Energía del futuro: fotosíntesis artificial

Energía del futuro: fotosíntesis artificial

El mercado del hidrógeno verde está comenzando a ser una realidad palpable. La disponibilidad de energías renovables, sobre todo eólica y solar de bajo coste, para su uso en procesos de electrolisis que extraen el hidrógeno del agua, se están popularizando. Sin embargo, los investigadores saben que existen otras técnicas para lograr hidrógeno verde, más limpias, energéticamente menos dependientes y muy eficientes. La consecución de una “hoja artificial” trata de imitar el proceso de fotosíntesis que realiza la naturaleza con las plantas para obtener hidrógeno con una alta eficiencia.

La energía procedente de los recursos fósiles de la tierra sigue dominando el mercado mundial del hidrógeno. Pero esta situación no durará mucho tiempo. Las fuentes alternativas de energía son cada vez más abundantes y ofrecen muchas más opciones industriales. Hasta ahora, la mayor parte del hidrógeno verde que se produce se realiza mediante electrolisis, empleando energía renovable para generar la corriente eléctrica que extrae el hidrógeno el agua.

Este proceso es una paso de gigante cara a la sostenibilidad. Sin embargo, requiere el empleo de energía renovables que actualmente también son muy demandadas por otras actividades energéticas. Es decir, dedicar energías limpias a la producción de hidrógeno reduciría su uso en otros campos. Una manera de limar esta competencia es hacer que los procesos de electrolisis sean más eficientes, pero eso no resolvería por completo el problema.

Otra forma de aliviar esta presión es desarrollar vías alternativas para producir hidrógeno verde, como es su producción a partir de materia orgánica o desechos industriales. Una fotosíntesis humana sería una nueva y poderosa herramienta para obtener hidrógeno verde alternativo. Además, proporcionaría una solución para producirlo en ubicaciones donde el desarrollo de proyectos para generar energía limpia es inviable. La Universidad de Cambridge está preparando la comercialización de una hoja artificial duradera y de bajo coste. Este dispositivo puede flotar en canales o en otros flujos de agua.

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La división fotoelectroquímica del agua (PEC) se basa en el empleo de celdas que se sumergen en una solución a base de agua y se exponen a la luz, recreando así las reacciones químicas de la fotosíntesis natural.

¿Cómo funciona una “hoja artificial”?

La división fotoelectroquímica del agua (PEC) apareció por primera vez en las publicaciones científicas en 1972. Desde entonces, las investigaciones han continuado refinando y mejorando el proceso. En 2011, el trabajo del profesor de Harvard Daniel Nocera sobre un sistema H2 sostenible, de bajo coste y alimentado por energía solar permitía el empleo de esta técnica de manera doméstica, incluso en comunidades sin conexión a la red eléctrica.

Si bien la electrólisis del agua ha acaparado prácticamente toda la atención de los medios desde entonces, la investigación con hojas artificiales ha continuado a buen ritmo en estos últimos años. La idea básica que rige el proceso físico y químico de la hoja artificial es bastante simple. Se basa en las llamadas celdas fotoelectroquímicas que se sumerge en una solución a base de agua y se exponen a la luz, recreando así las reacciones químicas de la fotosíntesis natural.

En relación con el proceso de electrolisis, según los científicos, producir hidrógeno verde con sistemas fotoelectroquímicos es mucho más eficiente. La investigadora de la Universidad de Purdue, Yulia Pushkar, lo resumió en un comunicado de prensa el año pasado: “no existen limitaciones físicas fundamentales con la fotosíntesis artificial”.

Teniendo como base la fotosíntesis natural, el sistema puede alcanzar fácilmente una eficiencia del 60 %. “Si nos volvemos muy ambiciosos, incluso podríamos imaginar un sistema de hasta un 80 % de eficiencia”, agregó Pushkar. En contraste, la eficiencia de conversión solar promedio de los paneles solares todavía está rodando el 20 %. Las versiones especializadas pueden alcanzar eficiencias mayores, pero también son mucho más caras que las de uso general.

El mercado de la hoja artificial

La producción fotoelectroquímica de hidrógeno aún no está lista para llegar al mercado. Los investigadores saben cómo duplicar las reacciones que se producen en la fotosíntesis, pero la durabilidad es ahora el obstáculo a salvar. Todavía no han descubierto cómo la naturaleza mantiene el proceso funcionando durante un período prolongado de tiempo.

El principal problema es que los semiconductores utilizados en las células fotoelectroquímicas se corroen con la solución a base de agua. El Departamento de Energía de Estados Unidos asegura que el problema de la durabilidad tiene solución.

“La división de agua PEC es una vía prometedora de energía solar a hidrógeno, que ofrece el potencial para una alta eficiencia de conversión a bajas temperaturas de funcionamiento utilizando materiales semiconductores de partículas y/o película delgada rentables”, explica la agencia norteamericana a través de su página web. “Todavía se necesitan mejoras continuas en la eficiencia, la durabilidad y el coste para lograr su viabilidad técnica y económica”.

¿Por qué se eligió la electrolisis?

Una buena pregunta es por qué la electrolisis, siendo un mecanismo mucho más complejo, se desarrolló tan rápido mientras la tecnología PEC de extracción directa de hidrógeno a partir de energía solar todavía está en una fase temprana de desarrollo.

Parte de la respuesta a esta pregunta se encuentra probablemente en la historia científica. La electrólisis del agua se remonta a 1789 y es por lo tanto una tecnología con siglos de antigüedad. Se ha perfeccionado en otras aplicaciones, incluida la producción de oxígeno en la Estación Espacial Internacional. No se empleó como vía de producción de hidrógeno hasta que las celdas solares y las turbinas eólicas comenzaron a impulsar la economía global.

Según NREL (el laboratorio de energía de EE.UU), la hoja artificial es un desarrollo relativamente nuevo cuya primera descripción data de 1972. En 1998, NREL estableció un récord de eficiencia en la obtención de hidrógeno directamente de la energía solar del 12,4 %. En 2016 el laboratorio tuvo que corregir esa cifra a la baja tras determinar que el experimento había sido sobreiluminado.

Con herramientas más sofisticadas en, un equipo de investigación de NREL estableció un nuevo récord de 16,2 % en 2017. Eso podría estar cerca de lograrlo. a Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible de Hidrógeno del Departamento de Energía de EE.UU. ha fijado el 25% como objetivo de eficiencia, aunque el análisis preliminar sugiere que se podría lograr hidrógeno a un coste competitivo con eficiencias más bajas.

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