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Articulo de referencia

Panel solar de hidrógeno

Se muestra la fórmula molecular de la conversión del agua en hidrógeno y oxígeno . Paneles solares de hidrógeno del proyecto Solhyd de la KU Leuven produciendo hidrógeno en Ande...

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Se muestra la fórmula molecular de la conversión del agua en hidrógeno y oxígeno .
Paneles solares de hidrógeno del proyecto Solhyd de la KU Leuven produciendo hidrógeno en Anderlecht , Bruselas , en febrero de 2021.

Un panel solar de hidrógeno es un dispositivo de fotosíntesis artificial que produce fotohidrógeno a partir de la luz solar y el agua. El panel utiliza la electrólisis del agua, donde la energía captada por los paneles solares alimenta la electrólisis del agua , produciendo hidrógeno y oxígeno . El oxígeno se libera a la atmósfera, mientras que el hidrógeno se recolecta y almacena . Los paneles solares de hidrógeno ofrecen un método para capturar energía solar mediante la producción de hidrógeno verde , que puede utilizarse en aplicaciones industriales y de transporte.

Teoría

Los paneles solares de hidrógeno funcionan mediante la división fotovoltaica-electroquímica (PV-EC) del agua con dos componentes: la celda fotovoltaica y la celda electroquímica (o electrolizador). La celda fotovoltaica utiliza energía solar para generar electricidad, que envía a una celda electroquímica. Esta celda electroquímica utiliza la electrólisis para separar el electrolito de agua, creando hidrógeno (H₂ ) en el cátodo y oxígeno (O₂ ) en el ánodo . [ 1 ]

Con el desarrollo de células fotovoltaicas y dispositivos de electrólisis, la eficiencia de los paneles solares de hidrógeno se ha optimizado a más del 10 %. [ 2 ] En el componente fotovoltaico, el límite de Shockley-Queisser restringe la eficiencia de las células solares. [ 1 ] La eficiencia del componente electrolítico depende del catalizador elegido, con eficiencias que van del 59 al 70 %. [ 1 ]

Alternativa

Otro método de generación de hidrógeno solar es la celda fotoelectroquímica (PEC), donde la energía solar es capturada por un semiconductor sumergido en un electrolito de agua . La celda fotoelectroquímica se prefiere por su menor complejidad y costo; sin embargo, tiene eficiencias más bajas que la PV-EC y no puede integrarse en un panel. [ 3 ]

Historia

En 1970, el electroquímico sudafricano John Bockris afirmó que el hidrógeno, como fuente de combustible, podría obtenerse mediante una reacción química entre el agua y la energía solar. En su libro de 1975, Energía: la alternativa del hidrógeno solar , Bockris explicó formalmente el proceso mediante el cual, en teoría, se podría extraer hidrógeno de la energía solar. En este libro, Bockris incluyó sus sugerencias sobre el uso del hidrógeno como medio energético y el potencial de aprovechar la energía solar para sintetizarlo. [ 4 ]

La primera planta de producción de hidrógeno alimentada por energía solar del mundo entró en funcionamiento en 1990 en Neunburg vorm Wald , una ciudad del sur de Alemania . [ 1 ] [ 5 ]

En 2019, químicos y físicos de la Universidad de Tokio y la Universidad Metropolitana de Tokio lograron mejoras en la construcción de materiales y la eficiencia de los paneles solares para la disociación del agua, demostrando que un metro cuadrado de área expuesta a la luz solar alcanza una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 0,4 %; la investigación afirma que es viable para la producción de hidrógeno solar renovable, escalable y económica. [ 6 ]

También en 2019, científicos del Centro de Química de Superficies y Catálisis de la KU Leuven en Lovaina , Bélgica, crearon un panel solar de hidrógeno que produjo hidrógeno con una eficiencia de conversión solar a hidrógeno del 15 %, un salto desde su eficiencia máxima del 0,1 % una década antes. [ 1 ] [ 7 ] Esta eficiencia del 15 % es también el récord mundial actual para paneles solares de hidrógeno. [ 7 ]

La Universidad de Michigan informó haber desarrollado un panel con una eficiencia de conversión de agua a hidrógeno del 9% en 2023. [ 8 ]

Comercialización

Aunque los paneles solares de hidrógeno aún no son lo suficientemente sofisticados como para venderse al público en general, existen varias empresas líderes en la producción de estos paneles. SunHydrogen es una empresa que cotiza en bolsa y que lleva trabajando en el desarrollo de paneles solares de hidrógeno eficientes desde 2009. [ 9 ] El 19 de febrero de 2021, exactamente dos años después de la presentación de su panel récord mundial, la KU Leuven lanzó el Proyecto Solhyd, un esfuerzo para comercializar su panel. [ 10 ]

Aplicaciones futuras

De los 50 millones de toneladas de hidrógeno que se producen anualmente, más del 25 % se utiliza directamente para producir fertilizantes nitrogenados , como amoníaco , nitrato y urea , mediante el proceso Haber-Bosch . [ 11 ] [ 12 ] En el caso del amoníaco, más del 80 % de los 175 millones de toneladas producidas en 2020 se utilizaron como fertilizantes y materias primas para el crecimiento agrícola. [ 12 ] Dado que la producción de fertilizantes nitrogenados seguirá creciendo para satisfacer las necesidades de la población , los avances en la tecnología de paneles solares de hidrógeno pueden contribuir a cubrir las crecientes necesidades de hidrógeno derivadas de la producción de amoníaco. [ 11 ]

La tecnología de paneles solares de hidrógeno puede ser beneficiosa para la industria espacial. El hidrógeno líquido se utiliza como combustible para motores de cohetes , como el motor BE-3PM del vehículo de lanzamiento suborbital New Shepard de Blue Origin . Para los vehículos de lanzamiento orbitales, la gran masa de combustible y oxidante necesaria para el lanzamiento requiere la producción de combustible en el espacio para las misiones de regreso. [ 11 ] El uso de paneles solares de hidrógeno puede ofrecer una opción ligera para producir combustible tanto para motores de cohetes impulsados ​​por hidrógeno como por metano . [ 11 ]

Las tecnologías de paneles solares de hidrógeno pueden organizarse en un enfoque distribuido, donde el sitio de producción de hidrógeno es independiente de la producción de energía. [ 11 ] Las redes eléctricas existentes pueden utilizarse para impulsar el transporte de electricidad desde los paneles solares de hidrógeno hasta las plantas de producción de hidrógeno, evitando la necesidad de transportar hidrógeno . [ 11 ] Al producir y almacenar hidrógeno durante períodos de alta insolación solar cuando el costo de la electricidad es bajo, el sistema podría ser increíblemente eficiente en costos y energía. [ 11 ] El hidrógeno podría almacenarse para su uso durante períodos de baja insolación solar cuando los costos de electricidad son más altos. [ 11 ] Sin embargo, este método requeriría electrónica alimentada para el transporte de electricidad, como convertidores CC-CC e inversores CA-CC , que reducen aún más la eficiencia del sistema. [ 11 ] [ 13 ] Se necesitarían mayores avances para reducir el costo de las tecnologías de electrólisis de red y aumentar la eficiencia del transporte de electricidad para que el sistema sea viable a mayor escala. [ 13 ]

Desafíos

Los desafíos que obstaculizan el desarrollo y la adopción a gran escala de esta tecnología se relacionan principalmente con los altos costos monetarios de la producción de paneles. [ 3 ] Específicamente, la fabricación de células fotovoltaicas sigue siendo costosa, lo que mantiene el costo de la producción de H₂ basada en energía solar más alto que la producción de H₂ a partir de combustibles fósiles. [ 1 ]

Los impactos ambientales del proceso de creación de estas células incluyen la producción de grandes cantidades de CO₂ y SO₂ , lo que contribuye al calentamiento global y a la acidificación de los océanos . Estos impactos pueden contrarrestar los beneficios ambientales obtenidos con la tecnología. [ 1 ]

Otros obstáculos se relacionan con la falta de infraestructura para el almacenamiento y transporte de hidrógeno . Dado que el hidrógeno posee una baja densidad energética volumétrica y una alta inflamabilidad , [ 1 ] se requiere una red de contenedores y tuberías especializadas para permitir la producción y el uso de hidrógeno de forma segura y generalizada. [ 3 ]

Otro desafío importante radica en la dependencia de la tecnología de la luz solar para su funcionamiento. Dado que la energía solar solo se puede producir durante el día, el sistema se somete a secuencias diarias de encendido y apagado, lo que dificulta la durabilidad y la eficiencia del proceso de conversión a lo largo del tiempo. [ 1 ] Los científicos aún no han encontrado un material para el electrolizador que posea la durabilidad suficiente para soportar perturbaciones como los ciclos frecuentes de encendido y apagado. [ 14 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Song, Hui; Luo, Shunqin; Huang, Hengming; Deng, Bowen; Ye, Jinhua (2022-03-11). "Producción de hidrógeno impulsada por energía solar: avances recientes, desafíos y perspectivas futuras" . ACS Energy Letters . 7 (3): 1043– 1065. Bibcode : 2022ACSEL...7.1043S . doi : 10.1021/acsenergylett.1c02591 . ISSN 2380-8195 . 
  2. ↑ Wang, Zhiliang; Gu, Yuang; Wang, Lianzhou (2021-09-01). "Revisando la producción de hidrógeno solar a través de la división fotovoltaica-electrocatalítica y fotoelectroquímica del agua" . Frontiers in Energy . 15 (3): 596– 599. Bibcode : 2021FrEne..15..596W . doi : 10.1007/s11708-021-0745-0 . ISSN 2095-1698 . 
  3. 1 2 3 Hassan, Qusay; Tabar, Vahid Sohrabi; Sameen, Aws Zuhair; Salman, Hayder M.; Jaszczur, Marek (2024-01-01). "Una revisión de la producción de hidrógeno verde basada en energía solar; técnicas y métodos" . Energy Harvesting and Systems . 11 (1) 20220134. doi : 10.1515/ehs-2022-0134 . ISSN 2329-8766 . 
  4. ↑ Bockris, J. O'M (1975). Energía: la alternativa solar-hidrógeno . Un libro de Halsted Press. Nueva York: Wiley. ISBN 978-0-470-08429-8.
  5. ↑ Winter, C. -J.; Fuchs, M. (1991-01-01). "HYSOLAR y Solar-Wasserstoff-Bayern" . International Journal of Hydrogen Energy . 16 (11): 723– 734. Bibcode : 1991IJHE...16..723W . doi : 10.1016/0360-3199(91)90069-U . ISSN 0360-3199 . 
  6. ↑ Ir a Yosuke; Hisatomi, Takashi; Wang, Qian; Higashi, Tomohiro; Ishikiriyama, Kohki; Maeda, Tatsuya; Sakata, Yoshihisa; Okunaka, Sayuri; Tokudome, Hiromasa; Katayama, Masao; Akiyama, Seiji; Nishiyama, Hiroshi; Inoue, Yasunobu; Takewaki, Takahiko; Setoyama, Tohru (marzo de 2018). "Un panel fotocatalizador de partículas que divide el agua para la generación de hidrógeno solar a gran escala" . Julio . 2 (3): 509– 520. Bibcode : 2018Julio...2..509G . doi : 10.1016/j.joule.2017.12.009 .
  7. 1 2 "Avance en energía verde gracias a los científicos de KU Leuven" . Historias de KU Leuven . Consultado el 13 de noviembre de 2024 .
  8. ↑ "Hidrógeno barato y sostenible mediante energía solar" . Noticias de la Universidad de Michigan . 4 de enero de 2023. Consultado el 13 de noviembre de 2024 .
  9. ↑ "SunHydrogen" . SunHydrogen . 21-10-2024 . Consultado el 13-11-2024 .
  10. ↑ "Solhyd" . Solhyd . Consultado el 13 de noviembre de 2024 .
  11. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ardo, Shane; Rivas, David Fernandez; Modestino, Miguel A.; Greiving, Verena Schulze; Abdi, Fatwa F.; Llado, Esther Alarcon; Artero, Vincent; Ayers, Katherine; Battaglia, Corsin; Becker, Jan-Philipp; Bederak, Dmytro; Berger, Alan; Buda, Francesco; Chinello, Enrico; Dam, Bernard (2018-10-10). "Caminos hacia tecnologías electroquímicas de hidrógeno solar" . Energy & Environmental Science . 11 (10): 2768– 2783. Bibcode : 2018EnEnS..11.2768A . doi : 10.1039/C7EE03639F . hdl : 1887/69523 . ISSN 1754-5706 . 
  12. 1 2 Lim, Jeonghoon; Fernández, Carlos A.; Lee, Seung Woo; Hatzell, Marta C. (2021-10-08). "Demandas de amoníaco y ácido nítrico para el uso de fertilizantes en 2050" . ACS Energy Letters . 6 (10): 3676– 3685. Bibcode : 2021ACSEL...6.3676L . doi : 10.1021/acsenergylett.1c01614 . ISSN 2380-8195 . 
  13. 1 2 Shaner, Matthew R.; Atwater, Harry A.; Lewis, Nathan S.; McFarland, Eric W. (2016). "Análisis tecnoeconómico comparativo de la producción de hidrógeno renovable utilizando energía solar" . Energy & Environmental Science . 9 (7): 2354– 2371. Bibcode : 2016EnEnS...9.2354S . doi : 10.1039/C5EE02573G . ISSN 1754-5692 . 
  14. ↑ He, Yumin; Wang, Dunwei (2018-03-08). "Hacia la producción práctica de hidrógeno solar" . Chem . 4 (3): 405– 408. Bibcode : 2018Chem....4..405H . doi : 10.1016/j.chempr.2018.02.013 . ISSN 2451-9294 . 

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  • Página web oficial del Proyecto Solhyd de la KU Leuven.
  • Artículo de noticias titulado "Avance en energía verde gracias a científicos de la KU Leuven" en stories.kuleuven.be (2 de octubre de 2019).
  • Vídeo de la KU Leuven sobre la producción sostenible de hidrógeno gaseoso, en neerlandés con subtítulos en inglés, disponible en YouTube (25/03/2019).
  • Entrevista titulada "Más allá de la publicidad: investigadores de la KU Leuven arrojan más luz sobre su panel de hidrógeno" con Johan Martens y Tom Bosserez en nieuws.kuleuven.be (25 de marzo de 2019).
  • 'Química de superficies y catálisis: Equipo de caracterización y aplicación (COK-KAT)' en el organigrama de kuleuven.be
  • Instalación de sistemas solares