Centrales eléctricas compactas para hidrógeno verde

Módulo individual de un reactor PEC en tándem autónomo. © Fraunhofer IKTS / Módulo individual de un reactor PEC en tándem autónomo. © Fraunhofer IKTS

El hidrógeno producido con la fuerza del sol podría en el futuro reemplazar ampliamente a los combustibles fósiles y contribuir a reducir las emisiones de CO2. En el proyecto conjunto Neo-PEC, expertos de Fraunhofer han desarrollado un módulo en tándem que produce de manera autónoma y segura hidrógeno verde solarmente generado.

Para la transformación ecológica de los procesos industriales, el hidrógeno es un enfoque central. Sin embargo, un portador de energía que se quema sin liberar CO2 debería, si es posible, también haberse producido sin huella de carbono. Un método clásico para esto es la electrólisis, en la que el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad. Si la electricidad utilizada para la electrólisis proviene de fuentes renovables como la fotovoltaica, se obtiene hidrógeno verde. La desventaja: los electrolizadores necesarios para este proceso suelen ser instalaciones grandes y altamente complejas. Además, los dispositivos, que son costosos y requieren mucho mantenimiento, escasean especialmente en el contexto actual mundial y político climático.

Producción solar de hidrógeno

Una alternativa interesante es la escisión directa del agua mediante energía solar, en inglés célula fotoelectroquímica (PEC). En el proyecto conjunto Neo-PEC, investigadores de tres institutos Fraunhofer han desarrollado una solución modular que permite una producción y suministro de hidrógeno altamente flexible con energía solar.

El núcleo del desarrollo de Fraunhofer es un módulo PEC en tándem. Se asemeja a su equivalente fotovoltaico clásico, con una diferencia clave: la electricidad no se genera para ser utilizada posteriormente en otro lugar para la electrólisis. Todo el proceso ocurre en una misma unidad. Sin embargo, hay que tener cuidado: dado que en el proceso se producen hidrógeno y oxígeno, el diseño debe garantizar que estos elementos se produzcan y permanezcan estrictamente separados.

Para la célula en tándem, los expertos recubren ambos lados de un vidrio flotante o plano convencional con materiales semiconductores. Cuando la luz solar incide, un lado del módulo absorbe la luz de onda corta. Al mismo tiempo, la luz de onda larga atraviesa la capa superior de vidrio y se capta en el lado inverso. En este proceso, el módulo libera hidrógeno en el lado inverso o cátodo y oxígeno en el lado superior, el ánodo.

Los científicos de Fraunhofer investigaron y desarrollaron durante los tres años del proyecto materiales semiconductores de alta pureza, aplicándolos mediante procedimientos de recubrimiento especialmente suaves. Esto les permite aumentar la producción de hidrógeno del proceso.

«Construimos capas de nanómetro de grosor en el vidrio mediante la fase gaseosa. Las estructuras resultantes tienen un gran impacto en la actividad del reactor, además de las propiedades del material en sí, que también hemos optimizado», explica el Dr. Arno Görne, jefe del grupo de Materiales Funcionales para microsistemas híbridos en el Instituto Fraunhofer para Tecnologías Cerámicas y Sistemas IKTS. Los elementos fotovoltaicos integrados en el módulo suministran energía adicional al sistema: actúan como un turbo que acelera la actividad y aumenta la eficiencia.

Cuadrático, práctico y seguro

El resultado es un reactor cuya superficie activa mide medio metro cuadrado. Separa el oxígeno y produce hidrógeno, que puede ser capturado y cuantificado inmediatamente. Actualmente, un solo módulo genera más de 30 kilos de hidrógeno al año en condiciones de exposición solar europea en una superficie de 100 metros cuadrados. Con esta producción, por ejemplo, un coche de hidrógeno podría recorrer entre 15.000 y 20.000 kilómetros.

«Las dimensiones de la célula en tándem están limitadas por el hecho de que nuestro módulo divide el agua directamente, pero también necesita que la electricidad fluya de un lado a otro. A medida que aumenta la superficie del módulo, las resistencias crecientes afectan negativamente al sistema. Hasta ahora, este formato ha demostrado ser el más óptimo. Es estable, robusto y mucho más grande que todas las soluciones comparables», subraya Görne. Los elementos compactos pueden conectarse sin efectos secundarios negativos según las necesidades, desde un solo módulo hasta áreas extensas, lo que representa una ventaja significativa de la solución de Fraunhofer.

Conectar competencias

El proyecto también es un ejemplo exitoso de colaboración interinstitucional y de la combinación de competencias complementarias de Fraunhofer: en el marco del proyecto, que ahora llega a su fin, el IKTS de Fraunhofer investigó materiales y procesos para la capa fotoactiva. Los colegas del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Capas y Superficies IST aportaron su experiencia en recubrimientos de superficies mediante deposición física en fase gaseosa. El diseño del reactor, la fabricación económica y confiable, y la evaluación posterior de los módulos estuvieron en manos de expertos del Centro Fraunhofer para Fotovoltaica de Silicio CSP.

Los socios del proyecto ya han demostrado en numerosos ensayos de campo que el módulo y la conexión en serie funcionan de manera estable y sin problemas. Pero los equipos de Fraunhofer, que presentaron su reactor con éxito por primera vez en la feria Achema 2024 en Frankfurt en junio, ya están planificando los próximos pasos: por un lado, quieren continuar la colaboración exitosa entre institutos en un proyecto posterior; por otro, planean desarrollar su solución en cooperación con empresas en diferentes direcciones, para una producción y suministro de hidrógeno descentralizados, directos, seguros y eficientes.