¡limitada! incluido la energía (potencia, en realidad ... · ¿cómo absorber más eficientemente...

¿Cómo es la Tierra?

¡Limitada!

Todo lo que podemos extraer de la Tierra, incluido la energía (Potencia, en realidad) tiene un máximo de potencia que podemos extraer en el tiempo, y una cantidad máxima total.

¿Qué pasa cuando extraemos toda la energía (en sentido amplio) de una zona aislada? Veámoslo con la Isla de Pascua.

La isla de pascua:

Fuente: Google Maps

La isla de pascua:

Fuente: Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Easter_Island)

La isla de pascua:

Pero: ¿Cómo llegó la gente aquí?¡Los marcianos! (Erik von Daniken decía esto...)

En barca. Más lógico, pero... los locales no sabían hacer barcas que navegaran más allá de la costa.

Fuente: http://hellinpasoapaso.blogspot.com/2011/07/el-ufo-de-los-c-tiene-mala-solucion-el.html

La arqueología dió con una solución: Cuando los hombres llegaron, llegaron en botes grandes y buenos. Pescaban delfines para comer.

Como la población crecía, y nadie le ponía freno, llegó la superpoblación y el gasto de

recursos más rápido de lo que se regeneraban. La población creció por encima de los recursos y

terminó descendiendo (Hasta 1/4 - 1/10 de su valor máximo)

La isla de pascua:

La isla de pascua:

El problema fue tan profundo y tan vergonzoso para sus habitantes, que no quisieron ni contárselo entre ellos mediante mitos.

Pasó de ser una isla con clima y recursos subtropicales a otra donde para escoger al jefe, se pedía coger un huevo de un pájaro.

(Tangata Manu: http://es.wikipedia.org/wiki/Tangata_Manu)

¡Hablemos!

1) ¿Se parece la situación a la que estamos viviendo hoy?

2)¿Soluciones?

¡Hablemos!

1) ¿Se parece la situación a la que estamos viviendo hoy?

2)¿Soluciones? Llamamos soluciones a algo que más de la mitad de la clase está dispuesta a admitir.

"La Universidad debiera insistirnos en lo antiguo y en lo ajeno. Si insiste en lo

propio y lo contemporáneo, la Universidad es inútil, porque está

ampliando una función que ya cumple la prensa."

Jorge Luis Borges

Energía Solar: Introducción

Se comienza a hablar de fotoelectroconversión (convertir luz visible en energía eléctrica) hacia el 1830:

Edmund Becquerel comprueba que aumentaba la corriente que se podía extraer a una batería con electrodos de plata al iluminarla.

Las primeras células fotoeléctricas aparecen a principios del siglo XX. Desde entonces, su eficiencia sólo aumenta: del 1% inicial al 10% comercial actual (Récord en torno al 17%)

Energía Solar: Fundamentos físicos

¿Cómo se organizan los átomos en los sólidos?Cada átomo tiene un núcleo positivo y algunos electrones negativos “orbitando” alrededor.

En un sólido, se generan bandas energéticas para sus electrones, que se mueven fuera del núcleo y dentro de esas bandas.


Dif. bandas < 0,5 electronvoltios(eV), conductorDif. bandas > 3,0 eV, aislanteDif. bandas entre 0,5 y 3,0 eV, semiconductor.


Dif. bandas < 0,5 electronvoltios(eV), conductorDif. bandas > 3,0 eV, aislanteDif. bandas entre 0,5 y 3,0 eV, semiconductor.

Valencia

Conducción


En los semiconductores, como la distancia entre las distintas bandas es “pequeña”, si se le proporciona energía en forma de impulso luminoso al sólido, algunos electrones “saltan” de banda.


El que los electrones están excitados (o sea, en bandas superiores de energía) no basta para lograr una corriente: ¿a dónde van una vez se excitan y “suben” a la banda de arriba?

Sin diferencia de potencial que los mueva, “decaen” produciendo calor y bajando de nuevo a la banda de conducción.

Luego: Necesitamos una diferencia de potencial.¿Cómo conseguirla?


Con el dopado. El material base de cualquier célula es neutro eléctricamente, pero introduciendo algunos átomos de otro material podemos cambiar esto. Si el material dopante tiene un número atómico más altomás alto, generamos carga eléctrica negativa “extra” para compen- sar el aumento de la carga positiva de la red iónica: Semiconductor extrínseco de tipo nSemiconductor extrínseco de tipo n. Cuando el material dopante tiene un número atómico más más bajobajo que el material base, sucede lo contrario. Aumentan los “huecos” de forma que el material posee una carga positiva extra: Semiconductor extrínseco de tipo p.Semiconductor extrínseco de tipo p.


Cuando unimos una zona p con una zona n tenemos una unión p-n que tiene una diferencia de potencial permanente. Así, los electrones generados por la luz del Sol sobre esta

unión se moverán, generando una corriente eléctrica y energía.

La zona entre en el medio de la unión p-n se llama zona de empobrecimiento porque debido a la difusión de los

electrones en la zona n y los huecos en la zona p, la carga neta se va acercando a cero.


Del libro: Energías Renovables, Jaime González Velasco

Del libro: Energías Renovables, Jaime González Velasco


Por supuesto, la realidad de cómo se hacen las células solares es muchísimo más complicada que todo esto.Pero lo visto hasta ahora es el fundamento básico... de la energía fotovoltaica.


¡No olviden la direccionalidad de la luz!(¿Superrratón? :-) )

Energía Solar: Colectores Solares

Conducción:

Esta ecuación sigue siendo muy complicada para su uso habitual. Existen aproximaciones.


Conducción:Considerando las derivadas como incrementos, podemos escribir lo siguiente:

Con la corriente térmica: Y la resistencia térmica:


Conducción:Sí: Hay una equivalencia muy fuerte entre el concepto

de resistencia eléctrica y el de resistencia térmica.

Incluyendo la forma de resolver la resistencia de materiales en serie y paralelo...


Conducción:En sistemas de construcción de la resistencia se elimina

el área, para hacer el parámetro dependiente sólo del material que estemos empleando:


Convección: Conceptualmente sencillo. El movimiento de un fluido a diferentes temperaturas transporta la energía térmica. Formalmente complicadísimo. Aquí usaremos una simplificación lineal:


Conducción y Convección:1) En uno, la diferencia de temperatura se obtenía, en el

otro, se presentaba como dato. ¿Por qué?


Conducción y Convección, relaciones lineales básicas:


Radiación: Emisión y absorción de energía electromagnética. Su absorción posibilita la transformación de energía solar.


Radiación: σ es la constante de Boltzmann, ε es la emitividad del cuerpo.


Radiación: Efecto invernadero. ¡Chachi! :)


Radiación: Hacer el vidrio del colector más opaco: Eliminar el óxido de hierro. Un colector más resistente a la radiación UV: Use óxidos de Cerio.


Radiación: Un colector más resistente a la radiación UV: Use óxidos de Cerio.


Radiación: ¿Cómo absorber más eficientemente la luz solar?

Necesitamos un material o pintura que sea transparente de 0 a 2 micrómetros y que sea opaco de 2 micrómetros en adelante...

Un metal con una capa de óxido por encima:Espejo Oscuro.


Radiación: Un metal con una capa de óxido por encima:

Espejo Oscuro.


Radiación: Un metal con una capa de óxido por encima:

Espejo Oscuro.

Ejemplos:

Cobre

Acero con el Níquel oxidado con un soplete de acetileno...


Radiación: Espejo Oscuro

Pinturas para hacer el espejo oscuro: Material absorbente con otro de soporte.

Además: Materiales estructurados. Diseñamos la estructura atómica del material para que se adapte a nuestras necesidades.


Radiación: Espejo Oscuro. Materiales estructurados

Cérmet, pero ojo con el nombrecito...


Radiación: Espejo Oscuro. Materiales estructurados


Radiación: Transmitir la luz hasta el propio colector.

La cubierta transparente no es perfectamente transparente, claro. Y su transmisión depende del ángulo.


Radiación: Transmitancia.

Hay hombres que luchan un día

y son buenos.

Hay otros que luchan un año

y son mejores.

Hay quienes luchan muchos años

y son muy buenos.

Pero hay los que luchan toda la vida:

esos son los imprescindibles...

- Bertolt Brecht


Pérdidas:

Conducción,

convección y

radiación.


Conducción y Convección, relaciones lineales básicas:


Radiación: σ es la constante de Boltzmann, ε es la emitividad del cuerpo.


Radiación: Transmitancia.


Balance Energético:¿Cómo podemos hallarlo?

Simplificando...


Balance Energético:

IS,U

la irradiancia útil,

UL el coeficiente de pérdidas del colector,

Tc la temperatura media del colector,

Ta la temperatura media ambiente.


Balance Energético:

Temperatura de estancamiento o de equilibrio.

¿De dónde sale? Encerado...

Energía Solar: ¿Cuánto llega de verdad?

¿Cuánta energía solar llega a la Tierra en relación a nuestras necesidades?...

Calculemoslo:

0,65 %

Biomasa: Introducción

Todo ser vivo en la Tierra depende de la energía del Sol.

Pero unos más que otros. Las plantas y otros, más.

Ellos son la biomasa.

Biomasa: Introducción

Ventajas:

Lo sabemos todo sobre ella:

Cómo cosecharla,Cómo usarla bien (motores de explosión)

Desventajas:Compite con la producción de alimentos,Su R.O.E. (Return Of Energy)

Biomasa: Fotosíntesis

¿Qué es la fotosíntesis?

De manera sencilla, transformar mediante energía luminosa las moléculas sencillas y estables CO2 y H2O en moléculas más complejas, pero esenciales para la vida: Grasas, proteinas, etc.

¡Una combustión inversa!


Cálculos previos:

¿Cuántos árboles hacen falta para generar el oxígeno que respira una persona?

Consumo: 400 W persona/día.

Producción oxígeno: 16 W/m2 por los árboles.

Se necesitan 400/16 = 20 m2 de árbol por persona.

Un árbol en latitudes medias, 1/3 en selvas tropicales.


Cálculos previos:

¿Cuántos árboles hacen falta para generar el oxígeno que consume una casa en calentarse y calentar su agua?

Se queman dos toneladas/año de metano. El metano se quema:

Por cada mol de metano, 4 moles de oxígeno.En toneladas es lo mismo, luego 8 toneladas de oxígeno al año son necesarias.


Cálculos previos:


1 m2 de hojas produce 4,06 g de oxígeno por hora. Luego:


Cálculos previos:


450 m2 / 20 m2 por árbol da 23 árboles para producir el oxígeno quemado en una caldera de una casa media.

¿Hay tantos árboles?


La fotosíntesis depende de muchos factores. Principalmente:

1) Temperatura a la que está la planta,2) Concentración de CO2,3) Flujo y espectro luminoso.

Biomasa: Biocombustibles

Biomasa: Productos vegetales que surgen de la transformación de energía solar, CO, CO

2 y otros

materiales en hidrocarburos complejos y otros productos(grasas, aceites, etc.).

Combustión inversa.

Elementos básicos de una combustión: Comburente: Oxígeno o gas que favorece la oxidación. Combustible: Materia que se oxida.

Biocombustible:Biocombustible: Combustible de origen biológico.Es decir, combustible procesado con biomasa como producto inicial.


La idea es transformar la biomasa en combustibles, para usar en nustros coches, etc. y así reducir o eliminar nuestra dependencia del petróleo.

Los combustibles que se obtienen son:➢ Metano,➢ etanol y otros alcoholes,➢ carbones y➢aceites vegetales.

La clave está en la palabra transformación. ¡Es difícil!


Veremos en clase los siguientes métodos:

Combustión directa.

Combustión tras procesado.

Procesado termoquímico: Pirólisis, gasificación y licuefacción.

Procesado bioquímico.

Biomasa: Biocombustibles - Combustión directa

De toda la vida...


De toda la vida...Muy poco eficiente: En torno al 2% de extracción de la energía contenida.


De toda la vida...Muy poco eficiente: En torno al 2% de extracción de la energía contenida.

Interesante su optimización (después)

En la combustión se producen dos cosas:➢ elementos volátiles

gases,vapores,etc.

➢material sólido restantecarbón -> carbonillamateriales inertes -> escoria y otras cenizas


La mayor parte del calor se va con los vapores.

Muy buenas ideas para optimizar el sistema:

1) Que los vapores y gases cedan el calor al ambiente que queremos calentar,

2) Oxigenar bien.


2) Oxigenar bien:

Si hay demasiado oxígeno, arrastro el calor con el aire que expulso (Chimeneas normales, hogueras, etc.)

Si hay demasiado poco, la combustión es deficiente y produzco mucho CO y otros gases peligrosos, además de perder eficiencia. (Braseros)


Solución antigua:

Para calefacción: El horno de piedra


Producción de calor radiante durante 12 horas con un tiempo de encendido de 4 horas.


a) Una gran longitud de chimenea o salida de gases. Permite el intercambio térmico del gas con el entorno.

b) Uso de materiales no metálicos en su construcción. Mayor almacenamiento de energía térmica.

c) Empleo de la radiación infrarroja para calentar. Mejor radiación que convección.


Evita la formación de alquitranes y creosostas por la mejora de la combustión.

(Desohollinadores)


Actualmente y similar es el suelo radiante:

Biomasa: Biocombustibles - Pirólisis

Pirólisis: Descomposición por fuego.

Si en lugar de quemar algo con aire, lo calentamos en ausencia de aire y a muy altas temperaturas (500º C), descomponemos el material primario en:a) gases varios,b) líquidos combustibles (aceites, alcoholes y ácidos),c) coque de pirólisis.

No modificamos la presión, sólo la temperatura.


Los productos resultantes son fuertemente dependientes de la temperatura.

100º - 150º C Eliminación de la humedad de la biomasa.

~ 275ºC Aparecen como gases N2, CO y CO

2. Se produce

ácido acético y metanol

280º - 350º C Reacciones exotérmicas. Producción de varios hidrocarburos y monómeros simples.

> 350º C Se forma más hidrógneo e hidrocarburos más complejos.

~600º C La temperatura ideal para formar líquidos combustibles

Biomasa: Revisión de detalles

Biomasa: ¿Futuro?

Hay mucha investigación en realizar transformaciones de energía que, de momento, son sueños.

Vamos a ver las que conozco. (Las que no conozco no las podemos ver...)

Biomasa: ¿Futuro?

Usar microorganismos para generar energía:

Marzo - 2008

Biomasa: ¿Futuro?

Fotosíntesis artificial:

Biomasa: ¿Futuro?

Fotosíntesis artificial:

“There is lots of basic stuff to do to solve this.”

Examen

aa

a

a

a

a

b

b b

b

b

b

b

b

b

0

5

10

Resultados test examen

Medias a: 3,0 Medias b: 5,2

Referencias varias:

Libros:

Energías Renovables. Jaime gonzález Velasco. Editorial Reverté

Fundamentos de energía solar fotovoltaica para los grados de las titulaciones científico-técnicas. VV. AA. Servicio de publicaciones de la Universidad Europea Miguel de Cervantes

Tecnología solar. VV. AA. Editorial Ediciones Mundi-Prensa

Manual de energía eólica. Jose Mº Escudero López. Editorial Ediciones Mundi-Prensa

Sustainable Energy – without the hot air. Davd JC MacKay. Accesible desde: http://www.withouthotair.com/

Referencias varias:

Páginas Web:

The oil drum: www.theoildrum.com

Low- tech magazine: www.lowtechmagazine.com

Meteo: meteo.maicas.net

Energía Eólica: El clima

¿Qúe gobierna el clima de la tierra?

Movimientos del planeta alrededor del Sol, modificando su balance energético:traslación alrededor del Sol,rotación alrededor de su eje.

Perihelio (147,7 mill. km)

Afelio (147,7 mill. km)

Energía Eólica: El clima

Tres zonas climáticas bien diferenciadas: Zona glacial, los casquetes polares. Muy bajas temperaturas, a partir de ls 66º 33' Norte y Sur.

Zona templada, donde estamos. Temperaturas moderadas, pero grandes diferencias entre Invierno y Verano. entre los 66º 33' y los 23º 27' norte y sur.

Zona tórrida. Entre los trópicos de cancer y capricornio. Temperaturas muy altas. Todos los desiertos están aquí.(Inclinación de esa superficie respecto a Sol)

Energía Eólica: El clima - La atmósfera

La atmósfera es la cubierta de gases que rodea al planeta.Respiramos y contaminamos la atmósfera, la modificamos y la generación de energía eólica depende de ella. La presión de la columna de gas es de uns 760 mm de hg a nivel del mar, que disminuye con la altura desde la superficie.

¿Cómo?¿Cómo?

Encerado...


Resumiendo:

Pero esto es sólo una idealización. Hay que añadir efectos de temperatura y el valor de g.

Energía Eólica: El clima - El viento

¿Qué es el viento?Aire en movimiento :-)

¿Por qué se mueve el aire? ¿Qué le da la energía?


Grandes corrientes mundiales: tres zonas Anticiclones sobre los polos,

Depresiones a los 60º,

Anticiclones a los 30º

Origen:el desigual calentamiento por la orientación terrestre y la fuerza de Coriolis


Escalas básicas de los vientos terrestres:


Fuerte variabilidad diaria en vientos cerca de costas y en zonas montañosas:

Mañana: Se calienta la costa, y se forma un viento hacia ella.

Tarde: al revés.

Energía Eólica: Cortísima historia

Se usan molinos de viento desde el principio de los tiempos...Pero como transformador de energía cinética del aire (viento) en energía mecánica, no eléctrica.


Las primeras transformaciones en e. eléctrica en el s. XX, para bombear agua.


Hoy usamos molinos de viento (aerogeneradoresaerogeneradores) para producir energía eléctrica.

Energía Eólica: Partes de un aerogenerador.

Tres partes principales:

1) Rotor

2) Góndola

3) Torre

4) Orientador


En el rotor las piezas principales son:

a) El buje

b) Las palas


En la góndola las piezas principales son:

a) La carcasa o góndola

b) El alternador

c) El acople a la torre


¿Qué es un alternador?

El responsable de transformar la energía mecánica (el giro del rotor) en energía eléctrica.

¿Por qué y cómo funciona?

La inducción de una corriente eléctrica por parte de un campo magnético variando en el tiempo.

De: http://es.wikipedia.org/wiki/Alternador


En el orientador la misión principal es, ejem..., orientar las palas del aerogenerador.


¿Cuánto tipos de orientador hay?

Muchos, pero se distinguen esencialmente en si son:

Pasivos

Activos

Energía Eólica: Diversos tipos de aerogeneradores.

Podemos clasificar los aerogeneradores de varias maneras.Según el eje, en aerogeneradores de eje vertical:

Savonius

Darrieus


Savonius:Dos o tres palas en forma de “S” y con una gran superficie.

Muy baratas, pero muy poco eficaces: Hay que mover mucha masa, y se mueve muy despacio.

Curiosidad: Se usa en sistemas de refrigeración.


Darrieus:

Las palas son esencialmente tiras con forma circular. Tienen multitud de inconvenientes:tensiones en las palas,baja velocidad de giro.

Y una ventaja: No necesitan orientación.

De: http://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine


De: http://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine


Los de eje horizontal, los más comunes.

Según el número de palas:


Si los clasificamos según la dirección del viento respecto a las palas, los generadores de eje horizontal se pueden clasificar en:

Barlovento Sotavento

De: “Manual de energía eólica”. Editorial ediciones Mundi-Libros


Según generación de potencia eléctrica:

De: “Manual de energía eólica”. Editorial ediciones Mundi-Libros

Energía Eólica: Potencia a extraer.

Conversión de energía cinética del viento en lo que sea. (Habitualmente, eléctrica.)

Encerado.

Demostración completa ley de Betz:http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law


Como no podemos parar totalmente el viento: Ley de Betz. (x = V2 / V

1)

0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

x

Eficiencia:

59%


Hay más pérdidas...●Mecánicas●Eléctricas●Falta de “idealidad” de la naturaleza●Etc...


El viento no “está” siempre...Hay una distribución de velocidad del mismo, que se puede modelar usando la llamada distribución de Weibull.

Energía Eólica: Otros sistemas (en estudio)

Energía Eólica: Otros sistemas (en estudio)

http://www.makanipower.com/2012/02/all-flight-modes/

“If you are going through hell, keep going.”Winston Churchill

OOOEEEE,OOOOEEEE

¡¡Página web con cositas!!

http://www.uclm.es/area/amf/gonzalo/EnAlt.html

http://www.mdpi.com/journal/sustainability

La ley de la Entropía y el proceso económicoNicholas Georgescu-RoegenEditorial Fundación ArgentariaSIGNATURA: DS 38337

Energy Return On Investement: EROI dinámico


Cantidad de potencia en función de lugares de colocación de aerogeneradores.


Cantidad de energía en función del terreno usado para sistemas fotovoltaicos


HMC: Human-made-capital (Capital generado por la humanidad) k: Capital factor (factor de capital)L: Lifetime (Tiempo de vida del capital)


Del artículo:

Energía Geotérmica: Introducción

Aprovechar la energía interna de la Tierra almacenada como Temperatura ( ~30ºC/km)

Valor global de 1 000 EJ/año (más del doble de la que usa la humanidad[~ 400 EJ/año])

Dos formas de usarla:

Pequeñas instalaciones casi a ras de suelo para generar calor en viviendas

Enormes centrales generadoras de energía

Energía Geotérmica: Introducción. Historia

Uso a lo largo de hace muchos años, principalmente como aguas termales.

En el s. XIX (1904) se instaló la primera central geotérmica en Larderello, Toscana, Italia. Hoy produce ~ 400 MW.

Energía Geotérmica: Introducción. Origen del calor geotérmico

¿De dónde viene el calor de la Tierra?

Respuesta honesta: No lo sabemos muy bien...

Aun no tenemos claro cómo se formó la Tierra. Dos posibilidades, formación rápida o corta.

Energía Geotérmica: Introducción. Origen del calor geotérmico

Influencia muy grande en el reactor natural que es la Tierra.

De: Current Science. Vol 7. Julio 2007.Nuclear Georeactor Generation of Earth’s Geomagnetic Field

J. Marvin Herndon

Energía Geotérmica: Introducción. Problemas

Problemas graves:

a) Muy baja conductividad de las rocas. Si queremos que sea renovable, muy poca potencia. Si no, es un recurso extraible y no renovable.

b) Poca superficie real para poder usarlo.

c) Microterremotos en zonas donde se usa.


Planta piloto en Landau, Alemania.

Terremoto de magnitud 2,7 (poco) muy repentino, corto y acompañado de un estallido.Pero: no se sabe con seguridad si por la planta termal o no.

De: http://www.nytimes.com/2009/09/11/science/earth/11quake.html?_r=2

Energía Geotérmica: Forma de la planta geotérmica.

Esencialmente un motor térmico muy grande:

http://www.esustentable.com/wp/wp-content/uploads/2008/11/geothermal-esus.jpg

Energía Geotérmica: Forma de la planta geotérmica.

http://www.esustentable.com/wp/wp-content/uploads/2008/11/geothermal-power-plant-i01.jpg

Energía Geotérmica: ¿Renovable o no?Depende...

Del libro: “Energías Renovables”

Energía Geotérmica: ¿Renovable o no?

Del libro: “Energías Renovables”

Añadido y pregunta: ¿Dónde está todo el calor del Sol?La verdad, ni idea.

Energía Geotérmica: Sistemas pequeños

Aprovechar la energía interna de la Tierra almacenada como Temperatura ( ~30ºC/km)

Valor global de 1 000 EJ/año (más del doble de la que usa la humanidad[~ 400 EJ/año])

Dos formas de usarla:

Pequeñas instalaciones casi a ras de suelo para generar calor en viviendas

Enormes centrales generadoras de energía


¿Cómo funcionan?

Se emplea el hecho de que cerca de la superficie terrestre es fácil excavar, pero hay un pequeño gradiente térmico.


Si tenemos un montón de líquido calentado por el subsuelo terrestre, podemos usar ese calor para producir la electricidad necesaria para mover el fluido por la casa y para calentar la propia casa.

También podemos usarlo para enfriarla...


Como tenemos un foco a una temperatura constante, podemos usarla para calentar o para enfriar.

Energía Geotérmica: Esquemas de plantas grandes.

Ciclo binario: El líquido que se usa para generar movimiento y el líquido que calienta están separados y nunca están en contacto.

C4 H

10


A vapor seco: Absorbemos el vapor, lo usamos para mover la turbina y lo recondensamos antes de reintroducirlo en el suelo.


Hay más modelos, pero esencialmente son las plantas térmicas que ya conocen, donde la fuente de calor es el fluido extraído del subsuelo.

Coche eléctrico híbrido. Célula de combustible

Es un dispositivo que toma un líquido o gas con alto contenido energético y lo “rompe” químicamente para extraer energía eléctrica.Los subproductos son agua y CO2 si el combustible empleado NO es hidrógeno.


Como cada célula por separado produce muy poco voltaje, se colocan varias en serie y paralelo para obtener la potencia eléctrica que nos interesa: Tenemos un “paquete” de células de combustible.

Lo mejor del uso de la célula de combustible: No es un motor de combustión. Luego...su eficiencia no está limitada por el ciclo de Carnot,ciclo de Carnot, puede ser superior al 50%.

Coche eléctrico híbrido. Célula de combustibleEn el único(que yo sepa) coche comercial ahora mismo que usa células de combustible la eficiencia es del 60%.

Coche eléctrico híbrido. Célula de combustible.

El funcionamiento general es fácil de entender:

En un catalizador, rompemos el hidrógeno dentro del combustible líquido,produciendo protones y electrones.

Los electrones se transmiten por el circuito eléctrico para hacer trabajo y los protones a través del electrolito, para recombinarse con O2 y producir agua.


Detalles importantes:

Aunque lo que usemos sea el hidrógeno, podemos usar el hidrógeno de varios líquidos, por ejemplo:Gasolina (hidrocarburo, ¿recuerdan?), alcohol, etc.

No es necesario que sea una pared y un elemento en medio, y otra pared...Más configuraciones geométricas son posibles.

El catalizador es importantísimo.


El catalizadores la base de este tipo se sistemas.

Hay varios problemas fundamentales:

1) La molécula H2 es estable. A presión y temperatura ambiente no es fácil romperla. Y a más altas

presiones y temperaturas no me interesa...(Catalizadores cerámicos a altas temperaturas...)

2) Los catalizadores se suelen gastar. Necesitamos que se cambie con facilidad o que no se gaste mucho.

3) Los catalizadores son caros y, habitualmente, escasos.


Muchos y variados tipos de catalizadores. No tengo claro ni cuáles, ni de qué están compuestos, etc.

Lo único que puedo darles es una lista de varios tipos que sé que existen:

1)Cerámicos. Ventajas: duros, soportan bien altas temperaturas. Desventajas: Caros, difíciles de fabricar y hechos con tierras raras en su mayoría.

2)Líquidos. En realidad, una suspensión coloidal. El catalizador en gránulos pequeños se mezcla con un líquido con contenido en hidrógeno dentro del recipiente que tiene ánodo y cátodo.

¿Más? ¡Supongo que sí!


¡El combustible también es importante!

El mejor: El hidrógeno molecular. Es lo que usamos y su combustión sólo genera agua.

Problema: su almacenamiento y transporte no es tan sencillo ni económico como el de otros líquidos con hidrógeno (gasolina).

Soluciones híbridas al problema:

1)Transportas gas hasta las casas, y de ese gas extraes hidrógeno con paneles solares...

2)Mira, usa gasolina. Tenemos la red de distribución montada, y el líquido es realmente energético...

Obviamente, abre la posibilidad de usar “biocombustibles”, dado que multiplicamos la eficiencia del combustible por tres.


¡Ojo!

El uso de hidrocarburos supone que se contamina. Menos, pero se contamina...

Si seguimos extrayendo el petróleo como fuente de hidrocarburos, retrasamos el problema, no lo solucionamos.


Sistema ideal, de cuento de hadas:

1) Produzco hidrógeno con sistemas renovables, basados en energía solar, eólica, etc.

2) Lo almaceno y transporto por toda una red dedicada a ello.

3) Lo uso en mi coche/sistema de transporte híbrido. Con baterías y la célula de combustible para cargar esas baterías.

Los problemas ya los hemos visto, no los repito.

Pero no lo olviden: Soñar no sólo es gratis, sino necesario para cambiar las cosas.




2) Lo almaceno y transporto por toda una red dedicada a ello. Por construir todavía...Excepto en ci-fi y alguna empresa que tiene una web.




2) Lo almaceno y transporto por toda una red dedicada a ello. Además de la península escandinava...

Empezaron en el 2008, y esta es la situación actual

(http://www.scandinavianhydrogen.org)

Coche eléctrico híbrido. Referencias

El libro:

Fuel Cell Fundamentals, Ryan O'Hayre y otros. (En Amazon 49 $ usado)

La web:

Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustibleSobre la pila de combustible en si. Artículo interesante.

Honda: http://automobiles.honda.com/fcx-clarity/Propaganda, pero también posee alguna información útil.

Stored Solar: http://www.storedsolar.com/index.htmlUn sueño, pero hay que soñarlo.

Células solares de puntos cuánticos. ¿Qué es un punto cuántico?

Algo raro...

Esencialmente, una parte de un material tan pequeña, que algunas de sus propiedades sólo pueden predecirse usando la mecánica cuántica.

O sea, tenemos que olvidarnos de:

a) la materia como un continuo,b) una barrera es infranqueable,c) La separación entre materia y energía es clara y evidente,d) etc.


Y tenemos que empezar a pensar en:

a) ecuaciones de onda,b) relación átomos – energía,c) el espacio que ocupamos conforma las propiedadesdel material,d) etc...


No son sustancias muy habituales... pero se pueden fabricar.

Además, es bastante “sencillo”: se usa la química, lo que abarata los costes.

Células solares de puntos cuánticos. ¿Por qué son importantes para la energía solar?

Las células fotovoltaicas transforman la energía solar en eléctrica mediante la excitación de electrones y su paso entre bandas.

Recordemos los elementos esenciales de ese proceso:

a) Direccionabilidad,

b) Longitud de onda.

Es en este último elemento donde pueden ayudar los puntos cuánticos.


Por su forma, la longitud de onda que absorben puede graduarse, de forma que se pueden producir materiales que absorben más longitudes de onda de los habituales.

O que emiten:

De: “Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing” Nature Materials, Vol 4, June 2005


Por lo tanto, podríamos ajustar los puntos cuánticos para absorber algunas longitudes de onda, mezclar varios de esos puntos cuánticos en un solo material y aumentar la eficiencia...

Pero hay un problema.

Células solares de puntos cuánticos. Problemas

Recuerden que también hacen falta materiales dopados, tipo n y tipo p.

Y ¿cómo se hacía esto?

Introduciendo átomos de número atómico más alto (tipo n) o más bajo (tipo p) dentro del material base.

Como este material base es tan pequeño en un punto cuántico, cualquier introducción incluso de un átomo altera sus propiedades hasta hacerlo inservible.


Hasta ahora...

Células solares de puntos cuánticos. Soluciones actuales

Aquí podemos ver el efecto que tendría el dopado en las bandas de conducción de un semiconductor.

Tipo n a la izquierda,Tipo p a la derecha


Aquí podemos ver el efecto que tendría el dopado en las bandas de conducción de un un punto cuántico

Tipo p Ed 1P,

Tipo n Ed 1S


Luego la mayor diferencia entre puntos cuánticos y semiconductores “normales” es la alteración de bandas ya existentes o la creación de niveles nuevos.


Puntos cuánticosDopado tipo n:Usando Cu (Cobre)

Dopado tipo p:Usando Ag(Plata)

Ver diferencia con Oro, que no hace nada...


Recapitulando:

¡Ya podemos usar puntos cuánticos ajustables en frecuencia para hacer células solares!

Células solares de puntos cuánticos. Recapitulación 01

Recapitulando:

Ventajas:

a) Fáciles de fabricar. Se usa química, lo que implica que no hay que usar ni presiones, ni elementos difíciles de manejar (fotolitografía ultravioleta, rayos X, etc.)

b) Ajustables en frecuencia. Luego, podemos realmente ajustarlos y aumentar su eficiencia.

c) Como se suelen fabricar en un líquido, se pueden situar sobre cualquier superficie usando técnicas de impresión por chorro de tinta o similar.

Células solares de puntos cuánticos. Final 01

¡Ojo!

Pasé por encima, pero saben perfectamente lo que hacen: tienen un modelo que se lo indica.

Izq. Izq. cálculoscálculos

Der. Der. medidasmedidas

(2.1)(2.1)

Células solares de puntos cuánticos. Cambio de frecuencia

Si usamos dos fotones para excitar el electrón, podemos acceder a zonas del espectro que ahora se pierden (infrarrojo) y que aumentarían de manera importante la eficiencia de nuestra célula fotovoltaica.

¿Cómo?


Usando estructuras superpuestas de puntos cuánticos, que están ajustados a las frecuencias (energías) adecuadas.


Los cristales primero,luego un soporte especial,

después los puntos cuánticos,

tratados o sin tratar con Hydracina.


No sólo actúan como células fotovoltaicas, sino que además tiene una eficiencia cuántica mejorada y cambiante en función del tamaño del punto cuántico.

Punto cuántico de 3.0 nm de diámetro. EQE: External Quantum EficiencyIQE: Internal Quantum Eficiency

Células solares de puntos cuánticos. Cambio de frecuenciaLes recuerdo que el espectro visible está entre los dos y tres eV:

Células solares de puntos cuánticos. Resumiendo del todo.

Cambiando los puntos puntos cuánticos, podemos hacer que se conviertan en materiales dopados tipo p y tipo n.

Como por su naturaleza son “sintonizables”, aprovechamos mejor la energía solar llegando a eficiencias del 30-40 %.

¡Pensemos!

¿Cuanta superficie hace falta para sustituir el 50% de la energía eléctrica de España por sistemas de aerogeneradores?De la respuesta en porcentaje respecto al total de España y comente la respuesta.

Supongamos: Eficiencia panel solar 100%. (Y si me pongo ruedas...)Eficiencia almacenaje 100% (Ciencia ficción, pero..)

¡limitada! incluido la energía (potencia, en realidad ... · ¿cómo absorber más eficientemente...

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