Un equipo de investigadores australianos de la Universidad Nacional de Australia (ANU) y la Universidad de Nueva Gales del Sur, ha establecido un nuevo récord mundial de eficiencia para la producción directa de hidrógeno renovable a partir de energía solar utilizando materiales de bajo costo, combinando innovaciones cultivadas en Australia en células solares de próxima generación y electrólisis. El hito está siendo reconocido como un paso importante hacia la reducción del costo de la producción de hidrógeno renovable.
La investigación se ha publicado en la revista Advanced Energy Materials y detalla cómo los investigadores utilizaron innovaciones líderes en células solares 'tándem' de próxima generación, combinadas con avances en técnicas de electrólisis para lograr una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno superior al 20 por ciento.
Los investigadores utilizaron células solares 'tándem' de silicio-perovskita de bajo costo optimizadas para la producción de hidrógeno, que combinaban dos tipos de células solares superpuestas para lograr una eficiencia combinada del 24,3 por ciento, una eficiencia superior a la mayoría de las células solares de silicio convencional.
Luego, el equipo combinó las células solares en tándem de alta eficiencia con materiales catalizadores de bajo costo para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno a través de la electrólisis. Al recurrir a materiales de bajo costo para producir el dispositivo directo de energía solar a hidrógeno, los investigadores pudieron lograr una eficiencia de conversión de más del 20 por ciento.
Los investigadores dijeron que habían podido lograr un objetivo de eficiencia de conversión establecido por el Departamento de Energía de los Estados Unidos como parte de los esfuerzos para reducir el costo de producción de hidrógeno renovable.
El equipo también confía en que una mayor investigación podría finalmente superar el objetivo del gobierno de Morrison de producir hidrógeno a un costo inferior a 2 dólares el kilogramo.
“Los sistemas de división de agua solar directa de alta eficiencia hechos de absorbentes de luz y catalizadores de bajo costo son una vía prometedora para permitir la comercialización de tecnologías de hidrógeno solar”, dice el artículo de investigación.
“Hemos demostrado un sistema de división de agua solar directa con una eficiencia del 20% [de solar a hidrógeno] mediante el acoplamiento de electrodos catalizadores con abundancia de tierra con células en tándem de perovskita-Si de alto rendimiento, cumpliendo el objetivo de eficiencia [solar a hidrógeno] establecido por el DOE para el año 2020 ".
Si bien el costo actual de la producción de hidrógeno lo hace poco competitivo para una variedad de usos, particularmente aquellos relacionados con el uso en el sistema energético, la rápida caída de los costos podría hacer que el hidrógeno se convierta en una alternativa asequible a muchas fuentes derivadas de combustibles fósiles, incluidos los combustibles de transporte y la energía utilizada como combustible. una fuente de calor industrial.
El coautor de la investigación, Siva Karuturi, de la Universidad Nacional de Australia, dijo a RenewEconomy que al combinar células solares con electrolizadores de hidrógeno en una sola unidad, se podrían lograr mejoras en la eficiencia de producción y reducciones en los costos mucho más allá de las técnicas actuales de producción de hidrógeno renovable.
“En un electrolizador centralizado que generalmente funciona con electricidad de la red, la membrana y los electrodos se apilan en varias cantidades, a menudo cientos de ellos, para lograr la capacidad de producción deseada, lo que da como resultado un sistema complejo”, dijo Karuturi.
“En la electrólisis fotovoltaica directa, como se demostró en nuestro trabajo, una sola unidad de electrodos y membrana puede integrarse directamente con células fotovoltaicas en un módulo de hidrógeno solar simplificado. Este enfoque elimina la necesidad de infraestructura de energía y electrolizadores y, por lo tanto, puede resultar en una mayor eficiencia de conversión de energía y un bajo costo ".
El equipo ya tiene la esperanza de aumentar esta eficiencia al 25 por ciento al realizar mejoras en el diseño y aprovechar los avances adicionales en los diseños de células solares en tándem, y estima que esto podría reducir el costo de la producción de hidrógeno renovable a $ 2,30 por kilogramo.
“El desafío radica en encontrar una combinación óptima de fotovoltaica y catalizadores que permita una alta eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno”, dijo Karuturi.
“La energía generada por las células fotovoltaicas debe coincidir con la que necesitan los electrodos de catalizador. Además, necesitamos hacer esto utilizando materiales que no sean costosos de escalar. Nuestro trabajo empleó células fotovoltaicas en tándem de perovskita / Si y catalizadores a base de Ni que satisfacen muy bien este criterio ".
El equipo de investigación dijo que los sólidos resultados muestran el potencial de combinar innovaciones en tecnologías de producción solar y de hidrógeno para producir hidrógeno renovable de bajo costo, y espera que esto pueda desempeñar un papel importante en la descarbonización del sistema energético en general.
“El hidrógeno tiene un papel fundamental que desempeñar en nuestro esfuerzo hacia la transición a cero emisiones netas para 2050. Si tenemos que satisfacer la demanda esperada de hidrógeno verde en los próximos años ya un costo competitivo, necesitamos enfoques disruptivos. La producción directa de hidrógeno solar tiene un gran potencial ”, dijo Karuturi, quien considera que "nuestro trabajo futuro se centra en ampliar y mejorar aún más el rendimiento y la solidez del sistema".
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