Producción de hidrógeno de bajo costo a partir de luz y agua

Investigadores de Stanford publican en Science nuevos materiales que pueden contribuir a reducir el costo de producir combustible con energía solar

Aumentando la resistencia de un material solar fotovoltaico, es posible que los investigadores hayan encontrado una forma de lograr que la fotosíntesis artificial —es decir, usar la luz del sol para fabricar combustible— sea lo suficientemente barata como para poder competir con los combustibles fósiles.

Si quieres hidrógeno para dar energía a un motor o una pila de combustible, es mucho más barato conseguirlo del gas natural que dividiendo moléculas de agua. Sin embargo, según el departamento de Energía de Estados Unidos, la energía solar podría competir con el gas natural como método para producir hidrógeno si los procesos solares tuvieran una eficiencia de entre el 15% y el 25%. A pesar de que eso es el doble de lo que se logra con los métodos actuales, hace poco investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) han desarrollado materiales que podrían servir para alcanzar ese objetivo. El trabajo se describe en la revista Science.

Una forma de fabricar hidrógeno mediante la luz del Sol es usar un panel solar para producir electricidad y después usar esa electricidad para poner en marcha un electrolizador comercial que divide el agua, dando lugar a hidrógeno y oxígeno. Combinar el panel solar y el electrolizador en un único dispositivo podría ser más barato y más eficiente. Los electrones que se producen cuando la luz choca contra un material fotovoltaico servirían para facilitar las reacciones químicas, y el costo de capital de una sola máquina seguro que sería menor que el de dos [1] [2].

Desde hace algún tiempo, los investigadores saben que se podría alcanzar una eficiencia del 15%-25% si se combinan dos materiales de célula solar en un sistema de estas características. Una célula solar dará energía a la mitad de la reacción para dividir el agua, formando hidrógeno. La otra podría formar oxígeno.

La parte del hidrógeno ya está bastante resuelta, pero los investigadores han tenido problemas con la del oxígeno. Los materiales más eficientes para esta reacción (el silicio, por ejemplo) se oxidan rápidamente. Los investigadores de Stanford han descubierto que pueden conseguir que el silicio dure días y no sólo unas horas sin oxidar si lo cubren con una capa protectora de zinc de apenas medio milímetro. Así, los materiales dividieron moléculas de agua durante tres días antes de que los investigadores detuvieran el experimento para examinarlos en busca de daños. No hallaron ninguno.

Otros materiales, como los óxidos de metal por ejemplo, pueden durar el mismo tiempo pero dividen el agua muy despacio. Los nuevos materiales son un orden de magnitud más rápidos, según el investigador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables en Golden, Colorado (EEUU), John Turner. «Más de 40 años de trabajo con óxidos no han dado lugar a resultados como estos», afirma.

Aún puede pasar un tiempo antes de que los materiales se usen en la producción comercial de hidrógeno. Para lograr las eficiencias necesarias, todavía hay que incorporar los materiales en un sistema que usa dos células solares. Y una gran duda aún por resolver es cuánto durarán estos materiales. Para resultar económico, el sistema tendría que poder funcionar al menos durante cinco años, según Turner.

Una ‘hoja artificial’ más verde

Un nuevo dispositivo ofrece ventajas distintivas sobre los anteriores intentos de mejorar la fotosíntesis natural

La fotosíntesis, la forma natural de convertir la luz del sol en combustible, ocurre a nuestro alrededor, desde las hojas de un árbol hasta la más pequeña brizna de hierba. Sin embargo, encontrar una manera de imitar esta habilidad de forma barata y eficiente ha confundido a los ingenieros durante décadas.

En la actualidad, los investigadores han dado un paso adelante hacia la consecución de esta difícil hazaña, gracias a un dispositivo que resulta aún más eficiente que la fotosíntesis natural y depende de materiales abundantes y de bajo coste.

Las células solares convencionales producen electricidad cuando un material fotovoltaico es expuesto a la luz. El nuevo dispositivo da un paso más, usando la electricidad resultante de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que puede ser almacenada y utilizada para generar electricidad a través de una célula de combustible.

El nuevo dispositivo aún está en su fase inicial de desarrollo de laboratorio, y siguen existiendo retos importantes antes de que pueda ser comercializado.

Daniel Nocera, profesor en el MIT, reveló los detalles preliminares del dispositivo, al que él se refiere como la primera «hoja artificial» práctica, en la reunión nacional de la Sociedad Química Americana en California el 27 de marzo. El dispositivo combina una célula solar ya disponible en el mercado con un par de catalizadores de bajo coste de cobalto y níquel que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. Utilizando este enfoque, un panel solar de aproximadamente un metro cuadrado, bañado en agua, podría producir hidrógeno suficiente para abastecer una casa en un país en desarrollo con electricidad para el día y la noche, afirma Nocera.

Usando una célula solar de película delgada de silicio capaz de convertir la energía en luz con una eficiencia del 7 por ciento, Nocera asegura que su grupo logró un cinco por ciento de eficiencia en la conversión de la luz solar en hidrógeno. La fotosíntesis natural tiene una eficiencia menor al 1 por ciento en la conversión de luz solar en energía.

El dispositivo no es el primero en tratar de mejorar la fotosíntesis natural. Sin embargo, sí ofrece claras ventajas sobre los dispositivos anteriores, que o bien utilizan costosos catalizadores de metales preciosos para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o realizan la división de agua indirectamente con un dispositivo independiente, que es menos eficiente y más costoso.

El dispositivo de Nocera es el primero en usar materiales de catalizador baratos y abundantes incorporados a una célula solar. «Tenemos un trozo de silicio cubierto con catalizadores que se puede poner en un vaso de agua, y comienza a dividir el agua en hidrógeno y oxígeno», explica.

El dispositivo es posible gracias a diversos avances recientes. En primer lugar, Nocera desarrolló un catalizador de cobalto capaz de separar el oxígeno del agua en 2008, aunque el catalizador no podía aplicarse directamente al silicio, ya que podría bloquear la luz solar entrante. Para su nuevo dispositivo, Nocera aplicó una capa delgada de cobalto al silicio que bloquea sólo del 2 al 3 por ciento de la luz entrante. Antes de aplicar el catalizador, recubrió el silicio con una fina membrana que lo protege de la oxidación, pero permite que la corriente eléctrica pase a través de él.

Una iniciativa de fotosíntesis artificial echa raíces

Un centro de innovación valorado en 122 millones de dólares (93 millones de euros) podría acelerar el desarrollo de dispositivos para la fabricación de combustible a partir de agua y luz solar

Al tiempo que se produce un acalorado debate sobre el papel del Gobierno de Estados Unidos en la financiación de la innovación energética, provocado por los prominentes fracasos de compañías con respaldo gubernamental como Solyndra y A123 Systems, una estrategia de inversión federal en tecnología limpia menos controvertida ha estado funcionando a buen ritmo y de forma discreta, consiguiendo un apoyo bipartidista. Los llamados centros de innovación, es decir, centros multidisciplinarios de investigación diseñados para emular los a legendarios Laboratorios Bell mediante la combinación de investigación científica con tecnología aplicada, han logrado obtener financiación continua del Gobierno incluso en una época en la que el Congreso de EE.UU. trabaja para recortar el presupuesto federal total.

Dos años después de obtener financiación por primera vez, uno de los centros actuales, una iniciativa de Caltech (Instituto de Tecnología de California, en EE.UU.) centrada en el uso de luz solar para producir combustibles líquidos, afirma haber conseguido un progreso sustancial hacia dispositivos capaces de convertir la luz del sol y el agua en oxígeno e hidrógeno. Este podría utilizarse para proporcionar energía a un automóvil o generar electricidad de acuerdo a la demanda. Con el tiempo, los investigadores esperan poder combinar el hidrógeno con el carbono del dióxido de carbono para producir combustibles líquidos similares a la gasolina o el diésel.

Los investigadores han estado persiguiendo lo que se conoce como fotosíntesis artificial durante décadas. El progreso ha sido lento, y hacer que el proceso sea económico a gran escala sigue siendo un objetivo aparentemente distante. El nuevo centro de innovación, que recibiría 122 millones de dólares (93 millones de euros) a lo largo de cinco años, planea acelerar esta investigación, reuniendo a un gran número de expertos en diferentes áreas, entre ellas la catálisis, la óptica y la tecnología de membranas.

Para acelerar el descubrimiento de materiales, los investigadores del centro Caltech, que colaboran con investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley (EE.UU.) y con más de 20 centros de investigación distintos, han desarrollado un proceso de impresión por chorro de tinta capaz de generar millones de variaciones ligeramente diferentes de prometedores catalizadores. Cada muestra puede llegar a ser tan pequeña como el píxel de una pantalla. También están desarrollando equipos capaces de poner a prueba rápidamente la actividad de cada catalizador. «Acelerará radicalmente el ritmo de descubrimiento de electrocatalizadores y fotocatalizadores para pasar de tener solo algunos candidatos al año a tener varios cada pocos milisegundos, produciendo miles de millones al día», señala Nate Lewis, director del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial.

Al mismo tiempo, el centro ha instalado impresoras avanzadas en 3D capaces de crear prototipos de dispositivos para albergar los materiales absorbentes de luz y los catalizadores, aplicarles agua y separar y recoger el hidrógeno y el oxígeno. Hasta ahora, los investigadores han construido dos prototipos de este tipo capaces de producir combustible a partir de la luz solar, aunque aún no económicamente. El plan es poseer por lo menos cuatro o cinco versiones diferentes de los dispositivos, cada una con distintas fortalezas y debilidades. Los investigadores quieren tener múltiples versiones, ya que no se puede predecir dónde se producirá el siguiente avance en materiales.

La idea de desarrollar nuevas tecnologías energéticas en los centros de innovación es muy diferente del enfoque de ayudar a las empresas a aumentar su producción a través de subvenciones o garantías de préstamo, tal y como hizo el Departamento de Energía de EE.UU. en el caso del A123 y Solyndra. También es muy distinto de financiar proyectos de investigación a través del programa ARPA-E, cuyo objetivo es conseguir avances específicos a un laboratorio o empresa, como el descubrimiento de un nuevo material prometedor, y demostrar su potencial en tres años, por ejemplo, mediante la construcción de una batería funcional con ese material.

Los centros de innovación reúnen a investigadores de diferentes grupos con el objetivo de crear grandes avances para problemas en los que se lleva trabajando desde hace tiempo. Trabajan a muchos niveles diferentes, haciendo de todo, desde descubrir nuevos materiales y estudiar cuidadosamente la forma en que funcionan, así como diseñar y construir dispositivos que podrían utilizar dichos materiales. Mientras ARPA-E otorga subvenciones a cada proyecto valoradas en unos pocos millones de dólares, está previsto que cada centro de innovación reciba más de cien millones de dólares en cinco años como reconocimiento de la gran escala de los problemas que abordan.

Hasta el momento han sido financiados cinco centros, pero la financiación a lo largo de cinco años no está garantizada. El dinero tiene que ser asignado cada año y el presupuesto para el próximo no ha sido aprobado. Aunque los correspondientes comités del Senado y la Cámara de Representantes apoyan la financiación continua durante cinco años, el Congreso se enfrenta a una creciente presión por encontrar partidas donde recortar gastos.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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