Hidrógeno solar para la Antártida: un estudio muestra las ventajas del enfoque acoplado térmicamente

Hidrógeno solar para la Antártida: las ventajas del enfoque acoplado térmicamente

En las regiones polares y en altitudes elevadas, la conversión de la radiación solar en hidrógeno sin duda podría valer la pena. Crédito: Energy & Env. Ciencias.

Un equipo de Helmholtz-Zentrum Berlin, la Universidad de Ulm y la Universidad de Heidelberg ha investigado ahora cómo se puede producir hidrógeno en el Polo Sur utilizando la luz solar, y qué método es el más prometedor. Su conclusión: en regiones extremadamente frías, puede ser considerablemente más eficiente unir los módulos fotovoltaicos directamente al electrolizador, es decir, acoplarlos térmicamente. Esto se debe a que el calor residual de los módulos fotovoltaicos aumenta la eficiencia de la electrólisis en este entorno. Los resultados de este estudio, que ahora se ha publicado en Ciencias de la energía y el medio ambiente, también son relevantes para otras regiones frías de la Tierra, como Alaska, Canadá y regiones de alta montaña, por ejemplo. En estos lugares, el hidrógeno solar podría reemplazar a los combustibles fósiles como el petróleo y la gasolina.

Cuando la física ambiental Kira Rehfeld, de la Universidad de Heidelberg, visitó la Antártida para realizar su investigación, la intensa luz la sorprendió. “Siempre hay luz en verano. Esta radiación solar podría usarse para suministrar energía a la infraestructura de investigación”, observa. Sin embargo, los generadores, motores y calentadores en estas regiones remotas han sido alimentados principalmente hasta ahora por combustibles fósiles enviados por barco, como el petróleo o la gasolina, que causan el calentamiento global. Además de los altos costos económicos asociados, la contaminación de los derrames más pequeños también es un problema importante que amenaza a un ecosistema especialmente sensible.

Sin embargo, los combustibles fósiles podrían ser reemplazados por hidrógeno, un medio energético versátil que, además, puede almacenarse extremadamente bien a bajas temperaturas. “Nuestra idea era, por lo tanto, utilizar módulos solares para producir hidrógeno neutro para el clima en el lugar durante el verano antártico mediante la división del agua en hidrógeno y oxígeno a través de la electrólisis”, dijo May, entonces postdoctorado en el Instituto de Combustibles Solares Helmholtz-Zentrum de Berlín. Rehfeld y May solicitaron financiación de la Fundación Volkswagen para investigar si se puede generar hidrógeno utilizando la luz solar incluso a temperaturas bajo cero, y qué método es el más adecuado para ello. Las bajas temperaturas pueden reducir considerablemente la eficiencia de la electrólisis, aunque el frío en realidad aumenta la eficiencia de la mayoría de los módulos solares.

May y su colega de HZB, Moritz K 枚 lbach, ahora han comparado empíricamente dos enfoques diferentes: una configuración convencional en la que el módulo fotovoltaico se separa térmica y físicamente del tanque de electrólisis, y una configuración más nueva, acoplada térmicamente, en la que el módulo fotovoltaico está en estrecho contacto con la pared del tanque de electrólisis, favoreciendo la difusión térmica. Para simular las condiciones de la Antártida, K 枚 lbach obtuvo un congelador, hizo un agujero en la puerta, instaló una ventana de cuarzo e iluminó el interior del gabinete con luz solar simulada. Llenó el recipiente de electrólisis con ácido sulfúrico al 30 por ciento (también conocido como ácido de batería) que tiene un punto de congelación de alrededor de -35 grados Celsius y conduce bien la electricidad.

Hidrógeno solar para la Antártida: un estudio muestra las ventajas del enfoque acoplado térmicamente
La eficiencia aumenta cuando el módulo fotovoltaico está en estrecho contacto con la pared del tanque de electrólisis. Crédito: M. K 枚 lbach / HZB

K 枚 lbach luego instaló las celdas experimentales y llevó a cabo la serie de mediciones. Durante el funcionamiento, se hizo evidente que la celda con los módulos fotovoltaicos acoplados térmicamente producía comparativamente más hidrógeno, ya que los módulos fotovoltaicos iluminados pasan su calor residual directamente al electrolizador. “Incluso pudimos aumentar la eficiencia agregando aislamiento térmico adicional al electrolizador. Como resultado, la temperatura del electrolito subió durante la iluminación de -20 a +13.5 grados Celsius”, dice K 枚 lbach.

Los resultados de este estudio confirman que los sistemas acoplados térmicamente tienen una eficiencia potencialmente mayor que los desacoplados térmicamente. Sin embargo, queda por ver si estas ventajas pueden aprovecharse económicamente. “Por lo tanto, en la siguiente fase queremos probar prototipos en condiciones realistas. Sin duda será emocionante y actualmente estamos buscando socios para esto”, dice May.

Hidrógeno solar para la Antártida: un estudio muestra las ventajas del enfoque acoplado térmicamente
El experimento se encuentra en el congelador. La luz entra por una ventana y genera a través de células solares el voltaje necesario para la división del agua electrolítica. Crédito: M. K 枚 lbach / HZB

El hidrógeno solar generado localmente podría ser una opción para reemplazar los combustibles fósiles y eliminar el peligro de contaminación asociado al medio ambiente y las emisiones de CO2, no solo en el Polo Sur, sino también en otras regiones del mundo extremadamente frías y escasamente pobladas. Esto podría incluir los altos Alpes, Canadá y Alaska, los Andes y otras regiones montañosas como el Himalaya.

“Quizás el hidrógeno generado por energía solar sea económicamente viable inicialmente en este tipo de regiones remotas del mundo”, dice May, recordando el avance triunfal de la energía fotovoltaica, que comenzó a suministrar energía a los satélites en el espacio hace unos 60 años.


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