Nueva técnica para convertir luz solar y agua en combustible de hidrógeno

Concepción de una planta de producción de hidrógeno comercial
que utiliza la luz solar para dividir el agua y producir hidrógeno
 limpio (Foto: Univede Colorado, Boulder)

Una nueva técnica desarrollada por la Universidad de Colorado, equipo de Boulder convierte la luz del sol y el agua directamente en combustible utilizable. La técnica consiste en concentrar la luz solar en una torre solar hasta alcanzar temperaturas suficientemente altas para conducir reacciones químicas que dividen el agua en oxígeno y moléculas de hidrógeno. De esta manera, el equipo dice que debería ser capaz de producir económicamente grandes cantidades de combustible de hidrógeno.Sistema de energía solar del equipo concentra la luz solar de una amplia gama de espejos en un solo punto en la parte superior de una torre alta para producir temperaturas muy altas. Cuando el calor se suministra a un reactor lleno de óxidos metálicos, los óxidos se calientan y liberan oxígeno.El óxido de metal reducido ahora gana una composición química que lo deja listo para unirse con átomos de oxígeno. La introducción de vapor en el reactor, que también puede ser producido por el calentamiento de agua con la luz del sol, hace que el compuesto para crear átomos de oxígeno de las moléculas de agua, produciendo moléculas de hidrógeno que pueden ser recogidos en forma de gas hidrógeno.

Si bien el concepto de la utilización de un conjunto de espejos para concentrar la luz solar en un solo punto en la parte superior de una torre alta no es nada nuevo, es la misma técnica que se utiliza en las centrales termosolares de torre , hay algunas diferencias clave. Típicamente, la luz del sol se concentra alrededor de 500 a 800 veces en diseños de torres de energía solar estándar para llegar a temperaturas de aproximadamente 500 º C (932 º F) y producir vapor que impulsa una turbina para generar electricidad. Sin embargo, la separación de agua requiere temperaturas de alrededor de 1350 º C (2500 º F), que es lo suficientemente caliente para fundir el acero.

"Se necesita esta alta temperatura, tanto para darle la fuerza motriz como para conducir las reacciones químicas y también la cinética para que las reacciones vayan lo suficientemente rápido como para hacer que el proceso seapráctico", dice Charles Musgrave, Catedrático de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Colorado .

Para conseguir esos tipos de temperaturas, el equipo añadió espejos adicionales dentro de la torre para concentrar aún más la luz solar en el reactor y el material activo. Si bien no es muy diferente, en principio, el uso de una lupa para enfocar la luz solar sobre un pedazo de papel para conseguir que se queme, esta configuración permite que la luz solar reflejada concentra hasta 2.000 veces. "Estamos tratando de utilizar la luz solar para conducir reacciones químicas que requieren temperaturas más altas que la combustión", dice Musgrave.

El gran avance se produjo cuando el equipo descubrió ciertos materiales activos que permitieron estas dos reacciones químicas (la reducción del óxido de metal y de re-oxidante con vapor de agua) que se produzcieran a la misma temperatura.

Aunque no hay ningún modelo de trabajo, la teoría convencional dicta que es necesario para hacer que se producen las dos reacciones diferentes de un cambio en la temperatura - una temperatura elevada para reducir el óxido y una baja temperatura para la re-oxidación. En su lugar, la introducción o la ausencia de vapor de agua se utiliza para conducir las diferentes reacciones y ciertas propiedades únicas de los compuestos de óxidos metálicos utilizados que hace esto posible.

"Hemos determinado que ambas reacciones podrían ser conducidos a la misma temperatura de unos 2500 ° F (1371 ° C)," Musgrave nos dijo. "A pesar de que nos encontramos a una temperatura constante y menor aún generar más hidrógeno que los procesos de la competencia."

Alan Weimer, el líder del grupo de investigación en la Universidad de Colorado, dice que eliminar el tiempo y la energía necesaria para los cambios de temperatura les permite hacer más hidrógeno en una determinada cantidad de tiempo. Para producir más combustible de hidrógeno que sólo había necesidad de aumentar la cantidad de material en el reactor. "En muchos aspectos, nuestro enfoque está fuera de la caja donde el trabajo previo que había dentro de la caja con el cambio de temperatura", añade.

Según el equipo, grandes plantas solares repartidos por muchas hectáreas podrían producir mucho más combustible por hectárea que los biocombustibles para la misma cantidad de superficie. Otra de las ventajas que este proceso tiene sobre otras tecnologías renovables, como la eólica y la fotovoltaica, es que dirige la luz del sol para accionar directamente las reacciones químicas para producir combustible para su uso en motores de combustión o pilas de combustible. En contraste, los procesos de primera fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad, lo que reduce la eficiencia global.

"Nuestro objetivo es producir hidrógeno (H2) en $ 2/kg H2", dice Weimer Gizmag. "Esto es equivalente a alrededor de EE.UU. $ 2/gallon (3,7 L) de gasolina basado en el kilometraje en un coche de pila de combustible en comparación con un motor de combustión en la actualidad." Con la ayuda de una planta de energía solar térmica, el equipo cree que en una superficie de aproximadamente 48.500 hectáreas (120.000 acres) que pueden generar 100.000 kilogramos (222.460 libras) de hidrógeno por día, lo cual es suficiente para hacer funcionar más de 5.000 células de combustible de hidrógeno autobuses diarios.

Aunque la tecnología tiene el potencial de ser un cambio de juego para impulsar la economía del hidrógeno hacia adelante, la comercialización todavía podría sdemorar varios años gracias a que continua la dura competencia de los combustibles fósiles.

La Fundación Nacional para la Ciencia y el Departamento de Energía de los EE.UU. apoyaron la investigación y un trabajo sobre el sistema fue publicado en la edición del 2 de agosto la Ciencia .
Fuente: Universidad de Colorado en Boulder