Proyecto HIDROFERR: Desarrollo de materiales estructurales para ciclos termoquímicos

Autores: Alfonso Vidal y Diego Martínez

Según la Comisión Europea y la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible, se espera que el hidrógeno limpio desempeñe un papel clave en la descarbonización de sectores en los que otras alternativas podrían no ser viables o ser más caras. La nueva estrategia sobre el hidrógeno tiene como objetivo explorar el potencial del hidrógeno limpio para contribuir al proceso de descarbonización de la economía de la UE de forma rentable, en consonancia con el objetivo de neutralidad climática para 2050, establecido en el Pacto Verde Europeo. También debería contribuir a la recuperación de los efectos económicos del COVID-19. La estrategia explorará acciones para apoyar la producción y el uso de hidrógeno limpio, centrándose en particular en la integración del hidrógeno renovable.

El hidrógeno puede producirse a partir de muchos recursos diferentes, como la electrólisis impulsada por la energía fotovoltaica (FV), la gasificación de la biomasa, la fotosíntesis artificial o los ciclos termoquímicos. Los ciclos termoquímicos solares son procesos que ofrecen una vía rápida y eficiente para producir hidrógeno que puede utilizarse como combustible en sí mismo. Debido al uso de tecnologías térmicas solares de concentración1 (CST), y a la mayor eficiencia en la conversión de la radiación solar en calor, la eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno de una ruta termoquímica solar es la más alta de todos los posibles procesos de combustible solar (máximo teórico: 42%). Esto es un 30% más alto que la ruta de electrólisis fotovoltaica (máx. 28%) y órdenes de magnitud más altos en comparación con la conversión directa por fotosíntesis natural o artificial (≈1%). Sin embargo, aún no se ha alcanzado la máxima eficiencia de los ciclos termoquímicos y los receptores actuales sólo han logrado un 5,25% de eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno [1].

Los ciclos termoquímicos impulsados por energía solar presentan la gran ventaja de obtener hidrógeno y oxígeno de forma separada, aunque requieren condiciones muy exigentes de operación. Hacer que la tecnología sea práctica y rentable plantea retos considerables dado que involucra de manera combinada la participación de elevadas irradiancias solares, superiores a los 1000 kW/m2, y temperaturas muy elevadas, típicamente por encima de los 1000 ºC.

Uno de los principales retos consiste en seleccionar materiales capaces de soportar estas altas densidades de flujo y temperaturas durante miles de ciclos, además de mostrar una alta resistencia a la temperatura, alta resistencia a la oxidación, propiedades mecánicas, coste, etc. En la actualidad la investigación se desarrolla alrededor de materiales cerámicos, con rangos de temperatura más elevados, como la alúmina, con un punto de fusión de unos 2000 °C, el carburo de circonio, los diboruros y carburos de hafnio, tántalo y circonio, la cordierita y los compuestos SiC-AlN, el oxicarburo de silicio (SiOC) [8], la circonia endurecida con alúmina y el AlN.

Los altos requerimientos térmicos y estructurales de los receptores cerámicos sometidos a elevadas condiciones de flujo energético solar, hacen que la selección del material y su ciclado térmico condicionen la operatividad del sistema. Por lo tanto, el reto actual se centra también en el diseño de materiales cerámicos avanzados que permitan optimizar, entre otras, las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. Con el fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparación con la cerámica tradicional, un control excepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura. Asimismo, para conformar estos materiales en productos útiles, se utilizan técnicas especiales.

Figura 1. Diagrama de un Horno solar (izquierda) e interior del Horno solar de Almería de 40 kW donde se realizaran los ensayos del Proyecto  (derecha).

Sin embargo, y a pesar de los avances conseguidos hasta el momento, continúa siendo un reto la obtención de materiales cerámicos que reúnan todas las propiedades críticas necesarias para las aplicaciones propuestas en el proyecto HIDROFERR, proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación a través de la convocatoria RETOS Colaboración. El objetivo principal del proyecto HIDROFERR es desarrollar materiales para receptores solares que sean capaces de soportar estas condiciones y determinar la degradación durante la vida útil en condiciones de funcionamiento mediante procedimientos de ensayo de envejecimiento acelerado [2]. El programa de investigación involucra a un equipo multidisciplinar para el estudio de nuevos materiales que permitan avanzar en el desarrollo de esta tecnología.

Los trabajos serán realizados por tres equipos de investigadores. Por un lado la Unidad de Combustibles Solares (SF-PSA) de la Plataforma Solar de Almería (PSA) y la Unidad de Materiales (MA-PSA). El segundo equipo de investigación tiene su sede en Castellón y pertenece al Instituto de Tecnología Cerámica-Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas (ITC-AICE), vinculado a la Universidad Jaume I de Castellón.

Por último, otro actor español clave en el campo de la investigación de materiales, el Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) del CSIC realizará un asesoramiento en cuestiones clave relacionadas con la selección/diseño de los mejores materiales para fines específicos. Además, el ICV-CSIC proporcionará apoyo en la interpretación de los resultados de la caracterización de los materiales, antes y después del ciclo térmico.

Referencias

[1] P. Furler, J. R. Scheffe and A. Steinfeld, Syngas production by simultaneous splitting of H2O and CO2 via ceria redox reactions in a high-temperature solar reactor, Energy Environ. Sci. 5, 6098–6103 (2012).

[2] A. Vidal and D. Martinez, «An ageing protocol for testing high temperature solar materials for thermochemical applications,» Solar Energy Materials & Solar Cells, p. 212, (2020).

Contacto
Alfonso Vidal, Investigador del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía