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Generación de combustible solar

Generación de combustible solar

La generación de combustible a través de la energía solar es una técnica basada en generar reacciones químicas utilizando la radiación solar. Estos procesos químicos permiten generar energía que de otra manera provendría de una fuente de combustible fósil o de la energía nuclear.

Una gran ventaja de la generación de combustibles solares es que se puede transportar y almacenar con facilidad. Sin embargo, añadir un paso en la generación de la energía eléctrica (la generación de combustible) implica una reducción de la eficiencia: agregar un paso adicional entre el almacenamiento de energía y la producción de electricidad disminuye drásticamente la eficiencia del proceso general.

Tipos de reacciones químicas solares

Las reacciones químicas inducidas por el Sol se pueden dividir en reacciones termoquímicas o en reacciones fotoquímicas. Una fotosíntesis artificial puede producir una variedad de combustibles.

Una reacción termoquímica es una reacción química en la que se experimenta una transformación termodinámica. En otras palabras, es una reacción que genera o absorbe energía térmica.

Las reacciones fotoquímicas generan interacciones entre los átomos, las moléculas pequeñas y la luz. El la fotoquímica existen dos leyes físicas muy importantes La primera ley de la fotoquímica dice establece que la luz debe ser absorbida por una sustancia química para que dé lugar a una reacción fotoquímica. La segunda ley de la fotoquímica establece que, para cada fotón de luz absorbido por un sistema químico, solamente una molécula es activada para una reacción fotoquímica.

Química solar

¿Qué es la química solar? La química solar se refiere a una serie de posibles procesos que aprovechan la energía solar al absorber la luz solar en una reacción química. La idea es conceptualmente similar a la fotosíntesis en las plantas, que convierte la energía solar en los enlaces químicos de las moléculas de glucosa, pero sin usar organismos vivos, es por eso que también se la llama fotosíntesis artificial.

Un enfoque prometedor es utilizar la luz solar enfocada para proporcionar la energía necesaria para separar el hidrógeno y el oxígeno del agua en presencia de un catalizador metálico como el zinc. Este proceso normalmente se realiza en dos pasos para que el hidrógeno y el oxígeno no se produzcan en la misma cámara, para evitar un riesgo de explosión.

Otro enfoque consiste en tomar el hidrógeno creado en este proceso y combinarlo con dióxido de carbono para crear metano. El beneficio de este enfoque es que existe una infraestructura establecida para transportar y quemar metano para la generación de energía, lo que no es cierto para el hidrógeno.

El principal inconveniente de estos dos enfoques es común a la mayoría de los métodos de almacenamiento de energía: agregar un paso adicional entre el almacenamiento de energía y la producción de electricidad disminuye drásticamente la eficiencia del proceso general.

Fotosíntesis artificial

La fotosíntesis artificial es un proceso químico que imita el proceso natural de la fotosíntesis, que convierte la luz del sol, agua y dióxido de carbono en hidratos de carbono y oxígeno. El término generalmente se refiere a cualquier sistema para capturar y almacenar la energía de la luz solar en los enlaces químicos de un combustible (combustible solar). La disociación fotocatalítica del agua convierte el agua en protones (y finalmente en hidrógeno) y oxígeno y es una de las principales áreas de investigación en la fotosíntesis artificial. La reducción fotoquímica del dióxido de carbono es otro proceso en estudio y reproduce la fijación natural del carbono.

La investigación desarrollada en este campo incluye el diseño y la construcción de dispositivos (y sus componentes) para la producción directa de combustibles solares, la química fotoeléctrica y sus aplicaciones en celdas de combustible y la ingeniería de enzimas y microorganismos fotoautotróficos para Los biocombustibles microbianos y la producción de biohidrógeno a partir de la luz solar. Muchas, si no la mayoría, de las líneas de investigación están inspiradas en el mundo biológico, es decir, se basan en biomiméticos.

Perspectivas de futuro del combustible solar

Uno de los desafíos actuales es el desarrollo de la química catalítica multielectrónica involucrada en la fabricación de combustibles a base de carbono (como el metanol) a partir de la reducción del dióxido de carbono. Una alternativa viable es el hidrógeno. La producción de protones, aunque el uso del agua como fuente de electrones (como lo hacen las plantas en la fotosíntesis) requiere dominar la oxidación multielectrón de dos moléculas de agua a oxígeno molecular.

En determinados sectores, se prevé trabajar con plantas de combustible solar en áreas costeras metropolitanas para el año 2050: la separación del agua de mar que suministra hidrógeno a través de las plantas de energía eléctrica de celdas de combustible adyacentes y el subproducto de agua pura que ingresa directamente al sistema de agua municipal. Otra visión involucra a todas las estructuras humanas que cubren la superficie de la tierra (es decir, carreteras, vehículos y edificios) haciendo la fotosíntesis de una forma incluso más eficientemente que las plantas.

Las tecnologías de producción de hidrógeno han sido un área importante de la investigación química solar desde la década de 1970. Aparte de la electrólisis impulsada por células fotovoltaicas o fotoquímicas, también se han explorado varios procesos termoquímicos. Una de esas rutas utiliza concentradores para separar el agua en oxígeno e hidrógeno a altas temperaturas (2,300–2,600 ° C o 4,200–4,700 ° F).

Otro enfoque utiliza el calor de los concentradores solares para impulsar la reformación con vapor del gas natural, lo que aumenta el rendimiento global de hidrógeno en comparación con los métodos de reformado convencionales. Los ciclos termoquímicos caracterizados por la descomposición y regeneración de los reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso de Solzinc en desarrollo en el Instituto de Ciencias Weizmann utiliza un horno solar de 1 MW para descomponer el óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1.200 ° C (2.200 ° F). Esta reacción inicial produce zinc puro, que posteriormente puede reaccionar con agua para producir hidrógeno.

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Última revisión: 15 de mayo de 2019