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

En un estudio que aparece hoy en Revista de energía solarLos ingenieros desarrollan 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 a largas distancias, sin emitir emisiones de gases de efecto invernadero.

Hoy en día, el hidrógeno se produce en gran medida a través de procesos que involucran gas natural y otros combustibles fósiles, lo que convierte a los combustibles verdes en una fuente de energía más “gris” desde el inicio de su producción hasta su uso final. Por el contrario, el hidrógeno termoquímico solar, o STCH, ofrece una alternativa completamente libre de emisiones, ya que depende enteramente de energía solar renovable para impulsar la producción de hidrógeno. Pero hasta ahora, los diseños actuales de STCH 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 baja productividad y altos costos.

En un paso importante hacia la producción de combustible solar, el equipo del MIT estima que su nuevo diseño podría aprovechar hasta el 40% del calor del sol para generar esa cantidad de hidrógeno. El aumento de la eficiencia puede reducir el costo general del sistema, lo que convierte a STCH en una opción escalable y asequible para ayudar a descarbonizar la industria del transporte.

“Consideramos que el hidrógeno es el combustible del futuro y es necesario generarlo de forma económica y a gran escala”, afirma el autor principal del estudio, Ahmed Ghoneim, profesor Ronald C. Crane de Ingeniería Mecánica en el MIT. “Estamos tratando de cumplir 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 garantizar que la mayor parte de la energía solar que recolectamos se utilice para producir hidrógeno.

Los coautores del estudio de Ghoneim son Aniket Patankar, primera autora e investigadora postdoctoral en el MIT; Harry Tueller, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT; Xiaoyu Wu de la Universidad de Waterloo; y Wonjae Choi de la Universidad de Mujeres Ewha en Corea del Sur.

Plantas de energía solar

Al igual que otros diseños propuestos, el sistema del MIT se combinaría con una fuente existente de calor solar, como una planta de energía solar concentrada (CSP), una matriz circular de cientos de espejos que recogen y reflejan la luz solar hacia una torre receptora central. Luego, el 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 del sistema conceptual STCH se encuentra una reacción termoquímica de dos pasos. En el primer paso, se expone agua en forma de vapor al metal. Esto hace que el metal obtenga oxígeno del vapor, dejando atrás el 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, invirtiendo el proceso de oxidación y regenerando 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 mejorar 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 camino se ubicaría alrededor de una fuente de calor solar, como una torre de energía solar concentrada. Cada reactor del tren contendrá metal que se somete a un proceso reversible de oxidación-reducción u oxidación.

Cada reactor pasará primero por una planta caliente, donde quedará expuesto al calor del sol a temperaturas de hasta 1.500 grados centígrados. Este intenso calor extraería efectivamente oxígeno del metal del reactor. Este metal estará entonces en un estado “reducido”, listo para extraer oxígeno del vapor. Para que esto suceda, el reactor se trasladará a una planta de enfriamiento a temperaturas de alrededor de 1.000 grados centígrados, donde será expuesto al vapor para producir hidrógeno.

Óxido y barras

Otros conceptos similares a STCH se han enfrentado a 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 práctica.

El segundo desafío tiene que ver con la creación de un vacío energéticamente eficiente donde los metales puedan eliminar el óxido. Algunos prototipos generan vacío mediante bombas mecánicas, aunque las bombas consumen mucha energía y son caras para producir hidrógeno a gran escala.

Para abordar estos desafíos, el diseño del MIT incluye varias soluciones energéticamente eficientes. Para recuperar la mayor parte del calor que se escaparía del sistema, se permite que los reactores en lados opuestos del camino 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 orbitarán el primer tren, moviéndose en la dirección opuesta. Este tren exterior de reactores funcionará a temperaturas generalmente más frías y se utilizará para evacuar oxígeno del tren interior más caliente, sin necesidad de bombas mecánicas que consuman energía.

Estos reactores externos llevarán un segundo tipo de metal que también puede oxidarse fácilmente. A medida que giran, los reactores exteriores absorben oxígeno de los reactores interiores, eliminando eficazmente el óxido del metal original, sin la necesidad de utilizar bombas de vacío que consumen mucha energía. Ambos trenes de reactores funcionarán de forma continua y generarán corrientes separadas de hidrógeno y oxígeno puros.

Los investigadores realizaron simulaciones detalladas del diseño conceptual y descubrieron que aumentaría significativamente la eficiencia de la producción solar termoquímica de hidrógeno, del 7%, como han demostrado diseños anteriores, al 40%.

“Tenemos que pensar en cada partícula de energía del sistema y cómo utilizarla para reducir el costo”, dice Ghoneim. “Con este diseño, descubrimos que todo puede obtener energía del calor proveniente del sol. Es capaz de utilizar el 40% del calor del sol para producir hidrógeno.

“Si esto se puede lograr, podría cambiar fundamentalmente nuestro futuro energético, permitiendo la producción de hidrógeno las 24 horas del día, los 7 días de la semana”, dice Christopher Muhic, profesor asistente de ingeniería química en la Universidad Estatal de Arizona, que no participó en la investigación. “La capacidad de producir hidrógeno es la clave para producir combustibles líquidos a partir de la luz solar”.

El año que viene, 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 este sistema esté completamente implementado, 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. Creemos que podría ser un sistema modular, donde se podrían agregar reactores a la cinta transportadora, para aumentar la producción de hidrógeno.

Este trabajo fue apoyado por los Centros de Investigación y Educación en Ingeniería Mecánica del MIT y SUSTech.