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La "Hidricidad" podría unir la energía térmica solar con la del hidrógeno

El calor solar podría ayudar a generar electricidad y combustible de hidrógeno al mismo tiempo en un sistema que los científicos de Suiza y los Estados Unidos llaman «hydricity» (hidricidad). Este sistema podría suministrar electricidad las 24 horas con una eficiencia global mejor que muchas células fotovoltaicas, dicen los investigadores

Hay dos formas de usar la energía solar para generar electricidad. Las células fotovoltaicas convierten directamente la luz solar en electricidad, mientras que las plantas de energía solar térmica —también conocidas como sistemas de energía solar de concentración— enfocan la luz solar con espejos, calientan agua y producen vapor a alta presión que impulsa turbinas.

Las células fotovoltaicas sólo absorben una porción del espectro solar, pero pueden generar electricidad a partir de luz solar, tanto directa como difusa. Las centrales térmicas solares pueden usar más longitudes de onda del espectro solar, pero sólo pueden operar en la luz solar directa, limitándolas a las zonas con mucha luz solar. Por otra parte, todavía las eficiencias de conversión más altas reportadas para las plantas de energía solar térmica son significativamente menores que las de las células fotovoltaicas.

Ahora los científicos sugieren que acoplando plantas de energía solar térmica con instalaciones de producción de combustible de hidrógeno podría resultar en sistemas de «hidricidad» competitivos con diseños fotovoltaicos.

Las centrales térmicas solares de hoy operan a temperaturas de hasta aproximadamente 625 grados C. Sin embargo, los investigadores notaron que las plantas de energía solar térmica son más eficientes a temperaturas más altas. Lo que es más, cuando llegan a temperaturas superiores a 725 grados C se puede dividir allí mismo el agua en sus componentes, hidrógeno y oxígeno.

Un sistema de «hidricitdad» integrado produciría vapor para la generación de electricidad e hidrógeno para almacenar energía. Y cada uno hace el otro más eficiente. Si se lo establece para producir sólo hidrógeno, su eficiencia de producción se acerca al 50 por ciento, afirman los investigadores. Esto es porque la alta presión de vapor que genera el sistema puede ser fácilmente utilizado para presurizar hidrógeno. La cantidad sustancial de energía necesaria para comprimir el combustible de hidrógeno para su transporte y uso posterior a menudo no se considera cuando se trata de calcular la eficiencia de producción de hidrógeno.

Además, este nuevo diseño de la energía solar térmica puede generar electricidad con eficiencias independientes que se acercan hasta un nivel sin precedentes del 46 por ciento, según los investigadores. Esto es debido a que el vapor a alta temperatura que surge de las turbinas de alta presión puede mover una sucesión de turbinas de baja presión, lo que ayuda a hacer mayor la energía solar térmica que recoge el sistema.

Por otra parte, el combustible de hidrógeno que genera el sistema puede ser quemado para generar electricidad al caer la noche, para obtener energía las 24 horas. Los investigadores dicen que la eficacia de este sistema de hidrógeno a electricidad podría alcanzar hasta el 70 por ciento, comparable a las más altas eficiencias reportadas en células de combustible de hidrógeno.

 

 

En total, los investigadores dicen que la eficiencia de conversión de sol a electricidad de la hidricidady, como promedio durante un ciclo de 24 horas, podría acercarse más o menos el 35 por ciento, casi la eficiencia alcanzada utilizando las mejores células fotovoltaicas multijuntura combinadas con baterías. Además, señalan que el combustible de hidrógeno que produce el sistema podría encontrar uso en el transporte, la producción química y otras industrias. Por último, a diferencia de las baterías, el hidrógeno almacenado ni se descarga con el tiempo ni se degrada con el uso repetido [como ocurre con todas las baterías].

Los científicos de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana., y en la Escuela Politécnica Federal de Lausana en Suiza, detallaron sus hallazgos en línea el 14 de diciembre en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Fuente: IEEE Spectrum. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Hoja artificial aprovecha la luz solar para la producción eficiente de combustible

La generación y almacenamiento de energía renovable, como la solar o la eólica, es una tema clave para lograr una economía basada en una producción de energía limpia, como lo es la lograda por la división del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía de los rayos solares

Cuando se estableció en Caltech y sus instituciones asociadas el Centro Conjunto para Fotosíntesis Artificial (JCAP) en el año 2010, el Centro de Innovación de Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) tenía un objetivo principal: un método rentable de producción de combustibles utilizando sólo la luz del sol, agua y dióxido de carbono, imitando el proceso natural de fotosíntesis en las plantas y almacenar energía en forma de combustibles químicos para utilizarlos bajo demanda. En los últimos cinco años, los investigadores de JCAP han hecho importantes avances hacia este objetivo, y ahora informan el desarrollo del primer sistema de energía solar completo, eficiente, seguro e integrado para dividir el agua y crear hidrógeno combustible.

«Este resultado fue un hito del proyecto en los cinco años de JCAP en su conjunto, y no sólo hemos logrado este objetivo, también lo alcanzamos a tiempo y dentro del presupuesto», dice Nate Lewis de Caltech, profesor de química y director científico de JCAP.

El nuevo sistema de generación de combustible solar, u hoja artificial, se describe en la edición del 24 de agosto en línea de la revista Energía y Ciencias Ambientales (Energy and Environmental Science). El trabajo fue realizado por investigadores en los laboratorios de Lewis y Harry Atwater, director de JCAP y catedrático Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencias de los Materiales.

«Este logro se basó en los conocimientos, las ideas y las capacidades de JCAP, que ilustra lo que se puede en un esfuerzo de escala central por un equipo integrado», dice Atwater. «El dispositivo informado aquí surgió de un esfuerzo a gran escala de varios años para definir los componentes del diseño y los materiales necesarios para un generador integrado de combustibles solares.»

El nuevo sistema consta de tres componentes principales: dos electrodos —un fotoánodo y un fotocátodo— y una membrana. El fotoánodo utiliza la luz solar para oxidar las moléculas de agua, generando protones y electrones, así como oxígeno. El fotocátodo recombina los protones y los electrones para formar hidrógeno. Una parte clave del diseño de JCAP es la membrana de plástico, que mantiene los gases oxígeno e hidrógeno separados. Si se permite que los dos gases se mezclen y se encienden por accidente, puede ocurrir una explosión; la membrana permite que el combustible de hidrógeno se recoja por separado bajo presión y con seguridad, empujado hacia una tubería.

Los semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio absorben la luz de manera eficiente, y por lo tanto se utilizan en los paneles solares. Sin embargo, estos materiales también se oxidan en la superficie cuando se exponen al agua, por lo que no pueden utilizarse para generar combustible directamente. Un gran avance que permitió el desarrollo del sistema integrado fue el trabajo previo en el laboratorio de Lewis, que mostró que agregando una capa de nanómetros de espesor de dióxido de titanio (TiO2) —un material que se encuentra en la pintura blanca y muchas pastas de dientes y protectores solares— en los electrodos podrían evitar la corrosión, al tiempo que permite que la luz y los electrones pasen a través. El nuevo sistema completo de generación de combustible solar desarrollado por Lewis y sus colegas utiliza una capa de TiO2 de 62,5 nanómetros de espesor para prevenir eficazmente la corrosión y mejorar la estabilidad de un fotoelectrodo basado arseniuro de galio.

Otro avance importante es el uso de catalizadores activos económicos para la producción de combustible. El fotoánodo requiere un catalizador para impulsar la reacción esencial de la división del agua. Metales raros y caros como el platino pueden servir como catalizadores eficaces, pero en su trabajo el equipo descubrió que podía crear un catalizador activo mucho más barato agregando una capa de níquel de 2 nanómetros de espesor a la superficie del TiO2. Este catalizador es uno de los catalizadores más activos conocidos para dividir moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones, y es clave para la alta eficiencia mostrada por el dispositivo.

El fotoánodo se creó sobre un fotocátodo, que también contiene un catalizador de níquel-molibdeno de bajo costo altamente activo, para crear un material único plenamente integrado que sirve como un completo sistema de división de agua con energía solar.

Un componente crítico que contribuye a la eficiencia y seguridad del nuevo sistema es la membrana de plástico especial que separa los gases y evita la posibilidad de una explosión, Si bien permite que los iones fluyan a la perfección para completar el circuito eléctrico en la célula. Todos los componentes son estables bajo las mismas condiciones y trabajan juntos para producir un sistema totalmente integrado de alto rendimiento. El sistema de demostración tiene aproximadamente un centímetro cuadrado de superficie, convierte 10 por ciento de la energía de la luz solar en energía almacenada en combustible químico, y puede funcionar durante más de 40 horas en forma continua.

«Este nuevo sistema rompe todos los récords de seguridad, rendimiento y estabilidad combinados en la tecnología de hoja artificial por factores de 5 a 10 o más», dice Lewis.

«Nuestro trabajo demuestra que sí es posible producir combustibles a partir de la luz solar de manera segura y eficiente en un sistema integrado con componentes de bajo costo», añade Lewis. «Por supuesto, aún tenemos trabajo por hacer para extender la vida útil del sistema y desarrollar métodos para fabricar sistemas completos en forma rentable, el cual está en curso».

Debido a que el trabajo ensambla diversos componentes que fueron desarrollados por varios equipos dentro del JCAP, el coautor Chengxiang Xiang, quien es co-líder de la creación de prototipos en JCAP y la ampliación del proyecto, dice que el resultado final exitoso fue un esfuerzo de colaboración. «La investigación y el desarrollo de JCAP en el diseño de dispositivos, la simulación y el descubrimiento de materiales, y la integración de todo llevaron a este nuevo dispositivo», afirma Xiang.

 

 

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Estos resultados se han publicado en un artículo titulado «A monolithically integrated, intrinsically safe, 10% efficient, solar-driven water-splitting system based on active, stable earth-abundant electrocatalysts in conjunction with tandem III-V light absorbers protected by amorphous TiO2 films«. Además de Lewis, Atwater y Xiang, otros coautores de Caltech son el estudiante graduado Erik Verlage, los académicos posdoctorales Shu y Hu Ke Sun, el ingeniero de investigación Rui Liu de procesamiento e integración de materiales, y el ingeniero mecánico Ryan Jones de JCAP. El financiamiento fue proporcionado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Gordon y Betty Moore.

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Batería tan pequeña como para ser inyectada tiene energía suficiente para seguir salmones

El dispositivo almacena el doble de la energía que contienen las microbaterías que se utilizan actualmente en los transmisores de rastreo que se les colocan a los peces

Los científicos han creado una microbatería que contiene el doble de energía en comparación con las microbaterías que se utilizan para vigilar los movimientos de los salmones a través de los ríos en el noroeste del Pacífico y en todo el mundo.

La batería, un cilindro sólo un poco más grande que un grano largo de arroz no es, en verdad, la batería más pequeña del mundo, ya que los ingenieros han creado baterías mucho más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Pero esas baterías más pequeñas no tienen suficiente energía para alimentar etiquetas acústicas de peces. La nueva batería es lo suficientemente pequeña como para ser inyectada en un organismo y tiene mucha más energía que las baterías de tamaño similar.

Los detalles de la batería, creada por científicos del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, fueron publicados en línea recientemente en Scientific Reports, una publicación miembro de la colección de revistas de Nature. La investigación acerca de los materiales de la batería también se reseñaron el año pasado en el Journal of Materials Chemistry A.

Para los científicos que siguen los movimientos de los salmones la batería más ligera se traduce a un transmisor más pequeño que se puede insertar en peces más pequeños, más jóvenes. Esto permitiría a los científicos rastrear su salud antes en el ciclo de vida, a menudo en los pequeños arroyos que son cruciales para sus comienzos. La nueva batería también puede alimentar señales a través de largas distancias, lo que permite a los investigadores rastrear peces más lejos de la costa o de las presas, o más profundo en el agua.

«La invención de esta batería revoluciona esencialmente el mundo de la biotelemetría y abre el estudio de las etapas de vida anteriores de los salmones en formas que no eran posibles antes», dijo el señor Brad Eppard, biólogo pesquero con el Distrito de Portland del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE.UU..

«Durante años, el principal factor limitante para la creación de un transmisor más pequeño ha sido el tamaño de la batería. Ese obstáculo se ha superado», agregó Eppard, quien dirige el programa de investigación pesquera del distrito de Portland.

El Cuerpo de Ingenieros y otras agencias utilizan la información de las etiquetas para trazar la salud de los peces en peligro de extinción y para ayudar a determinar la forma óptima de operar las presas. Hace tres años el Cuerpo se dirigió a Z. Daniel Deng, un ingeniero de PNNL, para crear un transmisor más pequeño, uno lo suficientemente pequeño como para ser inyectado en lugar de implantarlo quirúrgicamente en los peces. La inyección es mucho menos invasiva y estresante para los peces, y es un proceso más rápido y menos costoso.

«Este fue un gran desafío que en verdad nos consumió estos tres últimos años», dijo Deng. «No hay nada como esto disponible en el mercado, que se pueda inyectar. Cualquiera de las pilas son demasiado grandes o no duran lo suficiente como para ser útiles. Es por eso que tuvimos que diseñar la nuestra.»

Deng se consultó al experto en ciencias de los materiales Jie Xiao para crear el nuevo diseño de la batería.

Para acumular más energía en un área pequeña, el equipo de Xiao mejoró de la técnica de «jellyroll» que se usa comúnmente para fabricar las baterías para uso en el hogar más grandes. El equipo de Xiao colocó las capas de material de la batería una encima de la otra en un proceso conocido como laminación, luego las enrrolló juntas, de forma similar a cómo se crea un rollo de gelatina. Las capas incluyen un material de separación insertado por un cátodo hecho de fluoruro de carbono y un ánodo hecho de litio.

La técnica permitió que su equipo aumentara el área de los electrodos sin aumentar su grosor o el tamaño total de la batería. El aumento de la superficie aborda uno de los principales problemas que se tiene al hacer una pequeña batería así: evitar que la impedancia, que se parece mucho a la resistencia, suba demasiado. Una alta impedancia se produce cuando hay tantos electrones empaquetados en un lugar pequeño que no fluyen fácilmente o rápidamente a lo largo de las rutas necesarias en una batería. Cuanto más pequeña es la batería, más grande es el problema.

Utilizar la técnica de rollo de gelatina permite al equipo de Xiao crear un área más grande para que interactúen los electrones, reduciendo tanto la impedancia que la capacidad del material es aproximadamente el doble que la de las microbaterías tradicionales que se utilizan en las etiquetas acústicas de peces.

La nueva batería tiene un poco más de la mitad del peso de las baterías que se utilizan actualmente en las etiquetas de peces: sólo 70 miligramos, en comparación con cerca de 135 miligramos, y mide seis milímetros de largo por tres milímetros de diámetro. La batería tiene una densidad de energía de alrededor de 240 vatios hora por kilogramo, en comparación con alrededor de 100 para lasmicrobaterías botón de óxido de plata comercialmente disponibles.

La batería tiene energía suficiente para enviar una señal acústica lo suficientemente fuerte como para que sea útil en los estudios de seguimiento de los peces, incluso en entornos ruidosos, como cerca de las grandes represas. La batería puede alimentar una señal de 744 microsegundos enviada cada tres segundos durante unas tres semanas, o aproximadamente cada cinco segundos durante un mes. Es la batería más pequeña que los investigadores conocen con suficiente capacidad energía para mantener ese nivel de señalización.

Las baterías también funcionan mejor en agua fría, donde a menudo viven los salmones, enviando señales claras a bajas temperaturas en comparación con las baterías actuales. Esto se debe a sus ingredientes activos son litio y fluoruro de carbono, una química que es prometedora para otras aplicaciones, pero no ha sido común en las microbaterías.

El verano pasado en el laboratorio de Xiao, los científicos Samuel Cartmell y Terence Lozano hacieron a mano más de 1.000 pilas del tamaño de un grano de arroz. Es un proceso laborioso, cortando y dándole forma a diminutos fragmentos de sofisticados materiales, colocándolos en un dispositivo de aplanamiento que se asemeja a una fabrica de pasta, unirlos, y enrollarlos a mano en pequeñas cápsulas. Sus hábiles manos rivalizan con las de los cirujanos, aunque trabajando con materiales electrónicos sensibles en lugar de con tejidos.

Un equipo liderado por Deng PNNL implantó quirúrgicamente 700 etiquetas en los salmones en un ensayo de campo en el río de la serpiente del verano pasado. Los resultados preliminares muestran que las etiquetas lo hacen muy bien. Los resultados de ese estudio y más detalles acerca de las etiquetas mejoradas para peces más pequeños, equipados con la nueva microbatería, saldrán en una próxima publicación. Battelle, que opera PNNL, ha solicitado una patente sobre la tecnología.

Además de Xiao Deng, Cartmell y Lozano, otros autores del estudio incluyen Honghao Chen, Wang Qiang, Huidong Xi, Xilin Chen, Yong Yuan, Mark Gross, y Thomas Carlson.

Referencia: Honghao Chen, Samuel Cartmell, Qiang Wang, Terence Lozano, Daniel Z. Deng, Huidong Li, Xilin Chen, Yong Yuan, Mark E. Gross, Thomas J. Carlson y Jie Xiao, Micro-battery development for juvenile salmon acoustic telemetry system applications, Scientific Reports, 21 de enero, 2014, DOI: 10.1038/SREP03790 .

Fuente: Pacific Northwest National Laboratory. Aportado por Eduardo J. Carletti

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