La luz solar se puede utilizar para producir hidrógeno verde directamente del agua en células fotoelectroquímicas (PEC). Hasta ahora, los sistemas basados en este "enfoque directo" no han sido energéticamente competitivos. Sin embargo, el equilibrio cambia tan pronto como parte del hidrógeno en tales celdas PEC se usa in situ para una reacción de hidrogenación catalítica, lo que da como resultado la coproducción de productos químicos utilizados en las industrias química y farmacéutica. El tiempo de recuperación de la energía de la producción fotoelectroquímica de hidrógeno "verde" se puede reducir drásticamente, según muestra el estudio.
El hidrógeno se puede producir por electrólisis del agua, idealmente con células solares o energía eólica que proporciona la energía eléctrica necesaria. Se espera que este hidrógeno "verde" desempeñe un papel importante en el sistema energético del futuro. Durante la última década, la división solar del agua ha progresado considerablemente: los mejores electrolizadores, que extraen el voltaje necesario de los módulos fotovoltaicos o de la energía eólica, ya alcanzan eficiencias de hasta el 30 %. Este es el enfoque indirecto.
El enfoque directo
En el Instituto HZB para Combustibles Solares, varios equipos están trabajando en un enfoque directo para la división solar del agua: están desarrollando fotoelectrodos que convierten la luz solar en energía eléctrica, son estables en soluciones acuosas y catalíticamente promueven la división del agua. Estos fotoelectrodos consisten en absorbentes de luz íntimamente acoplados a materiales catalizadores para formar el componente activo de una celda fotoelectroquímica (PEC).
Las mejores celdas PEC basadas en absorbentes de óxidos metálicos estables y de bajo costo ya alcanzan eficiencias cercanas al 10%. Aunque las celdas PEC siguen siendo menos eficientes que los electrolizadores alimentados por energía fotovoltaica, también tienen ventajas importantes: en las celdas PEC, por ejemplo, el calor de la luz solar se puede usar para acelerar aún más las reacciones. Y debido a que las densidades de corriente son de diez a cien veces más bajas con este enfoque,
Hasta ahora, los análisis tecnoeconómicos (TEA) y las evaluaciones de energía neta (NEA) han demostrado que el enfoque PEC aún no es competitivo para la implementación a gran escala. El hidrógeno de los sistemas PEC hoy cuesta alrededor de 10 USD/kg, aproximadamente 6 veces más que el hidrógeno del reformado con vapor de metano fósil (1,5 USD/kg). Además, se estima que la demanda de energía acumulada para la división del agua de PEC es de 4 a 20 veces mayor que la de la producción de hidrógeno con turbinas eólicas y electrolizadores.
"Aquí es donde queríamos aportar un nuevo enfoque", dice Fatwa Abdi del Instituto HZB para Combustibles Solares. En el marco de la colaboración de la red de excelencia UniSysCat entre el profesor Reinhard Schomäcker y el profesor Roel van de Krol , el grupo de Abdi investigó cómo cambia el equilibrio cuando parte del hidrógeno producido reacciona con ácido itacónico (IA) en el mismo reactor ( in situ ) para formar ácido metil succínico (MSA).
Tiempos de recuperación de la energía
Primero calcularon cuánta energía se necesita para producir la celda PEC a partir de absorbentes de luz, materiales catalizadores y otros materiales como el vidrio, y cuánto tiempo tiene que funcionar para producir esta energía en forma de energía química como hidrógeno o MSA. Solo para el hidrógeno, este 'tiempo de recuperación de la energía' es de alrededor de 17 años, suponiendo una modesta eficiencia de energía solar a hidrógeno del 5 %.
Si solo el 2% del hidrógeno producido se usa para convertir IA en MSA, el tiempo de recuperación de la energía se reduce a la mitad, y si el 30% del hidrógeno se convierte en MSA, la energía de producción se puede recuperar después de solo 2 años. "Esto hace que el proceso sea mucho más sostenible y competitivo", dice Abdi. Una razón: la energía necesaria para sintetizar MSA en una célula PEC de este tipo es solo una séptima parte de la energía necesaria para los procesos de producción de MSA convencionales.
"El sistema es flexible y también puede producir otros productos químicos valiosos que se necesitan actualmente en el sitio", explica Abdi. La ventaja es que los componentes fijos de la unidad PEC, que representan la mayor parte de los costos de inversión, siguen siendo los mismos; solo es necesario cambiar el catalizador de hidrogenación y la materia prima.
"Este enfoque ofrece una manera de reducir significativamente el costo de producción de hidrógeno verde y aumenta la viabilidad económica de la tecnología PEC", dice Abdi. "Hemos pensado cuidadosamente en el proceso, y el siguiente paso es probar en el laboratorio qué tan bien funciona en la práctica la producción simultánea de hidrógeno y MSA".
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