Duración del electrolizador: (a) celdas conectadas en paralelo, (b) celdas conectadas en serie [4]. Los esfuerzos de investigación están centrados ...

Duración del electrolizador: (a) celdas conectadas en paralelo, (b) celdas conectadas en serie [4]. Los esfuerzos de investigación están centrados en incrementar la superficie de las membranas, el rendimiento del módulo de celdas y el uso compartido de equipos auxiliares [15]. Membrana de estado sólido, SOE Este tipo de dispositivos utiliza una membrana sólida cerámica, la cual presenta una buena conductividad en el electrolito. Actualmente, están en una etapa de investigación y desarrollo, a pesar de que en Estados Unidos y Alemania su desarrollo data de los años 60. Los SOEs constituyen un concepto avanzado que permite la electrólisis del agua, o más bien, la electrólisis de vapor a altas temperaturas (600-900 °C), lo que resulta en eficiencias más altas en comparación con electrolizadores alcalinos o PEM. Las eficiencias se encuentran en torno a 80 y 90 %, con una vida útil de 1.000 horas [6] [15]. El objetivo de esta tecnología es aumentar la temperatura de operación, lo que la vuelve atractiva cuando existe una fuente de temperatura, por ejemplo, en aplicaciones combinadas de calor y potencia. Se ha mostrado que fuentes de geotermia podrían aportar calor para estos dispositivos, así como el uso de concentración solar que será discutida en el punto 2.2. Comparación tecnológica de electrolizadores v/s reformado gas metano En la Tabla 2 se presenta una comparación de estas tres tecnologías con el método más utilizado de extracción de hidrógeno, el reformado de gas metano. Tabla 2: Rendimiento actual de las tecnologías clave de generación de hidrógeno [6]. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH 2/Antecedentes Tecnológicos 2.1.3. Procesos biológicos Descomposición biológica del agua La producción de hidrógeno puede realizarse a través de microrganismos fotosintéticos que son capaces de descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno. Algas como la Scenedesmus, producen hidrógeno bajo dos condiciones, (1) bajo luz visible o (2) en ausencia de aire (anaerobia) y luz. Este método biológico tiene una menor producción de H2 por unidad de peso, pero presenta gran estabilidad debido a la ausencia de oxígeno. También las cianobacterias como la Spirulina, producen hidrógeno mediante la fermentación en condiciones similares a las algas, siendo esta especie la que presenta actividad más elevada en su tipo. La eficiencia de este proceso es bastante baja, pero puede ser compensada con el costo reducido de inversión. En laboratorio se ha obtenido hasta un 7% de eficiencia en la conversión de energía solar mediante sistemas foto-heterotróficos [8]. 2.1.4. Otros procesos Descomposición foto catalítica del agua El proceso corresponde a la obtención directa de hidrógeno a partir de agua gracias a la incidencia de rayos solares en semiconductores inmersos en una solución acuosa. El principio físico se basa en el efecto fotoeléctrico, que corresponde a la absorción de fotones por un material, lo cual tiene como resultado la emisión de electrones, produciendo un voltaje capaz de generar una corriente local en una celda y separar el agua bajo el mismo principio de la electrólisis. La descomposición foto catalítica es un proceso complejo dado que requiere una gran cantidad de energía, alrededor de 3,7 kWh/kg de agua. Puesto que el agua pura absorbe poca radiación infrarroja del espectro solar, y esta energía no es suficiente para disociar las moléculas, es necesaria la utilización de un fotocatalizador para lograr la división del agua mediante radiación solar, es decir, que absorba fotones de mayor energía y active los pasos elementales de una reacción redox para disociar el H2O en H2 y O2 [17]. Este método aun está en investigación básica. Como subproducto de otros procesos En el proceso de producción del acero se genera hidrógeno como subproducto. Para utilizarlo, debe ser recolectado y tratado, siendo un desafío conseguir niveles de pureza aptos para una celda de combustible [6]. Otro proceso que obtiene hidrógeno como subproducto es el proceso Cloro Alcalino, el cual utiliza el principio de electrólisis. En este proceso, pasa electricidad a través de una salmuera de NaCl (cloruro de sodio), lo que produce cloro gas en el ánodo e hidrógeno en el cátodo. Además, otro subproducto de este proceso es la soda cáustica (NaOH) [18]. 2.2. Uso de la energía solar para la producción de hidrógeno Varias vías de producción de hidrógeno pueden ser más atractivas y ambientalmente más amigables cuando se combinan con una fuente de energía renovable, como la energía solar [19]. En particular, el interés por la electrólisis del agua ha aumentado recientemente, debido al potencial para proporcionar hidrógeno con una huella de carbono asociada muy baja, al utilizar electricidad de fuentes renovables. Una de estas fuentes son los sistemas de concentración solar (CSP) que se pueden emplear de dos formas: En su función principal como proveedores de electricidad pueden suministrar la electricidad renovable (alternativamente a la energía fotovoltaica) para la electrólisis del agua. Pueden proporcionar calor de proceso a alta temperatura como fuente de energía necesaria para la realización de reacciones químicas endotérmicas (similares, pero no limitadas a las reformadoras) en los denominados procesos termoquímicos solares. Las siguientes son las principales tecnologías de producción de hidrógeno solar que ya han sido investigadas y caracterizadas con datos técnicos y económicos: Reformado solar [20]. Gasificación solar [21]. Ciclos termoquímicos solares. Electrólisis de óxido sólido (SOE). Los dos primeros tipos de proceso son similares a sus homólogos convencionales, pero hacen uso de la radiación solar concentrada como fuente de calor a alta temperatura. Por otro lado, los procesos termoquímicos utilizan la radiación solar concentrada como fuente calorífica de alta temperatura para reacciones químicas endotérmicas. Es decir, transforman la energía térmica en energía química. En caso de la tecnología SOE, los sistemas CSP pueden emplearse para producir no solo la electricidad necesaria para estas celdas, sino también el calor necesario para evaporar el agua y sobrecalentar el vapor. En general, el camino actual de elección para la producción de hidrógeno solar es el uso de plantas FV o CSP para la producción de energía eléctrica, que posteriormente es utilizada por un electrolizador. Por un lado, las vías termoquímicas (ver Tabla 3) prometen altas eficiencias y bajos costos. No obstante, el reformado solar tiene el nivel de madurez tecnológico más alto. Si bien esta tecnología aun requiere una materia prima rica en carbón, otras tecnologías como los ciclos termoquímicos solares pueden realizarse sin tal materia prima y alcanzar altas eficiencias potenciales, aunque estos tienen un nivel de madurez tecnológico más bajo y requieren investigación adicional para alcanzar el nivel comercial. Por lo tanto, el reformado solar se considera como una tecnología de puente en el camino a los procesos de producción libres de combustibles fósiles. Tabla 3: Métodos solares termoquímicos para la producción de hidrógeno. 8 TRL es la sigla para Technology Readiness Level o nivel de preparación tecnológica. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH 2/Antecedentes Tecnológicos 2.3. Mecanismos de almacenamiento El hidrógeno tiene la mayor energía por unidad de masa que cualquier otro combustible (1 kg de H2 tiene casi tres veces más energía que 1 kg de gasolina), sin embargo, a temperatura ambiente resulta en una baja densidad energética por unidad de volumen, por lo tanto, requiere el desarrollo de avanzados métodos de almacenamiento con un potencial de mayor densidad energética [23]. Principalmente, el hidrógeno puede ser almacenado de forma física, en superficies sólidas (por adsorción) o dentro de sólidos (por absorción) y también en otros compuestos. La Figura 6 muestra las formas principales de almacenamiento. 2.3.1. Almacenamiento en forma física Siguiendo la figura anterior, las formas existentes para almacenar hidrógeno de forma física son: (1) el uso de tanques o estructuras sólidas, (2) inyección a redes de gas existentes, (3) almacenamiento bajo tierra y (4) almacenamiento químico. Figura 6: Formas de almacenamiento del hidrógeno. Tanques o estructuras sólidas Los tanques o estructuras sólidas que almacenan hidrógeno gaseoso o líquido son tecnologías maduras y procesos intensivos en energía [9]. Las características técnicas dependen de si se trata de almacenamiento fijo