Energía solar para producir hidrógeno

El uso de energía solar o fotovoltaica para producir hidrógeno se puede lograr a través de dos procesos: el uso de energía solar para electrolizar el agua y la separación directa del agua solar. Al considerar la energía solar, casi todo el mundo habla de electrólisis fotovoltaica. El proceso funciona y de hecho, se demostró por primera vez en el Florida Solar Center en 1983 con fondos del Centro Espacial Kennedy de la NASA. Aunque es técnicamente factible, algunos consideran que todavía no es económicamente factible. Además del coste, existe otra cuestión de por qué se utiliza  electricidad, una portadora de energía muy eficiente para producir hidrógeno, otro portador de energía, y luego se convierte de nuevo en electricidad para su uso. En otras palabras, la electricidad, como nuestro portador de energía ideal, es muy valiosa y es posible que no queramos utilizarla para nada más. Esto es especialmente cierto si la electricidad proviene de energía fotovoltaica. Es recomendable utilizar la generación de energía fotovoltaica como electricidad, porque es un método es poco derrochador a comparación de otros métodos de generación de electricidad.

¿Cuándo es recomendable utilizar electricidad generada por energía solar para producir hidrógeno? La respuesta es que queremos producir hidrógeno siempre que no haya electricidad disponible, fuera de las horas pico en áreas remotas y durante los cambios estacionales. Cuando los recursos no coinciden con la curva de carga de la red, el hidrógeno proveniente de la energía eólica, hidroeléctrica, geotérmica o cualquier otra forma de generación de energía solar es valiosa.

Si no consideran algunos que es factible utilizar energía solar para generar electricidad a través de celdas de combustible de electrólisis fotovoltaica, ¿Qué pasa con la electrólisis fotovoltaica de hidrógeno? De hecho, la mayoría de las discusiones sobre electrólisis fotovoltaica involucran la producción de hidrógeno para combustible de automóvil. Nuevamente, esta situación no parece factible para algunos. Basado en los datos del centro de energía solar en Florida, considere el caso de una estación de repostaje de hidrógeno que dispensa 1000 galones de gasolina al día, que es aproximadamente la mitad del promedio nacional. Recuerde que la energía contenida en un galón de gasolina es aproximadamente la misma que la energía contenida en un kilogramo de hidrógeno. Por tanto, una gasolinera requerirá aproximadamente 1000 kg de hidrógeno al día.

Utilizando el valor calorífico más bajo del hidrógeno, la electricidad necesaria para producir un kilogramo de hidrógeno es de 51 kWh (utilizando el 65% de la eficiencia del electrolizador). Esto significa que 1,000 kg/día de hidrógeno requieren 51,000 kWh de electricidad al día. La energía fotovoltaica necesaria para suministrar 51,000 kWh se puede estimar dividiendo los kWh por 5 horas/día. Por tanto, el funcionamiento de una estación de repostaje de hidrógeno de 1,000 kg/día requiere 10,200 kWp de energía fotovoltaica. Tenga en cuenta que con una eficiencia del 10%, 1 kWp requiere aproximadamente 10 metros cuadrados de área fotovoltaica.

La segunda categoría, la división solar directa del agua, se refiere a cualquier proceso que utiliza directamente la energía solar para producir hidrógeno a partir del agua sin pasar por un paso de electrólisis intermedio. Como por ejemplo:

• División de agua fotoelectroquímica: esta tecnología utiliza electrodos semiconductores en células fotoelectroquímicas para convertir la energía luminosa en energía química de hidrógeno. Básicamente, existen dos tipos de sistemas fotoelectroquímicos: uno que usa semiconductores o tintes y otro que usa complejos metálicos disueltos.
• Fotobiología: Implica la producción de hidrógeno a partir de sistemas biológicos que utilizan la luz solar. Algunas algas o bacterias pueden generar hidrógeno en condiciones idóneas. Los pigmentos de las algas absorben la energía solar y las enzimas de las células actúan como catalizadores para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno.
• Ciclos termoquímicos de alta temperatura: estos ciclos utilizan energía solar para separar el agua a través de pasos termoquímicos para producir hidrógeno.
• Gasificación de biomasa: utiliza calor para convertir la biomasa en gas de síntesis rico en hidrógeno.

Los procesos fotoelectroquímicos y fotobiológicos son procesos que deben desarrollarse para satisfacer las demandas de energía a largo plazo. Los sistemas actuales tienen una eficiencia de menos del 1% (solar a hidrógeno) y se necesita una mayor eficiencia para ser mas económicos. Además, ninguna de estas tecnologías se ha instalado a gran escala aun .

Los ciclos termoquímicos de alta temperatura pueden lograr una eficiencia excelente (superior al 40%), pero se debe utilizar un reactor/receptor solar concentrado capaz de alcanzar temperaturas superiores a 800°C.

La gasificación de biomasa utiliza calor para convertir la biomasa (madera, césped o residuos agrícolas) en gas sintético. La composición del gas depende del tipo de materia prima, la presencia de oxígeno, la temperatura de reacción y otros parámetros. Los gasificadores de biomasa se han desarrollado en reactores de lecho fijo, lecho fluidizado y lecho arrastrado. Todos estos procesos solares directos han sido objeto de investigación y desarrollo, y aún quedan obstáculos por superar.

Fuentes:

[1] Hydrogen Basics – Solar Production. (2021). Florida Energy Center. http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/production-solar.htm

[2] Hydrogen from renewable power: Technology outlook for the energy transition

[3] Israeli scientists produce hydrogen from solar energy. (2020, 7 enero). CGTN. https://news.cgtn.com/news/2020-01-07/Israeli-scientists-produce-hydrogen-from-solar-energy-N3t4xYTY6Q/index.html