Un combustible solar es un combustible sintético producido utilizando energía solar , a través de métodos fotoquímicos (es decir, activación de fotones de ciertas reacciones químicas ), fotobiológicos (es decir, fotosíntesis artificial ), electroquímicos (es decir, utilizando electricidad solar para impulsar una reacción endógena como la hidroelectrólisis ), [1] [2] [3] [4] o termoquímicos (es decir, mediante el uso de calor solar suministrado por energía solar térmica concentrada para impulsar una reacción química). [5] [6] La luz solar es la fuente de energía primaria , y su energía radiante se transduce a energía química almacenada en enlaces , generalmente mediante la reducción de protones a hidrógeno o dióxido de carbono a compuestos orgánicos .
Se puede producir un combustible solar y almacenarlo para su uso posterior, cuando no haya luz solar disponible, lo que lo convierte en una alternativa a los combustibles fósiles y las baterías. Algunos ejemplos de estos combustibles son el hidrógeno, el amoníaco y la hidracina. Se están desarrollando diversos fotocatalizadores para llevar a cabo estas reacciones de forma sostenible y respetuosa con el medio ambiente . [7]
La dependencia mundial de las reservas cada vez más escasas de combustibles fósiles plantea no solo problemas medioambientales , sino también geopolíticos . [8] Los combustibles solares, en particular el hidrógeno, se consideran una fuente alternativa de energía para sustituir a los combustibles fósiles, especialmente cuando el almacenamiento es esencial. La electricidad se puede producir directamente a partir de la luz solar mediante energía fotovoltaica , pero esta forma de energía es bastante ineficiente de almacenar en comparación con el hidrógeno. [7] Un combustible solar se puede producir cuando y donde la luz solar está disponible, y almacenarse y transportarse para su uso posterior. Esto lo hace mucho más cómodo, porque se puede utilizar en situaciones en las que no hay luz solar directa.
Los combustibles solares más investigados son el hidrógeno, porque el único producto de su utilización es el agua, y los productos de la reducción fotoquímica del dióxido de carbono , que son combustibles más convencionales como el metano y el propano. Las próximas investigaciones también involucran al amoníaco y sustancias relacionadas (por ejemplo, la hidracina). Estas pueden abordar los desafíos que conlleva el hidrógeno, al ser una forma más compacta y segura de almacenarlo. También se están investigando las celdas de combustible de amoníaco directo. [9]
Los combustibles solares se pueden producir mediante procesos directos o indirectos. Los procesos directos aprovechan la energía de la luz solar para producir un combustible sin conversiones energéticas intermedias. La termoquímica solar utiliza el calor del sol directamente para calentar un receptor adyacente al reactor solar donde se realiza el proceso termoquímico. Por el contrario, los procesos indirectos convierten primero la energía solar en otra forma de energía (como biomasa o electricidad) que luego se puede utilizar para producir un combustible. Los procesos indirectos han sido más fáciles de implementar, pero tienen la desventaja de ser menos eficientes que el método directo. Por lo tanto, los métodos directos deben considerarse más interesantes que sus contrapartes menos eficientes. Por lo tanto, las nuevas investigaciones se centran más en esta conversión directa, pero también en combustibles que se pueden utilizar inmediatamente para equilibrar la red eléctrica. [7]
En un proceso fotoelectroquímico solar , el hidrógeno se puede producir por electrólisis . Para utilizar la luz solar en este proceso, se puede utilizar una célula fotoelectroquímica , donde un electrodo fotosensibilizado convierte la luz en una corriente eléctrica que luego se utiliza para la división del agua . Un tipo de célula de este tipo es la célula solar sensibilizada por colorante . [10] Este es un proceso indirecto, ya que produce electricidad que luego se utiliza para formar hidrógeno. Otro proceso indirecto que utiliza la luz solar es la conversión de biomasa en biocombustible mediante organismos fotosintéticos ; sin embargo, la mayor parte de la energía cosechada por la fotosíntesis se utiliza en procesos de mantenimiento de la vida y, por lo tanto, se pierde para el uso energético. [7]
Un semiconductor también puede utilizarse como fotosensibilizador. Cuando un fotón con una energía superior a la banda prohibida choca contra un semiconductor , un electrón se excita en la banda de conducción y se crea un hueco en la banda de valencia. Debido a la flexión de la banda, los electrones y los huecos se mueven hacia la superficie, donde estas cargas se utilizan para dividir las moléculas de agua. Se han probado muchos materiales diferentes, pero hasta ahora ninguno ha demostrado cumplir los requisitos para una aplicación práctica. [11]
En un proceso fotoquímico , la luz solar se utiliza directamente para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Debido a que el espectro de absorción del agua no se superpone con el espectro de emisión del sol, no puede producirse la disociación directa del agua; es necesario utilizar un fotosensibilizador. Se han desarrollado varios catalizadores de este tipo como prueba de concepto , pero aún no se han ampliado para su uso comercial; no obstante, su relativa simplicidad ofrece la ventaja de un posible menor coste y una mayor eficiencia de conversión de energía . [7] [12] Una de estas pruebas de concepto es la "hoja artificial" desarrollada por Nocera y sus colaboradores: una combinación de catalizadores basados en óxido de metal y una célula solar semiconductora produce hidrógeno al iluminarse, con oxígeno como único subproducto. [13]
En un proceso fotobiológico , el hidrógeno se produce utilizando microorganismos fotosintéticos ( microalgas verdes y cianobacterias ) en fotobiorreactores . Algunos de estos organismos producen hidrógeno al cambiar las condiciones de cultivo ; por ejemplo, Chlamydomonas reinhardtii produce hidrógeno anaeróbicamente bajo privación de azufre , es decir, cuando las células se mueven de un medio de crecimiento a otro que no contiene azufre y se cultivan sin acceso al oxígeno atmosférico. [14] Otro enfoque fue abolir la actividad de la enzima hidrogenasa oxidante de hidrógeno (captación) en la cianobacteria diazotrófica Nostoc punctiforme , para que no consumiera el hidrógeno que produce naturalmente la enzima nitrogenasa en condiciones de fijación de nitrógeno . [15] Este mutante de N. punctiforme podría entonces producir hidrógeno cuando se ilumina con luz visible .
Otra cianobacteria mutante , Synechocystis , utiliza genes de la bacteria Rubrivivax gelatinosus CBS para producir hidrógeno. La bacteria CBS produce hidrógeno mediante la oxidación del monóxido de carbono. Los investigadores están trabajando para implementar estos genes en Synechocystis. Si estos genes se pueden aplicar, será necesario un cierto esfuerzo para superar los problemas de inhibición del oxígeno en la producción de hidrógeno, pero se estima que este proceso puede producir potencialmente hasta un 10% de captura de energía solar. Esto hace que la investigación fotobiológica sea una rama muy interesante y prometedora de las exploraciones de producción de hidrógeno. Aún así, los problemas para superar la naturaleza a corto plazo de la producción de hidrógeno de las algas son muchos y la investigación se encuentra en las primeras etapas. Sin embargo, esta investigación proporciona una forma viable de industrializar estos procesos renovables y respetuosos con el medio ambiente. [16]
En el proceso termoquímico solar [17] , el agua se divide en hidrógeno y oxígeno utilizando calor solar directo, en lugar de electricidad, dentro de un reactor solar de alta temperatura [18] que recibe un flujo solar altamente concentrado de un campo solar de helióstatos que enfocan la luz solar altamente concentrada en el reactor.
Las dos rutas más prometedoras son el ciclo de óxido de cerio de dos pasos y el ciclo híbrido de cobre y cloro . Para el ciclo de óxido de cerio, el primer paso es despojar al CeO 3 de Ce 2 O 3 a más de 1400 °C. Después del paso de reducción térmica para reducir el óxido metálico, se produce hidrógeno a través de hidrólisis a alrededor de 800 °C. [19] [20] El ciclo de cloruro de cobre requiere una temperatura más baja (~500 °C), lo que hace que este proceso sea más eficiente, pero el ciclo contiene más pasos y también es más complejo que el ciclo de óxido de cerio. [19]
Debido a que la fabricación de hidrógeno requiere un rendimiento continuo, el proceso termoquímico solar incluye el almacenamiento de energía térmica . [21] Otro método termoquímico utiliza la reforma solar del metano, un proceso que replica el proceso tradicional de reforma de combustibles fósiles pero sustituye el calor solar. [22]
En una publicación de noviembre de 2021 en Nature , Aldo Steinfeld, de la universidad tecnológica suiza ETH Zurich, informó sobre una fotosíntesis artificial en la que el dióxido de carbono y el vapor de agua absorbidos del aire pasan por un catalizador de óxido de cerio calentado por energía solar concentrada para producir hidrógeno y monóxido de carbono, transformados a través del proceso Fischer-Tropsch en hidrocarburos complejos que forman metanol , un combustible líquido . La escala podría producir los 414 mil millones de L (414 millones de m 3 ) de combustible de aviación utilizados en 2019 con una superficie de 45.000 km 2 (17.000 millas cuadradas): el 0,5% del desierto del Sahara . [23] [24] [25] Un autor, Philipp Furler, dirige el especialista Synhelion, que en 2022 estaba construyendo una instalación de producción de combustible solar en Jülich , al oeste de Colonia , antes de otra en España. [26] Swiss Airlines , parte del Grupo Lufthansa , debería convertirse en su primer cliente en 2023. [26]
El dióxido de carbono (CO 2 ) se puede reducir a monóxido de carbono (CO) y otros compuestos más reducidos, como el metano , utilizando los fotocatalizadores adecuados. Un ejemplo temprano fue el uso de cloruro de tris(bipiridina)rutenio(II) (Ru(bipy) 3 Cl 2 ) y cloruro de cobalto (CoCl 2 ) para la reducción de CO 2 a CO. [27] En los últimos años se han encontrado muchos catalizadores nuevos para reducir el CO 2 a CO, después de lo cual el CO podría usarse para fabricar hidrocarburos utilizando, por ejemplo, el proceso Fischer-Tropsch . El sistema más prometedor para la reducción de CO 2 con energía solar es la combinación de una célula fotovoltaica con una célula electroquímica (PV+EC). [28] [29] Utilizando procesos impulsados por energía solar, el CO 2 también se puede convertir en otros productos como formiato y alcoholes. [30] [31]
Para la célula fotovoltaica se ha utilizado la célula solar GaInP/GaAs/Ge de alta eficiencia , pero se pueden emplear muchas otras arquitecturas fotovoltaicas conectadas en serie y/o en tándem (multiunión) para suministrar el voltaje y la densidad de corriente necesarios para impulsar las reacciones de reducción de CO2 y proporcionar un flujo de salida de producto razonable. [32] Las células/paneles solares se pueden colocar en contacto directo con el(los) electrolizador(es), lo que puede aportar ventajas en términos de compacidad del sistema y gestión térmica de ambas tecnologías, [32] o por separado, por ejemplo, colocando el PV al aire libre expuesto a la luz solar y los sistemas EC protegidos en el interior. [33]
La celda electroquímica con mejor rendimiento en la actualidad es la celda de flujo con electrodo de difusión de gas (GED), en la que el CO2 reacciona con nanopartículas de Ag para producir CO. Se han alcanzado eficiencias de conversión de energía solar a CO de hasta el 19%, con una pérdida mínima de actividad después de 20 h. [29]
El CO también se puede producir sin un catalizador utilizando la disociación de CO 2 impulsada por plasma de microondas . Este proceso es relativamente eficiente, con una eficiencia de electricidad a CO de hasta el 50%, pero con una baja conversión de alrededor del 10%. Estas bajas conversiones no son ideales, porque el CO y el CO 2 son difíciles de separar a gran escala de manera eficiente. La gran ventaja de este proceso es que se puede apagar y encender con bastante rapidez y no utiliza materiales escasos. El plasma (débilmente ionizado) se produce utilizando microondas , estas microondas pueden acelerar los electrones libres en el plasma. Estos electrones interactúan con el CO 2 que excita vibracionalmente el CO 2 , esto conduce a la disociación del CO 2 a CO. La excitación y disociación suceden lo suficientemente rápido como para que solo una pequeña parte de la energía se convierta en calor, lo que mantiene alta la eficiencia. La disociación también produce un radical de oxígeno , que reacciona con el CO 2 para formar CO y O 2 . [34]
También en este caso, se ha explorado el uso de microorganismos. Mediante técnicas de ingeniería genética y biología sintética , se pueden introducir partes o la totalidad de las vías metabólicas productoras de biocombustibles en organismos fotosintéticos. Un ejemplo es la producción de 1-butanol en Synechococcus elongatus utilizando enzimas de Clostridium acetobutylicum , Escherichia coli y Treponema denticola . [35] Un ejemplo de una instalación de investigación a gran escala que explora este tipo de producción de biocombustibles es el AlgaePARC en la Universidad y Centro de Investigación de Wageningen , Países Bajos .
Las sustancias ricas en hidrógeno, como el amoníaco y la hidracina, son excelentes para almacenar hidrógeno. Esto se debe a su densidad energética, ya que el amoníaco es al menos 1,3 veces mayor que el hidrógeno líquido. [36] La hidracina tiene casi el doble de densidad energética que el hidrógeno líquido, pero una desventaja es que se requiere dilución en el uso de celdas de combustible de hidracina directa, lo que reduce la potencia total que se puede obtener de esta celda de combustible. Además de la alta densidad volumétrica, el amoníaco y la hidracina hidratada tienen una baja inflamabilidad, lo que los hace superiores al hidrógeno al reducir los costos de almacenamiento y transporte. [37]
Las células de combustible de amoníaco directo se investigan por esta razón exacta y nuevos estudios presentaron una nueva síntesis de amoníaco y una célula de combustible integradas basadas en energía solar. La base solar se deriva del exceso de energía solar que se utiliza para sintetizar amoníaco. Esto se hace utilizando una celda electrolítica de amoníaco (AEC) en combinación con una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Cuando se produce una caída en la energía solar, una celda de combustible de amoníaco directo entra en acción proporcionando la energía faltante. Esta investigación reciente (2020) es un claro ejemplo de uso eficiente de la energía, que se realiza esencialmente mediante el almacenamiento temporal y el uso de amoníaco como combustible. El almacenamiento de energía en amoníaco no se degrada con el tiempo, lo que es el caso de las baterías y los volantes de inercia . Esto proporciona almacenamiento de energía a largo plazo. Esta forma compacta de energía tiene la ventaja adicional de que el exceso de energía se puede transportar fácilmente a otras ubicaciones. [9] Esto debe hacerse con altas medidas de seguridad debido a la toxicidad del amoníaco para los humanos. Es necesario realizar más investigaciones para complementar este sistema con energía eólica y plantas hidroeléctricas para crear un sistema híbrido que limite las interrupciones en el suministro eléctrico. También es necesario investigar el rendimiento económico del sistema propuesto. Algunos científicos prevén una nueva economía del amoníaco que es casi igual a la industria petrolera, pero con la enorme ventaja de una energía inagotable y libre de carbono. [38] Este llamado amoníaco verde se considera un combustible potencial para barcos de gran tamaño. El astillero surcoreano DSME planea comercializar estos barcos en 2025. [39]
Otra forma de almacenar energía es con el uso de hidracina . Esta molécula está relacionada con el amoníaco y tiene el potencial de ser igual de útil que el amoníaco. Puede crearse a partir de amoníaco y peróxido de hidrógeno o mediante oxidaciones basadas en cloro . [40] Esto lo convierte en un combustible de almacenamiento de energía aún más denso. La desventaja de la hidracina es que es muy tóxica y que reaccionará con el oxígeno de manera bastante violenta. Esto lo convierte en un combustible ideal para áreas con bajo nivel de oxígeno, como el espacio. Los satélites Iridium NEXT lanzados recientemente tienen hidracina como su fuente de energía. [41] Sin embargo, este combustible es tóxico, tiene un gran potencial, porque las medidas de seguridad se pueden aumentar lo suficiente para transportar y convertir de manera segura la hidracina nuevamente en hidrógeno y amoníaco. Los investigadores descubrieron una forma de descomponer la hidracina con un sistema de fotocatálisis que funciona en toda la región de luz visible. Esto significa que la luz solar no solo se puede utilizar para producir hidracina, sino también para producir hidrógeno a partir de este combustible. La descomposición de la hidracina se realiza con una bicapa pn que consiste en fulereno (C 60 ), también conocido como "buckeyballs" que es un semiconductor de tipo n y ftalocianina de zinc (ZnPc) que es un semiconductor de tipo p creando un sistema de fotocatálisis orgánico. Este sistema utiliza la irradiación de luz visible para excitar electrones al semiconductor de tipo n creando una corriente eléctrica. Los agujeros creados en el semiconductor de tipo p son forzados en la dirección de la llamada parte Nafion del dispositivo, que oxida la hidracina a gas nitrógeno e iones de hidrógeno disueltos. Esto se hizo en el primer compartimento de la celda de combustible. Los iones de hidrógeno viajan a través de un puente salino a otro compartimento para ser reducidos a gas hidrógeno por los electrones, ganados por la interacción con la luz, del primer compartimento. Creando así hidrógeno, que puede usarse en celdas de combustible. [42] Estos estudios prometedores muestran que la hidracina es un combustible solar que tiene un gran potencial para volverse muy útil en la transición energética .
Un enfoque diferente a la hidracina son las celdas de combustible directas. Los conceptos para estas celdas se han desarrollado desde la década de 1960. [43] [44] Estudios recientes proporcionan celdas de combustible de hidracina directa mucho mejores, por ejemplo con el uso de peróxido de hidrógeno como oxidante. Hacer que el ánodo sea básico y el cátodo ácido aumentó mucho la densidad de potencia, mostrando picos altos de alrededor de 1 W/cm2 a una temperatura de 80 grados Celsius. Como se mencionó anteriormente, la principal debilidad de las celdas de combustible de hidracina directa es la alta toxicidad de la hidracina y sus derivados. [37] Sin embargo, la hidracina hidratada, que es un líquido similar al agua, conserva la alta densidad de hidrógeno y se puede almacenar y transportar de manera segura utilizando la infraestructura de combustible existente. [45] Los investigadores también apuntan a celdas de combustible autoalimentadas que involucran hidracina. Estas celdas de combustible hacen uso de la hidracina de dos maneras, a saber, como combustible para una celda de combustible directa y como objetivo de división. Esto significa que solo se necesita hidracina para producir hidrógeno con esta celda de combustible, por lo que no se necesita energía externa. Esto se hace con el uso de nanoláminas de sulfuro de cobalto dopadas con hierro. El dopaje con hierro disminuye los cambios de energía libre de la adsorción de hidrógeno y la deshidrogenación de la hidracina. Este método tiene una estabilidad de 20 horas y una eficiencia faradaica del 98% , que es comparable con las mejores afirmaciones reportadas de celdas generadoras de hidrógeno autoalimentadas. [46]