Energía solar concentrada aplicada a la producción de hidrógeno (1ª parte)

[Carolina Herradón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

Existen tres tipos de procesos, y sus combinaciones, para producir hidrógeno a partir de la energía solar: electroquímicos, fotoquímicos y termoquímicos.

Los procesos electroquímicos se basan en la irradiación con energía solar de la celda electroquímica para proporcionar la energía eléctrica necesaria para llevar a cabo la transformación química que dará lugar a la producción de hidrógeno. En el caso de los procesos fotoquímicos se aprovecha la luz de la propia radiación solar para llevar a cabo el proceso redox que dará lugar a la producción de hidrógeno. Por último, los procesos termoquímicos utilizan la radiación solar concentrada cómo fuente de energía en el tratamiento térmico de materiales a elevada temperatura para llevar a cabo una transformación química endotérmica en la que se reduce  el material que posteriormente participa en la hidrólisis de la molécula de agua liberando hidrógeno (Steinfeld y col. 2010).

La concentración de la luz solar se consigue mediante dispositivos ópticos que reciben el nombre genérico de colectores de concentración. Estos colectores constan de un receptor y del concentrador propiamente dicho. La luz incide sobre el concentrador y es reflejada hacia el receptor, que es el elemento del sistema donde la radiación se absorbe y se convierte en otro tipo de energía, en general energía térmica o química.

Figura 1. Esquema de un sistema de concentración solar de tipo disco parabólico.

Los reactores termoquímicos para producir hidrógeno utilizan normalmente receptores tipo cavidad, en los que la radiación solar concentrada entra por una pequeña abertura y sufre múltiples reflexiones antes de ser absorbida. A temperaturas alrededor de  1000 K, la energía neta absorbida se ve afectada principalmente por las pérdidas de radiación a través de la abertura. Sin embargo en los últimos años se han realizado progresos significativos en el desarrollo de sistemas ópticos para concentración solar a gran escala, capaces de desarrollar relaciones de concentración solar correspondientes a temperaturas superiores a 3000 K, en estado estacionario, que permiten la conversión de energía solar a energía térmica a temperaturas del orden de 2000 K y superiores.

Uno de los candidatos más favorables entre los óxidos metálicos propuestos para su empleo en ciclos de dos etapas es el par ZnO/Zn. De hecho, se han llevado a cabo múltiples ensayos preliminares de disociación de ZnO en hornos solares (Steinfeld y col. 2005). En la figura 2 se muestra un esquema del concepto de un reactor químico solar diseñado por Haueter y col. (1999), que muestra un receptor tipo cavidad rotatoria cubierto por partículas de ZnO que se mantienen por una fuerza centrífuga. Con esta disposición, el ZnO está expuesto directamente a un alto flujo de radiación solar y actúa simultáneamente como absorbedor de radiación, aislante térmico y reactivo químico. Los ensayos solares llevados a cabo mostraron la baja inercia térmica del reactor (la superficie de ZnO alcanzaba una temperatura de 2000 K en 2 segundos) y su resistencia a los choques térmicos.

Figura 2.  Esquema de un reactor solar de “cavidad rotatoria” para la disociación térmica de ZnO a 2300 K cómo parte de un ciclo termoquímico de dos etapas para termólisis de la molécula de agua. (Fuente: Instituto Paul Scherrer, Suiza).