Fuente: sec.ucf.edu
El uso de energía solar para producir hidrógeno se puede realizar mediante dos procesos: electrólisis del agua utilizando electricidad generada por energía solar y separación directa del agua solar. Al considerar la electricidad generada por energía solar, casi todo el mundo habla de electrólisis fotovoltaica. El proceso funciona. De hecho, se demostró por primera vez en el Centro de Energía Solar de Florida en 1983 con financiación del Centro Espacial Kennedy de la NASA. Aunque tecnológicamente factible, aún no es económicamente viable. Además del costo, está la pregunta de por qué usar electricidad, un portador de energía muy eficiente, para generar hidrógeno, otro portador de energía, y luego convertirlo nuevamente en electricidad para su uso. En otras palabras, la electricidad es tan valiosa como la electricidad, nuestro portador de energía más deseable, que es posible que no queramos utilizarla para nada más que eso. Esto es especialmente cierto si la electricidad se obtiene a partir de energía fotovoltaica. La energía fotovoltaica como fuente de energía coincide con la carga máxima de aire acondicionado de los servicios públicos de la nación &. Es mucho mejor usar la electricidad fotovoltaica como electricidad, ya que es demasiado derrochador usarla de otra manera.
¿Cuándo tendrá sentido producir hidrógeno a partir de electricidad generada por la energía solar? La respuesta es que querremos producir hidrógeno en cualquier momento en que no se pueda usar la electricidad, fuera del pico en áreas remotas y durante variaciones estacionales. El hidrógeno de la energía eólica, hidráulica, geotérmica o de cualquier otra forma de electricidad generada por energía solar es valioso cuando el recurso no coincide con el perfil de carga de la red eléctrica.
Si la electricidad solar a través de la celda de combustible de electrólisis fotovoltaica no tiene sentido, ¿qué pasa con el hidrógeno electrolítico fotovoltaico? De hecho, la mayor parte de la discusión sobre la electrólisis fotovoltaica se refiere a la producción de hidrógeno para su uso como combustible de automoción. Una vez más, este escenario no parece viable. Considere el caso de una estación de abastecimiento de hidrógeno que dispensa 1,000 galones de gasolina por día, aproximadamente la mitad del promedio nacional. Tenga en cuenta que un galón de gasolina contiene aproximadamente la misma cantidad de energía que un kilogramo (kg) de hidrógeno. Por tanto, una estación de servicio requerirá unos 1.000 kg de hidrógeno al día. Usando el valor calorífico más bajo del hidrógeno, la energía eléctrica necesaria para generar un kg de hidrógeno es de 51 kWh (usando una eficiencia del electrolizador del 65%). Esto significa que 1.000 kg / día de hidrógeno requerirán 51.000 kWh por día de electricidad. La cantidad de energía fotovoltaica necesaria para suministrar 51.000 kWh se puede estimar dividiendo los kWh por 5 horas / día. Por lo tanto, se necesitarán 10.200 kWp o 10,2 megavatios de energía fotovoltaica para operar una estación de abastecimiento de hidrógeno de 1000 kg / día. Tenga en cuenta que 1 kWp requiere aproximadamente 10 metros cuadrados de área para fotovoltaica con una eficiencia del 10%.
La segunda categoría, la división solar directa del agua, se refiere a cualquier proceso en el que la energía solar se utiliza directamente para producir hidrógeno a partir del agua sin pasar por el paso intermedio de electrólisis. Ejemplos incluyen:
División fotoelectroquímica del agua: esta técnica utiliza electrodos semiconductores en una celda fotoelectroquímica para convertir la energía luminosa en energía química de hidrógeno. Básicamente, existen dos tipos de sistemas fotoelectroquímicos: uno que utiliza semiconductores o tintes y otro que utiliza complejos metálicos disueltos.
fotobiológicos: implican la generación de hidrógeno a partir de sistemas biológicos que utilizan la luz solar. Ciertas algas y bacterias pueden producir hidrógeno en condiciones adecuadas. Los pigmentos de las algas absorben la energía solar y las enzimas de la célula actúan como catalizadores para dividir el agua en sus componentes de hidrógeno y oxígeno.
Ciclos termoquímicos de alta temperatura: estos ciclos utilizan el calor solar para producir hidrógeno mediante la división del agua mediante pasos termoquímicos.
Gasificación de biomasa: utiliza calor para convertir la biomasa en un gas sintético rico en hidrógeno.
Los procesos fotoelectroquímicos y fotobiológicos son los que deben desarrollarse para cumplir con los requerimientos energéticos a largo plazo. Hoy en día, los sistemas de&tienen una eficiencia de menos del 1 por ciento (de energía solar a hidrógeno) y necesitan alcanzar eficiencias mucho más altas para ser económicos. Además, no hay instalaciones a gran escala de ninguna de las dos tecnologías.
Los ciclos termoquímicos de alta temperatura pueden alcanzar eficiencias excelentes (superiores al 40 por ciento), pero deben utilizar receptores / reactores solares concentrados capaces de alcanzar temperaturas superiores a 800º C. Existe una gran variedad de ciclos termoquímicos que se han estudiado. (Véase Producción de hidrógeno mediante ciclos de separación de agua termoquímicos solares).
La gasificación de biomasa utiliza calor para convertir la biomasa (madera, pastos o desechos agrícolas) en un gas sintético. La composición de los gases depende del tipo de materia prima, la presencia de oxígeno, la temperatura de reacción y otros parámetros. Los gasificadores de biomasa se han desarrollado como reactores de lecho fijo, lecho fluidizado y lecho arrastrado.
