Estrategias energéticas contra el cambio climático

Por Jesús Gómez Hernández, Carolina Marugán Cruz, Sergio Sánchez Gónzalez, Daniel Serrano García y Esperanza Batuecas Fernández (Grupo de Ingeniería de Sistemas Energéticos (ISE).

La universidad desempeña un papel esencial en la lucha contra el cambio climático a través de sus proyectos de investigación. Los proyectos de investigación surgen a través de diferentes programas y convocatorias de financiamiento impulsados por la Comisión Europea o programas estatales y regionales. El principal programa de financiación para la investigación en Europa es el Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea, conocido como Horizonte 2020 (actualmente Horizonte Europa).

En la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) existen numerosos grupos de investigación trabajando en la lucha contra el cambio climático. En particular, en este post, desarrollaremos algunas de las líneas de investigación que se llevan a cabo en el Grupo de Ingeniería de Sistemas Energéticos (ISE).

Valorización de residuos para su aprovechamiento energético.

La gestión de residuos se ha convertido en un desafío apremiante. En este sentido, aparte de los procesos convencionales de reciclado, existen procesos termoquímicos como la gasificación y la pirólisis que también permiten procesarlos. Se diferencian principalmente en la cantidad de oxígeno empleada en ellos. En el caso de la pirólisis, se trata de un proceso que tiene lugar en ausencia de oxígeno, generalmente en una atmósfera inerte de nitrógeno. Por otro lado, la gasificación tiene lugar con un pequeño aporte de oxígeno, existiendo en este caso una pequeña combustión parcial que suministra la energía necesaria para llevar a cabo el proceso. Ambos procesos permiten transformar los residuos en un combustible, que luego puede ser utilizado para generar electricidad, calor o como materia prima en la industria química. La pirólisis genera una fracción gaseosa de diferentes gases permanentes, una fracción líquida o biocombustible y un producto carbonoso sólido. Por su parte, la gasificación produce de forma mayoritaria un gas combustible también formado por diferentes gases permanentes. La reutilización y el reciclaje de residuos contribuye directamente a los objetivos establecidos por la Directiva Europea de Residuos, promoviendo la economía circular y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.

A través del Proyecto financiado por el programa de investigación Horizonte 2020 BRISK II project: Biofuels Research Infrastructure for Sharing Knowledge II, se evaluó la gasificación de neumáticos de deshecho en un reactor de lecho fluidizado burbujeante mediante una caracterización completa del gas producto obtenido. Los experimentos se llevaron a cabo a 700 y 850°C con diferentes equivalence ratios (ER) utilizando aire como agente gasificante. A 850°C también se estudió el efecto de la adición de vapor. Los resultados indicaron que las temperaturas más altas promueven mayores rendimientos de especies de gases clave como H₂, CH₄ y C₂H₄. Y que la adición de vapor da como resultado una producción de H₂ notablemente mayor y una concentración de CO más baja. Además, se generan cantidades de numerosos hidrocarburos ligeros que aumentan considerablemente el potencial energético del gas generado.

Figura 1. Análisis de la composición del gas producto de la valorización de neumáticos de desecho mediante gasificación en lecho fluidizado burbujeante.

Uso de energía termosolar para producción eléctrica y calor industrial

Mediante el desarrollo y la optimización de sistemas de captación y almacenamiento de energía solar térmica, se busca maximizar el rendimiento de esta fuente renovable en la producción eléctrica y en el suministro de calor para procesos industriales. La energía termosolar, también conocida como solar térmica de concentración, utiliza espejos o lentes para concentrar la radiación solar y generar calor. Este calor puede utilizarse directamente en procesos industriales o convertirse en electricidad a través de ciclos termodinámicos. La adopción de energía termosolar contribuye a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas.

A través de los proyectos INTECSOLARIS-CM-UC3M (financiado por la Comunidad de Madrid), ACES2030-CM (cofinanciado por Fondos Estructurales Europeos) o el proyecto Integración de la energía solar en la industria pesada para mitigar las emisiones de CO2 (SHHIP-CO2) (financiado por la Agencia Estatal de Investigación), se desarrolló la tecnología Beam Down Linear Fresnel (BDLFR).

La tecnología BDLFR ha sido desarrollada para el procesamiento térmico de materiales pesados a temperaturas de T = 150 – 300ºC mediante la irradiación lineal y directa de energía solar concentrada. Para ello, el campo solar BDLFR consta de dos etapas de reflexión. Primero, los reflectores Fresnel lineales dirigen la radiación solar a una segunda etapa de espejos. Aprovechando la óptica beam-down, estos espejos secundarios se instalan elevados desde el suelo, redirigiendo hacia abajo la energía solar concentrada hacia un receptor pesado y lineal ubicado en el suelo. Los espejos secundarios son planos y están situados a la misma altura, lo que facilita su instalación a la vez que asegura una adecuada reflexión de los rayos solares hacia el suelo del receptor solar. Esta disposición facilita el tratamiento térmico de materiales pesados.

Figura 2. Configuraciones estudiadas de campos solares BDLFR.

Sistemas de almacenamiento de energía en cementos más sostenibles.

La producción de cemento convencional es conocida por su alto impacto en las emisiones de CO₂ y consumo de agua. Conscientes de esta problemática, se han desarrollado sistemas de almacenamiento de energía en cementos más sostenibles. A través de la incorporación de residuos como la escoria y la exploración de nuevos materiales como los geopolímeros se busca desarrollar cementos con propiedades adecuadas para el almacenamiento de energía térmica. Estas innovaciones no solo reducirán las emisiones de CO₂ y consumo de agua asociadas con la producción de cemento, sino que también permitirán utilizar los nuevos desarrollos como sistemas de almacenamiento de energía renovable. Este enfoque contribuye directamente a la descarbonización de múltiples sectores, impulsando la transición hacia una economía baja en carbono. Estos desarrollos se han podido estudiar gracias al proyecto HORATSO-CM, financiado por la Comunidad de Madrid.

Figura 3. Intercambio de calor en un bloque de cemento.

El análisis del ciclo de vida para minimizar impactos ambientales.

Además, se evaluaron los desarrollos desde el punto de vista ambiental, con el objetivo de obtener no solo aquellos que son técnicamente mejores sino medioambientalmente más sostenibles. Esto se realizó mediante análisis del ciclo de vida (LCA por sus siglas en inglés). A través del LCA, se evaluó el impacto ambiental de un producto o proceso a lo largo de su ciclo de vida completo, desde la extracción de materias primas hasta su disposición final. El objetivo principal del LCA es identificar las condiciones óptimas que minimicen los impactos ambientales. Al proporcionar información precisa y detallada sobre los impactos ambientales de los procesos industriales, se contribuye hacia la implementación de estrategias más sostenibles.

En la siguiente figura se puede apreciar cuáles son los desarrollos óptimos en cuanto a la categoría de impacto Cambio Climático (también conocida como huella de carbono) se refiere.

1. Gasificación de neumáticos: La combinación de alta temperatura, bajo ER y adición de vapor, ofreció el proceso más sostenible ambientalmente. Además, se pudo apreciar que, a pesar de los grandes ahorros en impactos ambientales, aún se necesitan esfuerzos adicionales para reducir el consumo de energía del sistema de precalentamiento para garantizar que el gas producto se equipare con el gas natural convencional.
2. Prototipo BDLFR: La producción de energía térmica con diferentes configuraciones BDLFR obtuvo mejores resultados que el calor convencional del gas natural en todas excepto dos configuraciones. El caso de estudio con la huella de carbono más baja representa una reducción del 34 % en comparación con el gas natural.
3. Cementos más sostenibles: Se concluyó que los sistemas de almacenamiento térmico con sustitución parcial o total de cemento Portland mediante el uso de residuos mostraron una reducción de más del 100% en huella de carbono con respecto al cemento Portland tradicional.

Figura 4. Resultados de Cambio Climático de las tecnologías anteriormente descritas. A. Gasificación de neumáticos. B. Campos solares BDLFR. C. Cementos con escorias.

Estos avances científicos y tecnológicos son vitales para abordar los desafíos ambientales actuales y nos acercan a un mundo donde la energía limpia y la sostenibilidad son una realidad palpable. La colaboración entre la academia, la industria y los responsables de la toma de decisiones es fundamental para traducir estos avances en acciones concretas y acelerar la transición hacia una economía baja en carbono.