Nuevo sistema aprovecha el 40% del calor del sol para producir combustible de hidrógeno limpio

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Los sistemas convencionales para producir hidrógeno dependen de combustibles fósiles, pero el nuevo sistema utiliza únicamente energía solar.

Ingenieros del MIT pretenden producir combustible de hidrógeno totalmente ecológico y libre de carbono con un nuevo sistema de reactores similar a un tren impulsado únicamente por el sol.

En un estudio los ingenieros exponen el diseño conceptual de un sistema que puede producir eficientemente hidrógeno termoquímico solar.

El sistema aprovecha el calor del sol para dividir directamente el agua y generar hidrógeno, un combustible limpio que puede impulsar camiones, barcos y aviones de larga distancia, sin emitir emisiones de gases de efecto invernadero en el proceso.

Hoy en día, el hidrógeno se produce en gran medida a través de procesos que involucran gas natural y otros combustibles fósiles, lo que hace que el combustible, que de otro modo sería verde, sea más una fuente de energía gris cuando se considera desde el inicio de su producción hasta su uso final.

Por el contrario, el hidrógeno termoquímico solar, o STCH, ofrece una alternativa totalmente libre de emisiones, ya que depende enteramente de energía solar renovable para impulsar la producción de hidrógeno.

Pero hasta ahora, los diseños STCH existentes tienen una eficiencia limitada: sólo alrededor del 7 por ciento de la luz solar entrante se utiliza para producir hidrógeno.

Los resultados hasta ahora han sido de bajo rendimiento y alto costo.

En un gran paso hacia el desarrollo de combustibles solares, el equipo del MIT estima que su nuevo diseño podría aprovechar hasta el 40 por ciento del calor del sol para generar mucho más hidrógeno.

El aumento de la eficiencia podría reducir el costo general del sistema, lo que convertiría a STCH en una opción potencialmente escalable y asequible para ayudar a descarbonizar la industria del transporte.

“Estamos pensando en el hidrógeno como el combustible del futuro, y es necesario generarlo de forma económica y a escala“, afirma el autor principal del estudio, Ahmed Ghoniem, profesor Ronald C. Crane de Ingeniería Mecánica en el MIT.

“Estamos tratando de lograr el objetivo del Departamento de Energía, que es producir hidrógeno verde para 2030, a 1 dólar el 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”.

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 hacia una torre receptora central.

Luego, 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 de dos pasos.

En el primer paso, se expone agua en forma de vapor a un metal.

Esto hace que el metal capture oxígeno del vapor, dejando atrás hidrógeno.

Esta “oxidación” del metal es similar a la oxidación del hierro en presencia de agua, pero ocurre mucho más rápido.

Una vez que se separa el hidrógeno, el metal oxidado se recalienta al vacío, lo que actúa para revertir el proceso de oxidación y regenerar el metal.

Una vez eliminado el oxígeno, el metal se puede enfriar y exponer nuevamente al vapor para producir más hidrógeno.

Este proceso se puede repetir cientos de veces.

El sistema 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 sobre una vía circular.

En la práctica, este recorrido se establecería alrededor de una fuente solar térmica, como una torre CSP.

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 quedaría expuesto al calor del sol a temperaturas de hasta 1.500 grados centígrados.

Este calor extremo efectivamente extraería oxígeno del metal de un reactor.

Ese metal entonces estaría en un estado “reducido“, listo para absorber oxígeno del vapor.

Para que esto suceda, el reactor se trasladaría a una estación más fría a temperaturas de alrededor de 1.000 C, donde estaría expuesto al vapor para producir hidrógeno.

Otros conceptos STCH similares se han topado con un obstáculo común: qué hacer con el calor liberado por el reactor reducido a medida que se enfría.

Sin recuperar y reutilizar este calor, la eficiencia del sistema es demasiado baja para ser práctico.

Un segundo desafío tiene que ver con la creación de un vacío energéticamente eficiente donde el metal pueda desoxidarse.

Algunos prototipos generan vacío utilizando bombas mecánicas, aunque las bombas consumen demasiada energía y son costosas para la producción de hidrógeno a gran escala.

Para abordar estos desafíos, el diseño del MIT incorpora varias soluciones alternativas para ahorrar energía.

Para recuperar la mayor parte del calor que de otro modo se escaparía del sistema, se permite que los reactores en lados opuestos de la pista circular intercambien calor mediante radiación térmica.

Los reactores calientes se enfrían mientras que los reactores fríos se calientan. Esto mantiene el calor dentro del sistema.

Los investigadores también agregaron un segundo conjunto de reactores que rodearían el primer tren, moviéndose en la dirección opuesta.

Este tren exterior de reactores funcionaría a temperaturas generalmente más frías y se utilizaría para evacuar oxígeno del tren interior más caliente, sin necesidad de bombas mecánicas que consuman energía.

Estos reactores exteriores llevarían un segundo tipo de metal que también puede oxidarse fácilmente.

A medida que giran, los reactores externos absorberían oxígeno de los reactores internos, desoxidando efectivamente el metal original, sin tener que usar bombas de vacío que consumen mucha energía.

Ambos trenes de reactores funcionarían continuamente y generarían corrientes separadas de hidrógeno y oxígeno puros.

Los investigadores llevaron a cabo simulaciones detalladas del diseño conceptual y descubrieron que aumentaría significativamente la eficiencia de la producción de hidrógeno termoquímico solar, del 7 por ciento, como han demostrado diseños anteriores, al 40 por ciento.

“Tenemos que pensar en cada partícula de energía del sistema y en cómo utilizarla para minimizar el costo”, afirma 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”.

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“, explica Patankar.

“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: ScienceDirect