Proyectos de Investigación

El objetivo principal de esta propuesta es desarrollar materiales de carbono a medida para aplicaciones relacionadas con tecnologías energéticas y medioambientales, con un enfoque en tres aplicaciones principales: almacenamiento de energía, soportes de catalizador en pilas de combustible y electrolizadores y el almacenamiento y captura de gas, especialmente hidrógeno y dióxido de carbono. Proponemos producir estos materiales mediante pirólisis de desecho de biomasa y otros residuos orgánicos. El uso de biomasa como precursor en la síntesis de materiales tiene interés dada su abundancia y bajo costo, y presenta una oportunidad para convertir los residuos de la industria agroalimentaria local en un producto de alto valor añadido.

BioMatStor desarrolla I + D en diferentes niveles de aplicación: fundamental para la caracterización y fabricación de la ciencia de los materiales, y ciencia aplicada para el modelado y caracterización de sistemas de almacenamiento de energía. Este proyecto combina ciencia de materiales e ingeniería energética con el objetivo de obtener materiales de alto rendimiento para una amplia gama de aplicaciones en la producción y almacenamiento de energía. Proponemos un enfoque multidisciplinar que tiene su base en la excelencia científica, responde a los desafíos sociales y puede resultar en una transferencia de tecnología significativa a la industria. Este proyecto también aborda los objetivos socio-estratégicos de Horizonte 2020, ya que tiene como objetivo contribuir a la mejora de nuestro entorno a través de la ciencia avanzada y la investigación multidisciplinar, y está totalmente alineado con los objetivos y políticas de la Unión Europea, Horizon2020, SET Plan y los objetivos RIS3 de la región de Andalucía.

El objetivo principal de este proyecto es el desarrollo de catalizadores heteroestructurados basados en óxidos semiconductores altamente eficientes (Nb2O5, WO3, TiO2 y Fe2O3) y g-C3N4, con control a nivel de la nanoescala, y potencial aplicación en la reacción de fotoreformado de alcoholes para la producción de H2.  Así mismo, se pretende estudiar la optimización del proceso catalítico mediante una aproximación multi-catalítica, mediante la combinación de termocatálisis y fotocatálisis. La producción fotocatalítica de H2 una reacción de gran interés desde el punto de vista energético mediante el uso de una tecnología limpia y sostenible como la fotocatálisis. En este proyecto se pretende el desarrollo de sistemas altamente eficientes para la producción de hidrógeno. Se prestará especial atención al diseño de heteroestructuras que permitan la optimización del proceso fotoinducido. De igual modo se incidirá en el uso de co-catalizadores alternativos a los tradicionales metales nobles; sistemas basados en metales de transición (Cu, Co, Ni), así como estructuras bimetálicas con metales nobles formado aleaciones o core-shell. Junto al proceso fotocatalítico en fase líquida, se estudiará la viabilidad de un proceso de fotoreformado en fase gas, basándonos en recientes estudios que ponen de manifiesto el efecto sinérgico de una aproximación foto-termo catalítica en estos procesos. De esta forma esta propuesta pretende abordar de forma ambiciosa el aumento de la eficiencia del proceso fotocatalítico a fin de poder plantear esta tecnología a mayor escala. En este sentido, además de los estudios de optimización de los catalizadores y del proceso fotocatalítico, se afrontará como algo primordial su escalado a planta solar piloto. 

El desarrollo de los nanomateriales y materiales funcionales, así como sus aplicaciones nanotecnológicas, vienen determinados por las capacidades actuales para la caracterización de la microestructura, la composición y las propiedades de los materiales en la nano-escala. El proyecto propone potenciar una investigación de frontera en la caracterización microestructural de materiales. Se integrarán las técnicas nanoscópicas y espectroscópicas, ligadas a la microscopía electrónica (sonda de electrones), con las técnicas asociadas a las sondas de fotones (rayos-X) y de haces de iones (técnicas IBA en general). La caracterización se asociará a materiales funcionales seleccionados de alto interés actual en la temática de recubrimientos y láminas delgadas en las que el equipo de trabajo es experto.

Será objetivo central el desarrollo y aplicación de manera integrada de las técnicas disponibles con múltiples sondas, tanto en el ICMS, como en otros centros de las Universidades de Sevilla (CITIUS, CNA) y Cádiz (servicios centrales). Igualmente a través de colaboraciones y solicitudes de medidas se tendrá acceso a otras instalaciones internacionales.

En el proyecto se dispondrá de materiales seleccionados en dos tecnologías emergentes: i) Láminas delgadas y recubrimientos nanoporosos que estabilizan gases a ultra-alta densidad y presión. ii) Catalizadores para los procesos de almacenamiento y generación de hidrógeno en líquidos orgánicos portadores de hidrógeno (LOHCs). La caracterización avanzada que se propone contribuirá a la comprensión fundamental de las relaciones síntesis-microestructura-propiedades con el objetivo de alcanzar un diseño racional de nuevos materiales funcionales en las líneas seleccionadas. El proyecto incide directamente en las tecnologías facilitadoras o emergentes como son “la nanotecnología” y “los materiales avanzados”. Incide también en los retos sociales y objetivos RIS3 de Andalucía en relación al almacenamiento de energías renovables.

España es uno de los países europeos con mayor irradiación solar media y lider mundial en implantación de Energía Solar Concentrada (CSP). Una ventaja de la tecnología CSP es su capacidad de almacenar energía térmica y usarla cuando no hay irradiación. La plantas CSP de última generación incluyen sistemas de almacenamiento en sales fundidas (calor sensible) que pesentan limitaciones: temperatura máxima limitada por degradación térmica, almacenaje a alta temperatura para evitar solidificación, corrosión y coste. En nuestro proyecto CTQ2017 se investigó el almacenamiento termoquímico mediante reacciones de calcinación/carbonatación, proceso calcium-lopping (CaL), usando caliza natural, que es abundante, barata, no corrosiva y permite operar a alta temperatura aumentando la eficiencia de conversión termoeléctrica. Su densidad energética (~1 MWhr/m3) es superior al de las sales (0.25-0.40 MWhr/m3). Un problema del CaL para almacenamiento termoquímico es la desactivación del CaO con el número de ciclos. En nuestro proyecto CTQ2017 se propusieron diversas estrategias de mejora con las que se consiguieron rendimientos muy altos incluso después de muchos ciclos: (i) cambio de condiciones de calcinación-carbonatación (reducción de la temperatura de calcinación e incrementar la de carbonatación para mejorar el rendimiento tanto del proceso como de la planta) y (ii) propuesta de otros carbonatos diferentes de la caliza, uso de aditivos, uso de residuos (escorias) y materiales sintéticos de bajo coste. Estos resultados de laboratorio son de extraordinario interés para su aplicación a plantas de CSP, pero para su transferencia se requiere de validación en entorno relevante. En este proyecto se propone escalar los resultados de laboratorio mediante ensayos en planta piloto, el desarrollo y ensayo de un nuevo calcinador solar, así como la evaluación de la viabilidad técnico-económica de la tecnología a escala industrial. En este proyecto se desarrollará una prueba de concepto de un novedoso reactor/intercambiador de calor de tipo ciclón basado en energía solar. La radiación solar concentrada alcanzará el calcinador solar tipo ciclón mediante un sistema beam-down (concentrador solar secundario) desde el campo solar, formado por 14 heliostatos con una superficie total de 30 m2 de la planta piloto construida en el marco del proyecto H2020 SOCRATCES, en el que han participado la mayor parte de los miembros del equipo de investigación del proyecto coordinado. El estudio y desarrollo de esta prueba de concepto permitirá establecer la viabilidad del diseño y demostrar su interés a empresas del sector energético y del cemento de cara a una futura integración de energía solar, en busca de una reducción de costes y emisiones de CO2. Se parte de estudios a nivel de concepto desarrollados en el proyecto CTQ2017 con nivel de madurez tecnológica TRL 4, y se estima que se avanzará hasta niveles TRL 5-6. Se realizará un análisis de la viabilidad económica de la implantación de los nuevos conceptos propuestos en el marco del proyecto CTQ2017 y se elaborará un plan de transferencia. Este plan recogerá las acciones a llevar a cabo para favorecer una transferencia efectiva al sector industrial. Además, dado el potencial de patentabilidad de la tecnología objeto del proyecto, una vez probada en escala relevante (prueba de concepto), se desarrollará un plan de explotación y protección de derechos intelectuales.