El hidrógeno generado con la energía del sol podría reemplazar en gran medida a los combustibles fósiles en el futuro, ayudando a reducir las emisiones de carbono. En el proyecto de investigación conjunto Neo-PEC, los especialistas del Instituto Fraunhofer han desarrollado un módulo tándem que es autosuficiente y confiable en la producción de hidrógeno verde generado por energía solar.
El hidrógeno es un elemento clave en la transformación de los procesos industriales para reducir el impacto climático. Sin embargo, un combustible que se quema sin liberar CO2 también debería producirse sin huella de carbono.
Un proceso clásico para esto es la electrólisis, en la que se utiliza electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Si la electricidad necesaria para la electrólisis proviene de fuentes renovables como paneles solares, el resultado es hidrógeno verde.
La desventaja es que los electrolizadores necesarios para este proceso son típicamente sistemas grandes y altamente complejos. Este equipo costoso y de alto mantenimiento también está cada vez más escaso, especialmente en el contexto actual de las políticas climáticas globales.
Generación de hidrógeno solar
El uso directo de energía solar para dividir el agua mediante una célula fotoelectroquímica (PEC) ofrece una alternativa emocionante. En el proyecto de investigación conjunto Neo-PEC, investigadores de tres institutos Fraunhofer se han unido para desarrollar una solución modular que permite una generación y suministro de hidrógeno altamente flexible con energía solar.
El núcleo de este desarrollo es un módulo tándem PEC. Es similar a su contraparte fotovoltaica tradicional, pero con una diferencia crucial: la electricidad no se genera para una electrólisis posterior en otro lugar. Todo el proceso tiene lugar en una sola unidad. Se necesita precaución en todo momento: dado que el proceso resulta en hidrógeno y oxígeno, la estructura debe diseñarse para mantener una separación estricta entre los dos elementos durante la generación y más allá.
Producción del módulo tándem
Para producir la célula tándem, los expertos recubren vidrio flotado o de placa estándar disponible comercialmente con materiales semiconductores en ambos lados. Cuando la luz solar golpea el vidrio, un lado del módulo absorbe la luz de onda corta. Al mismo tiempo, la luz de onda larga pasa a través de la capa superior de vidrio y se absorbe en el reverso. El módulo libera hidrógeno en el lado reverso o cátodo y oxígeno en el lado superior, que es el ánodo.
Durante los tres años del proyecto, los científicos de Fraunhofer investigaron y desarrollaron materiales semiconductores de alta pureza, que aplican mediante métodos de recubrimiento ultra-suaves. Esto les permite aumentar el rendimiento de hidrógeno del método.
Usamos la fase de vapor para formar capas de solo unos pocos nanómetros de espesor sobre el vidrio. Las estructuras creadas en el proceso tienen un gran impacto en la actividad del reactor, además de las propiedades materiales reales, que también hemos optimizado. Los elementos fotovoltaicos vinculados en el módulo suministran al sistema un voltaje adicional, un turbo que acelera la actividad mientras aumenta la eficiencia.
Dr. Arno Görne, gerente de grupo de Materiales Funcionales para Microsistemas Híbridos en el Instituto Fraunhofer de Tecnologías Cerámicas y Sistemas IKTS.
Seguridad
El resultado es un reactor con una superficie activa de medio metro cuadrado. Separado del oxígeno, genera el hidrógeno, que puede capturarse y cuantificarse directamente. Actualmente, un solo módulo expuesto a la luz solar en condiciones europeas puede generar más de 30 kilogramos de hidrógeno por año en 100 metros cuadrados. Con este rendimiento, un coche de hidrógeno podría recorrer entre 15.000 y 20.000 kilómetros, por ejemplo.
En términos de las dimensiones de la célula tándem, estamos limitados por el hecho de que nuestro módulo divide el agua directamente, pero también es necesario que la electricidad pase de un lado al otro para lograr esto. A medida que aumenta el área del módulo, la resistencia creciente tiene un efecto desfavorable en el sistema. Tal como están las cosas actualmente, el formato existente ha demostrado ser óptimo. Es estable, robusto y significativamente más grande que cualquier solución comparable. Los elementos compactos pueden conectarse según sea necesario sin efectos negativos, desde un solo módulo hasta grandes áreas, una ventaja significativa para la solución Fraunhofer.
Dr. Arno Görne
Vinculación de experiencia
El proyecto, ahora concluido, también es un ejemplo exitoso de colaboración entre instituciones y combinación de experiencia complementaria de Fraunhofer. Fraunhofer IKTS investigó materiales y procesamiento para la capa fotoactiva. Los colegas del Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Superficies y Películas Delgadas IST contribuyeron con su experiencia en el uso de deposición física de vapor para recubrir grandes áreas. El diseño del reactor, la producción de bajo costo y confiable, y la posterior evaluación de los módulos estuvieron en manos de los expertos del Centro Fraunhofer para Fotovoltaica de Silicio CSP.
Los socios del proyecto ya han realizado numerosas pruebas de campo que demuestran la operación estable y fluida tanto del módulo como de las interconexiones. Pero eso no es todo para los equipos de Fraunhofer, que presentaron su reactor en la feria Achema 2024 en Frankfurt en junio, ya que comenzaron a planificar sus próximos pasos hace mucho tiempo. Primero, planean continuar su exitosa colaboración entre institutos en un proyecto de seguimiento, y segundo, pretenden desarrollar aún más su solución en varias direcciones en colaboración con el sector privado, para una generación y suministro descentralizado de hidrógeno directo, seguro y eficiente.
Santiago dice
excelente información técnica, gracias por su labor formativa