales por encima de los millones de toneladas.

    Referencias

    Dongju Lee, Seo Gyun Kim, Seungki Hong, Cristina Madrona, Yuna Oh, Min Park, Natsumi Komatsu, Lauren W. Taylor, Bongjin Chung, Jungwon Kim, Jun Yeon Hwang, Jaesang Yu, Dong Su Lee, Hyeon Su Jeong, Nam Ho You, Nam Dong Kim, Dae-Yoon Kim, Heon Sang Lee, Kun-Hong Lee, Junichiro Kono, Geoff Wehmeyer, Matteo Pasquali, Juan J. Vilatela, Seongwoo Ryu, Bon-Cheol Ku. – Ultrahigh strength, modulus, and conductivity of graphitic fibers by macromolecular coalescence. Science Sdvances 8 (16), 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abn0939

    Matteo Pasquali, Carl Mesters; Opinion: We can use carbon to decarbonize—and get hydrogen for free. Proceedings of the National Academy of Sciences 118(31):e2112089118    DOI: 10.1073/pnas.2112089118

    Contacto

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

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    Escalabilidad de las hojas artificiales para transformación de CO2 y agua en gas de síntesis

    Energia y Sostenibilidad - Vie, 09/09/2022 - 04:46

    Autor: Marcos Pita Martínez, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica de Madrid, CSIC

    Desde hace varias décadas la investigación de nuevas formas de aprovechar la energía solar para conseguir nuevos combustibles ha crecido exponencialmente, siendo espoleada por la necesidad de reintroducir el dióxido de carbono en la economía circular y reducirlo para evitar el efecto invernadero de este gas. A pesar de la multitud de materiales propuestos y los avances que se han producido, un paso clave para llevar estos hallazgos a su aplicación práctica requiere del estudio de escalado y mejora de las prestaciones que se esperan de los dispositivos de trabajo que, si bien son prometedores desde el punto de vista experimental a nivel de laboratorio, pueden encontrar dificultades a la hora de su aplicación fuera del mismo. En este sentido, para mejorar las prestaciones que dan los muy conocidos fotocatalizadores como el vanadato de bismuto o las perovskitas de haluros, es necesaria su implementación en materiales más adecuados que los típicos de laboratorio.

    El grupo británico de la Universidad de Cambridge liderado por el austríaco Prof. Erwyn Reisner ha realizado avances significativos en esta dirección, al estudiar cómo adaptar sus fotocatalizadores usados sobre materiales de laboratorio y depositados sobre soportes de vidrio para poder funcionar sobre soportes más ligeros y flexibles, tanto que pudieran flotar sobre superficies acuosas naturales como ríos, lagos o puertos marítimos [1]. Esto lo han logrado substituyendo el soporte del material donde depositar las capas de sus fotoelectrodos sobre PET (polietilentereftalato), un plástico de múltiples usos industriales, y usar técnicas litográficas propias de la industria de fabricación de teléfonos móviles para añadir los fotoelectrodos. De esta manera se pueden diseñar celdas fotoelectroquímicas autónomas tan ligeras que flotan sobre el agua y son capaces de producir, a partir de CO2 y agua, una mezcla adecuada de H2 y CO para servir como gas de síntesis, manteniendo una actividad comparable a la de los materiales de laboratorio y capacidad de trabajo por gramo de material.

    La diversificación y el avance en el desarrollo de aplicaciones ya demostradas en el laboratorio es un paso necesario para cubrir las necesidades demandadas frente al cambio climático y el exceso de efecto invernadero causado por el dióxido de carbono, necesitando de la combinación de todas las estrategias posibles en esta dirección.

    Referencias

    [1] Virgil Andrei et al. Floating perovskite-BiVO4 devices for scalable solar fuel production. Nature 2022, 608, 518-522.

    Contacto

    Marcos Pita, investigador del grupo FCF del programa FotoArt-CM
    Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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    Investigadores de EEUU han diseñado un nuevo proceso productivo de “amoniaco verde”

    Energia y Sostenibilidad - Vie, 09/02/2022 - 04:42

    Autores: Dr. Alberto de la Calle (Investigador Titular de ASU Lightworks®, Arizona, EE.UU.) y Dr. Alicia Bayon (Investigadora del ICP-CSIC)

    El amoníaco (NH3) es el segundo químico industrial más producido en el mundo, siendo un componente esencial en la producción de fertilizantes. Su producción anual ronda los 180 millones de toneladas métricas y casi el 90% de esta producción se destina a satisfacer la demanda mundial de producción agrícola. El amoníaco también se ve cada vez más como un combustible verde y, en algunos sectores difíciles de descarbonizar como el transporte marítimo, ofrece muchas ventajas sobre el hidrógeno verde como combustible alternativo. Pero la forma en que se produce el amoníaco actualmente es insostenible. El proceso Haber-Bosch es el más utilizado para la producción de amoniaco. En él, el amoníaco se sintetiza a partir de hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2) mediante una reacción catalítica exotérmica a alta presión (150-300 bar) y a 350-500 °C. En este proceso, las materias primas esenciales (H2 y N2) se obtienen a partir de hidrocarburos: el H2 generalmente se deriva del metano (CH4) a través del reformado con vapor, y el N2 se obtiene del aire después de la eliminación del oxígeno (O2) a través de la combustión de CH4. Además, se queman combustibles fósiles adicionales para producir el calor y la energía mecánica necesarios en el proceso, lo que aumenta aún más las emisiones de dióxido de carbono (CO2). A nivel mundial, se genera una media de casi tres toneladas de CO2 por cada tonelada de amoniaco producida.

    Pero, ¿y si el amoníaco pudiera fabricarse de manera sostenible a partir de fuentes de energía renovables? ¿Y cómo podría este nuevo proceso aprovechar el calor solar además de la electricidad? Para diseñar procesos tan fundamentalmente nuevos, es necesario invertir una gran cantidad de financiación en I+D a nivel internacional. Sin embargo, hasta la fecha, la mayoría de los investigadores han buscado vías para convertir el proceso Haber-Bosch en verde (sin combustible fósil) o azul (combustible fósil, con captura y almacenamiento de carbono). Estos métodos aún manejan presiones muy altas para producir el amoníaco lo que dificulta su integración con fuentes de energía renovables e intermitentes.

    Entre las instituciones de investigación que trabajan en la producción de amoníaco verde, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE por sus siglas en inglés) ha financiado un proyecto multi-institucional que propone un proceso alternativo al Haber-Bosch. En este proyecto trabajan los Laboratorios Nacionales Sandia, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Estatal de Arizona (ASU) y proponen utilizar energía solar concentrada como única fuente de energía en la producción de amoniaco. En este proceso sostenible para la producción de amoníaco se separan el nitrógeno del aire usando calor de energía solar de concentración en lugar de los combustibles fósiles y reduciendo la presión necesaria para la síntesis del NH3. Esta tecnología encadena dos ciclos termoquímicos que se dividen a su vez en dos etapas más como se puede ver en la Figura 1. El primer ciclo sirve para separar el nitrógeno del aire con un oxido metálico en dos etapas. En la primera etapa se reduce térmicamente el óxido metálico, liberando parte del oxígeno contenido en su estructura. Esta reacción de reducción es endotérmica y el calor de la radiación solar concentrada proporciona la energía suficiente para que la reacción tenga lugar. En la segunda etapa, el óxido metálico reducido se re-oxida en aire, consumiendo el O2, lo que da como resultado una corriente de N2 de alta pureza. Una vez que se completa la reacción, el óxido de metal vuelve al primer paso, cerrando el ciclo.

    Figura 1: Esquema de las etapas del proceso de producción de amoniaco mediante ciclos termoquímicos. Etapa 1 – reducción solar del óxido metálico; Etapa 2 – separación del nitrógeno del aire y reoxidación del óxido metálico; Etapa 3 – síntesis de amoníaco por reacción de gas H2 con un nitruro metálico*; y Etapa 4: renitrurar el nitruro ahora deficiente en nitrógeno con el nitrógeno producido. *Tenga en cuenta que de arriba a abajo el orden de los pasos es: 1, 2, 4 y 3.

    El segundo ciclo produce amoníaco con un nitruro metálico en dos pasos. El primer paso es la reacción de síntesis de amoníaco (Etapa 4). En este paso, se reduce un nitruro metálico (se elimina el nitrógeno) con H2, lo que produce directamente NH3. En el segundo paso (Etapa 3), el nitruro metálico deficiente en nitrógeno se vuelve a nitrurar con el N2 purificado del primer ciclo, regenerando el nitruro. Una vez que se completa la reacción, el nitruro regenerado se puede volver a reducir, cerrando el ciclo, donde la entrada de reactivos sería aire e hidrógeno y la salida sería amoniaco y oxígeno. La investigación de un nitruro de trabajo efectivo para este proceso está actualmente en curso.

    Se pretende obtener un proceso que sustituya al Haber-Bosch. Las altas presiones de Haber-Bosch incrementan el coste de todos los componentes del proceso: reactor, intercambiadores de calor, tuberías y etapas de compresión. Además, el coste derivado de la energía requerida en la compresión es significativo, representando alrededor del 20% del consumo total. Si se puede producir amoníaco a presiones mucho más bajas, se evitan muchos costos y emisiones de CO2.

    Por otro lado, estas reacciones requerirían temperaturas más altas que el proceso de Haber-Bosch, que solo requiere entre 350 y 500 °C y el equipo de ASU todavía está trabajando en la selección de materiales para este ciclo termoquímico. El objetivo es alcanzar una temperatura cercana a los 500 °C tanto para la síntesis de amoníaco como para las reacciones de renitruración y un objetivo de presión máxima de 30 bares. Un sistema de recuperación de calor bien diseñado puede satisfacer toda la demanda de calor reutilizando el rechazo de calor en el subproceso de producción de nitrógeno.

    Las reacciones propuestas en este proyecto (reducción de óxido de metal, producción de nitrógeno, síntesis de amoníaco y renitruración) se encuentran en una etapa temprana de madurez técnica, y el equipo de ASU ha comenzado ahora el modelado del sistema y el análisis termodinámico y técnico-económico detallado para encontrar las condiciones óptimas de funcionamiento o el tamaño. El proyecto se ha extendido hasta finales de este 2022 y será entonces cuando veamos sus primeros resultados tanto experimentales como económicos.

    Contacto

    Alicia Bayón, Investigadora del grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM
    Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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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

    The post Diseño de Receptores de Torre Central para el Proyecto Integración Avanzada de Ciclos Combinados en Centrales Termosolares (AvanCCSol) first appeared on Energía y Sostenibilidad.


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