Promesa en hidrógeno verde
Logra aumentar el rendimiento en celda fotocatalítica monolítica bajo luz solar concentrada.
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La humanidad se ha metido en un callejón sin salida. Hay tanta población en el mundo y los individuos consumen tanto que hemos chocado contra los límites del planeta: límites ecológicos, climáticos, geológicos, etc.
Seguimos consumiendo combustibles fósiles y emitiendo dióxido de carbono a la atmósfera. Por tanto, necesitamos desarrollar tecnologías que nos permitan emitir menos gases de efecto invernadero. Este desarrollo ya llega tarde debido a la desidia política, pero es mejor tarde que nunca. Además de las energías alternativas ya conocidas, se ha propuesto la implantación del hidrógeno verde como vector energético. Sin embargo, no se ha desarrollado todavía la tecnología para conseguirlo de una manera eficiente.
El hidrógeno tiene apoyos, pero también muchos detractores. Los que apoyan el coche a batería dicen que el hidrógeno no es la solución y algo de razón tienen. El problema es que se tiene que obtener hidrógeno con cierta eficiencia y luego usar ese hidrógeno con cierta eficiencia en una pila de combustible que además es cara por usar metales preciosos. Al final el sistema es costoso y su rendimiento bajo. Por otro lado, el problema del auto eléctrico es que tampoco hay cobalto o litio para tanta batería y se consumen muchos recursos en su construcción.
Tampoco se pueden electrificar fácilmente ciertos procesos industriales que sí se podrían hacer con hidrógeno, pues se podría usarse tal cual en sistemas en los que ahora se quema gas natural. Igualmente podría usarse en la síntesis de combustibles sintéticos, incluyendo el metano que compone el gas natural. Los combustibles sintéticos obtenidos a partir de hidrógeno, además, permitirían almacenar energía de una modo mucho más barato que una batería.
No todo es perfecto, el hidrógeno presenta ciertos problemas, como su dificultad a la hora de almacenarlo y capacidad de infiltrase en aleaciones y destruirlas con el tiempo.
La idea principal es usar fuentes de energía alternativas para producir hidrógeno. Recordemos que el hidrógeno no es una fuente de energía, sino un vector energético. Si finalmente se puede conseguir este tipo de hidrógeno, es probable que se creen enormes granjas solares para generar suficiente hidrógeno para alimentar flotas de vehículos, hornos industriales y pilas de combustible comerciales que podrían convertir el hidrógeno en electricidad.
Una manera es usar la electricidad producida en instalaciones fotovoltaicas y realizar una electrolisis, pero el rendimiento de la electrolisis no es lo suficientemente alto. Lo ideal es usar algún método más directo que use directamente la luz solar para dividir la molécula de agua.
Los científicos han tratado de usar la energía del sol para generar hidrógeno a partir del agua de una manera más directa desde hace tiempo. Pero el proceso, que implica el uso directo de la luz solar para dividir las moléculas de agua, ha sido ineficiente hasta ahora como para sea comercialmente viable. Un nuevo avance da esperanzas para una mejora en este sentido.
Los intentos anteriores de utilizar la energía del Sol para dividir directamente las moléculas de agua se han enfrentado a múltiples problemas. El proceso más sencillo para hacer esto requiere de fotones energéticos para romper los enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua. Los fotones de onda más corta y, por lo tanto los más energéticos (como los de la luz ultravioleta y el visible) pueden lograr la tarea. Pero los fotones infrarrojos del Sol, que comprenden aproximadamente el 50% de los que llegan a la Tierra, no son lo suficientemente energéticos. No usar esta parte del espectro solar significa un desperdicio de energía.
Se intenta evitar esto mediante dos estrategias. La primera involucra el uso de una pila fotoelectroquímica. Estas son un poco como baterías, con dos electrodos sumergidos en un electrolito líquido. Un electrodo actúa como una minicélula solar, absorbiendo la luz solar y utilizando la energía para generar cargas eléctricas. Esas cargas luego alimentan a los catalizadores en los electrodos para dividir las moléculas de agua y generar gas hidrógeno en un electrodo y gas oxígeno en el otro. Los mejores sistemas de este tipo pueden convertir casi una cuarta parte de la energía de la luz solar en combustible de hidrógeno. Además, el oxígeno y el hidrógeno se producen por separado. Pero, hasta ahora, han requerido el uso de electrolitos corrosivos que degradan rápidamente el semiconductor que absorbe la luz.
Una segunda estrategia es la llamada celula fotocatalítica monolítica, que elimina la configuración de tipo batería. Simplemente se sumerge un semiconductor que absorbe la luz dentro del agua. El semiconductor absorbe la luz solar y genera cargas eléctricas que son usadas por los metales catalíticos de su superficie y estos disocian las moléculas de agua. Pero, debido a que el hidrógeno y el oxígeno resultantes se generan a la vez en el mismo sitio, pueden reaccionar fácilmente entre sí y que se forme agua de nuevo, lo que supone un grave inconveniente y una rebaja del rendimiento.
Eso ha limitado la eficiencia de estos divisores de agua fotocatalíticos y hasta ahora solo convertían un 3% de la energía entrante en hidrógeno utilizable. Una solución podría ser simplemente hacer que los semiconductores sean más grandes, como los paneles solares convencionales. Pero los semiconductores capaces de dividir el agua son mucho más caros que los paneles solares de silicio estándar, lo que hace que esta opción sea demasiado cara.
Investigadores dirigidos por Zetian Mi (Universidad de Michigan) describen en un nuevo artículo cómo han conseguido elevar el rendimiento de su sistema fotocatalítico. Por encima de su celda fotocatalítica colocaron una lente del tamaño típico de una ventana. Esta enfocó la luz solar en un área 100 veces más pequeña, lo que les permitió reducir el tamaño y el costo del semiconductor. Luego, la intensa luz solar generó cargas eléctricas en el semiconductor que pasaron a los catalizadores metálicos de tamaño nanométrico en la parte superior, que, a su vez, realizaron las reacciones de disociación del agua.
El equipo de Mi también elevó la temperatura del sistema a 70 °C, lo que evitó que la mayoría de los gases de hidrógeno y oxígeno reaccionaran entre sí para formar agua. Su dispositivo utiliza no solo los fotones visibles y ultravioleta capaces de dividir el agua, sino también los fotones infrarrojos, menos energéticos.
Estas mejoras permitieron al equipo de científicos convertir el 9,2% de la energía del Sol en hidrógeno, aproximadamente tres veces más que las configuraciones fotocatalíticas anteriores.
El objetivo es llegar al 10% para que estos dispositivos sean comercialmente viables. Aún así, la nueva configuración se enfrenta desafíos comerciales, pues produce una mezcla potencialmente explosiva de hidrógeno y oxígeno (una mezcla a 70 grados de hidrógeno y oxígeno, ¿qué podrían salir mal?). Una versión comercial tendría que separar esos gases, lo que aumentará el costo. La ventaja es que las células fotocatalíticas de división de agua son más simples de diseñar que otros sistemas y esto abarataría su uso.
Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com
Fuentes y referencias:
Artículo original.
Dibujo: Rh2network/Wikimedia.
21 Comentarios
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miércoles 18 enero, 2023 @ 1:16 pm
Para empezar el año «fronterizo», doy la bienvenida a nuestro magister óptimus, D. Neo, al que los «ff» (fieles fijos) tanto hemos echado de menos. Obligado es desearle un muy feliz, fecundo en ciencia, extraordinario en salud y en todo lo bueno, año 2023.
En lo que al primero de los artículos del año se refiere, si habla de la «desidia política» en su segundo párrafo, sumo y asumo que no es solo eso. Escuché en radio o televisión -no recuerdo en cual- que el conjunto de los importantes lobbies reciben algo así como cien mil millones/año (espero que no sea al mes) de $; supongo que a repartir, tras guardarse un piquito. Y ¿cómo se consigue lo que el pagano quiere? Pues repartiendo aquí y allá a quien pueda influir.
En cuanto al hidrógeno, más de una vez me he mostrado partidario de su uso. Pero, evidentemente, hay mucho trabajo por delante. Puede España, con su amplio territorio casi desértico -y su futuro incremento (aunque, quizá, si los elementos no aprietan excesivamente, podría mejorarse el problema a base de agua dulce obtenida con renovables, con trasvases entre pantanos y ríos y cosas así; siempre que las autonosuyas no sean muy egoístas)- ser un importante productor, y más aún los países del norte de África con su Sahara -el desierto mayor del mundo-. Pienso que la dificultad que ha puesto Francia al gaseoducto transpirenaico, puede aprovecharse para dedicarnos al hidrógeno, porque, además sería nuestro país el principal paso para lo producido en África.
Un fuerte abrazo, querido Neo, y a animarse mis compañeros.
miércoles 18 enero, 2023 @ 4:36 pm
Gracias, Tomás. Ya sé que últimamente publico menos, pero este año ha sido especialmente problemático para obtener tiempo y ánimos para poder escribir, incluso en Navidad. A ver si las cosas mejoran.
lunes 23 enero, 2023 @ 8:31 am
Esta mañana me he llevado una gran alegría. He escuchado por la radio -o «la radia» si nos ponemos gramáticofeministas- que Alemania se suma al proyecto hispano-francés del conducto de H2. Porque eso, diría, que garantiza el éxito, y que se apunten otras naciones, y que sea, posiblemente, financiado por la UE.
martes 24 enero, 2023 @ 2:40 am
¡Mucha suerte y mis mejores abrazos, querido Neo!
martes 24 enero, 2023 @ 2:23 pm
Me alegro de que las aguas vuelvan a su cauce, porque el parón navideño me preocupaba, como a los demás, veo… Saludos a todos
viernes 27 enero, 2023 @ 12:21 pm
Dice el artículo unas cuantas cosas importantes. La primera, que «La humanidad se ha metido en un callejón sin salida». «… hemos chocado contra los límites del planeta: límites ecológicos, climáticos, geológicos, etc.» No sé si ese «etc.» comprende un límite de lo racional. Porque, a ese tremendo y difícilmente superable desafío se suma ahora un incremento desaforado de los peligros reales de la guerra. No sé si una tercera guerra mundial, pero el solo hecho del tremendo incremento en gasto militar -que únicamente beneficia a la industria armamentística en una población tan depauperada y un planeta tan necesitado de ser reparado- ya es un incomprensible sinsentido. El ras-Putín corrupto ataca a una Ucrania de políticos no menos corruptos, como todos los países restantes de la extinta URRSS. El perro ha mordido la pierna y no dejará su presa sin llevarse algo de carne. Eso es cosa sabida y lo deseable es una negociación en la que todos cedan algo: Ucrania -seguro-, territorio. Rusia, el crecimiento de la OTAN con, posiblemente, la admisión de Ucrania en ella. Ya veremos, que decía -me repito- el ciego. Ojalá podamos verlo, porque el peligro es muy grande: las guerras se sabe cómo empiezan, pero no cómo acaban.
viernes 27 enero, 2023 @ 8:04 pm
Somos muchos, quemamos muchos recursos, unos gratuitos y otros menos, como el H2, que lo parece, pero no lo es. La energía que da un motor de H2 es menor que la empleada en sacarlo de la molécula de agua, así que no es lo que muchos creen, un hada que regala energía gratuitamente. El petróleo, en ese sentido, sí que es gratuito ( en parte), así como la energía eólica, la hidroeléctrica, como ejemplos, … y aunque nos lo quieran vender como panacea, el H2 sí es limpio y elegante, pero caro. Y lo será hasta que algún Einstein nos diga cómo engañar a la molécula de agua y robarle su H2, al menos la mitad, H. O aún mejor, cuando con enseñe a fusionar H en minirreactores caseros alimentados con un par de gotas de agua al mes.
sábado 28 enero, 2023 @ 9:16 am
Bueno, Petrus: Si combinamos lo conseguido por el equipo Mi con ese posible almacenamiento del H2 en metano sintético… Antes se dice «¿Qué podría salir mal?». Para responder a eso basta recordar la ley de Murphy, destacando mi naturaleza optimista.
sábado 28 enero, 2023 @ 1:52 pm
Probablemente alguien ya lo habrá pensado y desistido de poner en práctica, por dificultad técnica de eficiencia, y económica.
Resulta que tenemos un enorme reservatorio de energía encima de nuestras cabezas y envolviéndonos. Me refiero a energía en forma de presión y velocidad, de las moléculas que componen la atmosfera.
Alguna vez he leído que procedente del Sol, llegan hasta la alta atmosfera algo como 1500 W/m>2, y a nivel del mar sobre 500 W/m>2. Está claro que la mayor parte de esta energía (gratuita) es filtrada, acumulada y homogeneizada por la atmosfera.
Parte de esta inmensa energía retenida, se manifiesta naturalmente en forma de lluvias, tormentas, rayos, huracanes…. vientos, más o menos constantes en flujos y direcciones. Una mínima parte se aprovecha por generadores eólicos, placas fotovoltaicas y térmicas. La inmensa mayoría de energía de este reservatorio no es aprovechada.
Esta se encuentra en forma de PRESIÓN ATMOSFERICA (por influencia de la gravedad), llegando aproximadamente a un Kg/m>2 a nivel del mar.
Mi propuesta es intentar aprovechar parte de esta presión, creando artificialmente una depresión que origine un flujo del aire, lo suficientemente intenso para mover algún tipo de dispositivo, que genere movimiento, sea rectilíneo o rotativo.
Hace tiempo que vengo pensando en esto, sin llegar a una idea practica viable, (con rendimiento positivo de energía) que sea económica. Me faltan conocimientos técnicos.
Para no hacerme pesado. En otra entrada (si esta despierta interés), comentaré algunas ideas posibles, no sé si rentables, de ejecución.
Espero críticas.
sábado 28 enero, 2023 @ 1:55 pm
Perdon: la presión atmosferica a nivel del mar aproximadamente 1Kg/cm>2, lo que es inmensa.
sábado 28 enero, 2023 @ 3:25 pm
Hola Eduardo. Para aprovechar energías potenciales de sistemas con posibilidades, hay que buscar, casi siempre , y no se me ocurren excepciones, dos puntos con diferencias de «altura» o sea de potencial.
Tenemos millones de kilómetros cúbicos de agua salada pero no tenemos un sitio donde dejarla caer y mover turbinas ( si el centro de la Tierra fuera hueco…).Hay mucha energía almacenada por doquier, pero poca disponible, porque tiene la maligna costumbre de equilibrarse y evitar esos saltos de disponibilidad. Por eso andamos con problemas.
sábado 28 enero, 2023 @ 4:53 pm
Tienes razón Petrus. Es difícil, aunque no se si imposible obtener artificialmente energía liquida sobrando de estos enormes reservatorios. Algunos procesos naturales como decía antes ya lo hacen. Por ejemplo, de las lluvias conseguimos aprovecharla en forma de hidráulica, también de las holas marinas.
Pensé que como el 78% de la atmosfera está compuesto por moléculas de N2, Si se podría efectuar algún tipo de reacción química, que lo transformase en solido o líquido. Pero el N2 parece muy inerte y para fijarlo en amonio o algo parecido se precisan temperaturas y presiones muy elevadas (proceso Haber-Bosch) Por lo que no resulta viable para este propósito. Habría que pensar en este sentido, con otro tipo de reacción. Por provocar a los químicos que no quede.
No se si la molécula de N2 tiene alguna polaridad, si positivo tal vez mediante algún campo podríamos colocarlas en flujos (tipo fila india), con lo que disminuiríamos bastante el volumen ocupado, generando con esto una depresión, que propiciaría la diferencia de potencial que mencionas. Claro que este u otro proceso mecánico, debe consumir menos energía que la retornada.
Pocos pensaban hace siglo y medio que, se podrían obtener inmensas cantidades de energía sobrando de la materia, ahora tenemos las centrales nucleares y bombas atómicas.
domingo 29 enero, 2023 @ 12:52 pm
Tal vez el problema de falta de recursos no sea demasiado real, y resida en el ansia humana por consumir más , tener más, de todo más. En principio parece y se un motor de progreso, pero si no se modera y se mantiene en lo que podríamos llamar sus justos límites, llegaremos a lo ya estamos llegando. Ahora bien, para fijar esos justos límites, que por otra parte son , en buena lógica, necesarios, hay que disponer de un andamiaje ético y moral, que en estos momentos, está mal visto por muchos, como una cortapisa a su derecho inalienable, dicen, a decidir lo que ellos dicten. Y como el Universo, Dios según otros, tiene sus propias leyes para nosotros, hormigas en su terrario privado, o las cumplimos, o vamos a ir de cabeza al agujero negro. Y ya estamos en el disco de acreción, cada día más acelerados…
domingo 29 enero, 2023 @ 12:54 pm
errata línea 3: se un motor, debe ser, es un motor
domingo 29 enero, 2023 @ 8:15 pm
Amigo Eduardo: Me sumo a la opinión de nuestro común «petrus» en su 11. Si no hay diferencia, no hay forma. El que sea altísima una presión no implica nada si no hay un volumen de destino a presión menor.
domingo 29 enero, 2023 @ 10:27 pm
Está claro Tomás que, si no hay desnivel, no hay forma de intercambiar energía. El comentario lo pongo para ver si a alguien se le ocurre alguna idea factible.
miércoles 1 febrero, 2023 @ 8:18 pm
Ya la tuvieron, amigo Eduardo. Alguien descubrió una curiosa y desconocida energía acumulada, como los resortes, en el propio material a explotar, en los materiales radiactivos. Son como resortes muy tensados que, cuando se sueltan, hacen trabajar algo o simplemente, lo aplastan. Son los átomos radiactivos y la energía nuclear. Y se aplica en centrales nucleares y , que no se entere Putin, en bombas atómicas. En realidad, tienen energía también los alimentos, desde los calamares a la lechuga. Y sabemos aprovecharla. Cambiamos energía química en mecánica( andar, bombear la sangre, escribir mensajes, etc ). Pero falta, como insinúas, la idea definitiva que nos permita obtener energía sin límite de algo y que resulte barata barata.
sábado 4 febrero, 2023 @ 9:45 am
Claro «petrus», pero eso no viene de la presión de una materia, fluida o no, presión derivada de la gravedad, que es lo que sugiere Eduardo.
sábado 11 febrero, 2023 @ 6:17 pm
La tentación del H como solución de combustible ideal me parece engañosa. No porque no se pueda usar sino porque algunos desgobernantes lo están presentando como el hada madrina, y es un elemento muy poco manejable. Presiones enormes, explosividad, difícil almacenamiento, son reales, pero hacemos un hidroducto entre Tarifa y París y asunto resuelto, sobre todo si soy el que lo va a construir a precio de oro. Pero luego hay que producir energía eléctrica para romper la molécula de agua, y cada escalón en el proceso tiene su rendimiento CH4 —> CH4 + O —> CO2 + H2O —> Vegetales—> return (Los V.R. recuperan el C del CO2, el H del agua y vuelta al CH4). Los alemanes ya hacían gasolina sintética en la segunda G.M. Los detalles de las V.R. para patentar… :)
sábado 11 febrero, 2023 @ 6:29 pm
Repito el mensaje, que ha sido copiado incompleto:
La tentación del H como solución de combustible ideal me parece engañosa. No porque no se pueda usar sino porque algunos desgobernantes lo están presentando como el hada madrina, y es un elemento muy poco manejable. Presiones enormes, explosividad, difícil almacenamiento, son reales, pero hacemos un hidroducto entre Tarifa y París y asunto resuelto, sobre todo si soy el que lo va a construir a precio de oro. Pero luego hay que producir energía eléctrica para romper la molécula de agua, y cada escalón en el proceso tiene su rendimiento CH4 ; –> CH4 + O —> CO2 + H2O —> Vegetales—> Return» (Los V.R. recuperan el C del CO2, el H del agua y vuelta al CH4). Los alemanes ya hacían gasolina sintética en la segunda G.M.
sábado 11 febrero, 2023 @ 6:33 pm
Lo siento, renuncio, el programa hace siempre lo mismo, me borra partes del mensaje, sin dejar clara la idea base.