Grafeno y su utilidad fotovoltaica

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El grafeno es un material derivado del grafito, el mismo compuesto utilizado para fabricar las minas de los lapiceros. La diferencia radica en que sólo está compuesto por una capa de un átomo de carbono, aunque tambien pueden existir materiales de grafeno de pocas capas.

La utilidad de este material parece que no tiene límites y mientras más se estudia, más son las aplicaciones para las que puede tener algún uso.

 

Su ventaja, sobre cualquier otro material, es que es bidimensional. Si nos preguntan por el material más fino que podamos pensar, se nos puede ocurrir, por ejemplo, el papel de fumar. Sin embargo, si examinamos este papel al microscopio nos daremos cuenta de que se compone de miles o millones de capas de átomos. Por lo tanto, es muy dificil, sino imposible, encontrar una material realmente bidimensional en la naturaleza. El grafeno si lo es y además tiene una dureza (no puede rayarse ni con un diamante) y elasticidad sorprendente.

Otra de las ventajas de este material es que es transparente, por lo que puede utilizarse como dispositivo visualizador de imágenes. Además tambien puede conducir la electricidad.

Su utilización en la fabricación de células solares orgánica (OPV) es una de las opciones más interesantes relacionadas con la producción de energía eléctrica renovable. Se han conseguido fabricar paneles flexibles de grafeno de distintos tamaños que son capaces de transformar la radiación solar en electricidad. Aunque los rendimientos conseguidos son bajos en comparación con los conseguidos por células solares basadas en el silicio, los avances son prometedores. Esto es así porque el grafeno, dada su flexibilidad y poco peso, puede colocarse sobre cualquier superficie que podamos imaginar. De esta forma podría ser parte de nuestra ropa o estar incrustado en la fachada y en el techo de cualquier edificio.

La materia prima necesaria para la fabricación de paneles de grafeno es el carbono, mucho más abundante que el silicio utilizado tradicionalmente para fabricar células fotovoltaicas.

 Para saber más sobre el grafeno consultar:

http://grafeno.com/

 

 

RDL 2/2013. Medidas urgentes para el sector eléctrico

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Se ha publicado un nuevo Real Decreto Ley que esta vez no ha pillado por sorpresa a los productores energéticos acogidos al régimen especial de producción de energía eléctrica (cogeneradores y la mayoría de las renovables).

Y digo que no ha pillado por sorpresa, no porque la medida sea lógica, sino porque desde hacía meses ya se conocían las intenciones del gobierno. Un gobierno que en una huida hacia ninguna parte se ha fijado un único objetivo en su política económica: el recorte. Da igual el daño que se genere hoy. Todo se hace por el bien general, para conseguir crecer en el futuro, porque es necesario y porque no queda otra opción. Sin embargo, para tener futuro hay que tener un presente y este nuevo recorte implica que muchas familias y empresas no tendrán derecho a este presente.

En la exposición de motivos del RDL se dice textualmente:

La alternativa que se plantea (a este nuevo recorte) sería un nuevo incremento de los peajes de acceso que pagan los consumidores eléctricos. Esta medida afectaría de manera directa a las economías domésticas y a la competitividad de las empresas, ambas en una delicada situación dada la actual coyuntura económica.

Lo que ocurre, en este y en la mayoría de los casos, es que a quien se dice que se quiere proteger (familias y empresas) es a quien se está perjudicando, ya que fueron muchas las familias y pequeñas empresas que apostaron por realizar instalaciones energéticas renovables (fotovoltaicas la mayoría) y ven ahora como el ingreso que le reporta su instalación renovable no le da para cubrir ni siquiera los costes de mantenimiento y financiación, por lo que la mayoría de estas instalaciones entrarán en quiebra.

El RD 661/07 fijaba un compromiso estatal de ajustar, todos los años, el precio de la tarifa eléctrica que cobraban los productores a la evolución del IPC. Esta obligación se ha anulado con la publicación del nuevo RDL 2/2013. En su lugar, para realizar el cálculo de la actualización anual se eliminará del índice general (IPC), la subida de precios originada por los alimentos no elaborados y por los productos energéticos.

Toda una paradoja, se elimina para el cálculo de la actuación de la tarifa que van a cobrar los productores de energía eléctrica en régimen especial, la subida de precios que en el sector de productos energéticos se ha producido durante ese año.

Este índice que a partir de ahora se utilizará para el cálculo de la actualización de la tarifa tradicionalmente se ha conocido como “IPC subyacente”, que no es más que una eliminación de la subida de precios de ciertos bienes y servicios utilizados en el cálculo del IPC general. Esta inflación subyacente generalmente siempre está por debajo del IPC general, con lo que la disminución, una vez más, de ingresos para los productores energéticos adscritos al régimen especial está garantizada.

El texto completo de la norma puede descargarse desde:

http://www.boe.es/boe/dias/2013/02/02/pdfs/BOE-A-2013-1117.pdf

El hidrógeno ¿Cómo convertir el combustible del futuro?

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"Sí, amigos míos, creo que algún día se empleará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno de los que está formada, usados por separado o de forma conjunta, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la que el carbón no es capaz […] El agua será el carbón del futuro" Julio Verne, La isla misteriosa (1874).

 

Una vez obtenido y almacenado el hidrógeno deberemos convertirlo en energía térmica o eléctrica para poder utilizarlo correctamente. La conversión en energía térmica, mediante combustión, es simple ya que su alto poder calorífico asegura que el proceso se realizará de forma homogénea y estable.

Asociar un motor de combustión interna a una fuente energética basada en hidrógeno permitirá mover cualquier tipo de vehículo (motocicletas, automóviles, autobuses, barcos, etc.) con leves modificaciones en dicho motor. Ahora bien, si el objetivo es convertir la energía química del hidrógeno en energía eléctrica necesitaremos un equipo especial: La Pila de Combustible.

Una pila de combustible podemos definirla como una batería electroquímica que convierte la energía química del combustible que la alimenta en energía eléctrica. Debemos diferenciar claramente las pilas de combustible cuyo reactante se encuentra en el interior de la pila y las que el reactante se suministra desde el exterior.

Las pilas tradicionales se clasifican dentro del primer grupo. Estas pilas funcionan produciendo electricidad mediante una reacción electroquímica con el reactante que se encuentra en su interior y que no pueden ser regenerados. Estas pilas son las que se pueden adquirir en cualquier comercio para alimentar pequeños equipos electrónicos y electrodomésticos. Una variante de este primer grupo estaría constituido por pilas cuyo reactante se encuentra dentro de la propia pila pero que una vez agotada puede volver a recargarse. Podemos encontrarla en teléfonos móviles y cámaras fotográficas.

El segundo grupo de pilas se caracterizan por emplear reactantes que son suministrados desde el exterior, produciendo electricidad de forma continua. Estas son las pilas de combustible, basadas en el hidrógeno.

La mayoría de las pilas de combustible son, en realidad, una suma de pilas individuales, que reciben el nombre de células o celdas de combustible. Una célula de combustible consta de dos electrodos, ánodo (-) y cátodo (+) –ambos con cierto contenido de platino– separados por un electrolito sólido o líquido. Aunque el funcionamiento de todas las pilas de combustible responde al mismo principio fundamental, entre ellas existen notables diferencias de diseño, características de operación y potencia.

Así, se pueden encontrar desde pilas de 1W que funcionan a temperatura ambiente hasta módulos de 250 kW que operan a 1.000 ºC de temperatura. La clasificación habitual de las pilas de combustible está basada en el tipo de electrolito que utilizan, ya que éste determina características fundamentales de la pila, y, en consecuencia, sus posibles campos de aplicación.

Las pilas de combustible se contaminan con mucha facilidad si la calidad del hidrógeno no es la más alta. Además sus horas de funcionamiento son muy limitadas aun. Esto unido a su alto coste de manufactura, determina que en los próximos años la investigación de esta tecnología sea clave para conseguir pilas de combustible más robustas y económicas, permitiendo de esta forma que la economía basada en el hidrógeno sea una realidad.

El hidrógeno ¿Cómo almacenar el combustible del futuro?

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Por las propiedades físicas del hidrógeno, almacenarlo supone todo un reto, sobre todo cuando se trata de hacerlo  en contenedores pequeños como pueden ser depósitos para vehículos. Un kilo de hidrógeno genera la misma energía que casi tres de gasolina. Su poder calorífico es muy alto, entorno a los 33 kWh/kg (el petróleo tiene también un poder calorífico alto pero mucho más reducido que el del hidrógeno: 12 kWh/kg).

Sin embargo, ese kilo ocupa mucho volumen, ya que la densidad del hidrógeno es bajísima, por lo que la cantidad de energía que aporta el hidrógeno por unidad de volumen –su densidad energética– es también muy baja. Tan baja que, de utilizar hidrógeno sin "tratar", los coches serían "depósitos con ruedas". Para almacenar 4 kg de hidrógeno, que es la cantidad que consume un coche a pila en una distancia de 400 km, se necesitaría un depósito equivalente a un globo de más de 5 m de diámetro.

La solución a este problema se conoce desde hace décadas. Para realizar un almacenamiento de cualquier gas, con un volumen reducido, tenemos dos alternativas. La primera de ellas es incrementando la presión dentro del contenedor. La segunda es enfriando el gas. En este caso el contenedor debe estar lo suficientemente aislado del exterior para no sufrir pérdidas térmicas. En este segundo caso la presión dentro del contenedor puede igualar la presión atmosférica del exterior.

 

La industria del hidrógeno está desarrollando depósitos, de forma cilíndrica que pueden almacenar hidrógeno a grandes presiones. Depósitos de hasta 200-350 bares ya están disponibles en el mercado, aunque nuevos materiales (composites de fibras de carbono con polímeros o aluminio) permiten alcanzar presiones de hasta 700 bares, lo que implicaría un depósito de menos de 100 litros para conseguir una autonomía de 400 kms.

 

Almacenar el hidrógeno líquido, disminuyendo su temperatura hasta los 253ºC bajo cero, reduce su volumen hasta 700 veces, como contrapartida la energía necesaria para mantener esta temperatura equivale al 30-40% de la energía disponible en el hidrógeno almacenado.

 

En los últimos años se está investigando mucho en sistemas más eficientes. Hasta la fecha, las tres alternativas que más convencen son el almacenamiento del hidrógeno en hidruros metálicos,  nanotubos de carbono y nanohorns (nanocuernos) de carbono. Los hidruros metálicos son combinaciones del hidrógeno con ciertos metales o mezclas de metales, que se obtienen enfriando la mezcla metálica e introduciendo hidrógeno a presión. El atractivo de este sistema radica en que la reacción es reversible: calentando el hidruro y aumentando ligeramente la presión, el hidrógeno se libera y puede ser utilizado como combustible. Es una forma de almacenamiento estable y segura, pero tiene el inconveniente de que los hidruros que operan a baja temperatura –que pueden liberar el hidrógeno a sólo 40-90 ºC y tienen mayor capacidad de almacenamiento– son muy lentos y pesados, por lo que resulta más adecuada para otras aplicaciones.

Los nanotubos de carbono, que almacenan hidrógeno con mejor eficiencia y pueden operar a temperatura ambiente, pueden llegar a ser la solución. Últimamente se están desarrollando nuevas estructuras denominadas Nanohorns.

Un gran número de estudios han explorado la posibilidad del almacenamiento de hidrógeno en materiales porosos, aunque siempre se ha tropezado con el mismo problema a la hora de utilizar los nanotubos de carbono para este fin, y es que este proceso es sólo posible a temperaturas por debajo de los -196 ºC debido a la interacción baja entre el hidrógeno y el carbono.

No obstante, según se ha descubierto, el uso de los nanohorns de carbono hace el proceso más viable en el sentido de que la interacción entre el hidrógeno y los nanohorns de carbono es más fuerte que la que aparece en el caso de los nanotubos de carbono.

Los resultados muestran que el hidrógeno interactúa de una forma más fuerte con estructuras carbonosas de este tipo que con los nanotubos de carbono tradicionales, sugiriendo que los nanohorns y las estructuras similares pueden ofrecer posibilidades significativamente mejores como un medio más ligero para las aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno.

El hidrógeno ¿Cómo producir el combustible del futuro?

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En el siglo XIX comenzó a separarse el hidrógeno y el oxígeno que forman el agua aplicando una corriente eléctrica. El proceso denominado electrólisis es una tecnología conocida y tan sencilla que forma parte de los experimentos que se realizan en las clases de química de las escuelas.

 

La electrólisis es muy límpia y produce un hidrógeno de gran pureza. Sin embargo, en la actualidad sólo se produce por este sistema el 4% de los 45 millones de toneladas de hidrógeno que se consumen en el mundo cada año. El problema es que la electrólisis requiere un aporte considerable de electricidad. Si esta electricidad no proviene de fuentes renovables el beneficio en cuanto a sostenibilidad del sistema desaparece.

 

Producir electricidad por medios renovables tiene muchas ventajas pero también algunos inconvenientes. El principal es la intermitencia en la producción de energía eléctrica. En el caso de que se utilice un sistema de electrólisis para producir hidrógeno anexo a un sistema renovable el hidrógeno producido en los momentos de funcionamiento del sistema actuará como almacén de energía que podrá ser utilizada cuando no haya sol o viento, o bien, transportado a otros emplazamientos donde las condiciones atmosféricas no sean las idóneas para producir energía eléctrica mediante fuentes renovables. De esta forma se eliminaría uno de los grandes problemas asociados a la intermitencia de la producción eléctrica mediante fuentes renovables.

 

La otra opción para producir hidrógeno, la más barata, es partir de gas natural mediante la bien conocida tecnología del reformado con vapor, que consiste en romper las moléculas de gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Por este motivo es el método más utilizado, casi la mitad del hidrógeno se produce de esta manera. Como, además, la utilización de gas natural es también la opción menos contaminante a partir de combustibles fósiles, este gas parece el candidato en mejor posición para liderar la producción de hidrógeno en un futuro próximo. Con este procedimiento el hidrógeno también puede obtenerse a través de propano y butano, metanol, etanol, acetona y gasificación de carbón (gasógeno).

 

A partir de estas dos formas de producción de hidrógeno se derivan multitud de variantes, aunque el principio fundamental de cada una de ellas es el aquí descrito.

 

Por lo tanto, actualmente, ninguno de los dos sistemas es viable para la producción de hidrógeno para fines energéticos. El primero de ellos por su alto coste y el segundo por el deterioro ambiental y consumo de combustibles fósiles que hace que el sistema no sea sostenible.

 

Trabajar en disminuir los costes de producción de hidrógeno por fuentes renovables es clave para resolver el primer de los grandes problemas que un sistema energético basado en el hidrógeno tiene.