Los científicos avanzan hacia una transición energética con hidrógeno generado en los tejados

Producción eficiente de hidrógeno, combustibles e incluso agua potable en tejados o parques fotovoltaicos: esto es lo que los científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y sus socios canadienses quieren lograr con módulos fotorreactores económicos. Ahora han hecho un progreso considerable. Reportan sus resultados en Joule.

La fotosíntesis artificial significa que las reacciones químicas tienen lugar con la ayuda de la luz solar. Como en la naturaleza, los fotones son absorbidos por el material fotocatalíticamente activo y su energía se utiliza para desencadenar directamente una reacción química. “Mientras tanto, se conocen varios fotocatalizadores. Se pueden usar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o para producir combustibles neutrales para el clima a partir de agua y dióxido de carbono”, dice Paul Kant del KIT del Instituto de Ingeniería de Microprocesos (IMVT).

Hasta ahora, esta tecnología se ha utilizado principalmente en laboratorios, porque el costo de producir hidrógeno solar era demasiado alto. Ahora, el equipo ha logrado avances decisivos en el desarrollo del concepto de paneles fotorreactores de alta eficiencia que se pueden alojar en módulos de bajo costo.

Kant cree que el uso generalizado de estos novedosos módulos fotorreactores para producir hidrógeno o combustibles en tejados o en parques fotovoltaicos podría ser una de las mayores oportunidades tecnológicas de la humanidad en la lucha contra la crisis climática. “Esto podría hacer que el uso de portadores de energía fósil sea redundante”. Kant dirigió las actividades de investigación mientras trabajaba en su doctorado con el profesor Roland Dittmeyer en IMVT. Están integrados en el programa Helmholtz “Materiales y tecnologías para la transición energética”.

Concepto de reactor optimizado para el mercado masivo

Un módulo de fotorreactor eficiente para su aplicación práctica debe constar básicamente de dos componentes: un fotocatalizador adecuado que impulse la reacción química y un fotorreactor que contenga el fotocatalizador y las materias primas para la reacción química. “Idealmente, el fotorreactor debería dirigir la luz solar incidente hacia el fotocatalizador casi sin pérdida, sin importar de dónde venga y dónde se encuentre el sol en ese momento”, explica Kant.

“Además, el diseño y el material del fotorreactor deben garantizar un rendimiento óptimo del fotocatalizador, como la temperatura adecuada o la intensidad de absorción de la luz”. El concepto de fotorreactor del equipo aborda este doble desafío: consta de paneles de polímero microestructurados recubiertos con aluminio para una alta reflectancia. También proporciona condiciones de trabajo óptimas y asegura un transporte eficiente de la luz al fotocatalizador durante el día. Los científicos desarrollaron el sistema utilizando optimización de geometría asistida por computadora y un sistema de modelado fotocatalítico. La primera demostración a escala de laboratorio fue un éxito.

Reducción de costes gracias a módulos económicos

Sobre la base de las pautas generales desarrolladas por los científicos después de un análisis detallado de su concepto de reactor, los futuros módulos de fotorreactores ahora pueden diseñarse fácilmente para lograr la máxima eficiencia en diversas aplicaciones. Sin embargo, la alta eficiencia de las reacciones químicas es solo una de las condiciones que se deben cumplir para que la fotosíntesis artificial sea considerada una tecnología eficiente.

Los paneles del fotorreactor deben cubrir áreas muy grandes para producir cantidades adecuadas de producto. “Para mantener bajos los costos, utilizamos materiales y geometrías económicas que ya se pueden producir en serie”, dice Kant. Según las primeras estimaciones de los científicos, un metro cuadrado del módulo del fotorreactor cuesta unos 22 dólares.

Ahora, los equipos de Anselm Dreher de IMVT y el profesor Geoffrey Ozin de Toronto están desarrollando un fotocatalizador que descompone el agua en hidrógeno y oxígeno de manera efectiva. Se integrará con los fotorreactores presentados. Además, actualmente se está estudiando la producción en serie de paneles.