Los ingenieros del MIT pretenden producir hidrógeno totalmente ecológico y sin emisiones de carbono con un nuevo sistema de reactores en forma de tren impulsado únicamente por el sol.
En un estudio publicado hoy en Solar Energy Journal, los ingenieros exponen el diseño conceptual de un sistema capaz de producir «hidrógeno termoquímico solar» de forma eficiente. 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 largo recorrido sin emitir gases de efecto invernadero.
En la actualidad, el hidrógeno se produce en gran parte mediante procesos en los que intervienen el gas natural y otros combustibles fósiles, lo que convierte a este combustible, por lo demás ecológico, en una fuente de energía «gris» si se considera desde el inicio de su producción hasta su uso final. En cambio, el hidrógeno termoquímico solar, o STCH, ofrece una alternativa totalmente libre de emisiones, ya que se basa por completo en la energía solar renovable para impulsar la producción de hidrógeno. Pero hasta ahora, los diseños de STCH existentes tienen una eficiencia limitada: sólo se aprovecha alrededor del 7% de la luz solar para producir hidrógeno. Los resultados hasta ahora han sido de bajo rendimiento y alto coste.
El equipo del MIT considera que su nuevo diseño podría aprovechar hasta un 40% del calor del sol para generar mucho más hidrógeno, lo que supondría un gran paso adelante en la fabricación de combustibles solares. El aumento de la eficiencia podría reducir el coste total del sistema, lo que convertiría al STCH en una opción potencialmente escalable y asequible para ayudar a descarbonizar la industria del transporte.
«Pensamos en el hidrógeno como el combustible del futuro, y es necesario generarlo barato y a gran escala», afirma el autor principal del estudio, Ahmed Ghoniem, catedrático Ronald C. Crane de Ingeniería Mecánica del MIT. «Intentamos alcanzar el objetivo del Departamento de Energía, que es fabricar hidrógeno ecológico para 2030, a un dólar el kilogramo. Para mejorar la economía, tenemos que mejorar la eficiencia y asegurarnos de que la mayor parte de la energía solar que recogemos se utiliza en la producción de hidrógeno.»
Estaciones solares
Al igual que otros diseños propuestos, el sistema del MIT se combinaría con una fuente de calor solar ya existente, como una central solar de concentración, un conjunto circular de cientos de espejos que recogen y reflejan la luz solar en 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.
El núcleo de un sistema STCH conceptual es una reacción termoquímica en dos pasos. En el primer paso, el agua en forma de vapor se expone a un metal. Esto hace que el metal capte el oxígeno del vapor, dejando atrás el hidrógeno. Esta «oxidación» del metal es similar a la oxidación del hierro en presencia de agua, pero se produce mucho más rápidamente. Una vez separado el hidrógeno, el metal oxidado (u oxidado) se recalienta en el vacío, lo que actúa para invertir el proceso de oxidación y regenerar el metal. Una vez eliminado el oxígeno, el metal puede enfriarse y exponerse de nuevo al vapor para producir más hidrógeno. Este proceso puede repetirse cientos de veces.
El sistema del MIT está diseñado para optimizar este proceso. El sistema en su conjunto se asemeja a un tren de reactores en forma de caja que circulan por una vía circular. En la práctica, esta vía se colocaría alrededor de una fuente termosolar, como una torre CSP. Cada reactor del tren albergaría el metal que se somete al proceso redox, o de oxidación 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 el oxígeno del metal del reactor. Ese metal quedaría entonces en un estado «reducido», listo para captar el oxígeno del vapor. Para ello, el reactor se trasladaría a una estación más fría, a temperaturas en torno a los 1.000 C, donde se expondría al vapor para producir hidrógeno.
Óxido y raíles
Otros conceptos similares de STCH se han topado con un obstáculo común: qué hacer con el calor liberado por el reactor reducido al enfriarse. Si no se recupera y reutiliza este calor, la eficacia del sistema es demasiado baja para resultar práctico.
Un segundo reto tiene que ver con la creación de un vacío energéticamente eficiente en el que el metal pueda desoxidarse. Algunos prototipos generan el vacío mediante bombas mecánicas, pero éstas consumen demasiada energía y son demasiado costosas para la producción de hidrógeno a gran escala.
Para resolver estos problemas, el diseño del MIT incorpora varias soluciones que ahorran energía. Para recuperar la mayor parte del calor que de otro modo se escaparía del sistema, los reactores situados en lados opuestos de la pista circular intercambian calor por radiación térmica: los reactores calientes se enfrían y los fríos se calientan. De este modo, el calor se mantiene dentro del sistema. Los investigadores también añadieron un segundo grupo de reactores que rodearía al primer tren, moviéndose en sentido contrario. 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 consumen mucha energía.
Estos reactores exteriores transportarían un segundo tipo de metal que también puede oxidarse fácilmente. Al dar la vuelta, los reactores exteriores absorberían el oxígeno de los reactores interiores, desoxidando eficazmente el metal original, sin necesidad de utilizar bombas de vacío que consumen mucha energía. Ambos trenes de reactores funcionarían continuamente y generarían corrientes separadas de hidrógeno y oxígeno puros.
Los investigadores realizaron simulaciones detalladas del diseño conceptual y descubrieron que aumentaría considerablemente la eficiencia de la producción solar de hidrógeno termoquímico, del 7%, como han demostrado diseños anteriores, al 40%.
«Tenemos que pensar en cada porción de energía del sistema y en cómo utilizarla para minimizar el coste», afirma Ghoniem. «Y con este diseño, descubrimos que todo puede alimentarse con el calor procedente del sol. Es capaz de utilizar el 40% del calor del sol para producir hidrógeno».
El año que viene, el equipo construirá un prototipo del sistema que tiene previsto probar en instalaciones de energía solar concentrada de laboratorios del Departamento de Energía, que actualmente financia el proyecto.
«Cuando esté totalmente implantado, este sistema se alojaría en un pequeño edificio en medio de un campo solar», explica Patankar. «Dentro del edificio podría haber uno o varios trenes con unos 50 reactores cada uno. Y creemos que podría ser un sistema modular, en el que se podrían añadir reactores a una cinta transportadora, para ampliar la producción de hidrógeno.»
REFERENCIA
