Con solo agua de mar y luz solar, se puede obtener hidrógeno verde y agua de alta pureza: ¿cómo se logra transformar dos recursos abundantes y de bajo costo en recursos de alto valor?

Recientemente, el equipo del profesor asistente Lenan Zhang de la Universidad de Cornell, en colaboración con equipos del MIT, la Universidad de Lehigh, la Universidad Johns Hopkins y la Universidad Estatal, ha desarrollado una tecnología eficiente y de bajo costo para la producción de hidrógeno a partir de agua de mar impulsada por energía solar.

La innovadora tecnología logra un uso eficiente del espectro completo de la energía solar mediante un dispositivo de acoplamiento fototérmico-estancamiento de agua diseñado de manera inteligente, aprovechando no solo el efecto fotovoltaico de la luz solar, sino también su efecto fototérmico.

Los datos experimentales muestran que, bajo condiciones de irradiación solar estándar (1 kW/m²), la eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno alcanza el 12,6%, con una producción de hidrógeno de 35,9 L/m²/h. Simultáneamente, se genera agua limpia a una tasa de 1,2 L por metro cuadrado utilizando el calor residual del panel fotovoltaico.

El análisis tecnoeconómico indica que las ventajas de este sistema son significativas: después de 3 años de operación, el costo de producción del hidrógeno verde podría alcanzar los 5 dólares por kilogramo, y después de 15 años podría reducirse aún más a 1 dólar por kilogramo. Esta tecnología demuestra potencial de comercialización, ofreciendo un camino tecnológico económicamente viable para la futura producción sostenible de hidrógeno verde a gran escala.

Recientemente, el artículo relacionado titulado "Over 12% efficiency Solar-powered green Hydrogen production from seawater" se publicó en Energy & Environmental Science [1]. El profesor asistente Xuanjie Wang de la Universidad de Lehigh es el primer autor, mientras que los profesores asistentes Lenan Zhang de la Universidad de Cornell, Xinyue Liu de la Universidad Estatal de Toronto y Yayuan Liu de la Universidad Johns Hopkins son los autores corresponsales.

Imagen: Artículo relacionado (Fuente: Energy & Environmental Science)

El hidrógeno, como fuente de energía renovable con amplias perspectivas de desarrollo, es crucial debido a sus ventajas únicas en la transición de descarbonización, el almacenamiento de energía baja en carbono y el suministro de energía limpia. Entre ellos, el hidrógeno verde producido mediante electrólisis de agua con energías renovables, que tiene características de casi cero emisiones de carbono durante todo su ciclo de vida, es ampliamente considerado un componente central del futuro energético.

Sin embargo, la producción tradicional de hidrógeno verde enfrenta un cuello de botella clave: el enorme consumo de agua. Según cálculos teóricos, en un proceso continuo de producción de hidrógeno, por cada kilogramo de hidrógeno obtenido, se consumen al menos 9 kilogramos de agua, y en la producción industrial real esta cifra a menudo alcanza los 20-30 kilogramos.

Lo más grave es que el proceso de electrólisis requiere el uso de agua ultrapura estrictamente tratada (con concentraciones de impurezas e iones tan bajas como microgramos por litro). Este tratamiento adicional no solo aumenta significativamente los costos de producción, sino que también exacerba el problema del desequilibrio en la distribución de recursos en el contexto de la escasez global de agua, contradiciendo el concepto de desarrollo sostenible.

Imagen: El dispositivo de acoplamiento fototérmico-estancamiento de agua permite el uso del espectro solar completo (Fuente: Energy & Environmental Science)

Para abordar esta serie de desafíos, el equipo de investigación propuso de manera innovadora un esquema de uso integral del espectro solar completo. La tecnología fotovoltaica tradicional, limitada por el estrecho rango de banda prohibida de los materiales semiconductores, solo puede utilizar la energía de los fotones en bandas específicas del espectro solar (con una eficiencia máxima teórica de conversión de aproximadamente el 30%, y normalmente por debajo del 20% en la práctica). El resto de la energía se disipa en forma de calor residual. Este calor residual no solo causa pérdida de energía, sino que también eleva la temperatura de los módulos fotovoltaicos, desencadenando un ciclo de degradación de la eficiencia.

El equipo de investigación transformó este "problema del calor residual" en una "oportunidad de recursos" mediante la introducción de la tecnología de evaporación interfacial solar. Construyeron una capa especial de película de agua evaporativa en la superficie del módulo fotovoltaico, utilizando el calor residual para impulsar la evaporación del agua y obteniendo agua de alta pureza a través de un sistema de condensación.

Este diseño innovador logra un triple efecto: primero, reduce la temperatura del módulo fotovoltaico en más de 15 °C mediante el efecto de enfriamiento, mejorando significativamente la eficiencia de conversión fotovoltaica; segundo, convierte el calor desperdiciado en energía útil para la desalinización; y tercero, produce una gran cantidad de agua de alta pureza que puede utilizarse directamente en la electrólisis.

Imagen: Pruebas de rendimiento en ambiente exterior (Fuente: Energy & Environmental Science)

Para lograr simultáneamente la "maximización" de la producción de hidrógeno y agua, el equipo adoptó una serie de medidas, incluyendo diseño del sistema, optimización de dispositivos e introducción de componentes innovadores.

Específicamente:

En la producción de hidrógeno, desarrollaron un módulo único de gestión térmica que convierte el calor residual generado por el módulo fotovoltaico en calor latente a través del proceso de condensación de vapor, y lo transfiere de manera dirigida a la celda de electrólisis.

Este diseño aprovecha hábilmente las características opuestas de respuesta a la temperatura entre los módulos fotovoltaicos (cuya eficiencia disminuye al aumentar la temperatura) y las celdas de electrólisis (cuya eficiencia aumenta al aumentar la temperatura), construyendo un sistema de ciclo cerrado con uso en cascada. Los datos experimentales muestran que la eficiencia de conversión del calor residual en vapor de este sistema se acerca al 90%, logrando la máxima utilización del calor residual.

En cuanto a la desalinización del agua de mar, la tecnología de evaporación interfacial fototérmica desarrollada previamente por el equipo, mediante una gestión térmica localizada y eficiente, concentra la energía térmica en la superficie de evaporación, mejorando enormemente la eficiencia de evaporación. A través de esta innovación sinérgica que combina el acoplamiento del sistema a macroescala y la optimización de componentes, finalmente se logró la coproducción de hidrógeno y agua dulce impulsada por energía solar a partir del agua de mar.

Imagen: Análisis económico del dispositivo de acoplamiento fototérmico-estancamiento de agua (Fuente: Energy & Environmental Science)

Según predicciones relacionadas, el mundo enfrenta actualmente una enorme brecha de aproximadamente 500 millones de toneladas de hidrógeno verde. Esto corresponde a una demanda de consumo de miles de millones de toneladas de agua ultrapura, lo cual es casi imposible de lograr en el contexto de la escasez global de agua.

Sin embargo, los cálculos teóricos de este estudio indican que esta tecnología innovadora, ocupando solo el 0,06% de la superficie terrestre, podría utilizar directamente los recursos de agua de mar y energía solar para cubrir esta brecha.

Lenan Zhang explicó a DeepTech: "El modo de despliegue de esta tecnología es similar al de la energía solar térmica. Si podemos desplegar a gran escala estas fábricas de producción de hidrógeno como se hace con la energía fotovoltaica, podríamos lograr la producción de hidrógeno necesaria para los objetivos de neutralidad de carbono con una pequeña ocupación de tierra, gracias principalmente a la amplia y uniforme distribución de los recursos solares."

El significado innovador de esta tecnología también se refleja en el uso de los recursos hídricos. La electrólisis tradicional de agua para producir hidrógeno no solo consume mucha energía eléctrica, sino que también depende críticamente del suministro de agua ultrapura. Esta nueva tecnología cambia radicalmente este paradigma, permitiendo que el proceso de producción de hidrógeno utilice directamente diversas fuentes de agua como aguas residuales, agua de río, agua subterránea e incluso agua de mar. Esto tiene un significado revolucionario para lograr la producción industrial a gran escala en el futuro.

Zhang señaló además que la razón central de la insuficiente oferta en el mercado actual del hidrógeno verde, además de los altos costos, es su dependencia del agua ultrapura de alto costo. Esta tecnología, al utilizar directamente diversas fuentes de agua no tratada, no solo reduce drásticamente los costos de producción, sino que, lo más importante, resuelve el cuello de botella de recursos para la producción a gran escala.

En cuanto a la ruta de desarrollo tecnológico, el equipo adoptó una estrategia gradual. En la etapa de laboratorio, se centraron principalmente en la optimización del rendimiento, dedicándose a aumentar la producción de hidrógeno y agua dulce por unidad de entrada de energía solar. Vale la pena mencionar que la tecnología de desalinización de agua de mar desarrollada previamente por el equipo estableció un récord mundial en la desalinización solar de agua de mar de alta concentración y fue reconocida como uno de los "Mejores Inventos del Año" por la revista TIME.

Sobre la base de estas acumulaciones tecnológicas, los investigadores combinaron de manera innovadora y eficiente la tecnología de desalinización con la fotovoltaica solar, logrando una mejora significativa en el rendimiento del sistema. A medida que la tecnología madura, el equipo está trabajando para escalar el prototipo de laboratorio a sistemas de mayor escala y planea llevar a cabo proyectos de demostración.

Desde la perspectiva de la integración de sistemas energéticos, esta tecnología tiene perspectivas de aplicación aún más amplias. El principal desafío actual de la generación de energía fotovoltaica es el desequilibrio entre oferta y demanda y los altos costos de almacenamiento de energía. Esta tecnología, al producir hidrógeno mediante electrólisis, convierte la energía eléctrica fotovoltaica en energía química almacenada en forma de hidrógeno, que luego puede reconvertirse en electricidad a través de celdas de combustible, construyendo así un sistema de ciclo completo "fotovoltaico-hidrógeno".

Este modelo es especialmente adecuado para aplicaciones de energía descentralizada, ya que evita la complejidad del despacho a gran escala en la red eléctrica y resuelve el problema de la intermitencia en el suministro de energías renovables. El equipo de investigación indicó que, una vez validada la tecnología a escala, se centrarán en demostrar su efectividad práctica en sistemas energéticos descentralizados, proporcionando así una nueva ruta tecnológica para promover la transición energética.