Los múltiples potenciales de la energía solar

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El hidrógeno (H2) se considera una prometedora fuente de energía limpia si puede producirse sin emisiones de carbono de principio a fin. Conseguirlo, a un coste razonable, sigue siendo un enorme reto. Sin embargo, los gobiernos de todo el mundo parecen cada vez más dispuestos a apostar por ella, a menudo como parte de una economía mixta de opciones de energía verde.

En la actualidad, más del 90% del H2 del mundo se produce a partir de combustibles fósiles mediante procesos como el reformado de metano con vapor, la oxidación parcial de metano y la gasificación del carbón. Esto por sí solo genera emisiones de unos 830 millones de toneladas de CO2 al año, lo que supone más del 2% de las emisiones anuales de CO2 del mundo.

No es un camino sostenible. Una alternativa es sustituir el metano y el carbón por una fuente libre de carbono como el agua (H2O). La electricidad se utiliza para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante un proceso llamado electrólisis y, en teoría, producir H2 sin generar emisiones de gases de efecto invernadero. El problema es que esto depende de que la fuente de electricidad también sea libre de carbono y, en muchas regiones del mundo, la infraestructura todavía no es adecuada o económicamente viable para esta vía. Además, los distintos tipos de electrolizadores necesarios para el proceso hacen uso de metales como el níquel y los metales del grupo del platino (MGP), que están asociados a un elevado coste, impacto ambiental y problemas en la cadena de suministro.

El hidrógeno termoquímico solar podría ser una opción
La atención se ha centrado en una tecnología emergente que ofrece una solución completamente libre de emisiones. Se trata del hidrógeno termoquímico solar (STCH), que se basa en el calor, y no en el agua, generado a partir de la energía solar para impulsar la producción de H2.

En este método, la energía para impulsar la producción de hidrógeno STCH procede de la energía solar de concentración (CSP). Centenares de espejos recogen y reflejan la luz solar en un punto receptor central. A continuación, el calor del receptor es absorbido por un sistema STCH, que lo dirige para dividir el agua y generar hidrógeno. Las temperaturas superiores a 1 400 C pueden utilizarse para hervir agua y producir vapor que haga funcionar una turbina, que a su vez puede generar electricidad. Sin embargo, hay un inconveniente. Hasta la fecha, los diseños de STCH han tenido una eficiencia limitada: Sólo se aprovecha un 7% de la luz solar para producir hidrógeno, lo que hace que estos sistemas sean de bajo rendimiento y alto coste.

En octubre de 2023, un equipo del MIT logró un gran avance. Su concepto de sistema de reactores podría aprovechar hasta el 40% del calor del sol. Según los investigadores del MIT, este aumento de la eficiencia podría reducir el coste global del sistema, lo que convertiría al STCH en una opción potencialmente escalable y asequible para ayudar a descarbonizar industrias como el transporte.

Según Christopher Muhich, profesor adjunto de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Arizona, “esto podría cambiar drásticamente nuestro futuro energético, es decir, posibilitar la producción de hidrógeno 24 horas al día, 7 días a la semana”. “La capacidad de fabricar hidrógeno es la pieza clave para producir combustibles líquidos a partir de la luz solar”. La siguiente etapa consiste en construir un prototipo que se probará en instalaciones de concentración de energía solar.

Las normas de la CEI
Varios comités técnicos de la CEI elaboran normas internacionales para sistemas e instalaciones solares, incluida la energía solar de concentración. Las normas de la CEI allanan el camino para su adopción generalizada al garantizar que cumplen los requisitos de seguridad y eficiencia adecuados.

El TC 117 de la CEI trabaja en normas internacionales para sistemas de centrales eléctricas termosolares para la conversión de energía solar térmica en energía eléctrica. Una de sus normas, publicada en 2022, la IEC 62862-3-1, especifica los requisitos para el diseño de centrales termosolares de colectores cilindro-parabólicos. Se espera que futuras normas aborden cuestiones de conectividad e interoperabilidad con la red eléctrica y aspectos medioambientales. El TC 82 de la CEI elabora normas para los dispositivos de energía solar fotovoltaica, que comprenden todos los elementos del sistema de energía fotovoltaica en su conjunto, y el TC 105 publica documentos relativos a las tecnologías de pilas de combustible.

Otro enfoque para mejorar la tecnología termoquímica procede de un equipo de ingenieros de la ETH de Zúrich, financiado por la Oficina Federal de Energía suiza. Se enfrentaron al reto de maximizar la transferencia de calor de un sistema ESTC al interior de un reactor.

El núcleo de su proceso de producción es un reactor solar que se expone a la luz solar concentrada suministrada por un conjunto de CSP y alcanza temperaturas de hasta 1.500 C. En el interior de este reactor, tiene lugar un ciclo termoquímico para dividir el agua y el CO2 capturado previamente del aire. El producto es el gas de síntesis o syngas: una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono que puede transformarse en hidrocarburos líquidos como el queroseno (combustible para aviones).

Dos empresas derivadas de la ETH (Climeworks y Synhelion) están desarrollando y comercializando estas tecnologías. “Esta tecnología tiene el potencial de aumentar la eficiencia energética del reactor solar y, por tanto, de mejorar significativamente la viabilidad económica de los combustibles sostenibles para la aviación”, afirma Aldo Steinfeld, catedrático de Portadores de Energías Renovables de la ETH de Zúrich.

Paneles solares que producen hidrógeno
Investigadores de la Universidad Católica de Lovaina (Bélgica) han desarrollado unos paneles para tejados que captan tanto la energía solar como el agua del aire. Los paneles de hidrógeno son como los módulos fotovoltaicos convencionales, pero en lugar de un cable eléctrico están conectados mediante tubos de gas. Los investigadores afirman que un panel produce 250 litros de H2 al día, con una eficiencia del 15%, y ahora se preparan para llevar la tecnología al mercado de masas a través de una empresa derivada.

Jan Rongé, investigador del proyecto, explica: “Los paneles de hidrógeno no almacenan hidrógeno y funcionan a muy baja presión. Esto tiene varias ventajas en cuanto a seguridad y costes. El hidrógeno se recoge de forma centralizada en la planta de paneles de hidrógeno y luego se comprime si es necesario”. Se espera que el producto esté disponible comercialmente en 2026 y que los precios bajen en línea con los de los módulos fotovoltaicos actuales.

La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) es una organización mundial sin ánimo de lucro que agrupa a 174 países y coordina el trabajo de 30.000 expertos en todo el mundo. Las normas internacionales de la CEI y la evaluación de la conformidad sustentan el comercio internacional de productos eléctricos y electrónicos. Facilitan el acceso a la electricidad y verifican la seguridad, el rendimiento y la interoperabilidad de los dispositivos y sistemas eléctricos y electrónicos, incluyendo, por ejemplo, dispositivos de consumo como teléfonos móviles o frigoríficos, equipos médicos y de oficina, tecnología de la información, generación de electricidad y mucho más.

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