La producción de hidrógeno es uno de los grandes desafios de la cadena de valor del hidrógeno. Los aspectos más importantes son:
1️⃣ Eficiencia energética: La producción de hidrógeno debe ser eficiente en términos de energía para ser sostenible. Esto significa que la cantidad de energía que se utiliza para producir hidrógeno debe ser menor que la cantidad de energía que se obtiene del hidrógeno producido.
2️⃣ Reducción de emisiones: La producción de hidrógeno puede generar emisiones de gases de efecto invernadero si se utiliza gas natural o carbón como fuente de energía. Por lo tanto, es importante reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con la producción de hidrógeno para que el hidrógeno pueda ser considerado una fuente de energía limpia. Esto se puede lograr mediante fuentes de energía renovable como la energía solar o eólica.
3️⃣ Coste: Se trata de un factor clave para su empleo a gran escala como fuente de energía. La producción de hidrógeno a partir de gas natural es la forma más económica de producir hidrógeno en la actualidad. Sin embargo, el coste de producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables como la energía solar y eólica está disminuyendo constantemente. Se espera que sea cada vez más competitivo con el tiempo.
La producción de hidrógeno solar
La carrera por la producción de hidrógeno a partir de la energía solar directa ha mostrado grandes avances. Un ejemplo nos lo facilitan los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
Los materiales de perovskita pueden tener el potencial de desempeñar un papel importante en un proceso para producir hidrógeno de manera renovable. Además, se han fijado el objetivo de reducir el coste del hidrógeno limpio en un 80% a un dólar por kilogramo en una década.
Una tecnologia con gran potencial se basa en un proceso de producción de hidrógeno termoquímico solar. Este proceso puede ser más eficiente desde el punto de vista energético que la producción de hidrógeno a través del método habitual de electrólisis.
La electrólisis necesita electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. La producción de hidrógeno termoquímico solar se basa en un proceso químico de dos etapas. En la primera fase, los óxidos metálicos se exponen a temperaturas superiores a los 1400 grados centígrados y, en la segunda parte, se vuelven a oxidar con vapor a temperaturas más bajas para producir hidrógeno.
Nuevos materiales para la producción de hidrógeno solar
En el programa HydroGEN se investigan nuevos materiales para el diseño a nivel de sistema y el análisis técnico y económico. El objetivo es integrar posibles materiales en una plataforma de combustible solar.
El descubrimiento de materiales fue útil para el aprendizaje automático, cálculos de defectos y trabajo experimental, aunque sobre todo sirvió para desarrollar nuevos materiales de perovskita. Los investigadores necesitan identificar perovskitas capaces de manejar las altas temperaturas requeridas mientras alcanzan los objetivos de rendimiento.
STCH producción de hidrógeno solar
Este trabajo muestra parte de una cartera de análisis técnico y económico centrado en las vías de producción de hidrógeno, en concreto, sobre cada una de sus ventajas e inconvenientes.
La electrólisis, por ejemplo, está disponible comercialmente y la electricidad requerida puede provenir de energía fotovoltaica (PV). Sin embargo, las células fotovoltaicas utilizadas sólo capturan una parte del espectro solar. STCH utiliza todo el espectro. La energía termosolar concentrada permite a STCH crear la reacción química.
La investigación activa para identificar los mejores materiales para el proceso STCH es fundamental para el éxito de este método para la producción de hidrógeno, señalaron los científicos.
Otra investigación sobre la producción de hidrógeno solar
Otra linea de investigación reciente ha sido desarrollada por un equipo de ingenieros del MIT. Estos cientificos han diseñado un innovador sistema para producir hidrógeno solar. Emplean una técnica libre de carbono utilizando la energía solar.
Su diseño aprovecha el calor del sol para dividir el agua directamente y generar hidrógeno, por lo que se considera producción de hidrógeno solar.
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
El equipo de investigadores del MIT estiman 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. Esto convierte al HTCS en una opción potencialmente escalable y asequible para ayudar a descarbonizar la industria del transporte.
Sin duda es un gran paso para fabricar combustible hidrógeno de manera económica y a gran escala. Su objetivo es producir hidrógeno verde para 2030, a un coste de 1 dólar por kilogramo. Para mejorar este coste de producción se debe aumentar la eficiencia.
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.
Un nuevo enfoque
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.
Fuentes consultadas: Solar Energy Journal, y Zhiwen Ma, Patrick Davenport, Genevieve Saur (2022) «Análisis tecnoeconómico y del sistema de la producción de hidrógeno termoquímico solar»; doi: 10.1016/j.renene.2022.03.108
Ilustración: Patrick Davenport, NREL
