Investigadores australianos han analizado diferentes formas de mejorar la eficiencia de la electrólisis de agua con energía fotovoltaica para la generación de hidrógeno.
La eficiencia de la electrólisis con energía solar
Los científicos de la Universidad Southern Cross en Australia estudian hasta qué punto el uso de campos magnéticos, campos de energía luminosa, campos ultrasónicos o campos eléctricos pulsantes podría ayudar a mejorar la eficiencia de la electrólisis del agua en plantas de generación de hidrógeno con energía solar.
“Este estudio ha examinado más de cerca estos campos aplicados debido al potencial de que su eficacia se puede mejorar aún más al considerar la dinámica molecular de las moléculas de agua. También aboga por el uso de equipos de prueba precisos y efectivos para ayudar a desarrollar un enfoque universal que permitiría evaluar fácilmente las investigaciones futuras” dijeron los investigadores.
El hidrógeno verde es actualmente más caro que el hidrógeno azul, y la eficiencia de los sistemas híbridos solar-hidrógeno disponibles comercialmente varía desde un mínimo de alrededor del 2,3% hasta un máximo de aproximadamente el 12%. Esta baja eficiencia generalmente se atribuye a las pérdidas de eficiencia en la generación fotovoltaica y la celda de electrólisis, el consumo de energía por controles electrónicos, la moderación de la temperatura y los sistemas de acoplamiento ineficaces entre los paneles solares y el electrolizador.
Una forma de aumentar la eficiencia de la electrólisis con energía solar, independientemente de la efectividad del acoplamiento, es mejorar la eficiencia de la electrólisis a través de los cuatro enfoques propuestos, que ya se sabe que ayudan a reducir la formación y el flujo de burbujas de gas de oxígeno e hidrógeno. en electrolizadores.
“El principal problema reportado con la evolución de las burbujas son las burbujas de gas que se adhieren a los electrodos, lo que hace que las burbujas se acumulen entre los electrodos, lo que resulta en un aumento en la resistencia óhmica dentro del electrolizador”, explicaron los científicos, y agregaron que más potencia se necesita un consumo para compensar esta resistencia.
Los campos magnéticos
Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas que pueden ser corrientes macroscópicas en cables o corrientes microscópicas asociadas con electrones en órbitas atómicas. Estos campos son una solución bien conocida para permitir la desorción de hidrógeno de los electrodos y la reducción resultante del tamaño de burbuja de los gases producidos. Aunque se han dado diferentes explicaciones para el mayor caudal de hidrógeno fuera del sistema, cuando se aplican estos campos, los científicos creen que estos hallazgos contradictorios son posiblemente el resultado de diferentes diseños de electrolizadores.
“Tal diferencia en el diseño daría como resultado una interacción diferente entre el campo magnético inducido externamente, los electrodos y el campo eléctrico generado dentro de la cámara de electrólisis”, dijeron.
Sin embargo, los problemas actuales con este enfoque son la dificultad de usar barras magnéticas en aplicaciones a gran escala y el alto costo de producir imanes de tierras raras y generar un campo magnético a partir de una fuente de energía. Se necesita más investigación para evaluar la verdadera eficiencia de este enfoque para mejorar la electrólisis, dijeron los investigadores.
Luz Solar
Los láseres verdes ya se han utilizado a nivel de investigación para mejorar la generación de hidrógeno a través de la energía de la luz, que crea un campo eléctrico inducido. Los láseres han demostrado ser lo suficientemente eficientes como para proporcionar mejoras considerables en la producción del combustible, pero los costos de la energía necesaria para alimentarlos aún pueden ser demasiado prohibitivos para que esta tecnología sea viable.
En cambio, la luz solar concentrada no necesita ningún aporte de energía adicional y podría representar una alternativa interesante.
“La utilización de la energía de la luz solar para mejorar la producción de hidrógeno en configuraciones híbridas solar-hidrógeno complementaría tal sistema si las configuraciones incorporan receptores de luz solar en paneles fotovoltaicos para inducir la luz solar en la cámara de electrólisis”, dijeron los académicos, agregando que los beneficios potenciales reales de la La aplicación de energía luminosa debe investigarse a fondo.
Campos ultrasónicos
Los campos ultrasónicos se han aplicado con éxito para mejorar la eficiencia de los electrolizadores, mostrando potencial para un aumento del 20%.
“Por ejemplo, mayores entradas de energía ultrasónica en algunas concentraciones de electrolitos hicieron que las burbujas de gas se rompieran en burbujas más pequeñas, lo que resultó en una mayor adhesión de las burbujas a los electrodos, una mayor impedancia del sistema y un aumento en el consumo de energía”, dijeron los investigadores.
Sin embargo, la energía necesaria para crear los campos es menor que la energía ahorrada debido al aumento de la eficiencia, lo que actualmente hace inviable su aplicación al hidrógeno. Además, varios investigadores han demostrado que la eficiencia del electrolizador no siempre es proporcional a la entrada de energía ultrasónica.
“Por ejemplo, mayores entradas de energía ultrasónica en algunas concentraciones de electrolitos hicieron que las burbujas de gas se rompieran en burbujas más pequeñas, lo que resultó en una mayor adhesión de las burbujas a los electrodos, una mayor impedancia del sistema y un aumento en el consumo de energía”, dijeron los científicos, señalando que solo pocos estudios han investigado este y otros temas relacionados con este campo externo.
Campos eléctricos pulsantes
Pulsar el campo eléctrico aplicado a diferentes intensidades y frecuencias es otra forma de mejorar la generación de hidrógeno. Se esbozaron diferentes teorías para explicar por qué esta técnica produce efectivamente un aumento en la eficiencia de la electrólisis, aunque no se establecieron hallazgos concluyentes.
“Como con todos los campos aplicados, una desventaja de aplicar un campo eléctrico pulsante es el costo del sistema requerido para generar el campo eléctrico pulsante, especialmente para campos eléctricos de alta frecuencia con altos requerimientos de potencia”, explicaron los académicos. “El costo de dicho equipo también aumenta rápidamente a medida que aumentan los requisitos de energía del equipo para satisfacer las necesidades de los sistemas ampliados para aplicaciones industriales”.
Dijeron que la aplicación aún no se ha estudiado exhaustivamente. Se necesita más trabajo para evaluar los efectos de pulsar el campo eléctrico aplicado para la electrólisis del agua.
Molécula de agua
Una mirada a cómo estos cuatro campos aplicados interactúan con el movimiento molecular y la redistribución de moléculas en el agua durante la electrólisis podría acercarnos a demostrar su viabilidad, afirmó el investigador. En particular, han analizado la conversión orto-para de las moléculas de agua para comprender el movimiento y la reactividad del agua.
“Ortho H 2 O es un término para las moléculas de agua que tienen un estado de giro debido al momento energético de cada uno de los elementos de hidrógeno que trabajan en conjunto entre sí”, explicaron. “Mientras que para H 2 O es un término para las moléculas de agua que no tienen un estado de giro debido a los momentos energéticos de cada uno de los elementos de hidrógeno que trabajan en direcciones opuestas”.
Los científicos concluyeron que una comprensión más profunda de la dinámica molecular del agua en la electrólisis será crucial para acercar los cuatro enfoques propuestos a la viabilidad.
