El sol es una fuente de energía limpia e inagotable, con el potencial de proporcionar una respuesta sostenible a todas las futuras demandas de suministro de energía. Solo hay un problema pendiente: el sol no siempre brilla y su energía es difícil de almacenar.Por primera vez, los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y el ETH Zurich revelaron un proceso químico que utiliza la energía térmica del sol para convertir el dióxido de carbono y el agua directamente en combustibles de alta energía: un procedimiento desarrollado sobre la base de una nueva combinación de materiales.de óxido de cerio y rodio. Este descubrimiento marca un paso significativo hacia el almacenamiento químico de la energía solar. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista de investigación Energy and Environmental Science.
La energía del sol ya está siendo aprovechada de varias maneras: mientras las células fotovoltaicas convierten la luz solar en electricidad, las instalaciones solares térmicas utilizan la vasta energía térmica del sol para propósitos como calentar fluidos a altas temperaturas. Las plantas de energía solar térmica involucranImplementación a gran escala de este segundo método: utilizando miles de espejos, la luz del sol se enfoca en una caldera en la que se produce vapor directamente o mediante un intercambiador de calor a temperaturas superiores a 500 ° C.Las turbinas convierten la energía térmica en electricidad.
Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y ETH Zurich han colaborado para desarrollar una alternativa innovadora a este enfoque. El nuevo procedimiento utiliza la energía térmica del sol para convertir el dióxido de carbono y el agua directamente en combustible sintético.
"Esto permite que la energía solar se almacene en forma de enlaces químicos", explica Ivo Alxneit, químico del Laboratorio de Tecnología Solar de PSI. "Es más fácil que almacenar electricidad". El nuevo enfoque se basa en un principio similar al utilizadopor las plantas de energía solar ". Alxneit y sus colegas usan el calor para activar ciertos procesos químicos que solo tienen lugar a temperaturas muy altas por encima de 1000 ° C. Los avances en la tecnología solar pronto permitirán alcanzar tales temperaturas utilizando la luz solar ...
Produciendo combustible con calor solar
La investigación de Alxneit se basa en el principio del ciclo termoquímico, un término que comprende tanto el proceso cíclico de conversión química como la energía térmica necesaria para ello, lo que los expertos denominan energía térmica. Diez años atrás, los investigadores yademostró la posibilidad de convertir sustancias de baja energía como el agua y el dióxido de carbono del producto de desecho en materiales ricos en energía como el hidrógeno y el monóxido de carbono.
Esto funciona en presencia de ciertos materiales como el óxido de cerio, una combinación del metal cerio con oxígeno. Cuando se somete a temperaturas muy altas por encima de 1500 ° C, el óxido de cerio pierde algunos átomos de oxígeno. A temperaturas más bajas, este material reducido esdispuestos a volver a adquirir átomos de oxígeno. Si las moléculas de agua y dióxido de carbono se dirigen sobre una superficie activada, liberan átomos de oxígeno símbolo químico: O. El agua H2O se convierte en hidrógeno H2 y dióxido de carbono CO2 se convierte en monóxido de carbono CO, mientras que el cerio se vuelve a oxidar en el proceso, estableciendo las condiciones previas para que el ciclo del óxido de cerio comience de nuevo.
El hidrógeno y el monóxido de carbono creados en este proceso pueden usarse para producir combustible: específicamente, hidrocarburos gaseosos o fluidos como metano, gasolina y diesel. Estos combustibles pueden usarse directamente pero también pueden almacenarse en tanques o alimentarse en la naturalezarejilla de gas.
Un proceso en lugar de dos
Hasta ahora, este tipo de producción de combustible requería un segundo proceso separado: la llamada Síntesis Fischer-Tropsch, desarrollada en 1925. El consorcio de investigación europeo SOLAR-JET propuso recientemente una combinación de un ciclo termoquímico y elProcedimiento de Fischer-Tropsch.
Sin embargo, como explica Alxneit: "aunque esto básicamente resuelve el problema de almacenamiento, se necesita un esfuerzo técnico considerable para llevar a cabo una Síntesis Fischer-Tropsch". Además de una instalación solar, se requiere una segunda planta técnica a escala industrial.
Producción directa de combustible solar ahora posible
Al desarrollar un material que permita la producción directa de combustible dentro de un proceso, el nuevo enfoque desarrollado por Ivo Alxneit y sus colegas prescinde del procedimiento Fischer-Tropsch y, por lo tanto, también del segundo paso. Esto se logró agregando pequeñas cantidades derodio al óxido de cerio. El rodio es un catalizador que permite ciertas reacciones químicas. Se sabe desde hace algún tiempo que el rodio permite reacciones con hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono.
"El catalizador es un tema de investigación fundamental para la producción de estos combustibles solares", dice Alxneit. Su candidato a doctorado en el PSI Fangjian Lin enfatiza: "fue un gran desafío controlar las condiciones extremas necesarias para estas reacciones químicas ydesarrollar un material catalizador capaz de resistir un proceso de activación a 1500 ° C ". Durante el proceso de enfriamiento, por ejemplo, no se debe permitir que las islas de rodio extremadamente pequeñas en la superficie del material desaparezcan o aumenten de tamaño, ya que son esenciales para lo previstoproceso catalítico. Los combustibles resultantes se usan o almacenan y el proceso cíclico comienza nuevamente una vez que el óxido de cerio se reactiva.
Utilizando varios métodos estándar de análisis de estructuras y gases, los investigadores que trabajan en laboratorios de la PSI y la ETH en Zurich examinaron el compuesto de cerio-rodio, exploraron qué tan bien funciona la reducción del óxido de cerio y qué tan exitosa fue la producción de metano ".Hasta ahora, nuestro proceso combinado solo entrega pequeñas cantidades de combustible directamente utilizable ", concluye Alxneit .." Pero hemos demostrado que nuestra idea funciona y nos ha llevado de los reinos de la ciencia ficción a la realidad ".
Pruebas exitosas en horno de alto rendimiento
Durante sus experimentos, los investigadores mantuvieron las cosas simples usando un horno de alto rendimiento en el ETH en lugar de energía solar. "En la fase de prueba, la fuente real de energía térmica es irrelevante", explica Matthäus Rothensteiner, candidato a doctorado en elPSI y ETH Zurich, cuya área de responsabilidad incluía estas pruebas.
Jeroen van Bokhoven, jefe del Laboratorio de Catálisis y Química Sostenible de PSI y Profesor de Catálisis Heterogénea en el ETH Zurich agrega: "Estas pruebas nos permitieron obtener información valiosa sobre la estabilidad a largo plazo del catalizador. Nuestro horno de alto rendimiento nos permitiópara llevar a cabo 59 ciclos en rápida sucesión. Nuestro material ha sobrevivido cómodamente a su primera prueba de resistencia. "Habiendo demostrado que su procedimiento es factible en principio, los investigadores ahora pueden dedicarse a su optimización".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer PSI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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