Concentradores solares

La radiación del sol nos da energía gratis, y podemos realizar procesos de transformación de la materia y/o aprovechamiento de la energía misma.
Prácticamente un concentador solar es un espejo concavo que concentra los rayos solares en un punto o una línea.

Fig. 1 Espejo concavo que funciona como concentrado solar 

Se puede calentar:
1.- Una flujo de agua y provocar un vapor y aprovechar la energía del vapor para otro proceso
2.- Una flujo de salmuera de tal manera que se pueda almacenar esa solución caliente y usarse de noche (Fig. 2).

Fig. 2 Planta de energía eléctrica solar.

3.- Un flujo de agua contaminada y mezclado con un fotocalizador y degradar cotaminante orgánicos provenientes de un proceso (Fig. 3)
4.- Inclusive se puede producir hidrógeno con la fotocatálisis solar (Fig. 4).

Fig. 2 Con la fotocatálisis solar se pude degradar contaminante orgánicos disueltos en agua.

Fig. 3 Inclusive se puede producir hidrógenos con la fotocatálisis solar

Los concentradores solares son espejos de alta tecnología y los materiales son de alto costo.

Fig. 4 Investigación y desarrollo de materiales para economizar en los concentradores solares.

Necesitamos comercializar los concentradores solares para que esto se produzcan en alta cantidad y se abaraten los precios de estos mismos y se intensifique la investigación y desarrollo de esta tecnología.
¿Tu que piensas?

Gas shale; debemos realizar un proceso sustentable

Varios países del mundo tiene en su fuentes de energéticos naturales el llamado gas shale. En Fig. 1 se puede observar que Norteamérica contiene una gran porcentaje de este energético natural.

Figura 1.- Zonas de revervas ed gas shale en el mundo

El proceso actual es la facturación hidráulica  (fracking en inglés), el cual consiste en perforar un pozo mas de 4 km de profundidad (pasando mantos acuiferos, sedimentos rocosos) hasta llegar al fuente de gas shale.

Figura 2.- Representación de pozos de gas shale. 

Luego se extiende la tubería horizontalmente donde se tiene las espreas para inyectar una mezcla de arena agua al 95% y el resto aditivos químicos.

De esa manera se fractura el estrato rocoso y por esas fracturas coalece el gas natural (gas shale). La mezcla de agua-arena y aditivos químicos regresa a la superficie (agua de retroceso).

Figura 3.- Agua de retroceso que se uso en el proceso de fracturación hidráulica en pozo de extracción de gas shale

Existen varios retos ambientales, algunos obvios y otros amenazantes.

1.- Son exorbitante las cantidades de agua (54.000 a 174.000 millones de litros de agua en una sola fractura) necesarias para el proceso y las regiones donde se encuentra el gas shale generalmente son zonas desérticas.

2.- El agua de retroceso debe ser tratada para reuso en el mismo proceso o en otro.

Figura 4.- Problemas ambientales en el proceso de facturación hidráulica

3.- Existen probabilidades que la mezcla de aditivos que se inyecta con el agua y arena lleguen a mantos acuíferos subterreaneos y/o superficiales (Fig. 4)

4.- Gas metano que se filtre entre a los mantos acuíferos y agua potable.

5.- Explosiones por gas de escape cerca del pozo.

La soluciones posibles son:

1.- No extraer el gas shale
2.- Cambiar de proceso en vez de agua utilizar otro fluido sustentable (gas o líquido)
3.- Usar aditivos biodegradables
4.- Controlar las concentraciones de contaminantes en todos los mantos acuíferos.
5.- Tratamiento de agua de aguas contaminadas identificadas con los análisis químicos.

Figura 5.- Análisis de aguas durante todas las etapas del proceso de facturación hidráulica, tratamientos de agua y personal capacitado que trabaje en los análisis químicos

Los industriales, empresas, inversonistas deben presupuestar la sustentabilidad (análisis, control y tratamiento de los contaminantes) en el proceso de facturación hidráulica para la extracción de gas shale.

¿Ustedes que piensan?

¿Es posible obtener energía del Cosmos?

¿Es posible obtener energía del Cosmos?

Figura 1.Nubelosa del Cangrejo

Nuestros amigos astrologos, chamanes y maestros de la energía nos dicen que el cosmos, el universo, las constelaciones, las estrellas rigen nuestro destino.  Mis respetos para la teorías alternativas. Lo cierto es  que en el Universo ocurren cambios energéticos muy pronunciados, como la nebulosa del cangrejo que fue vista durante la historia de la humanidad. La radiación electgromágnetica viaja años luz.

La prueba esta en nuestra estrella de nuestro sistema solar, recibimos la radiación durante el día y nos calienta la faz. 

Figura 2. El sol nos da energía para la vida.

Las radiaciones electromagnéticas de diferente frecuencia y energía ocurren sobre nuestro planeta, pero estamos protegidos por el campo electromagnético de la tierra, por su nucleo de hierro.

Figura 3. El campo electromagnético protege a la Tierra de otras radiaciones, que podrían dañar a la vida.

Pero, ¿Podríamos ir más allá del campo y recibir energía electromagnética del Universo, almacenarla, transferirla y usarla para el bien de la humanidad?

Controlar y aprovechar la energía de un huracán y volcán en erupción ¿Es posible?

   Sin duda es grande  la cantidad de  energía con la que un huracán que destroza pueblos y ciudades costeras y volcanes en erupción que arrojan ríos de lava y destrozan a su paso pueblos y ciudades también. ¿Será posible que podamos controlar estos fenómenos de la naturaleza?
  Las Figuras 1 y 2 muestran los tipos de energía que traen estos dos fenómenos naturales.

Figura 1. Un huracán trae consigo mucha energía del tipo cinética.

 Figura 2. La explosión de un un volcán trae consigo energía de reacciones químicas junto con energía de tipo de transformaciones físicas de la materia, y la lava del tipo de energía térmica, calor latente que podría ser transferido.

¿Cómo podríamos usar estos tipo de energía y transformarlas en energía mecánica y luego eléctrica para nuestro beneficio?

Demos respuesta sencillas:

Para los aire huracanado la energía cinética la podemos transformar en mecánica y luego en eléctrica usando un aerogenerador, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 El aerogenerador convierte la energía cinética del aire en energía mecánica y luego eléctrica.

¿Pero, cuál es el problema? ¿Por qué no se usan aerogeneradores en los huracanes?

El problema es el que el  fluido (el aire) se comporta en regimen de flujo turbulento. El flujo laminar forma vectoras de velocidad (del fluido) en una sola dirección y la velocidad no es alta,  de tal manera que el número de Reynolds (Re) que es Re= velocidad* Distancia característica que contiene el fluido* la densidad del fluido/Viscosidad del fluido, es pequeño, como de 2100 dentro de tubos, y los fluidos turbulentos los vectores de velocidad no son en una sola dirección y sentido y son de mayor magnitud y el Re es mucho mayor. La figura 4 muestra la diferencia de los tipo de regimen de fluidos dentro de un tubo.

Figura 4.- Fluido en regimen laminar y regimen turbulento.

Los vectores de velocidad del aire (fluido) de un huracán son del tipo turbulento y como se fijan en la Figura 3 los aerogeneradores están diseñados para fluidos más del tipo laminar. En el  flujo turbolento los vectores de velocidad del fluido (el aire) tienen diferente dirección y por eso es difícil usarlo en un aerogenador.

La temperatura del magma expulsado por el volcán, es muy alta tanto que funde sólidos ¿Se puede aprovechar la cantidad de calor para ser intercambiado y aprovechado?

Figura 5.- Un volcan arroja material incandesente de 1200 a 900 C y además gases y partículas a la atmosfera.

¿Que solución propones?

Yo doy una, diseñar aerogeneradores para fluidos turbulentos, muy especificamente el tipo de regimen que se forman en un huracán. Puede ser un comienzo. ¿Qué piensas?.

¿Las celdas solares son sustentables?

1. ¿Qué es una celda solar?
2. ¿Si las celda solares reciben energía del sol y esta es gratis, porque todos no tenemos celdas solares en casa y en la industria?
3. ¿De que materiales esta hecha la celda solar y como se fabrican?

Figura 1.- ¿Por qué no tenemos todos celdas solares en nuestras casas.

Las preguntas anteriores son importante porque no tenemos celdas solares en cada casa, hoy en día.

Las figuras 2 a y b representan esquemas sencillos de como trabajan las celdas solares.

Figura 2a Esquema sencillo de como funciona una celda solar

Figura 2 b. Serie de películas o capas de diferentes materiales que conforman la celda solar

Más que entender los principios de física y química para saber el funcionamiento de una celda solar, es muy notorio ver que se necesita materiales especiales como el silicio (silicon en inglés en las Figuras 1 y b). 

El silicio es un elemento puro que se obtiene a muy altas temperatura de purificación.

Figura 3. El obtener oblea de silicio puro requiere temperaturas superior a 1000 C.

Este es una de la razones por lo cuales las celdas solares son tan costosas. El gasto de combustible (energía) que se requiere para obtener el silicio puro.

La preguntas de sustentabilidad son:

1.- ¿En cuánto tiempo de uso de la celda solar se recuperará la energía que se gastó al hacerla?

2.- ¿Habrá otros materiales más económico y que den el misma eficiencia energética que una celda solar con material de Si puro?

Las respuesta es, si.

Actualmente se desarrollan nuevos  y más económico materiales que tratan de dar la mayor eficiencia energética cuidando al ambiente y gasto de energía en fabricarlos.

La pregunta del futuro es:

Si el nuestro Sol un día se acabará, ¿Podremos obtener energía de otra fuentes en el universo?

La respuesta es si, recibimos energía de otra frecuencia y del universo exterior, nuestro campo magnético terrestre nos protege.

Figura 4.- Un día nuestro sol se terminará pero recibimos energía del universo de otras fuentes externas a nuestro sistema solar, solo que estamos protegidos por nuestro campo magnético.

¿Tú que opinas de pagar y usar celdas solares?

Las computadoras del futuro,, harán todo,, ¿Con qué energía?

Y dicen en los programas de televisión:
"Las computadoras y robots del futuro serán más inteligentes y harán muchas cosas por nosotros"
Y Yo me pregunto: ¿Con qué energía funcionarán estos artefactos?

Figura 1. Los robots del futuro serán nuestros compañeros.

Figura 2. El explorador de internet estará en nuestras retinas.

Y nuestros amigos tecnólogos de las tecnologías de la informática y computación (TIC) no han trabajado su visión con los científicos que se preocupan por las fuentes de energía del futuro. Nuestros amigos de las TIC están pensando en el futuro con energía del día de hoy.

La sustentabilidad implica trabajo en equipo multidisciplinario para encontrar las respuesta de un mejor mañana.

Por eso Químicos, Biólogos, Ingenieros, Físicos, Matemáticos y demás disciplinas deben trabajar en construir juntos los artefactos del mañana.

Figura 3. Broma en una playera sobre las multidisciplinas

La sustentabilidad es noble en el sentido que todas las disciplinas buscan un objetivo común.

Tener un mejor mañana, de mayor prestación en energía, económico, socio-cultural y de salud.

Debemos buscar energías alternas; solar, de biomasa de residuos agroindustriales, de tal manera que podamos equilibrar el estilo de vida moderno con el cuidado del medio ambiente y respeto hacia los demás.

Figura 4. Padre e hijos usando un medio de transporte sustentable.

Figura 5. La lluvia ácida provoca la emisión de metano de la tierra húmedas, a través de bacterias llamadas methanogenus.

Figura 4 muestra como la lluvia ácida provocada por las emisiones de azufre al medio ambiente, provoca que microorganismos de la tierra provoquen el metano (CH4), un gas invernadero.

La sustentabilidad propone que  ese gas metano sea capturado, concentrado y usado como fuente de combustible.

Figura 6.- Parodia de que el residuo agroindustrial sea fuente de energía de las computadoras

En la Figura 6 se presenta una parodia de como un residuo sea fuente de energía.

Unete al trabajo multidisciplinario, uno es ya lo que estas haciendo al leer este blog.

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Obtener energía usando energía

Obtener energía usando energía

La primera Ley de la Termodinámica dice:

Conservación de la energía: En un proceso la energía total se conserva; la energía se transforma de una forma a otra.

La segunda Ley de la Termodinámica dice: En un proceso  es la  verdad la imposibilidad de convertir total la energía aplicado a un sistemas en trabajo sin tener perdidas a los alrededores. La  Fig. 1 muestra un esquema muy sencillo para la máquina térmica.

Figura 1.- Máquina térmica. El sistema (circulo amarillo) recibo una entrada de calor (Qc) y realiza un trabajo (W) con una perdida de calor a los alrededores (Qc).

Si calculamos la eficiencia (n) de la máquina térmica de la Fig. 1: n= (W/Qc)*100 ó n= (Qc-Qf)/(Qc)*100 , si nos damos cuenta la eficiencia de la máquina es menor del 100 %. Entonces estamos de acuerdo que la energía que usamos para mover nuestros autos, la luz de las bombillas eléctricas, la energía eléctrica para usar nuestra computadora y demás equipo electrónicos gastamos más energía de la que obtenemos.

La Figura 2 muestra un simple ciclo Rankine, con el cuál se produce energía eléctrica en una turbina eléctrica. El vapor agua que hace que gire la turbina, es evaporada (de agua líquida a vapor de agua) en la caldera (No. 2) y ahí donde se gasta el combustible en los quemadores.

Figura 2.- Ciclo simple Rankine para generación de electricidad en una planta termoeléctrica.

Los ciclos termodinámicos y sus acomodos para aumentar la eficiencia de las plantas termoeléctricas andan alrededor  al 40% de eficiencia. Debemos usar otros procesos alternativos cuando no tengamos gas natural que quemar como en la Fig. 1, entonces estamos  "obteniendo energía usando energía".

Debemos tener procesos alternos aunque sean de eficiencias bajas como 20 % como se podría tener en la pirólisis o gasificación, pero recordemos que el ingenio humano subirá lo que más se pueda esa eficiencia. Una alternativa sería acoplar procesos, como solar, catálisis y pirólisis de residuos agroindustriales. Como en figuras 3 y 4.

Figura 3 . Pirólisis y energía solar

Figura 4. Pirólisis y catálisis.

Como vemos tenemos un futuro de investigación y de ingeniería para sobrevivir a l a crisis de escasez del petróleo.

La sustentabilidad busca eficiencia térmica, eficiencia económica, sin afectar el medio ambiente y al entorno social.

¿Qué piensas? Deja tu comentario.

La fructosa, la molécula que puede darnos biocombustibles y más.

Esta entrada, veremos como una molécula como la fructosa se esta convirtiendo en la materia prima predilecta para biocombustibles.

La fructosa:

       Es una molécula natural que contiene propiedades demasiado similares a la glucosa, y esta presente en alimentos, frutos, semillas,,, y para no entrar en la polémica alimenticia contra biocombustibles, también se encuentra en algunos residuos agroindustriales como la cascara de naranja, de piñas y cachaza de caña.



Fig. 1 Molécula de fructosa

Fig. 2 Cascara de piña y de naranja que tienen contenido de fructosa.


La molécula de fructosa se puede convertir en la molécula de 5-hidróximetilfurfural (HMF), la cuál es una molécula plataforma para biocombustibles (mas potentes que el etanol) y otros productos químicos.

Fig. 3 Reacción de deshidratación de la fructosa (1) para producir el 5-hidroximetilfurfural (5)

Los que se busca y las ventajas son la siguientes:

1. La reacción se puede llevar acabo en un solvente muy amigables; agua.
2. Se pueden diseñar catalizadores para que sean selectivos hacia la producción del HMF
3. Los residuos agroindustriales con contenido de fructosa no se están aprovechando para esta reacción
4. Cualquier país con este tipo de residuos y con algo de infraestructura y ciencia puede desarrollar este recurso.
5. Al producir el HMF en un solo paso (con el catalizador sólido) se evita las separaciones consecutivas después del reactor.
6. El proceso es complemento de la industria de procesado de alimentos, al elimar y darle valor agregado a los residuos (cascaras de los frutos)

Espero que les haya gustado esta Entrada, y no lo vean tan lleno de química para los que no sean químicos.
Check my research  about this topic:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337318311020

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236116309528

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