Aplicación de la energía solar a ciclos termoquímicos

Autor: [Alfonso Vidal Delgado-CIEMAT]

1. LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO

Desde el punto de vista medioambiental, la combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisión de gases de efecto invernadero. Uno de los mayores factores de contaminación se encuentra en el sector transporte y la mayor preocupación en los paises industrializados está centrada en encontrar opciones viables al vigente sistema de transporte.

En efecto, el transporte, representa más del 30% del total de consumo de energía y depende de un 98% de los combustibles fósiles; este sector es la principal causa del incumplimiento de los objetivos y compromisos del Protocolo de Kyoto. Ademas, el  transporte representa una fuente de emisiones móvil, aspecto que obliga a un tratamiento distinto de reducción de emisiones con respecto a las procedentes de la generación de energía, donde la estaticidad de la fuente posibilita tratamientos menos costosos.

Una de las respuestas a este problema es el uso de hidrógeno como fuente de energía y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. Esta propuesta reduciría la dependencia actual sobre los combustibles fósiles, ya que el hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las renovables o la nuclear. Igualmente se disminuiría la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero, puesto que el único residuo generado por una pila de combustible es agua. Sin embargo, la producción masiva de hidrógeno ha de ir necesariamente asociada a garantizar un prolongado desarrollo sostenible, generando este combustible sin el consumo de combustibles fósiles.

2. CICLOS TERMOQUÍMICOS

Actualmente se está investigando procesos alternativos, a los comercialmente disponibles (reformado, gasificación, etc) cuyo interés reside en garantizar una producción de este producto sin emisiones, tal es el caso de los ciclos termoquímicos. Los ciclos termoquímicos son los procesos en los que se tiene depositada toda la confianza como gran solución a medio-largo plazo para la producción masiva de H2 límpio a partir de energía solar mejorando los rendimientos alcanzados en la disociacíon electrolítica del agua (con eficiencias en el entorno del 25-30%).

 Los ciclos termoquímicos constan de una serie de reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas que tienen como objetivo la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno de forma separada (en dos etapas distintas) y no necesita temperaturas tan altas como las requeridas para el proceso de disociación térmica. Entre los más de 100 ciclos posibles que se encuentran descritos en bibliografía, merece la pena destacar los ciclos basados en óxidos metálicos cuyo esquema se resume en el diagrama siguiente: (Fig. 1):

Figura 1. Esquema general de un ciclo termoquímico basado en óxidos.

 Una de las experiencias mas prometedoras en este grupo se está realizando dentro del proyecto Europeo denominado HYDROSOL, en cuya segunda fase denominada Hydrosol-II (Solar Hydrogen via Water Splitting in Advanced Monolithic Reactors for Future Solar Power plants (HYDROSOLII) FP6-2004-ENERGY-3 – Proposal No 020030) participa CIEMAT con sus instalaciones en la Plataforma Solar de Almería.  El objetivo de esta segunda fase es la evaluación de un reactor de 100 kW en la Plataforma Solar de Almería.

Uno de los retos de HYDROSOL-II fue la integraciíin del receptor de 100 kW en una planta de torre central situada en la Plataforma Solar de Almería. Esta planta consta de campo de helióstatos formado por 91 unidades de de 39 m2 de superficie cada una. Además dspone de una torre metálica de 42 m donde se disponen varias plataformas de ensayos.  El reactor de HYDROSOL se compone de dos cámaras de reacción adyacentes y está soituado a 32 m de altura. El concepto HYDROSOL II prevé que estás cámaras de reacción permanezcan en posiciones fijas, mientra que los helióstatos esten periódicamente enfocando a uno u otro modulo en función de los requerimientos térmicos de cada etapa. 

 A lo largo de este año se han llevado a cabo diversas campañas de ensayos con distintos tipos de recubrimientos en los monolitos demostrando la capacidad operativa del rector HYDROSOL II con la tecnología de torre central para una producción continua de hidrogeno. Los logros alcanzados en estos proyectos, que han introducido el concepto de reactores solares monolíticos multi-canal para la generación de hidrógeno por disociación de la molécula de agua, han permitido al Consorcio obtener una nueva financiación EC (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) que lleva por título HYDROSOL 3D cuyo objetivo principal es la preparación en detalle de una planta de energía solar térmica de producción termoquímica de hidrógeno a partir de agua en una escala de 1 MW en una torre solar.

 Los socios que participan en este nuevo proyecto son el APTL (Grecia), DLR (Alemania), TOTAL (Francia), HYGEAR (Holanda) y CIEMAT. El proyecto HYDROSOL-3D se centra en el próximo paso hacia la comercialización e implica todas las actividades necesarias para preparar la construcción de una planta solar de demostración de 1 MW, basada en la tecnología-HYDROSOL.  Fig. 2 Vista del campo CRS con los helióstatos en primer término y la torre metálica.