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Energías Renovables:Celda solar de TiO2 sensibilizada por tinte

y Electrólisis de AguaDr. Harry Rivera

Junio 2016

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• Se denomina energía renovable a la energía que son capaces deregenerarse por medios naturales.– Solar

– Viento

– Hidroeléctrica

– Geotermal

– Biocombustible

– Biomasa

– Oceánica

• Corrientes

• Marea

• También se les conoce como energías alternativa, ya puedensustituir a las energías o fuentes energéticas actuales.– Combustibles fósiles

Energía Renovable

• Fuentes de energía conocidas como recursos norenovables ya que estos no se reponen porprocesos biológicos como por ejemplo la madera.

• En algún momento, se acabarán, y tal vez seanecesario disponer de millones de años de unaevolución y descomposición similar para quevuelvan a aparecer.

– Petróleo (~60 años)

– Carbón (~200 años)

– Gas Natural (~100 años)

Combustibles fósiles

• La quema de combustibles fósiles es lamayor fuente de producción de CO2.

• CO2 es unos de los gases principales quecausa el efecto de invernadero.

• El efecto de invernadero es fenómeno por elcual determinados gases, retienen la energíaque el suelo terrestre emite y una parte dela misma la reemiten a la superficie de laTierra.

Contaminación

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Sun_climate_system_alternative_%28Spanish%29_2008.svg

Balance de Energía

Protocolo de Kyoto

• Es un acuerdo internacional que tiene por objetivoreducir las emisiones de seis gases que causan elcalentamiento global.

0

200,000,000

400,000,000

600,000,000

800,000,000

1,000,000,000

1,200,000,000

1,400,000,000

1,600,000,000

CO2 Emission by Nations per Metric Tons

USA

China

Russia

Japan

India

Germany

Britain

Canada

South Korea

Italy

Emisiones de CO2 Por Naciones

http://www.coalitionforcleanair.org/air-pollution-global-warming-faqs.html

Tecnologías usadas actual

• Eólica (viento)

• Hidroeléctricas (agua)

• Fuel Cell

• Solar

– Térmica

– Fotovoltaicas

• Otros

– Geotermal

– Biomasa

– Biocombustibles

– Oceánica

http://burica.files.wordpress.com/2008/12/el-viento-fuente-de-energia-alternativa.jpg

Viento (Energía eólica)


• Ventajas

– Renovable y Limpia

– Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines.

– Puede convivir con otros usos de la tierra.

– Instalación rápida

– Su utilización combinada con otros tipos de energía

• Desventajas

– Inconsistencias del viento

– Contaminación auditiva

– Alto costo a la vida silvestre del área donde se ponen.

– Se requieren muchos molinos para general una cantidad sustancial de energía. Lo que implica extensiones grandes de terreno.

Agua: Hidroeléctrica

http://science.howstuffwork

s.com/environmental/energy

/hydropower-plant1.htm


• Ventajas


– Una vez la represa esta construida energía puede ser formada constantemente.

– Muchos años de uso.

– La producción de energía se puede detener y reiniciar en cualquier momento según sea necesario.

– Mas confiable que el sol y el viento.

• Desventajas

– Construir una repesa es bien costoso.

– Hay que inundar un área que naturalmente no lo esta.

• Mudar personas para prevenir daños

• Se afecta la vida de animales y plantas

• Un gran impacto en la geología del lugar. (ej. Terremotos, etc.)

• Una “Fuel Cell” es un dispositivo electroquímico.

Energía Química Energía Eléctrica

• Es de Gran Eficiencia

• Tiene una Baja Emisión de Contaminantes

• Tiene Muchas Aplicaciones muy Atractivas

¿Qué es una Celdas de combustible?

Aplicaciones

Operación de una “Fuel Cell”

http://www.h2fc.com/reframe.php?top=/global/tech.shtml&bot=/technology/fuelcel

ls/general.shtml

• Hay cuatro principales mercados para latecnología de celdas de combustible:

–Transportación

–Energía estacionaria

–Energía portátil

–Militar

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Hoy día

28 January 2013-Ford, Renault-Nissan and Daimler agree fuel cell deal. “The world's first affordable, mass-market fuel cell car" by 2017

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Transportation power

• Jan 2014-Toyota fuel cell car set for 2015 global release

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$50,000 to $100,000

• 310-mile range

• Top speed is over 100

mph

• zero-to-60-mph times are

about 10 seconds.


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Celdas de combustible

Ventajas

• Tienen una mayor eficiencia de los motores de gasolina, diesel o de gas.

• Mucha variedad de combustibles.

– Eliminan la contaminación ya se su único producto es el agua.

• Pocas partes movibles en el sistema.

– funcionan en silencio, en comparación con los motores de combustión interna.

– El mantenimiento es sencillo.

Desventajas• La tecnología aún no está plenamente desarrollada y solo unos pocos

productos están disponibles. • Altos costos.• Abastecimiento de combustible para las celdas sigue siendo un problema ya

que la producción, transporte, almacenamiento y distribución de hidrógeno es difíci.

Solar: Térmica

Solar: Térmica

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Solar: Térmica

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Planta solar térmica de Ivanpah• Ubicada en medio del desierto de Mojave, entre Nevada y California

• Genera electricidad para 140,000 hogares californianos

• Ocupa un área de 13 kilómetros cuadrados y tiene tres torres de 139 metros de

altura y sus más de 300,000 espejos controlados por ordenador

• Pueden producir 392 MW, un suministro limpio equivalente a reducir 400.000

toneladas de dióxido de carbono al año o, lo que es lo mismo, similar a quitar

72,000 vehículos de la circulación.

Solar: Térmica

• Ventajas– Renovable, no usa combustible

– No contaminantes

– Simple, de bajo mantenimiento

– Tecnología madura

– Buen retorno de la inversión

– Alta eficiencia

– Sistemas modulares

– Se puede combinar con otras fuentes de energía alterna

• Desventajas– Altos costos, para el 2020 será casi el

doble que fotovoltaicas.

– Localidades limitadas y Limitaciones de tamaño(en su mayoría desiertos )

– Utilizan una gran cantidad de agua

– Tecnología cambia muy rápido

– Financiación ($$$)

– Problemas Ecológicos y Culturales

Solar: Celdas Fotovoltaicas

• Panel Solar

• Celdas

• Materiales

semiconduc-

tores

http://express.howstuffworks.com/exp-solar-power1.htm

Solar: Celdas Fotovoltaica

Solar: Celdas Fotovoltaica

• Ventajas


– Sistema silencioso

– Poco mantenimiento

– Bien versátil capaz de usarse en muchas aplicaciones de manera independiente.

• Desventajas

– Requieren sol

– Costosos• Se necesitan mucho

espacio y muchas celdas para producir suficiente energía.

– Eficiencia de un 7-20%

Otras Tecnologías

• Otros

– Biomasa

– Biocombustibles

– Geotermal

– Oceánica

Preguntas

Construcción de un celda solar sensibilizada por

tinte

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• Son celdas solares de bajo costo

• Se basan en un semiconductor formado entre un ánodo foto-sensible, un electrolito y un sistema foto-electro-químico.

• La versión moderna también es conocida como la célda Grätzel y fue originalmente inventado en 1988 por Brian O'Regan y Michael Grätzel en UC Berkeley.

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Celda solar sensibilizada por tinte (DSSC)

Celda solar sensibilizada por tinte(DSSC)

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PC vs. DSSC

Fotovoltaicas

• Tradicionalmente de cristal de Silicio

• Caras de fabricar

• Duras

Sensibilizadas por tinte

• Reciente y menosprobada

• Baratas de fabricar

• Flexibles

Sources: http://www.elp.uji.es/juan_home/images/solar_cell/flex1.JPG

http://www.wisconsun.org/images/siemen_cell.jpg, http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell


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TiO2 layer

TiO2 layer dyed with

blackberry juice

Assembled sandwich

Completed cell with

electrolyte in between

the layers

Graphite counter electrode

• Pasta con nanoparticulas de TiO2

• Tinte natural de fruta (blackberry y raspberry)

• Electrodos de vidrio conductors(FTO)

• Electrolito Redox (I-/I3-)

• Fuente de luz (sol)

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Componentes para la DSSC

hν

e-

1. Tome el electrodo más ancho de OEF yasegúrese de que el lado conductor quedehacia arriba y mida con un multímetro laresistencia entre dos puntos cualesquiera en lasuperficie del electrodo. Si no se produce unalectura en el multímetro, voltee el electrodo yvuelva a medir. La medida de resistencia debeestar entre 10 y 30 ohmios. (Maneje concuidado los lados de los electrodos y evitetocar las caras de los electrodos.)

2. Usa la cinta adhesiva para inmovilizar elelectrodo a una superficie limpia y resistentede modo que la cinta sobresalga 0.5 cm tantohacia abajo como a lo largo del electrodo(Figura 1a). Esto creará un carril en el centrodel electrodo donde se ubicará la pasta deTiO2.

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Construcción: Pasos 1-5

3. Con una pipeta, deje caer unas cuantas gotas de la pasta de TiO2 en el centrode la superficie sin la cinta adhesiva y riegue la solución a través de toda lasuperficie expuesta con el esparcidor de pasta. La cinta debe actuar de forma quepermita una capa uniforme del carril central del OEF (Figura 1b, 1c). Deja secar elelectrodo por tiempo aproximado de 5 minutos.

4. Una vez seca la tinta de TiO2 (~5 mins), remueva la cinta adhesiva delelectrodo.

5.Para el secado final, el profesor tomará el electrodo y lo colocará en unaplancha de calentamiento. El electrodo está listo cuando se vuelve blancobrillante (~ 30 min.), aunque podría tornarse oscuro antes de tomar el colorblanco brillante debido a la quema del surfactante. (Continúe al paso 6 de la parteII en lo que espera.) Utilice pinzas o tenazas para quitar el electrodo de la planchacaliente, maneje la placa sólo por los bordes. Deje que el electrodo se enfríedurante 15 minutos en la bandeja designada. (Cuidado: Si el enfriamiento delelectrodo es demasiado rápido puede causar que se rompa.)

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Construcción: Pasos 1-5 (cont.)

6. Mientras espera, prepara el tinte machacando1-2 moras con un mortero.

7. Tome el electrodo de TiO2 frío y ubíquelo encontacto con las moras machacadas por 5minutos. Usa pinzas para manejar el electrodo entodo momento.

8. Usa el otro electrodo menos ancho y con elmultímetro identifica el lado conductor (ver paso1). Utiliza un lápiz para recubrir toda la superficiedel electrodo con grafito del lápiz.

9. Con la botella de agua destilada, enjuaga elelectrodo de TiO2 que fue teñido, recogiendo losdesperdicios del enjuague en un vaso delaboratorio. Luego lava el electrodo con etanolrecogiendo los residuos en el mismo vaso. Dejaque el electrodo teñido se seque entre 5-10minutos.

.44

Construcción: Pasos del 6-9

10. Junte la cara del electrodo de TiO2teñido (el más ancho) con elcontraelectrodo (el que tiene grafito)usando dos grapas tal y como se demuestraen la imagen arriba a la derecha. Asegúratede que el grafito está en contacto con elTiO2 color púrpura y evita el contacto entrelas partes del electrodo sin grafito o TiO2.

11. Utilice un gotero o tubo capilar de vidriopara rellenar el espacio entre los doselectrodos con la solución de electrolito deyoduro/triyoduro (I-/I-3). El color delespacio entre los electrodos de vidrio debetornarse ligeramente amarillo.

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Construcción: Pasos del 10-11

12. Para probar la celda solar, conecte elterminal positivo (rojo) del multímetro en elelectrodo de grafito y el terminal negativo(negro) en el electrodo de TiO2. Mide elvoltaje y la corriente obtenida dentro yfuera del salón. Registra tus resultados enla tabla de datos

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Construcción: Paso 12

Tabla de Datos Ambiente Dentro del salón Fuera del salónVoltaje (V)Corriente (mA)

Paneles Solares y Fotosíntesis

• Durante la fotosíntesis ocurre unproceso similar. La clorofila tiene lafunción del tinte y absorbe la luz, elTiO2 tiene la función de la oxidaciónde agua para producir oxígeno,hidrógeno y el ciclo de iodo hace lafunción de restablecer los electronesque pierde la clorofila. En lafotosíntesis el voltaje o potencialresultante se utiliza para generar ATP yNADPH, en vez de una corrienteeléctrica y el dióxido de carbonoacepta los electrones.

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• Cómo funciona una celda solar sensibilizada por tinte(CSST o “Dye Sensitized Solar Cells” DSSC, por sus siglasen inglés).

• Entender por qué el TiO2 con alta área superficial es vitalpara el buen funcionamiento de las CSST

• Entender por qué los tintes sensibilizadores sonnecesarios para el buen funcionamiento de las CSST

• Preparar un CSST a base del jugo de moras(“blackberries”) como sensibilizador

Resumen

Preguntas

ELECTRÓLISIS DE AGUA

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Actividad Grupal

–Fuel Cell Game

–Aparato de Hoffman

•Electrolisis de Agua

–Hidrógeno y oxígeno

• Celda de combustible

Electrólisis de agua

• Es una de las formas de producir hidrógeno sin la necesidad de utilizar combustibles fósiles.

• Consiste en la descomposición de agua (H2O) en gas de oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) por medio de a una corriente eléctrica a través del agua.

Electrólisis de agua: Reacciones

• Ánodo:

2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e-

• Cátodo:

2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH-

• Reacción Neta o Total:

2H2O(l) → 2H2(g)+ O2(g)

Electrólisis de H2O, ¿Cómo se hace?

Electrólisis de H2O, ¿Cómo se hace?

6. Une cada terminal del alambre a cada uno de los polos de la bateria suministrada.

7. Observa!!!

8. Antes de que el bulbo se vacíe, indícale a uno de los miembros del “fuel cells team” que estás llegando a la etapa final.

9. Despega los alambres de la bateria y sigue las instrucciones de el miembro del “FCT”

Preguntas

–Petróleo (~60 años)

–Carbón (~200 años)

–Gas Natural (~100 años)

• Eólica (viento)

• Hidroeléctricas (agua)

• Fuel Cell

• Solar

– Térmica

– Fotovoltaicas

• Otros

– Geotermal

– Biomasa

– Biocombustibles

– Oceánica

Resumen

Aprendimos sobre las diferentes energías

renovables y sus importancias

Preguntas

filtros de contenido · • ocupa un área de 13 kilómetros cuadrados y tiene tres torres de 139...

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