Energía - X (Diez) Curiosidades

Nuevo chip que captura energía de múltiples fuentes

Un sistema desarrollado en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) podría combinar energía recolectada de la luz, calor y vibraciones, para ejecutar sistemas de vigilancia.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Los investigadores del MIT han dado un paso significativo hacia los sistemas de vigilancia sin baterías — que podría finalmente ser utilizado en dispositivos biomédicos, sensores del medio ambiente en lugares remotos y medidores en puntos de difícil acceso, entre otras aplicaciones.

El trabajo previo del laboratorio de profesor Anantha Chandrakasan del MIT, se ha enfocado en el desarrollo de chips de computadora y comunicación inalámbrica, que pueden operar a niveles de energía extremadamente bajos, y en una variedad de dispositivos que pueden aprovechar el poder de la luz natural, el calor y vibraciones en el medio ambiente. El desarrollo más reciente, llevado a cabo con el estudiante de doctorado Saurav Bandyopadhyay, es un chip que podría aprovechar las tres de estas fuentes de energía ambiental a la vez, optimizando el suministro de energía.

El circuito de combinación de energía se describe en un artículo que se publicará este verano en el Diario de Circuitos de Estado Sólido del IEEE.

“La recolección de energía se está convirtiendo en una realidad”, dice Chandrakasan, el profesor de Ingeniería Eléctrica de Keithley y director del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Computacionales del MIT. Los chips de bajo consumo de energía que pueden recopilar datos y transmitirlos a una estación central están en desarrollo, así como los sistemas para aprovechar la energía de fuentes ambientales. Pero el nuevo diseño logra un uso eficiente de múltiples fuentes de energía en un solo dispositivo, una gran ventaja ya que muchas de estas fuentes son intermitentes e impredecibles.

“La clave aquí es el circuito que combina eficientemente muchas fuentes de energía en una sola”, dice Chandrakasan. Los dispositivos individuales necesarios para aprovechar estas pequeñas fuentes de energía — como la diferencia entre la temperatura del cuerpo y el aire exterior, o los movimientos y vibraciones de cualquier cosa de una persona que camina a un puente en vibración porque el tráfico pasa sobre él – ya se han desarrollado, muchos de ellos en el laboratorio de Chandrakasan.

Combinando el poder de estas fuentes variables requiere un sofisticado sistema de control, Bandyopadhyay explica: Por lo general cada fuente de energía requiere su propio circuito de control para cumplir con sus requisitos específicos. Por ejemplo, circuitos para aprovechar diferencias térmicas producen típicamente sólo de 0,02 a 0,15 voltios, mientras que las células fotovoltaicas de baja potencia pueden generar de 0,2 a 0,7 voltios y los sistemas de recolección de vibraciones pueden producir hasta 5 voltios. La coordinación de estas diferentes fuentes de energía en tiempo real para producir una salida constante es un proceso difícil.

Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos para aprovechar múltiples fuentes de energía simplemente han conmutado entre ellos, aprovechándose del que esté generando la mayor cantidad de energía en un momento dado, dice Bandyopadhyay, pero que puede desperdiciar la energía que está siendo entregada por las otras fuentes. “En lugar de eso, se extrae la energía de todas las fuentes”, dice. El enfoque combina la energía de múltiples fuentes al cambiar rápidamente entre ellas.

Otro desafío para los investigadores fue reducir al mínimo la energía consumida por el circuito de control en sí, para dejar lo más posible a los dispositivos que en realidad está alimentando — tales como sensores para medir la frecuencia cardíaca, azúcar en la sangre, o las tensiones en un puente o una tubería. Los circuitos de control optimizan la cantidad de energía extraída de cada fuente.

El sistema utiliza una innovadora arquitectura de doble vía. Usualmente, las fuentes de energía serían usadas para cargar un dispositivo de almacenamiento, tal como una batería o un supercondensador, que luego alimentarían al verdadero sensor u otro circuito. Pero en este sistema de control, el sensor puede ser alimentado desde un dispositivo de almacenamiento o directamente de la fuente, evitando el sistema de almacenamiento por completo. “Eso lo hace más eficiente”, dice Bandyopadhyay. El chip utiliza un solo inductor de tiempo compartido, un componente crucial para apoyar a los múltiples convertidores necesarios en este diseño, en vez de independientes para cada fuente.

David Freeman, jefe tecnólogo de soluciones de suministro de energía en Texas Instruments, que no participó en este trabajo, dice: “El trabajo que se realiza en el MIT es muy importante para permitir la recolección de energía en diferentes entornos. La capacidad de extraer energía de varias fuentes diferentes ayuda a maximizar la potencia para una mayor funcionalidad de sistemas como los nodos de sensores inalámbricos”.

Sólo recientemente, dice Freeman, compañías como Texas Instruments han desarrollado microcontroladores de muy baja potencia y transceptores inalámbricos que podrían ser alimentados por esas fuentes. “Con innovaciones como éstas que combinan múltiples fuentes de energía, estos sistemas pueden ahora comenzar a aumentar la funcionalidad”, dice. “Los beneficios de operar desde múltiples fuentes no sólo incluye la maximización de la energía máxima, sino que también ayuda cuando puede ser que una sola fuente de energía esté disponible”.

El trabajo ha sido financiado por el Interconnect Focus Center, un programa combinado de la Defense Advanced Research Projects Agency y compañías en las industrias de defensa y de semiconductores.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Otra llamarada solar de clase M

El día 5 del presente mes se produjo una llamarada M6.1 en la región activa 1515 de nuestro Sol, alcanzando su punto máximo a las 7:44 a.m. EDT (Eastern Daylight Time – Tiempo del Verano del Este). La actividad en esta zona se detectó desde el día 3 de julio y antes de la llamarada M6.1, ya había lanzado 12 llamaradas de clase M- bengalas.

La llamarada M6.1 causó un moderado apagón de radio (clasificado como R2 en la Administración Nacional Oceánica y la escala de Administración del Clima Espacial) que desde entonces ha disminuido. Los apagones de radio se producen cuando los rayos X o luz extrema ultravioleta de una erupción solar perturban la capa de la atmósfera terrestre conocida como ionósfera, capa a través de la cual viajan las ondas de radio. Los constantes cambios en la ionósfera cambian las rutas de las ondas de radio cuando se mueven, lo que degrada la información que contienen dichas ondas tanto de alta así como de baja frecuencia.

El Centro del Clima Espacial (SWC) de la NASA, ha observado numerosas eyecciones de masa coronal (CME) en la misma región y se cree que se mueven con relativa lentitud, recorriendo entre 300 y 600 kilómetros por segundo. La región activa 1515, se localiza muy al Sur del Sol, por lo que las eyecciones de masa coronal (CME) es poco probable que impacten en la Tierra.

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http://http://www.nasa.gov/ (en inglés)

Dispositivo portátil genera electricidad con los movimientos de la rodilla

Dispositivo portátil rodilla — Imagen: Fraunhofer IPA

Si acaso alguna vez ha usado una rodillera, se habrá fijado el gran cambio en el ángulo de la rodilla al seguir adelante con cada paso que se da y con qué rapidez lo hace. Un equipo de científicos de la Universidad de Cranfield, la Universidad de Liverpool y la Universidad de Salford, en el Reino Unido, al ver todo ese movimiento idearon la forma de encontrarle utilidad, el resultado fue un dispositivo piezoeléctrico portátil, que convierte el movimiento en electricidad, que podría ser utilizado en aparatos de poder, como monitores para el ritmo cardíaco, podómetros y acelerómetros.

El Pizzicato, como se le conoce, es un recolector de energía de la articulación de la rodilla, dispositivo que encaja en el exterior de la rodilla. Es de forma circular, consta de un cubo central equipado con cuatro brazos que sobresalen, rodeado con un anillo exterior que lleva 72 plectros (plectro o púa es una herramienta de punteo, tal como una púa de guitarra). El anillo gira alrededor de un cuarto de vuelta con cada curva de la rodilla, haciendo que el plectro accione los brazos, ocasionando vibración en éstos (similar a las cuerdas de la guitarra), esas vibraciones son las que se utilizan para generar energía eléctrica.

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http://www.gizmag.com/ (en inglés)

Membranas de separación de oxígeno podrían ayudar en la reducción de CO2

Oxígeno separación membranas — Imagen: Ghoneim lab

Membranas cerámicas podrían reducir las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de energía basadas en gas y carbón.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

Podría parecer contradictorio, pero una forma de reducir las emisiones de dióxido de carbono en la atmósfera podría ser producir dióxido de carbono puro en las plantas de energía que queman combustibles fósiles. De esta manera, los gases de invernadero – una vez aislados dentro de una planta – podrían ser capturados y almacenados en reservas naturales, profundas en la corteza terrestre.

Dicha tecnología de “captura-de-carbono” podría reducir significativamente las emisiones de gas de efecto invernadero de fuentes de energía baratas y abundantes como el carbón y el gas natural, y ayudar a minimizar la contribución de los combustibles fósiles al cambio climático. Pero extraer dióxido de carbono del resto de los residuos de las plantas de energía es ahora un proceso caro que requiere de cantidades inmensas de energía, químicos especiales y equipo extra.

Ahora investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), están evaluando un sistema que elimina eficientemente el nitrógeno del proceso de combustión, dejando fluir dióxido de carbono puro después de remover otros residuos de la combustión como agua y otros gases. La pieza central del sistema es una membrana cerámica usada para separar oxígeno del aire. Quemar combustibles fósiles en oxígeno puro, en oposición al aire – un proceso conocido como combustión oxicombustible (oxyfuel) – puede dejar un flujo puro de dióxido de carbono.

Los investigadores han construido un reactor a escala en su laboratorio para probar la tecnología de membrana y han comenzado estableciendo parámetros para operar las membranas bajo las condiciones extremas encontradas dentro de una planta de energía convencional. Los resultados del grupo aparecerán en el Journal of Membrane Sciences (Diario de Ciencias de Membranas), y serán presentados en el Simposio Internacional sobre Combustión en Agosto.

Ahmed Ghoniem, el profesor de ingeniería en el MIT, dice que la tecnología de membranas cerámicas podría ser una solución económica y ahorradora de energía para capturar dióxido de carbono.

“En lo que estamos trabajando es en hacer esta separación en una forma muy eficiente, y esperamos que por el menor costo”, dice Ghoniem. “El solo objetivo detrás de esta tecnología es continuar usando combustibles fósiles baratos y disponibles, producir electricidad a un bajo costo y de manera conveniente, pero sin emitir tanto CO₂ como lo hemos estado haciendo”.

El grupo de Ghoniem está trabajando con otros colegas en el MIT, junto con fabricantes de membranas, para desarrollar esta tecnología y establecer lineamientos para escalarla e implementar en plantas de energía futuras. La investigación está en línea con el trabajo previo del grupo, en el que demostraron una nueva tecnología llamada combustión de oxicombustible presurizado (pressurized oxyfuel combustion) que han mostrado que mejora la eficiencia de conversión y reduce el consumo de combustible.

Alimentando con oxígeno puro

El aire que respiramos está compuesto principalmente de nitrógeno (78 por ciento) y oxígeno (21 por ciento). El proceso típico para separar el oxígeno del nitrógeno involucra una unidad criogénica que enfría el aire entrante a una temperatura lo suficientemente baja para licuar el oxígeno. Mientras que la técnica de congelamiento produce un flujo puro de oxígeno, el proceso es caro y voluminoso, y consume energía considerable, que podría mermar la salida de una planta de energía.

Ghoniem dice que las membranas cerámicas que proveen el oxígeno necesario para el proceso de combustión podrían operar mucho más eficientemente, usando menos energía para producir oxígeno puro y finalmente capturar dióxido de carbono. Él vislumbra el uso de la tecnología tanto en nuevas plantas de energía como una mejora para las plantas existentes para reducir las emisiones de dióxido de carbono.

Las membranas cerámicas son materiales selectivamente permeables a través de los cuales solo el oxígeno puede fluir. Estas membranas, hechas de óxidos metálicos como aluminio y titanio, pueden resistir temperaturas extremadamente altas – una gran ventaja en lo que respecta a operarlas en los duros entornos de una planta de energía. Membranas cerámicas separan oxígeno a través de un mecanismo llamado transporte de iones, donde los iones de oxígeno fluyen a través de una membrana, atraídas al lado de la membrana con menos oxígeno.

Una solución dos-en-uno

Ghoniem y sus colegas construyeron un reactor a escala con membranas cerámicas y estudiaron el flujo resultante de oxígeno. Observaron que conforme el aire pasa a través de una membrana, el oxígeno se acumula en el lado opuesto, finalmente alentando el proceso de separación de aire. Para evitar esta acumulación de oxígeno, el grupo construyó un sistema de combustión en su reactor modelo. Encontraron que con este sistema dos en uno, el oxígeno pasa a través de la membrana y se mezcla con el flujo de combustible en el otro lado, quemándolo y generando calor. El combustible quema el oxígeno, haciendo espacio para que fluya más oxígeno a través. Ghoniem dice que el sistema es una situación “ganancia-ganancia,” permitiendo la separación de oxígeno del aire mientras la combustión toma lugar en el mismo espacio.

“Resultó ser una manera inteligente de hacer las cosas”, dice Ghoniem. “El sistema es más compacto, porque en el mismo lugar donde hacemos la separación, también quemamos. Así que estamos integrando todo, y estamos reduciendo la complejidad, la penalidad energética, y la penalidad económica de quemar oxígeno puro y producir un flujo de dióxido de carbono”.

El grupo está ahora probando el rendimiento del sistema a diversas temperaturas, presiones y condiciones de combustible usando su arreglo de laboratorio. También han diseñado un modelo cumputacional complejo para simular cómo el sistema funcionaría a mayor escala, en una planta de energía. Encontraron que el flujo de oxígeno a través de la membrana depende de la temperatura de la membrana: Mientras más alta es la temperatura en el lado de la combustión del sistema, más rápido el oxígeno fluye a través de la membrana, y más rápido se quema el combustible. También encontraron que aunque la temperatura del gas podría exceder lo que el material puede tolerar, el flujo de gas actúa para proteger la membrana.

“Estamos aprendiendo lo suficiente sobre el sistema que si deseamos escalarlo e implementarlo en una planta de energía, entonces es posible”, dice Ghoniem. “Estas son obviamente plantas de energía complicadas, que requieren componentes de mucha más alta tecnología, porque pueden hacer mucho más de lo que las plantas hacen ahora. Tenemos que mostrar que los [nuevos] diseños son duraderos, y entonces convencer a la industria a tomar estas ideas y usarlas”.

El trabajo de laboratorio y los modelos desarrollados en el grupo de Ghoniem harán posible el diseño de sistemas de combustión más grandes para plantas de megawatts.

Madhaba Syamlal, líder del area de ciencias computacionales y básicas en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (National Energy Technology Laboratory), dice que las simulaciones como las de Ghoniem ayudarán a impulsar la próxima generación de tecnología como las membranas de separación de oxígeno en las plantas de energía. “Hemos visto que en otras áreas, como la aviación, simulaciones pueden realmente mejorar cómo el producto es desarrollado”, dice Syamlal. “Puedes usar simulaciones e incluso saltar algunos de las pruebas intermedias e ir directamente a diseñar y construir una máquina. En la industria energética, estas son las piezas que necesitamos para incrementar la escala muy rápidamente”.

El grupo de Ghoniem incluye al científico investigador Patrick Kirchen y a los estudiantes graduados James Hong y Anton Hunt, en colaboración con el maestro en la Universidad King Fahed del Petróleo y Minerales (KFUPM – King Fahed University of Petroleum and Minerals) en Arabia Saudita. La investigación fue patrocinada por KFUPM y la Universidad King Abdullah de Ciencia y Tecnología.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Electricidad generada por virus

Virus recubierto. Imagen: Roy Kaltschmidt de Berkeley Lab

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los Estados Unidos han desarrollado una manera de generar energía usando virus inofensivos que convierten energía mecánica en electricidad.

Los científicos probaron su acercamiento creando un generador que produce suficiente energía para operar una pequeña pantalla de cristal líquido. Funciona presionando con el dedo un electrodo del tamaño de una estampilla postal recubierto con virus diseñados específicamente. Los virus convierten la fuerza de la presión en una carga eléctrica.

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http://newscenter.lbl.gov/ (en inglés)

Turbina de viento extrae agua del aire

Obtener acceso a la suficiente agua para beber en un entorno desértico puede ser algo difícil, pero Eole Water quizá haya resuelto el problema. Ha creado una turbina de viento que puede extraer hasta 1,000 litros de agua por día del aire.

Todo lo que requiere es un viento a 24 kilómetros por hora para generar los 30 kilowatts requeridos para que el proceso ocurra. El resultado final es un tanque lleno de agua purificada lista para beberse en la base de cada turbina.

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http://www.geek.com/ (en inglés)
http://www.eolewater.com/ (en inglés)

Nanopartículas híbridas cobre-oro convierten el CO2

Podrían reducir las emisiones de gases de invernadero

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

Cobre – el material del que están hechos los centavos y las teteras – también es uno de los pocos metales que pueden convertir el dióxido de carbono en combustibles de hidrocarbono con poca energía relativamente. Cuando se le da la forma de un electrodo y es estimulado con voltaje, el cobre actúa como un fuerte catalizador, iniciando una reacción electromagnética con el dióxido de carbono que reduce el gas de efecto invernadero en metano o metanol.

Varios investigadores alrededor del mundo han estudiando el potencial del cobre como medio energéticamente eficiente de reciclar emisiones de dióxido de carbono en plantas de energía: En lugar de ser liberado en la atmósfera, el dióxido de carbono sería hecho circular a través de un catalizador de cobre y convertido en metano o metanol – que entonces le daría energía al resto de la planta por combustión, o sería convertido en productos químicos como etileno. Dicho sistema, emparejado con energía solar o eólica, podría reducir enormemente las emisiones de gas de invernadero de plantas alimentadas por carbón y plantas alimentadas por gas natural.

Pero el cobre es temperamental: fácilmente oxidable, como cuando viejos centavos se vuelven verdes. Como resultado, el metal es inestable, lo que puede alentar significativamente su reacción con el dióxido de carbono y producir residuos no deseados como monóxido de carbono y ácido fórmico.

Ahora los investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) han encontrado una solución que podría reducir aún más la energía necesaria para que el cobre convierta el dióxido de carbono, mientras además hacen al metal mucho más estable. El grupo ha diseñado pequeñas nanopartículas de cobre mezcladas con oro, que es resistente a la corrosión y la oxidación. Los investigadores observaron que solo un toque de oro vuelve al cobre mucho más estable. En los experimentos, recubrieron electrodos con las nanopartículas híbridas y encontraron que mucha menos energía era necesaria para que estas nanopartículas diseñadas reaccionaran con el dióxido de carbono, comparado a nanopartículas de puro cobre.

Un artículo detallando los resultados aparecerá en el diario Chemical Communications; la investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia. La coautora Kimberly Hamad-Schifferli del MIT dice que los descubrimientos apuntan a un medio potencialmente de eficiencia energética de recudir las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de energía.

“Normalmente tienes que poner mucha energía en convertir dióxido de carbono en algo útil”, dice Hamad-Schifferli, una profesora asociada de ingeniería mecánica e ingeniería biológica. “Demostramos que nanopartículas híbridas cobre-oro son mucho más estables, y tienen el potencial de reducir la energía que necesitas para la reacción”.

Reduciendo el tamaño

El equipo eligió diseñar partículas al nivel de nanoescala para “obtener más ventaja económica”, dice Hamad-Schifferli: Mientras más pequeñas las partículas, más grande es el área superficial disponible para la interacción con las moléculas de dióxido de carbono. “Podrías tener más lugares para que el CO₂ llegue y se pegue y sea convertido en algo más”, dice ella.

Hamad-Schifferli trabajó con Yang Shao-Horn, el profesor asociado de Ingeniería Mecánica en el MIT, posdoctorado Zhichuan Xu y Erica Lai. El equipo se quedó en oro como un metal adecuado para combinarse con oro y cobre principalmente debido a sus propiedades conocidas.
(Investigadores habían combinado previamente oro y cobre en escalas mucho más grandes, notando que la combinación previno que el cobre se oxidara).

Para hacer las nanopartículas, Hamad-Schifferli y sus colegas mezclaron sales conteniendo oro en una solución de sales de cobre. Calentaron la solución, creando nanopartículas que fusionaron cobre con oro. Xu entonces puso las nanopartículas a través de una serie de reacciones, convirtiendo la solución en un polvo que fue usado para recubrir un pequeño electrodo.

Para probar la reactividad de las nanopartículas, Xu colocó el electrodo en un vaso de precipitado lleno se solución y dióxido de carbono en burbujas dentro de él. Aplicó un pequeño voltaje al electrodo, y midió la corriente resultante en la solución. El equipo razonó que la corriente resultante indicaría que tan eficientes eran las nanopartículas al reaccionar con el gas: Si las moléculas de CO₂ estuvieran reaccionando con sitios en el electrodo – y después liberando para permitir que otras moléculas de CO₂ reaccionen con los mismos sitios – la corriente aparecería como que un cierto potencial fue alcanzado, indicando una “rotación”. Si las moleculas monopolizan sitios en el electrodo, la reacción se alentaría, retrasando la aparición de la corriente al mismo potencial.

El equipo encontró finalmente que el potencial aplicado para alcanzar una corriente estable era mucho más pequeña para las nanopartículas híbridas cobre-oro que para el puro cobre y oro – una indicación de que la cantidad de energía requerida para ejecutar la reacción era mucho más baja que la requerida cuando se usaban nanopartículas de puro cobre.

Siguiendo adelante, Hamad-Schifferli dice que espera mirar más de cerca la estructura de las nanopartículas de cobre-oro para encontrar la configuración óptima para convertir dióxido de carbono. Hasta ahora, el equipo ha demostrado la efectividad de las nanopartículas compuestas de un tercio de oro y dos tercios de cobre, así como dos tercios de oro y un tercio de cobre.

Hamad-Schifferli admite que el recubrimiento de electrodos a escala industrial con oro puede volverse caro. Sin embargo, dice ella, el ahorro de energía y el potencial de reuso para dichos electrodos podría balancear los costos iniciales.

“Es un compromiso”, dice Hamad-Schifferli. “Obviamente el oro es mas caro que el cobre. Pero si te ayuda a obtener un producto que sea más atractivo como el metano en lugar del dióxido de carbono, y a un consumo de energía más bajo, entonces podría valer la pena. Si pudieras reusarlo una y otra vez, y la durabilidad es más alta debido al oro, eso es una ganancia”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Nuevo método para prevenir obstrucciones submarinas de hielo

Hidrato de metano — Imagen: Wuse 1007 / wikipedia

Revestimientos superficiales desarrollados por investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) podrían inhibir la acumulación de hidratos de metano que pueden bloquear pozos profundos de petróleo y gas.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Durante el derrame petrolero masivo del pozo roto Deepwater Horizon en el 2010, parecía al principio que podría haber un arreglo rápido: un domo de contención que se bajara a la tubería rota para capturar el flujo para que pudiera ser bombeado a la superficie y eliminado apropiadamente. Pero ese intento falló rápidamente, porque el domo casi instantáneamente se obstruyó con hidrato de metano congelado.

Los hidratos de metano, que se congelan al contacto con agua fría en lo profundo del océano, son un problema crónico para los pozos de petróleo y gas profundos. Algunas veces estos hidratos congelados se forman dentro de la cubierta del pozo, donde pueden restringir e incluso bloquear el flujo, con un costo enorme para los operadores del pozo.

Ahora investigadores del MIT, liderados por el profesor asociado de Ingeniería Mecánica Kripa Varanasi, dicen que han encontrado una solución, descrita recientemente en el diario Physical Chemistry Chemical Physics. El autor líder de la revista académica es J. David Smith, un estudiante graduado de ingeniería mecánica.

El océano profundo se está convirtiendo en “una fuente clave” de nuevos pozos de petróleo y gas, dice Varanasi, conforme las demandas de energía del mundo continúan incrementándose rápidamente. Pero uno de los problemas cruciales en hacer viables estos pozos profundos respecto a la “garantía de flujo”: encontrar maneras de evitar la acumulación de hidratos de metano. Presentemente, esto se hace principalmente mediante el uso de sistemas de calefacción caros o aditivos químicos.

“Las industrias de petróleo y gas actualmente gastan al menos $200 millones de dólares al año solo en químicos” para prevenir dichas acumulaciones, dice Varanasi; fuentes de la industria dicen que la cifra total por la prevención y la producción perdida debido a hidratos podría estar en los miles de millones de dólares. El nuevo método de su equipo usaría en su lugar recubrimientos pasivos en los interiores de las tuberías que están diseñados para prevenir que los hidratos se adhieran.

Estos hidratos forman una estructura cristalina similar a una caja, llamada clatrato, en la que moléculas de metano son atrapadas en retículos de moléculas de agua. Aunque se ven como hielo ordinario, los hidratos de metano se forman solo bajo el agua a alta presión: en las aguas profundas o debajo del lecho oceánico, dice Smith. Según algunos estimados, la cantidad total de metano (el ingrediente principal del gas natural) contenido en los clatratos del lecho marino mundial exceden por mucho la cantidad conocida de reservas de todos los otros combustibles fósiles combinados.

Dentro de las tuberías que cargan el aceite o el gas de las profundidades, los hidratos de metano pueden adherirse a las paredes internas – como la placa que se acumula dentro de las arterias del cuerpo – y, en algunos casos, eventualmente bloquear el flujo completamente. Los bloqueos pueden suceder sin advertencia, y en casos severos requieren que la sección bloqueada de la tubería sea cortada y reemplazada, resultando en largos apagones de producción. Los esfuerzos de prevención presentes incluyen calefacción clara o aislamiento de las tuberías o aditivos como metanol introducidos en el flujo de gas o petróleo. “El metanol en un buen inhibidor”, dice Varanasi, pero es “muy agresivo ambientalmente” si escapa.

El grupo de investigación de Varanasi comenzó a analizar el problema antes del derrame del Deepwater Horizon en el Golfo de México. El grupo se ha enfocado por mucho tiempo en maneras de prevenir la acumulación de hielo ordinario – como en las alas de un avión – y en la creación de superficies hidrofóbicas, que previenen que las gotas de agua se adhieran a una superficie. Entonces Varanasi decidió explorar el potencial para crear lo que el llama superficies “hidrato-fóbicas” para prevenir que los hidratos se adhieran duramente a las paredes de las tuberías. Debido a que los mismos hidratos de metano son peligrosos, los investigadores trabajaron casi exclusivamente con un modelo de sistema de hidrato clatrato que exhibe propiedades similares.

El estudio produjo varios resultados significativos: Primero, utilizando un recubrimiento simple, Varanasi y sus colegas fueron capaces de reducir la adhesión de hidratos en la tubería a un cuarto de la cantidad en superficies no tratadas. Segundo, el sistema de pruebas que diseñaron provee una manera siemple y barata de buscar inhibidores aún más efectivos. Finalmente, los investigadores también encontraron una fuerte correlación entre las propiedades “hidrato-fóbicas” de una superficie y su humectabilidad – una medición de qué tan bien el líquido se esparce en la superficie.

Los encuentros básicos también aplican a otros adhesivos sólidos, dice Varanasi – por ejemplo, soldadura adhiriéndose a un circuito, o depósitos de calcita dentro de líneas de plomería – así que los mismos métodos de prueba pueden ser usados para analizar recubrimientos para una amplia variedad de procesos comerciales e industriales.

Richard Camilli, un científico asociado en Física Oceánica Aplicada e Ingeniería en la Institución Oceanográfica Woods Hole quien no estuvo involucrado en este estudio, dice, “La industria de la energía ha estado luchando con problemas de seguridad y garantía de flujo relacionados con la formación de hidratos y bloqueos por casi un siglo”. Añade que el problema se está volviendo más significativo mientras que el taladrado progresa a aguas aún más profundas y dice que el trabajo del equipo de Varanasi “es un gran paso hacia encontrar formas más amigables ambientalmente para prevenir la obstrucción de hidrato en las tuberías”.

El equipo investigador incluyó al postdoctorado del MIT Adam Meuler y al estudiante Harrison Bralower; al profesor de Ingeniería Mecánica Gareth McKinley; al profesor de Ingeniería Química Robert Cohen; y a Silva Subramanian y Rama Venkatesan, dos investigadores de la Compañía Tecnológica Chevron Energy. El trabajo fue patrocinado por el programa Iniciativa de Energía Chevron del MIT y por el consejo Doherty en Utilización Oceánica de Varanasi.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Una nueva dimensión para la energía solar

Páneles solares — Imagen: Allegra Boverman

Diseños inovativos tridimensionales de un equipo del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) pueden más que doblar la energía solar generada de un área dada.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Investigación intensiva alrededor del mundo se ha enfocado en mejorar el rendimiento de las celdas solares fotovoltaicas y reducir su costo. Pero muy poca atención ha sido prestada a las mejores maneras de acomodar esas celdas, que típicamente se colocan planas en un techo u otra superficie, o a veces se unen a estructuras motorizadas que mantienen las celdas apuntando hacia el sol según cruza el cielo.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha encontrado un acercamiento muy diferente: construir cubos o torres que extienden las celdas solares hacia arriba en configuraciones tridimensionales. Increíblemente, los resultados de las estructuras que han probado muestran una salida de energía que va desde el doble hasta más de 20 veces aquella de paneles planos fijos con la misma área de la base.

Los mayores incrementos de energía fueron vistos en las situaciones donde las mejoras eran más necesitadas: en lugares lejos del ecuador, en los meses de invierno y en días nublados. Los nuevos hallazgos, basados en modelado con computadora y pruebas al aire libre de módulos reales, han sido publicados en el diario Energy and Environmental Science (Ciencia de Energía y Ambiental).

“Pienso que este concepto podría convertirse en una parte importante del futuro de la fotovoltaica”, dice el autor principal de la revista académica, Jeffrey Grossman, el profesor asociado de Desarrollo de Carreras de Ingeniería de Energía en el MIT.

El equipo del MIT inicialmente usó un algoritmo computacional para explorar una enorme variedad de configuraciones posibles, y desarrolló software analítico que puede probar cualquier configuración dada bajo un rango completo de latitudes, temporadas y clima. Entonces, para confirmar las predicciones de su modelo, construyeron y probaron tres diferentes acomodos de celdas solares en el techo de un edificio de laboratorios del MIT por varias semanas.

Mientras que el costo de una cantidad de energía dada generada por dichos modelos tridimensionales excede en los paneles planos ordinarios, el costo es parcialmente balanceado por una salida de energía mucho más alta de un área dada, así como una salida de energía mucho más uniforme en el curso del día, en las temporadas del año, y en presencia de bloqueo de nubes y sombras. Estas mejoras vuelven la salida de energía más predecible y uniforme, lo que podría hacer la integración con la red de energía más fácil que los sistemas convencionales, dicen los autores.

La razón física baja para las mejoras en la salida de energía – y para la salida más uniforme en el tiempo – es que las superficies verticales de las estructuras tridimensionales pueden recolectar mucha más luz del sol por las mañanas, tardes e inviernos, cuando el sol es más cercano al horizonte, dice el coautor Marco Bernardi, un estudiante graduado en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería (DMSE) del MIT.

El tiempo es perfecto para dicha inovación, agrega Grossman, por que las celdas solares se han vuelto más económicas que las estructuras que las soportan, el cableado y la instalación. Conforme el costo de las mismas celdas continua declinando más rápidamente que estos otros costos, dicen, las ventajas de los sistemas tridimensionales crecerán de la misma manera.

“Incluso hace 10 años, esta idea no habría sido económicamente justificable por que los módulos costarían demasiado,” dice Grossman. Pero ahora, agrega, “el costo de las celdas de silicio es una fracción del costo total, una tendencia que continuará bajando en el futuro cercano”. Actualmente, hasta 65 por ciento del costo de la energía fotovoltaica (PV) está asociada con la instalación, permisos para uso del suelo y otros componentes además de las celdas mismas.

Aunque el modelado por computadora de Grossman y sus colegas mostró que la mayor ventaja sería obtenida de formas complejas – como un cubo donde cada cara está curveada hacia adentro – estás serían difíciles de construir, dice el coautor Nicola Ferralis, un científico investigador en DMSE. Los algoritmos también pueden ser usados para optimizar y simplificar formas con poca pérdida de energía. Resulta ser que la diferencia de salida de energía entre dichas formas optimizadas y un cubo simple es solo de 10 a 15 por ciento – una diferencia que es eclipsada por la gran mejora de rendimiento de las formas tridimensionales en general, dice. El equipo analizó las simples formas cúbicas y las formas más complejas similares a un acordeón en las pruebas experimentales en su tejado.

Al principio, los investigadores estuvieron afligidos cuando pasaron casi dos semanas sin un día claro y soleado para sus pruebas. Pero entonces, viendo los datos, se dieron cuenta de que habían aprendido importantes lecciones de los días nublados, que mostraron una mejora enorme en la salida de energía sobre los paneles planos convencionales.

Para la torre similar a un acordeón – la estructura más amplia que el equipo probó – la idea era simular una torre que “pudieras enviar plana, y entonces pudiera desdoblarse en el lugar”, dice Grossman. Dicha torre podría ser instalada en un estacionamiento para proveer una estación de recarga de vehículos eléctricos, dijo.

Hasta ahora, el equipo ha modelado módulos individuales tridimensionales. Un próximo paso es estudiar una colección de dichas torres, tomando en cuenta las sombras que una torre podría crearle a las otras a diferentes horas del día. En general, formas tridimensionales podrían tener una gran ventaja en cualquier lugar donde el espacio es limitado, como instalaciones de techos planos o en entornos urbanos, dicen. Dichas formas también podrían ser usadas en aplicaciones de gran escala, como granjas solares, una vez que los efectos entre las torres sean cuidadosamente minimizados.

Algunos otros esfuerzos – incluyendo incluso un proyecto de una feria de ciencia de escuela media el año pasado – han intentando acomodos tridimensionales de celdas solares. Pero, dice Grossman, “nuestro estudio es diferente en naturaleza, ya que es el primer acercamiento al problema con un análisis sistemático y predictivo”.

David Gracias, un profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad John Hopkins quien no estuvo involucrado en esta investigación, dice que Grossman y su equipo “han demostrado evidencia teórica y una prueba de concepto de que elementos fotovoltaicos tridimensionales podrían proveer beneficios significativos en términos de capturar la luz en diferentes ángulos. El desafío, sin embargo, es el producir masivamente estos elementos de una manera efectiva en cuanto a costos”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Gas de invernadero puede encontrar un hogar bajo tierra

Gas invernadero — Image: Michael Szulczewski, of the Juanes Research Group, MIT

Un nuevo análisis del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) muestra que hay suficiente espacio para guardar seguramente al menos un siglo de emisiones de combustibles fósiles de los Estados Unidos

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Un nuevo estudio por investigadores del MIT muestra que hay la suficiente capacidad en acuíferos salinos profundos en los Estados Unidos para guardar al menos un siglo de emisiones de dióxido de carbono de las plantas eléctricas que queman carbón. Aunque quedan preguntas sobre la economía de sistemas para capturar y guardar dichos gases, este estudio se enfoca en un problema principal que ha dejado en la sombra dichas propuestas.

El análisis del equipo del MIT – liderado por Ruben Juanes, un profesor asociado en Estudios Energéticos en el Departamento de Ingeniería Civil y del Entorno, y parte del trabajo de tesis doctoral de los estudiantes graduados Christopher MacMinn y Michael Szulczewski – será publicado esta semana en el Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Las plantas eléctricas que queman carbón generan alrededor del 40% de las emisiones de carbono en el mundo, entonces el cambio climático “no será abordado a menos que se lidie con las emisiones de dióxido de carbono de plantas de carbón”, dice Juanes. “Debemos hacer muchas cosas diferentes” como desarrollar alternativas nuevas y más limpias, dice, “pero una cosa que no va a irse es el carbón”, por que es una fuente de poder barata y ampliamente disponible.

Esfuerzos para reducir los gases de invernadero se han enfocado principalmente en la búsqueda de fuentes de energía prácticas y económicas, como el viento o energía solar. Pero las emisiones humanas son ahora tan vastas que muchos analistas piensan que es improbable que estas tecnologías solas puedan resolver el problema. Algunos han propuesto sistemas para capturar emisiones – principalmente dióxido de carbono del quemado de combustibles fósiles – entonces comprimirlas y guardar el desecho en formaciones geológicas profundas. Este acercamiento es conocido como captura y almacenaje de carbón, o CSS (carbon capture and storage).

Uno de los lugares más prometedores para almacenar el gas es en los profundos acuíferos salinos: aquellos más de una milla debajo de la superficie, muy por debajo de las fuentes de agua dulce usadas para consumo humano y agricultura. Pero los estimados de la capacidad de dichas formaciones en los Estados Unidos han variado desde guardar solo algunos años de emisiones de plantas de carbón hasta muchos miles de años de emisiones.

La razón para la enorme disparidad en las estimaciones es por dos causas. Primera, por que los acuíferos salinos profundos no tienen valor comercial, ha habido poca exploración para determinar su extensión. Segunda, la dinámica de fluidos de cómo el dióxido de carbono concentrado y licuado se esparciría a través de dichas formaciones es muy compleja y difícil de modelar. La mayoría de los análisis simplemente estimaron el volumen promedio de las formaciones, sin considerar la dinámica de cómo el CO₂ las infiltraría.

El equipo del MIT modeló cómo el dióxido de carbono se filtraría a través de la roca, tomando en cuenta no solo la capacidad final de las formaciones sino la tasa de inyección que podría sustentarse en el tiempo. “La clave es capturar las físicas esenciales del problema”, dice Szulczewski, “pero simplificándolo lo suficiente para poder aplicarlo al país entero”. Eso significó ver los detalles de los mecanismos de captura en la roca porosa a la escala de los micrones, entonces aplicando ese entendimiento a formaciones en un espacio de cientos de millas.

“Comenzamos con el grupo complicado completo de ecuaciones para el flujo fluídico, y entonces lo simplificamos”, dice MacMinn. Otros estimados han tendido a sobresimplificar el problema, “perdiendo algunas de las sutilezas de la física”, dice. Mientras que este análisis se enfocó en los Estados Unidos, MacMinn dice que capacidades de almacenamiento similares seguramente existen alrededor del mundo.

Howard Herzog, un investigador ingeniero principal con la Iniciativa de Energía del MIT y co-autor de la revista académica del PNAS, dice que este estudio “demuestra que la tasa de inyección de CO₂ en una reserva es un parámetro crítico al hacer estimados de almacenamiento”.

Cuando está licuado el dióxido de carbono es disuelto en el agua salada, el fluido resultante es más denso que cualquiera de los componentes, así que se hunde naturalmente. Es un proceso lento, pero “una vez que el dióxido de carbono está disuelto, has ganado el juego”, dice Juanes, por que la mezcla densa y pesado es casi seguro que nunca volverá a escapar de vuelta a la atmósfera.

Mientras que este estudio no tomó en consideración el costo de los sistemas CCS, muchos analistas han concluido que podrían agregar de un 15 a un 30 por ciento al costo de la electricidad generada con carbón, y no sería viable a menos que un impuesto al carbono o un límite a las emisiones de carbono fuera implementado.

Franklin Orr Jr., un profesor de ciencias de la tierra y director del Instituto Precourt para la Energía en la Universidad de Stanford, dice, “La contribución importante de este trabajo es que agrega consideración de la tasa de inyección de CO₂, por que puede ser restringido por el aumento de la presión en los acuíferos salinos profundos. Esta revista académica provee evidencia que aún cuando esas restricciones son consideradas hay mucha capacidad de almacenamiento. Esa es una contribución muy útil”.

James J. Dooley, un científico principal en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico quien no estuvo involucrado en el estudio del MIT, lo llamó “un muy buen análisis que demuestra que dadas las condiciones regulatorias y económicas apropiadas, las tecnologías de captura y almacenamiento del dióxido de carbono pueden ser la base de reducciones de gases de invernadero profundas y sostenidas en los Estados Unidos y alrededor del mundo”.

Mientras que quedan incertidumbres, “Realmente pienso que CSS tiene un papel que jugar”, dice Juanes. “No es la última salvación, es un puente, pero podría ser esencial por que realmente puede afrontar las emisiones de carbón y gas natural”.

La investigación fue apoyada por fondos del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Iniciativa de Energía del MIT, el Fondo de Investigación Reed, la Sociedad de Becarios de la Familia Martin para la Sustentabilidad y la Cátedra de Estudios de Energía ARCO.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)