Los dos caminos del Sol hacia la energía: comprensión de la producción de hidrógeno solar y la energía solar concentrada

Si bien la mayoría de la gente piensa que la electricidad solar se realiza a través de paneles fotovoltaicos que utilizan la luz solar como energía; Hay muchas más formas de obtener valor a través del sol además de los paneles fotovoltaicos. Por ejemplo, se puede utilizar el sol para producir hidrógeno limpio y generar energía a escala de servicios públicos-a través del calor. Hay un par de tecnologías nuevas e interesantes que están ampliando los límites de la energía solar: el hidrógeno procedente de fuentes de energía solar y la energía solar concentrada (CSP).

El hidrógeno es conocido como el "combustible del mañana" por varias razones. El hidrógeno tiene aproximadamente 142 MJ/kg de contenido energético, y si se utiliza hidrógeno en una pila de combustible, las únicas emisiones producidas son las del agua. Sin embargo, producir grandes cantidades de combustible de hidrógeno de forma limpia sigue siendo un gran desafío para la producción de hidrógeno. Una forma de resolver este problema es utilizar la luz solar para dividir el agua como medio de producción de hidrógeno; este proceso no genera emisiones de gases de efecto invernadero.

Existen tres tipos principales de producción de hidrógeno a partir de energía solar que actualmente se encuentran en diferentes niveles de madurez:

La primera tecnología (la más madura) utiliza paneles fotovoltaicos (PV) acoplados a electrolizadores. Los electrolizadores son dispositivos eléctricos que toman electricidad y convierten el agua en hidrógeno y oxígeno mediante calor y transferencia de calor. Los sistemas fotovoltaicos son los más desarrollados y fácilmente disponibles; Los sistemas fotovoltaicos son muy modulares y fiables; Cuando la energía fotovoltaica y el electrolizador están conectados sin ningún dispositivo de conversión de energía, la eficiencia de conversión de STH de todo el sistema se ha acercado al límite teórico.

Las investigaciones muestran que los sistemas fotovoltaicos concentrados superan significativamente a los convencionales. Utilizando células InGaP/GaAs/Ge bajo una concentración de 750 soles, los científicos lograron eficiencias de STH del 18-21 % con tasas de producción de 0,8-1,0 litros de hidrógeno por minuto por metro cuadrado de área del módulo. En comparación, los módulos de silicio convencionales bajo un sol alcanzaron solo alrededor del 9,4% de eficiencia STH con tasas de producción de alrededor de 0,3 L/min·m². Esto representa una ventaja de rendimiento de 1,5 a 3 veces para sistemas concentrados.

La electrólisis del agua tiene un rango de uso efectivo de entre el 70% y el 80%, lo que hace que esta opción sea más atractiva al considerar los futuros precios de la electricidad de las energías renovables. El único desafío importante en este momento es el alto precio de los electrolizadores y la imprevisibilidad de la radiación solar, lo que exige una cuidadosa integración en el sistema.

Los sistemas fotoelectroquímicos (PEC) utilizan un enfoque más integrado que los métodos anteriores para la electrólisis del agua: primero generan energía eléctrica y luego utilizan esa energía para generar hidrógeno a partir del agua. Los PEC utilizan materiales semiconductores sumergidos en agua, que son capaces de absorber la luz del sol y convertirla directamente para almacenar energía químicamente en forma de hidrógeno mediante la electrólisis del agua. Esto ocurre cuando la luz incide en el semiconductor creando pares de electrones/huecos. Los electrones del mecanismo semiconductor reducen los protones para formar hidrógeno; Los agujeros creados oxidarán las moléculas de agua produciendo oxígeno.

Los PEC fueron investigados por primera vez hace aproximadamente 50 años por Shinichiro Fujishima y Honda cuando descubrieron que un electrodo de dióxido de titanio (TiO2) podía dividir el H2O en H2 y O2 cuando se combinaba con un cátodo/aleación de platino y se iluminaba con luz ultravioleta. (Esto es lo que se conoce como "efecto Honda-Fujishima")

Actualmente, los sistemas PEC tienen un diseño atractivo y compacto con la capacidad de lograr la conversión directa de energía solar-en-hidrógeno a través de un mecanismo simple y elegante. A pesar de estas características de diseño positivas, la tecnología PEC todavía está en su infancia relativa y debe superar algunos desafíos importantes antes de que pueda ocurrir la comercialización, como la baja eficiencia en su conversión de energía solar-en-hidrógeno, la degradación de los materiales utilizados para crear células PEC y la escalabilidad del rendimiento. Por ello, se están llevando a cabo investigaciones en curso sobre materiales avanzados y fotoelectrodos nanoestructurados diseñados para abordar estos problemas.

Una de las formas más creativas de hacerlo es utilizar materiales semiconductores de tamaño nanométrico (también llamados puntos cuánticos) dispersos en un medio acuoso como fotocatalizadores. Tras la iluminación con luz solar, producen electrones (y huecos) que pueden migrar a la interfaz de la partícula e iniciar las respectivas medias reacciones de oxidación y reducción denominadas evolución de hidrógeno y evolución de oxígeno, respectivamente.

El sistema fotocatalizador de una sola partícula, o sistema de excitación de un-paso, requiere que la banda prohibida del semiconductor abarque tanto el potencial de evolución de hidrógeno como el potencial de evolución de oxígeno. También hay un sistema fotocatalizador de dos-partes o configuración de fotocatalizador de "esquema Z-" en el que dos fotocatalizadores diferentes se unen mediante un mediador químico (es decir, un par redox) de modo que la división del agua se produce en dos pasos distintos o medias reacciones. Esto reduce significativamente la energía necesaria para cada reacción, al tiempo que permite utilizar una mayor variedad de luz visible.

Los avances recientes demuestran el potencial de este enfoque. Un equipo de investigación chino dirigido por Liu Gang en el Instituto de Investigación de Metales mejoró el dióxido de titanio-el material fotocatalítico clave-al agregar escandio mediante "remodelación estructural" y "sustitución de elementos". Los iones de escandio encajan suavemente en la red del material, eliminando "zonas trampa" que normalmente atrapan electrones, y remodelan la superficie del cristal para formar "autopistas electrónicas" que guían a los portadores de carga de manera eficiente.

El material mejorado utiliza más del 30% de la luz ultravioleta y logra una tasa de producción de hidrógeno bajo luz solar simulada 15 veces mayor que las versiones anteriores. Según el equipo de investigación, un panel fotocatalítico de un-cuadrado-metro podría producir alrededor de 10 litros de hidrógeno por día bajo la luz del sol.

Si bien la fotocatálisis de partículas permanece en el laboratorio, su potencial para su implementación a gran-escala es convincente. Los fotocatalizadores en forma de polvo-son más sencillos de manejar y más fáciles de esparcir en grandes áreas mediante procesos potencialmente económicos en comparación con la electrólisis fotovoltaica-o los sistemas PEC.

La energía solar concentrada (CSP) adopta un enfoque fundamentalmente diferente para aprovechar el sol. En lugar de convertir la luz directamente en electricidad, la CSP utiliza espejos para concentrar la luz solar, generar calor a alta-temperatura y luego accionar turbinas convencionales para producir electricidad.

El concepto fundamental es muy sencillo. Los helióstatos, o disposiciones de espejos, siguen el curso diario del Sol y reflejan los rayos del Sol hacia un colector ubicado en lo alto de una torre. Esta concentración de luz solar se utiliza para calentar un fluido de trabajo a temperaturas muy altas y, una vez que se produce el calor, el fluido de trabajo calentado se utiliza en la generación de vapor que hará girar una turbina que impulsa el generador.

La capacidad de incorporar almacenamiento de energía térmica en un sistema CSP es lo que hace que la CSP sea tan valiosa. El calor producido por el proceso de concentración de los rayos del Sol puede capturarse y almacenarse durante horas, lo que significa que la generación de electricidad a partir del sistema CSP puede ocurrir mucho después de la puesta del sol. El aspecto distribuible de la CSP-es decir, cuando necesitas electricidad puedes producirla-es lo que distingue a la CSP de los sistemas solares fotovoltaicos, que dejan de producir electricidad cuando comienza a nublarse o por la noche.

La tecnología que se encuentra actualmente en la cima de la pirámide (Gemasolar en España, Crescent Dunes en Nevada y Noor III) presenta sales líquidas fundidas que se utilizan no solo para transferir calor, sino también para almacenar energía. Los tres sistemas han demostrado con éxito la capacidad de funcionar de forma continua durante 24 horas completas manteniendo más de 15 horas de almacenamiento de energía solo con sales líquidas fundidas.

El programa de Generación de Energía Solar Concentrada 3 (CSP Gen3) del Departamento de Energía de EE. UU. hará avanzar esta tecnología más allá de los sistemas CSP de nivel comercial existentes. Uno de los enfoques de diseño que se están explorando en el programa CSP Gen3 es el sistema "Liquid Pathway", que utiliza cloruros líquidos de costo relativamente bajo-como almacenamiento de energía y un receptor de sodio líquido a aproximadamente 740 °C para transferir calor al ciclo de energía de dióxido de carbono supercrítico (sCO2). Todo el ciclo de energía de sCO2 también funcionará con una mayor eficiencia que los ciclos tradicionales de vapor tipo Rankine.

Esto representa un avance significativo con respecto a las plantas actuales, que normalmente operan a alrededor de 565 grados usando sales de nitrato. Las temperaturas de funcionamiento más altas permiten una mayor eficiencia y reducen el costo nivelado de la energía.-El objetivo Gen3 está por debajo de $60 por megavatio-hora.

Un sistema de sal fundida de dos-tanques permite a los operadores hacer circular la sal a través de receptores solares para cargarla (calentando el tanque "caliente") y luego a través de intercambiadores de calor para generar vapor cuando se requiere la descarga. La eficiencia térmica del almacenamiento en sí es alta-el almacenamiento de calor en tanques aislados supera el 90% de eficiencia para los ciclos diarios.

Sin embargo, la eficiencia-de ida y vuelta del almacenamiento de electricidad se enfrenta a una limitación fundamental. La conversión del calor en electricidad a través de turbinas de vapor normalmente logra solo un 35-42 % de eficiencia térmica. Incluso las turbinas de CO2 supercríticas avanzadas luchan por superar el 50%. A modo de comparación, las baterías de iones de litio-normalmente superan el 85 % de eficiencia de ida y vuelta.

Esta penalización de eficiencia significa que CSP es más adecuada para aplicaciones donde el valor del almacenamiento térmico-la larga duración, el bajo costo por kilovatio-hora de almacenamiento y la capacidad de proporcionar generación síncrona-superan las pérdidas de conversión. Para el almacenamiento a escala de red-que dura entre 6 y 12 horas, la economía aún puede funcionar.

El desarrollo de fuentes de energía renovables para generar electricidad, la contribución de la CSP a la descarbonización de los procesos industriales y la creación de almacenamiento térmico han permitido a las CSP proporcionar servicios más allá de la electricidad. Muchos procesos industriales requieren suministros continuos y bajo demanda de vapor o calor directo dentro de un rango de temperatura de 300 a 550 grados Celsius, lo que incluye procesos como la fabricación de papel, la refinación de petróleo y el procesamiento químico.

Al utilizar sistemas de almacenamiento de energía térmica en sales fundidas-a muy gran escala, los CSP pueden lograr este objetivo proporcionando vapor de proceso y/o aire sobrecalentado para aplicaciones industriales según sea necesario en tiempo-real. Las grandes capacidades de estos sistemas de almacenamiento de energía térmica en sales-fundidas también ofrecen una alternativa muy-efectiva a las baterías electroquímicas, ya que tienen un costo de menos de 35 dólares por kilovatio-hora (kWh) de almacenamiento de energía térmica utilizable.

Existen métodos complementarios para aprovechar la energía del sol, incluida la producción de hidrógeno solar y la energía solar concentrada (CSP). La energía del sol se convierte en combustible químico (hidrógeno) mediante electrólisis fotovoltaica (PV) y sistemas fotocatalíticos que pueden almacenarse indefinidamente. El hidrógeno se puede utilizar para el transporte, la industria y la generación de electricidad. Alternativamente, la CSP utiliza la luz solar para generar calor. Luego, la CSP convierte esa energía térmica en electricidad para una entrega despachable (ordenada).

Se están produciendo rápidos avances en ambas tecnologías. Las mayores eficiencias de conversión de energía solar-en-hidrógeno son el resultado de la mejora de los materiales y la integración de sistemas; La CSP continúa presionando para lograr temperaturas operativas más altas y costos más bajos. Cuando se combinan, la electrólisis fotovoltaica y la CSP permiten crear un mundo-con energía solar en el que el sol no solo proporciona energía donde se necesita, sino que también produce una forma de combustible fácilmente-almacenable para proporcionar energía en los períodos de menor-horas pico durante el día.

La Tierra recibe un suministro masivo de energía del sol. Esto es aproximadamente el equivalente a 173 billones de vatios (1 billón=1.000.000.000.000) que llegan a la Tierra cada segundo. Los desafíos y oportunidades para los ingenieros incluyen encontrar formas de utilizar múltiples modos para capturar este vasto suministro de energía del sol.