El hidrógeno es un combustible limpio que no emite gases de efecto invernadero, pero su producción actual depende de los combustibles fósiles. Un equipo de ingenieros del MIT ha propuesto un nuevo sistema que utiliza el calor del sol para dividir el agua y generar hidrógeno sin emisiones.
El sistema consiste en un reactor similar a un tren que se mueve por un campo solar, aprovechando hasta el 40 por ciento de la energía solar. Este diseño podría reducir el costo y aumentar el rendimiento del hidrógeno termoquímico solar, una alternativa verde para descarbonizar el transporte.
«Estamos pensando en el hidrógeno como el combustible del futuro, y es necesario generarlo de forma económica y a escala», señaló el autor principal del estudio, Ahmed Ghoniem, profesor Ronald C. Crane de Ingeniería Mecánica en el MIT. Y agregó “Estamos tratando de lograr el objetivo del Departamento de Energía, que es producir hidrógeno verde para 2030, a 1 dólar por kilogramo. Para mejorar la economía, tenemos que mejorar la eficiencia y asegurarnos de que la mayor parte de la energía solar que recolectamos se utilice en la producción de hidrógeno”.
Los coautores del estudio de Ghoniem son Aniket Patankar, primera autora y postdoctorada del MIT; Harry Tuller, profesor de ciencia e ingeniería de materiales del MIT; Xiao-Yu Wu de la Universidad de Waterloo; y Wonjae Choi de la Universidad de Mujeres Ewha en Corea del Sur.
Estaciones solares
Las estaciones solares son una forma de aprovechar la energía del sol para producir hidrógeno, un combustible limpio y renovable. El sistema propuesto por el MIT utiliza un proceso termoquímico que combina el calor solar con un metal que actúa como catalizador para separar el agua en hidrógeno y oxígeno.
El metal se puede regenerar mediante un ciclo de calentamiento y enfriamiento que libera el oxígeno capturado. El sistema consiste en una serie de reactores que circulan alrededor de una torre solar, donde reciben el calor necesario para la reacción. De esta forma, se puede producir hidrógeno de manera eficiente y sostenible.
Un proceso de dos pasos permitiría producir hidrógeno a partir del agua usando el sol. Se usarían varios reactores metálicos que alternarían entre dos estaciones con diferentes temperaturas. En la estación caliente, el sol calentaría el metal hasta 1.500 C y le quitaría el oxígeno. En la estación fría, el metal se enfriaría hasta 1.000 C y reaccionaría con el vapor de agua para liberar hidrógeno.
Óxido y rieles
Otra forma de producir hidrógeno a partir de la energía solar es mediante el uso de STCH, que consiste en calentar un metal hasta que libera oxígeno y luego enfriarlo para que se oxide de nuevo, liberando hidrógeno. Sin embargo, este proceso tiene algunos retos, como la recuperación del calor y el mantenimiento del vacío.
El equipo del MIT ha diseñado un sistema que resuelve estos problemas mediante el uso de una pista circular con dos trenes de reactores que se mueven en sentidos opuestos. El tren interior, más caliente, transfiere calor al tren exterior, más frío, mediante radiación térmica. Así se evita la pérdida de calor y se aumenta la eficiencia. Además, el tren exterior ayuda a extraer el oxígeno del tren interior sin necesidad de bombas mecánicas que consuman mucha energía.
Un segundo tipo de metal que se oxida fácilmente se usaría en los reactores exteriores. Estos girarían y tomarían oxígeno de los reactores interiores, donde el metal original se desoxidaría sin necesidad de bombas de vacío que gastan mucha energía. Los dos sistemas de reactores producirían hidrógeno y oxígeno puros de forma continua. Las simulaciones mostraron que este diseño aumentaría la eficiencia de la producción de hidrógeno solar del 7 al 40%.
«Tenemos que pensar en cada partícula de energía del sistema y en cómo utilizarla para minimizar el coste», afirmó Ghoniem. “Y con este diseño, descubrimos que todo puede funcionar con el calor proveniente del sol. Es capaz de utilizar el 40 por ciento del calor del sol para producir hidrógeno”.
«Si esto se puede lograr, podría cambiar drásticamente nuestro futuro energético, es decir, permitir la producción de hidrógeno las 24 horas del día, los 7 días de la semana», afirmó Christopher Muhich, profesor asistente de ingeniería química en la Universidad Estatal de Arizona, que no participó en la investigación. «La capacidad de producir hidrógeno es la pieza clave para producir combustibles líquidos a partir de la luz solar», finalizó expresando el catedrático.
El próximo año, el equipo construirá un prototipo del sistema que planean probar en instalaciones de energía solar concentrada en los laboratorios del Departamento de Energía, que actualmente financia el proyecto.
«Cuando esté completamente implementado, este sistema se alojará en un pequeño edificio en medio de un campo solar», explicó Aniket Patankar. Señalando que “Dentro del edificio podría haber uno o más trenes, cada uno con unos 50 reactores. Y creemos que podría ser un sistema modular, en el que se pueden agregar reactores a una cinta transportadora para aumentar la producción de hidrógeno”.
Fuente: MIT
Por: Redacción