combustible solar

Un combustible solar es un combustible sintético producido utilizando energía solar , a través de métodos fotoquímicos (es decir, activación de fotones de ciertas reacciones químicas ), fotobiológicos (es decir, fotosíntesis artificial ), electroquímicos (es decir, utilizando electricidad solar para impulsar una reacción endógena como la hidroelectrólisis ), ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} o termoquímicos (es decir, a través del uso de calor solar suministrado por energía térmica solar concentrada para impulsar una reacción química). ^{[ 5 ] [ 6 ]} La luz solar es la fuente de energía primaria , cuya energía radiante se transduce en energía química almacenada en enlaces , típicamente reduciendo protones a hidrógeno o dióxido de carbono a compuestos orgánicos .

Un combustible solar puede producirse y almacenarse para su uso posterior, cuando no haya luz solar, lo que lo convierte en una alternativa a los combustibles fósiles y las baterías. Ejemplos de estos combustibles son el hidrógeno, el amoníaco y la hidracina. Se están desarrollando diversos fotocatalizadores para llevar a cabo estas reacciones de forma sostenible y respetuosa con el medio ambiente . ^{[ 7 ]}

La dependencia mundial de las menguantes reservas de combustibles fósiles plantea no solo problemas ambientales , sino también geopolíticos . ^{[ 8 ]} Los combustibles solares, en particular el hidrógeno, se consideran una fuente de energía alternativa para reemplazar los combustibles fósiles, especialmente donde el almacenamiento es esencial. La electricidad se puede producir directamente a partir de la luz solar mediante energía fotovoltaica , pero esta forma de energía es bastante ineficiente para almacenar en comparación con el hidrógeno. ^{[ 7 ]} Un combustible solar se puede producir cuando y donde haya luz solar disponible, y almacenar y transportar para su uso posterior. Esto lo hace mucho más conveniente, ya que se puede utilizar en situaciones donde no hay luz solar directa disponible.

Los combustibles solares más estudiados son el hidrógeno, ya que su único producto es el agua, y los productos de la reducción fotoquímica del dióxido de carbono , que son combustibles más convencionales como el metano y el propano. Las investigaciones futuras también incluyen el amoníaco y sustancias relacionadas (por ejemplo, la hidracina). Estas pueden solucionar los problemas asociados al hidrógeno, al ser una forma más compacta y segura de almacenarlo. También se están investigando las pilas de combustible de amoníaco directo. ^{[ 9 ]}

Los combustibles solares pueden producirse mediante procesos directos o indirectos. Los procesos directos aprovechan la energía de la luz solar para producir un combustible sin conversiones energéticas intermedias. La termoquímica solar utiliza el calor del sol directamente para calentar un receptor adyacente al reactor solar donde se lleva a cabo el proceso termoquímico. En cambio, en los procesos indirectos, la energía solar se convierte primero en otra forma de energía (como biomasa o electricidad) que luego se puede utilizar para producir un combustible. Los procesos indirectos han sido más fáciles de implementar, pero tienen la desventaja de ser menos eficientes que el método directo. Por lo tanto, los métodos directos deberían considerarse más interesantes que sus contrapartes menos eficientes. Por consiguiente, las nuevas investigaciones se centran más en esta conversión directa, pero también en combustibles que pueden utilizarse inmediatamente para equilibrar la red eléctrica. ^{[ 7 ]}

En un proceso fotoelectroquímico solar , el hidrógeno se puede producir mediante electrólisis . Para utilizar la luz solar en este proceso, se puede emplear una celda fotoelectroquímica , donde un electrodo fotosensibilizado convierte la luz en una corriente eléctrica que luego se utiliza para la disociación del agua . Un ejemplo de este tipo de celda es la celda solar sensibilizada con colorante . ^{[ 10 ]} Este es un proceso indirecto, ya que produce electricidad que luego se utiliza para formar hidrógeno. Otro proceso indirecto que utiliza la luz solar es la conversión de biomasa en biocombustible mediante organismos fotosintéticos ; sin embargo, la mayor parte de la energía obtenida por la fotosíntesis se utiliza en procesos vitales y, por lo tanto, se pierde en el consumo energético. ^{[ 7 ]}

Un semiconductor también puede utilizarse como fotosensibilizador. Cuando un semiconductor recibe un fotón con una energía superior a la banda prohibida , un electrón se excita a la banda de conducción y se crea un hueco en la banda de valencia. Debido a la curvatura de bandas, los electrones y los huecos se desplazan hacia la superficie, donde estas cargas se utilizan para disociar las moléculas de agua. Se han probado muchos materiales diferentes, pero hasta el momento ninguno ha demostrado cumplir los requisitos para su aplicación práctica. ^{[ 11 ]}

En un proceso fotoquímico , la luz solar se utiliza directamente para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Dado que el espectro de absorción del agua no se superpone con el espectro de emisión del sol, no puede producirse la disociación directa del agua; es necesario utilizar un fotosensibilizador. Se han desarrollado varios catalizadores de este tipo como prueba de concepto , pero aún no se han escalado para uso comercial; sin embargo, su relativa simplicidad ofrece la ventaja de un menor coste potencial y una mayor eficiencia de conversión de energía . ^{[ 7 ] [ 12 ]} Una de estas pruebas de concepto es la "hoja artificial" desarrollada por Nocera y colaboradores: una combinación de catalizadores a base de óxido metálico y una célula solar semiconductora produce hidrógeno al ser iluminada, con oxígeno como único subproducto. ^{[ 13 ]}

En un proceso fotobiológico , el hidrógeno se produce utilizando microorganismos fotosintéticos ( microalgas verdes y cianobacterias ) en fotobiorreactores . Algunos de estos organismos producen hidrógeno al cambiar las condiciones de cultivo ; por ejemplo, Chlamydomonas reinhardtii produce hidrógeno anaeróbicamente bajo privación de azufre , es decir, cuando las células se transfieren de un medio de crecimiento a otro que no contiene azufre y se cultivan sin acceso al oxígeno atmosférico. ^{[ 14 ]} Otro enfoque fue abolir la actividad de la enzima hidrogenasa oxidante (captadora) de hidrógeno en la cianobacteria diazotrófica Nostoc punctiforme , para que no consumiera el hidrógeno que es producido naturalmente por la enzima nitrogenasa en condiciones de fijación de nitrógeno . ^{[ 15 ]} Este mutante de N. punctiforme podría entonces producir hidrógeno cuando se ilumina con luz visible .

Otra cianobacteria mutante , Synechocystis , utiliza genes de la bacteria Rubrivivax gelatinosus CBS para producir hidrógeno. La bacteria CBS produce hidrógeno mediante la oxidación del monóxido de carbono. Los investigadores trabajan para implementar estos genes en Synechocystis. Si se logran aplicar, superar los problemas de inhibición por oxígeno en la producción de hidrógeno requerirá cierto esfuerzo, pero se estima que este proceso podría alcanzar hasta un 10 % de captura de energía solar. Esto convierte a la investigación fotobiológica en una rama muy interesante y prometedora de las exploraciones para la producción de hidrógeno. Sin embargo, aún existen muchos problemas para superar la naturaleza a corto plazo de la producción de hidrógeno por algas, y la investigación se encuentra en sus primeras etapas. No obstante, esta investigación ofrece una vía viable para industrializar estos procesos renovables y respetuosos con el medio ambiente. ^{[ 16 ]}

En el proceso termoquímico solar ^{[ 17 ]} , el agua se divide en hidrógeno y oxígeno utilizando calor solar directo, en lugar de electricidad, dentro de un reactor solar de alta temperatura ^{[ 18 ]} que recibe un flujo solar altamente concentrado de un campo solar de heliostatos que enfocan la luz solar altamente concentrada en el reactor.

Las dos rutas más prometedoras son el ciclo de óxido de cerio en dos etapas y el ciclo híbrido de cobre-cloro . Para el ciclo de óxido de cerio, el primer paso consiste en despojar al CeO₃ _{de su forma original} y convertirlo en _Ce₂O₃ a más de 1400 °C. Tras la reducción térmica del óxido metálico, se produce hidrógeno mediante hidrólisis a unos 800 °C. ^{[ 19 ] [ 20 ]} El ciclo de cloruro de cobre requiere una temperatura más baja (~500 °C), lo que lo hace más eficiente, pero también contiene más etapas y es más complejo que el ciclo de óxido de cerio. ^{[ 19 ]}

Debido a que la producción de hidrógeno requiere un rendimiento continuo, el proceso termoquímico solar incluye almacenamiento de energía térmica . ^{[ 21 ]} Otro método termoquímico utiliza el reformado solar de metano, un proceso que reproduce el proceso tradicional de reformado de combustibles fósiles pero sustituye el calor solar. ^{[ 22 ]}

En una publicación de noviembre de 2021 en Nature , Aldo Steinfeld de la universidad tecnológica suiza ETH Zurich informó sobre una fotosíntesis artificial donde el dióxido de carbono y el vapor de agua absorbidos del aire se hacen pasar sobre un catalizador de óxido de cerio calentado por energía solar concentrada para producir hidrógeno y monóxido de carbono, transformados a través del proceso Fischer-Tropsch en hidrocarburos complejos que forman metanol , un combustible líquido . A escala podría producir los 414 mil millones L (414 millones m ³ ) de combustible de aviación utilizados en 2019 con una superficie de 45 000 km ² (17 000 mi sq): 0,5 % del desierto del Sahara . ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Uno de los autores, Philipp Furler, dirige al especialista Synhelion , que en 2022 estaba construyendo una instalación de producción de combustible solar en Jülich , al oeste de Colonia , antes de otra en España. ^{[ 26 ]} Swiss International Air Lines , parte del Grupo Lufthansa , debería convertirse en su primer cliente en 2023. ^{[ 26 ]}

El dióxido de carbono (CO₂ ₎ puede reducirse a monóxido de carbono (CO) y otros compuestos más reducidos, como el metano , utilizando los fotocatalizadores adecuados. Un ejemplo temprano fue el uso de cloruro de tris(bipiridina)rutenio(II) (Ru(bipy) _{₃Cl₂ )} y cloruro de cobalto (CoCl₂ ₎ para la reducción de CO₂ _a CO. ^{[ 27 ]} En los últimos años se han encontrado muchos catalizadores nuevos para reducir el CO₂ _a CO, después de lo cual el CO podría usarse para producir hidrocarburos utilizando, por ejemplo, el proceso Fischer-Tropsch . El sistema más prometedor para la reducción de _CO₂ mediante energía solar es la combinación de una celda fotovoltaica con una celda electroquímica (PV+EC). ^{[ 28 ] [ 29 ]} Utilizando procesos impulsados ​​por energía solar, el CO₂ _también puede convertirse en otros productos como formiato y alcoholes. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Para la celda fotovoltaica se ha utilizado la celda solar GaInP/GaAs/Ge de alta eficiencia, pero se pueden emplear muchas otras arquitecturas fotovoltaicas conectadas en serie y/o en tándem (de múltiples uniones) para suministrar la tensión y la densidad de corriente necesarias para impulsar las reacciones de reducción de _CO₂ y proporcionar un flujo de salida de producto razonable. ^{[ 32 ]} Las celdas/paneles solares se pueden colocar en contacto directo con el/los electrolizador/es, lo que puede aportar ventajas en términos de compacidad del sistema y gestión térmica de ambas tecnologías, ^{[ 32 ]} o por separado, por ejemplo, colocando el sistema fotovoltaico al aire libre expuesto a la luz solar y los sistemas electroquímicos protegidos en interiores. ^{[ 33 ]}

La celda electroquímica con mejor rendimiento en la actualidad es la celda de flujo con electrodo de difusión de gas (GED). En ella, el CO₂ _reacciona con nanopartículas de Ag para producir CO. Se han alcanzado eficiencias de conversión de energía solar a CO de hasta el 19 %, con una pérdida mínima de actividad después de 20 horas. ^{[ 29 ]}

El CO también puede producirse sin catalizador mediante la disociación de CO₂ impulsada por _plasma de microondas . Este proceso es relativamente eficiente, con una eficiencia de conversión de electricidad a CO de hasta el 50%, pero con una baja conversión de alrededor del 10%. Estas bajas conversiones no son ideales, ya que el CO y el CO₂ _son difíciles de separar a gran escala de manera eficiente. La gran ventaja de este proceso es que puede encenderse y apagarse con bastante rapidez y no utiliza materiales escasos. El plasma (débilmente ionizado) se produce mediante microondas , las cuales pueden acelerar los electrones libres en el plasma. Estos electrones interactúan con el CO₂, _lo que excita vibracionalmente el CO₂ _, lo que lleva a la disociación del CO₂ _en CO. La excitación y la disociación ocurren lo suficientemente rápido como para que solo una pequeña parte de la energía se convierta en calor, lo que mantiene la eficiencia alta. La disociación también produce un radical de oxígeno , que reacciona con el CO₂ _para formar CO y _O₂ . ^{[ 34 ]}

También en este caso, se ha explorado el uso de microorganismos. Mediante técnicas de ingeniería genética y biología sintética , se pueden introducir partes o la totalidad de las vías metabólicas productoras de biocombustibles en organismos fotosintéticos. Un ejemplo es la producción de 1-butanol en Synechococcus elongatus utilizando enzimas de Clostridium acetobutylicum , Escherichia coli y Treponema denticola . ^{[ 35 ]} Un ejemplo de una instalación de investigación a gran escala que explora este tipo de producción de biocombustibles es el AlgaePARC en la Universidad y Centro de Investigación de Wageningen , Países Bajos .

Las sustancias ricas en hidrógeno, como el amoníaco y la hidracina, son excelentes para almacenar hidrógeno. Esto se debe a su densidad energética; en el caso del amoníaco, es al menos 1,3 veces mayor que la del hidrógeno líquido. ^{[ 36 ]} La hidracina tiene una densidad energética casi el doble que el hidrógeno líquido; sin embargo, una desventaja es que se requiere dilución para su uso en pilas de combustible de hidracina directa, lo que reduce la potencia total que se puede obtener de esta pila. Además de su alta densidad volumétrica, el amoníaco y la hidracina hidratada tienen una baja inflamabilidad, lo que los hace superiores al hidrógeno al reducir los costos de almacenamiento y transporte. ^{[ 37 ]}

Las pilas de combustible de amoníaco directo se investigan precisamente por esta razón, y nuevos estudios presentaron una nueva pila de combustible y síntesis de amoníaco integrada basada en energía solar. La base solar proviene del exceso de energía solar que se utiliza para sintetizar amoníaco. Esto se hace utilizando una celda electrolítica de amoníaco (AEC) en combinación con una pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Cuando se produce una caída en la energía solar, una pila de combustible de amoníaco directo entra en acción proporcionando la energía faltante. Esta investigación reciente (2020) es un claro ejemplo de uso eficiente de la energía, que se realiza esencialmente mediante el almacenamiento temporal y el uso de amoníaco como combustible. El almacenamiento de energía en amoníaco no se degrada con el tiempo, como ocurre con las baterías y los volantes de inercia . Esto proporciona almacenamiento de energía a largo plazo. Esta forma compacta de energía tiene la ventaja adicional de que el exceso de energía se puede transportar fácilmente a otros lugares. ^{[ 9 ]} Esto debe hacerse con altas medidas de seguridad debido a la toxicidad del amoníaco para los humanos. Es necesario realizar más investigaciones para complementar este sistema con energía eólica y centrales hidroeléctricas, creando así un sistema híbrido que limite las interrupciones en el suministro eléctrico. También es preciso investigar el desempeño económico del sistema propuesto. Algunos científicos vislumbran una nueva economía del amoníaco, similar a la del petróleo, pero con la enorme ventaja de contar con energía inagotable y libre de carbono. ^{[ 38 ]} Este amoníaco verde se considera un combustible potencial para buques de gran tamaño. El astillero surcoreano DSME planea comercializar estos buques para 2025. ^{[ 39 ]}

Otra forma de almacenar energía es mediante el uso de hidracina . Esta molécula está relacionada con el amoníaco y tiene el potencial de ser igual de útil. Se puede crear a partir de amoníaco y peróxido de hidrógeno o mediante oxidaciones basadas en cloro . ^{[ 40 ]} Esto la convierte en un combustible de almacenamiento de energía aún más denso. La desventaja de la hidracina es que es muy tóxica y que reacciona con el oxígeno de forma bastante violenta. Esto la convierte en un combustible ideal para áreas con bajo contenido de oxígeno, como el espacio. Los satélites Iridium NEXT lanzados recientemente tienen hidracina como fuente de energía. ^{[ 41 ]} Sin embargo, a pesar de su toxicidad, este combustible tiene un gran potencial, ya que se pueden aumentar las medidas de seguridad lo suficiente como para transportar y convertir la hidracina de forma segura en hidrógeno y amoníaco. Los investigadores descubrieron una forma de descomponer la hidracina con un sistema de fotocatálisis que funciona en toda la región de la luz visible. Esto significa que la luz solar no solo se puede utilizar para producir hidracina, sino también para producir hidrógeno a partir de este combustible. La descomposición de la hidrazina se realiza con una bicapa pn compuesta de fullereno (C60 ₎ , también conocido como "buckeyballs", que es un semiconductor de tipo n , y ftalocianina de zinc (ZnPc), que es un semiconductor de tipo p, creando un sistema de fotocatálisis orgánica. Este sistema utiliza irradiación de luz visible para excitar electrones hacia el semiconductor de tipo n, creando una corriente eléctrica. Los huecos creados en el semiconductor de tipo p son forzados hacia la parte denominada Nafion del dispositivo, que oxida la hidrazina a gas nitrógeno e iones de hidrógeno disueltos. Esto se realiza en el primer compartimento de la celda de combustible. Los iones de hidrógeno viajan a través de un puente salino a otro compartimento para ser reducidos a gas hidrógeno por los electrones, obtenidos por la interacción con la luz, del primer compartimento. De esta manera se crea hidrógeno, que puede utilizarse en celdas de combustible. ^{[ 42 ]} Estos estudios prometedores muestran que la hidrazina es un combustible solar que tiene un gran potencial para ser muy útil en la transición energética .

Un enfoque diferente a la hidracina son las celdas de combustible directas. Los conceptos para estas celdas se han desarrollado desde la década de 1960. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Estudios recientes proporcionan celdas de combustible de hidracina directas mucho mejores, por ejemplo con el uso de peróxido de hidrógeno como oxidante. Hacer que el ánodo sea básico y el cátodo ácido aumentó mucho la densidad de potencia, mostrando picos altos de alrededor de 1 W/cm ² a una temperatura de 80 grados Celsius. Como se mencionó anteriormente, la principal debilidad de las celdas de combustible de hidracina directas es la alta toxicidad de la hidracina y sus derivados. ^{[ 37 ]} Sin embargo, la hidracina hidratada, que es un líquido similar al agua, mantiene la alta densidad de hidrógeno y se puede almacenar y transportar de forma segura utilizando la infraestructura de combustible existente. ^{[ 45 ]} Los investigadores también buscan celdas de combustible autoalimentadas que involucren hidracina. Estas celdas de combustible utilizan la hidracina de dos maneras, es decir, como combustible para una celda de combustible directa y como objetivo de división. Esto significa que solo se necesita hidracina para producir hidrógeno con esta pila de combustible, por lo que no se requiere energía externa. Esto se logra mediante el uso de nanohojas de sulfuro de cobalto dopadas con hierro. El dopaje con hierro disminuye los cambios de energía libre de la adsorción de hidrógeno y la deshidrogenación de la hidracina. Este método tiene una estabilidad de 20 horas y una eficiencia faradaica del 98 % , comparable con las mejores afirmaciones reportadas para celdas autogeneradoras de hidrógeno. ^{[ 46 ]}

• Electrólisis del agua para la producción de hidrógeno combinada con energía solar fotovoltaica utilizando electrolizadores alcalinos , PEM y SOEC ; ^{[ 47 ]} Este uso básico de la energía eléctrica generada por la luz solar para separar el agua en hidrógeno y oxígeno ha demostrado ser un poco más eficiente que, por ejemplo, la captura de hidrógeno por reformado con vapor. La tecnología de producción alcalina de hidrógeno tiene bajos costos y se considera madura. Esto tiene como consecuencia que el rendimiento por unidad de tiempo es significativamente mayor que cuando se utiliza la tecnología PEM. Sin embargo, la tecnología PEM no tiene problemas de corrosión y es más eficiente, mientras que la tecnología de producción alcalina tiene la desventaja de la corrosión y una menor eficiencia. ^{[ 48 ]} Además de eso, la tecnología PEM tiene un arranque rápido y un mantenimiento sencillo. Aunque, en la producción a gran escala, la tecnología de producción de hidrógeno alcalina es superior. ^{[ 49 ]}
• Heliogen afirma haber tenido éxito en el uso de heliostatos solares que dirigen la luz solar hacia una torre para alcanzar temperaturas superiores a 1000 °C en la producción de hidrógeno. ^{[ 50 ]} Temperaturas superiores a 2500 °C pueden separar termoquímicamente el agua en hidrógeno y oxígeno sin necesidad de electricidad. Esto se puede lograr utilizando el calor de centrales nucleares o mediante campos de espejos solares adaptativos que redirigen la luz solar para alcanzar las altas temperaturas necesarias para estos procesos termoquímicos. Sin embargo, esta forma de producir hidrógeno está en sus inicios y aún no se ha demostrado que sea rentable y eficiente, ya que debe competir con otras tecnologías más maduras. ^{[ 19 ] [ 51 ]}

• Combustible neutro en carbono
• Descomposición fotocatalítica del agua
• energía renovable
• Química solar
• Ciclo de energía solar-hidrógeno