Un equipo de ingenieros del MIT ha diseñado un innovador sistema para producir hidrógeno solar. Emplean una técnica libre de carbono utilizando la energía solar. En un estudio publicado en la revista Solar Energy Journal, los ingenieros presentan el diseño conceptual de un sistema capaz de producir de manera eficiente «hidrógeno termoquímico solar». Este sistema aprovecha el calor del sol para dividir el agua directamente y generar hidrógeno, un combustible limpio que puede impulsar camiones, barcos y aviones de larga distancia, sin emitir gases de efecto invernadero.

En la actualidad, la producción de hidrógeno se lleva a cabo en su mayoría mediante procesos que involucran gas natural y otros combustibles fósiles, lo que convierte a este supuestamente limpio combustible en una fuente de energía «gris» si se considera desde el inicio de su producción hasta su uso final. Por otro lado, la producción de hidrógeno termoquímico solar, o HTCS, ofrece una alternativa totalmente libre de emisiones, ya que depende por completo de la energía solar renovable para la producción de hidrógeno. Sin embargo, hasta ahora, los diseños de HTCS existentes han tenido una eficiencia limitada, utilizando solo alrededor del 7 por ciento de la luz solar incidente para producir hidrógeno. Los resultados hasta el momento han tenido bajos rendimientos y altos costes.

Aumento de eficiencia en la producción de hidrógeno solar

Un gran avance hacia la producción de combustibles hechos con energía solar, el equipo del MIT estima que su nuevo diseño podría aprovechar hasta un 40 por ciento del calor solar para generar una cantidad significativamente mayor de hidrógeno. El aumento en la eficiencia podría reducir el coste general del sistema, convirtiendo al HTCS en una opción potencialmente escalable y asequible para ayudar a descarbonizar la industria del transporte.

«Estamos pensando en el hidrógeno como el combustible del futuro, y hay una necesidad de producirlo de manera económica y a gran escala», afirma el autor principal del estudio, Ahmed Ghoniem, Profesor Ronald C. Crane de Ingeniería Mecánica del MIT. «Estamos tratando de lograr el objetivo del Departamento de Energía, que es producir hidrógeno verde para 2030, a un coste de 1 dólar por kilogramo. Para mejorar la economía, debemos aumentar la eficiencia y asegurarnos de que la mayor parte de la energía solar que recolectamos se utilice en la producción de hidrógeno».

Los coautores del estudio de Ghoniem son Aniket Patankar, primer autor y posdoctorado del MIT; Harry Tuller, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT; Xiao-Yu Wu de la Universidad de Waterloo; y Wonjae Choi de la Universidad de Mujeres Ewha en Corea del Sur.

Asociada a una fuente de calor solar

El sistema propuesto por el MIT sería emparejado con una fuente existente de calor solar, como una planta solar concentrada (CSP), un conjunto circular de cientos de espejos que recolectan y reflejan la luz solar hacia una torre receptora central. Un sistema HTCS absorbería entonces el calor de la torre receptora y lo dirigiría para dividir el agua y producir hidrógeno. Este proceso es muy diferente de la electrólisis, que utiliza electricidad en lugar de calor para dividir el agua.

En el corazón de un sistema HTCS conceptual se encuentra una reacción termoquímica de dos pasos. En el primer paso, el agua en forma de vapor se expone a un metal. Esto hace que el metal capture oxígeno del vapor de agua, dejando hidrógeno detrás. Esta «oxidación» del metal es similar al óxido del hierro en presencia de agua, pero ocurre mucho más rápido. Una vez separado el hidrógeno, el metal oxidado se calienta nuevamente en un vacío, lo que revierte el proceso de oxidación y regenera el metal. Con el oxígeno eliminado, el metal se puede enfriar y volver a exponer al vapor de agua para producir más hidrógeno. Este proceso se puede repetir cientos de veces.

Un tren de reactores

El sistema del MIT está diseñado para optimizar este proceso. El sistema en su conjunto se asemeja a un tren de reactores con forma de caja que se desplaza sobre una pista circular. En la práctica, esta pista se ubicaría alrededor de una fuente solar térmica, como una torre CSP. Cada reactor en el tren albergaría el metal que se somete al proceso de oxidación y reducción reversible.

Cada reactor pasaría primero por una estación caliente, donde se expondría al calor del sol a temperaturas de hasta 1,500 grados Celsius. Este calor extremo extraería efectivamente el oxígeno de un metal en el reactor. Este metal estaría entonces en un estado «reducido», listo para capturar oxígeno del vapor de agua. Para que esto ocurra, el reactor se movería a una estación más fresca a temperaturas alrededor de 1,000 grados Celsius, donde se expondría al vapor de agua para producir hidrógeno.

Nuevo enfoque para lograr hidrógeno solar

Otros conceptos de HTCS similares se han encontrado con un obstáculo común: qué hacer con el calor liberado por el reactor reducido al enfriarse. Sin recuperar y reutilizar este calor, la eficiencia del sistema es demasiado baja para ser práctica.

Un segundo desafío tiene que ver con la creación de un vacío eficiente en energía donde el metal puede desoxidarse. Algunos prototipos generan un vacío utilizando bombas mecánicas, aunque estas bombas son demasiado intensivas en energía y costesas para la producción de hidrógeno a gran escala.

Para abordar estos desafíos, el diseño del MIT incorpora varias soluciones que ahorran energía. Para recuperar la mayor parte del calor que de otra manera se escaparía del sistema, los reactores en lados opuestos de la pista circular pueden intercambiar calor a través de radiación térmica; los reactores calientes se enfrían mientras los reactores frescos se calientan. Esto retiene el calor dentro del sistema. Los investigadores también agregaron un segundo conjunto de reactores que circulan alrededor del primer tren, moviéndose en dirección opuesta. Estos reactores exteriores funcionarían a temperaturas generalmente más.