Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT) han diseñado un sistema que aprovecha de manera eficiente hasta en un 40% el calor del sol para dividir el agua y generar hidrógeno limpio. Este nuevo sistema utiliza únicamente energía solar para conseguir combustible de hidrógeno totalmente ecológico y libre de carbono.
Según los investigadores, este hidrógeno, denominado hidrógeno termoquímico solar, sería un combustible limpio que puede impulsar camiones, barcos y aviones de larga distancia, sin emitir emisiones de gases de efecto invernadero en el proceso.
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 tenían una eficiencia limitada: sólo alrededor del 7% de la luz solar entrante se utiliza para producir hidrógeno.
El sistema del MIT: una planta solar concentrada
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 (u 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.
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 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 1.500ºC. 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 donde estaría expuesto al vapor para producir hidrógeno.
Soluciones para ahorrar energía
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.
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.
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. Este trabajo fue apoyado por los Centros de Investigación y Educación en Ingeniería Mecánica del MIT y SUSTech.