El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, ha publicado un estudio en Solar Energy Journal donde presentan el diseño conceptual de un sistema que puede producir ‘hidrógeno termoquímico solar’ con una eficiencia del 40% respecto al 7% del sistema convencional. El sistema aprovecha el calor del sol para dividir directamente el agua y generar hidrógeno, un combustible limpio que puede alimentar camiones, barcos y aviones de larga distancia, mientras que en el proceso no emite emisiones de gases de efecto invernadero.
Hoy en día, el hidrógeno se produce en gran medida a través de procesos que involucran gas natural y otros combustibles fósiles. Por el contrario, el hidrógeno termoquímico solar (STCH) ofrece una alternativa totalmente libre de emisiones, ya que depende completamente de la energía solar renovable para impulsar la producción de hidrógeno. Los investigadores llevaron a cabo simulaciones de su nuevo diseño y descubrieron que aumentaría significativamente la eficiencia de la producción de hidrógeno termoquímico solar.
Además, el aumento de la eficiencia podría reducir el coste total del sistema, lo que convertiría el hidrógeno termoquímico solar en una opción potencialmente escalable y asequible para ayudar a descarbonizar la industria del transporte.
Producción de hidrógeno termoquímico solar
Al igual que otros diseños propuestos, el sistema del MIT se combinaría con una fuente existente de calor solar, como una planta solar concentrada (CSP), una matriz circular de cientos de espejos que recogen y reflejan la luz solar a una torre receptora central. A continuación, un sistema STCH absorbe el calor del receptor y lo dirige 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 STCH conceptual se encuentra una reacción termoquímica que se divide en dos pasos. En el primer paso, el agua en forma de vapor se expone a un metal. Esto hace que el metal tome oxígeno del vapor, dejando hidrógeno atrás. Una vez que se separa el hidrógeno, el metal oxidado se recalienta en el vacío, lo que actúa para revertir el proceso de oxidación y regenerar el metal. Una vez eliminado el oxígeno, el metal puede enfriarse y volver a exponerse al vapor para producir más hidrógeno. Este proceso se puede repetir cientos de veces.
El sistema en su conjunto se asemeja a un tren de reactores en forma de caja que funcionan sobre una vía circular. Cada reactor del tren albergaría el metal que se somete al proceso redox u oxidación reversible. Cada reactor pasaría primero por una estación caliente, donde estaría expuesto al calor del sol a temperaturas de hasta 1.500ºC. Este calor extremo extraería el oxígeno del metal de un reactor. Ese metal estaría entonces en un estado ‘reducido’, listo para tomar oxígeno del vapor. Para que esto sucediera, el reactor se trasladaría a una estación a temperaturas en torno a los 1.000ºC, donde estaría expuesto al vapor para producir hidrógeno.
Mejoras respecto al sistema convencional de generación de hidrógeno
Una de las mejoras de este diseño es su capacidad de aprovechamiento del calor liberado. El sistema permite que los reactores en lados opuestos de la vía circular intercambien calor mediante radiación térmica, manteniendo el calor dentro del sistema. Los investigadores también agregaron un segundo conjunto de reactores que girarían alrededor del primer tren, moviéndose en la dirección opuesta. Este tren exterior de reactores funcionaría a temperaturas generalmente más frías y se utilizaría para evacuar el oxígeno del tren interior más caliente, sin necesidad de bombas mecánicas que consuman energía.
El equipo planea construir un prototipo del sistema el próximo año, que testarán en instalaciones de energía solar concentrada en laboratorios del Departamento de Energía del MIT.