Producción barata y limpia de hidrógeno

Se habla mucho del hidrógeno como el combustible del futuro, pero eso solo se convertirá en una realidad cuando el hidrógeno se pueda obtener de manera barata y a gran escala. Puede que la situación comience a cambiar a partir de ahora, ya que unos científicos han ideado un sistema para producir hidrógeno de manera limpia y rentable. Los procesos empleados hasta ahora solo cumplen alguna de esas dos condiciones.

En la actualidad, el hidrógeno se produce en gran medida mediante procesos que implican el uso de gas natural y otros combustibles fósiles, lo que convierte a este combustible “verde” en una fuente de energía "gris" desde el inicio de su producción hasta su uso final.

En cambio, el hidrógeno termoquímico solar, o STCH por sus siglas en inglés, ofrece una alternativa totalmente libre de emisiones, ya que depende por completo de la energía solar renovable para impulsar la producción de hidrógeno. Por desgracia, los diseños ideados hasta ahora para la producción de hidrógeno termoquímico solar tienen una eficiencia limitada: solo se aprovecha alrededor del 7% de la luz solar entrante para producir hidrógeno; dicho de otro modo, el rendimiento es bajo y el coste es alto.

En un gran paso hacia la fabricación de combustibles baratos y limpios a partir de la energía solar, un equipo internacional encabezado por Aniket S. Patankar, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, ha inventado un nuevo sistema que no emplea combustibles fósiles sino solo energía solar y que aprovecha hasta el 40% del calor del Sol para generar mucho más hidrógeno. El aumento de la eficiencia podría reducir el coste total del sistema, haciendo del hidrógeno termoquímico solar una opción viable a gran escala y asequible, con la cual ayudar a descarbonizar la industria del transporte. El objetivo es lograr que el coste baje hasta ser de 1 dólar por kilogramo de hidrógeno.

Al igual que otros diseños propuestos, el sistema del MIT se combinaría con una fuente de calor solar ya existente, como una planta solar concentrada, un conjunto circular de cientos de espejos que recogen y reflejan la luz solar en una torre receptora central. Trabajando en combinación con dicha planta solar, el sistema de producción de hidrógeno termoquímico solar absorbería parte del calor generado y lo dirigiría para descomponer el agua y producir hidrógeno. Este proceso es muy diferente de la electrólisis, que utiliza electricidad en vez de calor para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.

La clave de un sistema de producción de hidrógeno termoquímico solar es una reacción termoquímica de dos pasos. En el primer paso, el agua en forma de vapor se expone a un metal. Esto hace que el metal tome el oxígeno del vapor, dejando solo hidrógeno, que a continuación es recogido. 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 invierte el proceso de oxidación y regenera el metal. Una vez retirado el oxígeno, el metal puede enfriarse y exponerse de nuevo al vapor de agua para producir más hidrógeno. Este proceso puede repetirse cientos de veces sin problema alguno.

El sistema del MIT está diseñado para optimizar este proceso, haciéndolo mucho más barato que en otros sistemas parecidos.

Esquema básico del nuevo sistema, a base de módulos conectados secuencialmente, como vagones de tren. El extremo izquierdo es el más caliente, en tanto que el derecho es el más frío y por donde se extrae hidrógeno y se agrega agua. (Imagen: Ahmed Ghoniem, Aniket Patankar, et. al. CC BY-NC-ND 3.0)

Patankar y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo sistema en la revista académica Solar Energy, bajo el título “A comparative analysis of integrating thermochemical oxygen pumping in water-splitting redox cycles for hydrogen production”. (Fuente: NCYT de Amazings)