ES2890494B2 - Instalación de producción de grafeno - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
Instalación de producción de grafeno
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente solicitud se refiere a una instalación de producción de grafeno, aplicando la tecnología termosolar en un proceso de deposición química de vapor (CVD; Chemical Vapour Deposition) en rollos de sustrato (roll-to-roll). Es aplicable en el campo de la producción de grafeno por métodos renovables.
ESTADO DE LA TÉCNICA
El descubrimiento del grafeno se realizó en 2004 por los científicos rusos Andre Geim y Konstantin Novosiólov en la Universidad de Manchester, que obtuvieron el premio Nobel en 2010. Es un material "del futuro" por sus múltiples propiedades: dureza, elasticidad, flexibilidad, buen conductor térmico y eléctrico, antibacteriano, etc. Por ello se estiman múltiples aplicaciones, de las cuales algunas ya están materializadas.
Se estima que en el medio/largo plazo el grafeno estará presente en todos los sectores y servicios del mundo que nos rodea: tecnológico, automoción, aeroespacial, sanitario, textil, construcción, etc. Está dispuesto ya en la electrónica, para aumentar su durabilidad y eficiencia, y se está estudiando para mejora de las propiedades del asfalto y del hormigón, en protección contra rayos, etc.
Los documentos ES2639917T3, ES2639493T3, ES2628073T3 y ES2687956T3 divulgan la forma de producir el grafeno en un sustrato, por ejemplo de cobre, mediante CVD y temperaturas del orden de 1000°C. Sin embargo, requieren un alto coste energético que es una de las barreras principales a la expansión del grafeno.
Se conoce también la técnica de concentración de radiación solar para elevar la temperatura de un fluido caloportador. Por ejemplo ES2327991 es un concentrador con una torre solar, con espejos dotados de dispositivos de seguimiento en dos ejes con un rango de concentración solar de 300-2000X alcanzándose temperaturas de 1000°C. También son interesantes los documentos ES2174650T3 (circuito térmico para la obtención de energía termosolar con una capa absorbente); WO2015197885 (almacenamiento de energía en lecho fluidizado), ES2639583 (captador de energía solar con dos discos parabólicos concentradores), WO2013164496 (receptor termosolar de tipo torre con receptores no cilindricos) y ES2533755 (depósitos acumuladores de calor)
El solicitante no conoce ningún dispositivo similar a la invención o que permita alcanzar sus ventajas.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en una instalación de producción de grafeno según la reivindicación primera. Sus diferentes variantes resuelven los problemas reseñados.
La invención tiene tres propósitos fundamentales:
- Reducir los costes para la producción de grafeno, facilitando su implantación en todas las industrias.
- Reducir las pérdidas energéticas debidas a las sucesivas transformaciones energéticas
- Aprovechamiento de energías renovables.
Por estos motivos, la invención tiene como objetivo fundamental la utilización de energía renovable en el proceso de producción de grafeno mediante la técnica CVD con sustrato de cobre o similar, es decir, combinar la energía térmica y solar para producir a gran escala y a un menor coste este material.
Según la realización, la invención permite reducir los costes de la producción de grafeno, además acumulando la energía sobrante en las horas de mayor insolación para su uso posterior.
De forma resumida, la instalación de producción de grafeno de la invención es del tipo que utiliza el proceso CVD sobre un sustrato, generalmente de cobre, y que comprende fuentes de hidrógeno, argón y metano. Además, de forma novedosa comprende un captador termosolar formado por al menos un espejo concentrador de la radiación solar sobre un receptor. El receptor está formado por un conjunto de cuatro tubos concéntricos, que definen tres espacios anulares. Un primer espacio anular, más exterior, es aislante (generalmente al vacío). Un segundo espacio anular dispone un primer fluido caloportador y está conectado a su circuito. El tercer espacio anular, más interior, dispone de un segundo fluido caloportador y está conectado a su circuito. En el centro de los tubos se define un espacio central, conectada a las fuentes de hidrógeno, metano y argón. En este espacio central se dispone una cámara rodeada de una doble pared aislante. La cámara está dividida en dos por una placa de soporte del sustrato configurada para ser calentada por el primer fluido, ya sea directamente o por medio de un fluido intermedio. El sustrato se calentará, en uso, en una primera mitad de la cámara comprende una boca de introducción y una boca de extracción del sustrato. La boca de extracción se conecta con el espacio central, donde se produce el grafeno. La instalación tiene un sistema controlador configurado para, entre otras cosas, mantener el segundo fluido a menor temperatura que el primer fluido.
En una realización, la segunda mitad de la cámara, por donde no está el sustrato, está dividida en dos partes por un panel. Las dos partes están comunicadas por un paso en un extremo para la circulación del fluido calefactor o el fluido intermedio.
La temperatura de los dos fluidos puede modificarse en un intercambiador auxiliar. El intercambiador auxiliar puede comprender medios de calentamiento adicionales, como quemadores o resistencias eléctricas.
Para facilitar el uso de la instalación cuando la insolación es insuficiente, se prefiere que la instalación comprenda un acumulador de la energía térmica del primer fluido. Este tipo de acumuladores son conocidos en la técnica.
La instalación también puede comprender un intercambiador de calor externo de recuperación de la energía sobrante, ya sea del primer fluido o del segundo fluido, o un intercambiador de calor por cada fluido.
Todos estos elementos están conectados entre sí por los circuitos correspondientes, que estarán correctamente aislados para reducir las pérdidas de calor. Igualmente comprenderán equipos de bombeo adecuados a la temperatura de los fluidos.
Otras variantes se aprecian en el resto de la memoria.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para una mejor comprensión de la invención, se incluyen las siguientes figuras.
Figura 1: Esquema general de un ejemplo de instalación.
Figura 2: Corte longitudinal de un ejemplo de receptor, con los cuatro tubos y la cámara.
Figura 3: Corte transversal de un ejemplo de cámara, según una realización.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A continuación se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.
La realización mostrada en las figuras parte de un equipo (100) de producción de grafeno por el método "roll to roll" (rodillo a rodillo) CVD, con fuentes de hidrógeno, de argón y de metano.
Un captador termosolar (200) comprende uno o más espejos (201) concentradores sobre un sistema de tubos (202,204,206,208) concéntricos, generalmente de cuarzo. Entre los tubos (202,204,206,208) se definen espacios anulares (203,205,207), quedando un espacio central (209) en el centro de los tubos (202,204,206,208).
El primer espacio anular (203), más exterior, está definido por el primer tubo (202) y el segundo tubo (204). Es un espacio aislante, para lo que preferiblemente está al vacío. El segundo espacio anular (205), entre el segundo tubo (204) y el tercer tubo (206) comprende un primer fluido (210), mientras que el tercer espacio anular (207), entre el tercer tubo (206) y el cuarto tubo (208), más interior, comprende un segundo fluido (211). Los dos fluidos (210,211) son caloportadores y estarán a diferentes temperaturas. El primer fluido (210) estará a mayor temperatura que el segundo fluido (211), que está previsto como refrigeración del espacio central (209), impidiendo que se eleve demasiado la temperatura.
La instalación comprende también un sistema controlador principalmente de las diferentes temperaturas de los fluidos (210,211) y del equipo (100). El control de temperatura se realizará ajustando el flujo másico de los dos fluidos (210,211). El sistema comprende también un intercambiador de calor (301) externo, que puede servir para subir o para bajar la temperatura de los fluidos (210,211) según la temperatura obtenida por el captador termosolar (200). Un acumulador (302) permite almacenar la energía térmica cuando hay exceso de sol.
En el espacio central (209) se disponen los gases utilizados en el CVD, y una cámara (212). Los gases no sufren temperaturas demasiado elevadas gracias al control térmico realizado por el segundo fluido (211), que asegura la temperatura idónea y que siempre esté por debajo de 1000°C.
La cámara (212) comprende el equipo (100), aislado por una doble pared (101) donde se ha realizado el vacío. La cámara (212) está totalmente dividida en dos por una placa (102), por ejemplo de cuarzo. La placa (102) se dispondrá preferiblemente horizontal para apoyar el sustrato. En una primera mitad (103), se dispone el sustrato del CVD, de cobre, níquel u otro material válido, en en atmósfera de hidrógeno y reducida presión para eliminar cualquier óxido e impureza. Una boca (104) en la primera mitad (103) permite introducir el sustrato y una boca de extracción (109) permite extraerlo en continuo como es conocido en la técnica "roll to roll". Las bocas (104, 109) estarán previstas para evitar la salida de calor por ellas, o la entrada/salida indeseable de un gas.
La segunda mitad de la cámara (212) está dividida por un panel (105), perpendicular a la placa (102), para dividirla en dos partes (106,107), normalmente simétricas. Las dos partes (106,107) de la segunda mitad de la cámara (212) están comunicadas por un paso (108) en un extremo, de forma que es posible introducir un fluido por la primera parte (106) y extraerlo por la segunda parte (107) mediante las conducciones y tomas adecuadas.
El sustrato se coloca sobre la placa (102) que es calentada por el fluido que circula por las partes (106,107), elevando así su temperatura. El fluido suele ser el propio primer fluido (210), pero en ocasiones se puede utilizar el segundo fluido (211) o usar un fluido intermedio calentado en un intercambiador auxiliar (303) por uno de los otros fluidos. El intercambiador auxiliar (303) puede comprender medios de calentamiento para suplir cualquier insuficiencia de temperatura por falta de insolación. También puede ser utilizado de acumulador (302) para devolver la energía acumulada, en los momentos de menor insolación, al fluido intermedio o al segundo fluido (211).
En la primera mitad (103) de la cámara (212) se procede a calentar el sustrato en atmósfera de hidrógeno y argón y, tras atravesar la boca de extracción (109), entra en el espacio central (209) donde se realiza la síntesis del grafeno, bombeando el metano según el procedimiento CVD, con la presión, temperatura, mezcla, presión parcial, etc. adecuada. Esta presión es inferior, por lo que los gases no pasan a la cámara (212) a través de la boca de extracción (209).
Con el captador solar (200) vamos a aportar el calor necesario y requerido en el proceso CVD, logrando obtener la temperatura que se requiere. La temperatura es de aproximadamente 1025°C para las fases de calentamiento y recocido del sustrato y de unos 910°C para el proceso de síntesis del grafeno en el espacio central (209).
La instalación comprende bombas de fluido y de vacío, sensores de temperatura, conducciones, manómetros... para asegurar el funcionamiento de todos los equipos.

Claims (1)

1- Instalación de producción de grafeno, que utiliza el proceso CVD sobre un sustrato y que comprende fuentes de hidrógeno, argón y metano, caracterizada por que comprende un captador termosolar (200) formado por al menos un espejo (201) concentrador de la radiación solar sobre un conjunto de cuatro tubos (202,204,206,208) concéntricos, que definen:
un primer espacio anular (203), más exterior, aislante;
un segundo espacio anular (205), con un primer fluido (210) caloportador;
un tercer espacio anular (207), más interior, con un segundo fluido (211) caloportador de refrigeración de
un espacio central (209), donde se dispone una cámara (212) rodeada de una doble pared (101) aislante, y dividida en dos por una placa (102) de soporte del sustrato configurada para ser calentada por el primer fluido (210), estando el sustrato en una primera mitad (103) de la cámara (212) conectada a las fuentes de hidrógeno y argón, y con una boca (104) de introducción del sustrato desde el exterior y una boca de extracción (109) del sustrato hacia el interior del espacio central (209) comunicado con la fuente de metano;
teniendo un sistema controlador configurado para mantener el segundo fluido (211) a menor temperatura que el primer fluido (210).
2- Instalación, según la reivindicación 1, caracterizada por que la segunda mitad de la cámara (212) está dividida por un panel (105) en dos partes comunicadas por un paso (108) en un extremo para la circulación del fluido calefactor.
3- Instalación, según la reivindicación 1, caracterizada por que la placa (102) está configurada para ser calentada por un primer fluido (210) mediante un fluido intermedio calentado en un intercambiador auxiliar (303).
4- Instalación, según la reivindicación 3, caracterizada por que el intercambiador auxiliar (303) también está conectado al tercer espacio anular (207) del segundo fluido (211).
5- Instalación, según la reivindicación 3, caracterizada por que el intercambiador auxiliar (303) comprende medios de calentamiento adicionales.
6- Instalación, según la reivindicación 1, caracterizada por que comprende un acumulador (302) de la energía térmica del primer fluido (210) o segundo fluido (211).
7- Instalación, según la reivindicación 1, caracterizada por que comprende también un intercambiador de calor (301) externo de recuperación de la energía sobrante.
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