Materiales conformados para su aplicación en la producción de hidrógeno verde en centrales termosolares

Autores: Alejandro Pérez, María Orfila, María Linares, Raúl Molina, Raúl Sanz, Javier Marugán, Juan Ángel Botas
Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos
C/ Tulipán, s/n, 28933, Móstoles, Madrid

La preocupante situación energética actual debida al constante crecimiento de la población mundial, junto con la industrialización, hacen que la demanda global de energía se incremente día a día. Esto ocasiona múltiples problemas como el aumento de las emisiones de CO2 a la atmósfera, el calentamiento global y, como consecuencia, las actuales restricciones en el uso de combustibles fósiles para tratar de reducir las emisiones de CO2. En este contexto, es imprescindible buscar alternativas energéticas que sean sostenibles y beneficiosas para el medio ambiente. Entre las múltiples opciones que se están estudiando, el hidrógeno se postula como una de las más prometedoras ya que es un vector energético neutro en carbono que puede ser obtenido de forma sostenible mediante fuentes renovables de energía, evitando así la problemática expuesta.

Aunque la molécula de hidrógeno es siempre la misma (“H2”), al no encontrarse libre en la naturaleza, en la actualidad se clasifica mediante distintos colores dependiendo de la materia prima a partir de la cual se obtiene y del proceso de obtención, pudiendo distinguirse hidrógeno gris, amarillo, azul, turquesa, rosa, verde… (Figura 1). Entre las categorías de esta clasificación, destaca el hidrógeno verde por producirse de forma sostenible y empleando fuentes de energía renovables de forma que en su producción no se emite ningún gas contaminante.


Figura 1. Clasificación de los diferentes “colores” del hidrógeno en función de su origen. Fuente: Enagás [1].

En la actualidad, el hidrógeno verde puede obtenerse mediante diferentes procesos, destacando entre ellos los ciclos termoquímicos de dos etapas para la disociación de agua en sus elementos constituyentes (hidrógeno y oxígeno), empleando óxidos metálicos no estequiométricos. En la primera etapa del proceso, el óxido metálico es reducido térmicamente y en la segunda etapa reacciona con agua para ser reoxidado y producir así el hidrógeno de forma cíclica a partir de agua. Para llevar a cabo la primera etapa del proceso (reducción térmica del óxido metálico) se necesita calentar el óxido a alta temperatura por lo que es necesario un aporte de energía que puede hacerse, por ejemplo, calentándolo empleando energía solar térmica de concentración. La temperatura requerida por la mayoría de los materiales desarrollados que aparecen reportados en la bibliografía científica es de 1000-1300 ºC por lo que se requiere el uso de centrales termosolares de torre, las cuales disponen de un campo de heliostatos que concentran la radiación solar reflejada en un punto ubicado en lo alto de una torre donde se encuentra el receptor (Figura 2).


Figura 2. Esquema del funcionamiento de una central termosolar de torre.

En el receptor de la torre es donde se encuentra ubicado el reactor en cuyo interior estará el óxido metálico a calentar. El problema reside en que estos materiales no pueden encontrarse en forma de polvo fino, que es como son sintetizados, ya que esto ocasionaría muchos problemas a la hora de absorber la radiación solar y trasmitir el calor de unas partículas de sólido a otras, o durante la difusión de los productos. Por este motivo, los óxidos metálicos a emplear en estos sistemas deben estar conformados en forma de estructuras macroscópicas que permitan mejorar todos los aspectos indicados.

Con este objetivo, investigadores del Grupo de investigación en Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) de la Universidad Rey Juan Carlos, en el marco del Programa de Actividades de I+D ACES2030-CM “Energía solar térmica de concentración en el sector del transporte y en la producción de calor y de electricidad” liderado por IMDEA Energía y financiado por la Comunidad de Madrid, han optimizado el método de síntesis de este tipo de materiales a partir de óxidos de cerio modificado con otros metales para su conformado final en forma de espumas cerámicas macroporosas. Para ello fue preciso seleccionar como plantilla una esponja de poliuretano sobre la que depositar una suspensión del óxido metálico y otros aditivos orgánicos, y finalmente calcinar el conjunto para eliminar todos los componentes orgánicos y obtener el material final conformado con una adecuada, superficie, porosidad y resistencia mecánica.

De esta forma se consiguió obtener espumas macroporosas con la dureza y porosidad adecuadas para poder evaluar su actividad en la producción de hidrógeno en un reactor químico. Estas espumas fueron probadas en múltiples ciclos consecutivos obteniéndose una producción de hidrógeno estable. Estos resultados fueron publicados en la revista International Journal of Hydrogen Energy [2], y en la Figura 3 se muestra el Graphical Abstract de esta publicación.


Figura 3. Graphical Abstract del artículo científico publicado en el International Journal of Hydrogen Energy [2].

Los resultados son de gran relevancia para la futura aplicación de este proceso a mayor escala, ya que permiten mejorar la absorción de la radiación solar debido a la porosidad abierta del material conformado en forma de espuma, lo que mejora además la transmisión de calor y la transferencia de materia en el seno del material. Esto contribuye a dar un paso más hacia la transición energética en busca de una sociedad neutra en carbono que cada día que pasa toma una mayor importancia y se hace más necesaria.

Bibliografía

1. https://goodnewenergy.enagas.es/innovadores/del-gris-al-verde-los-colores-del-hidrogeno/

2. María Orfila, Daniel Sanz, María Linares, Raúl Molina, Raúl Sanz, Javier Marugán, Juan Ángel Botas “H2 production by thermochemical water splitting with reticulated porous structures of ceria-based mixed oxide materials”, International Journal of Hydrogen Energy 46 (33), 2021, 17458-17471.

Contacto

Juan Ángel Botas, Investigador Responsable del grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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