Ventajas del enfoque acoplado térmicamente

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Cuando la física ambiental Kira Rehfeld de la Universidad de Heidelberg visitó la Antártida para su investigación, quedó impresionada por la intensa luz del lugar. «Siempre hay luz en el verano. Esta radiación solar podría usarse para alimentar la infraestructura de investigación», señala. Sin embargo, los generadores, motores y calentadores en estas regiones remotas se han alimentado principalmente hasta ahora con combustibles fósiles suministrados por barcos, como el petróleo o la gasolina, que causan el calentamiento global. Además de los altos costos económicos asociados, la contaminación causada por los derrames más pequeños también es un problema grave que amenaza el ecosistema particularmente sensible.

Sin embargo, los combustibles fósiles podrían ser reemplazados por hidrógeno, un medio energético versátil que también se puede almacenar muy bien a bajas temperaturas. «Nuestra idea era, por lo tanto, utilizar módulos solares para producir hidrógeno neutro para el clima en el lugar durante el verano antártico mediante la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis», dice May, entonces postdoctorado en el Instituto Helmholtz-Zentrum de Berlín. . Rehfeld y May han solicitado financiación de la Fundación Volkswagen para investigar si se puede generar hidrógeno utilizando la luz solar incluso en temperaturas bajo cero y qué método es el más adecuado para ese propósito. Las bajas temperaturas pueden reducir considerablemente la eficiencia de la electrólisis, aunque el frío en realidad aumenta la eficiencia de la mayoría de los módulos solares.

May y su colega en HZB, Moritz Kölbach, ahora han comparado empíricamente dos enfoques diferentes: una configuración convencional en la que el módulo fotovoltaico está separada térmica y físicamente del tanque de electrólisis y una configuración más reciente, acoplada térmicamente, en la que el módulo fotovoltaico es está en estrecho contacto con la pared del tanque de electrólisis, favoreciendo la difusión térmica. Para simular las condiciones de la Antártida, Kölbach obtuvo un congelador, hizo un agujero en la puerta, instaló una ventana de cuarzo e iluminó el interior del gabinete con luz solar simulada. Llenó el recipiente de electrólisis con ácido sulfúrico al 30% (también conocido como ácido de batería) que tiene un punto de congelación de alrededor de -35 grados Celsius y conduce bien la electricidad.

Luego, Kölbach instaló las celdas experimentales y llevó a cabo la serie de mediciones. Durante el funcionamiento, se hizo evidente que la celda con los módulos fotovoltaicos acoplados térmicamente producía relativamente más hidrógeno, ya que los módulos fotovoltaicos iluminados transfieren el calor residual directamente al electrolizador. «Incluso pudimos aumentar la eficiencia agregando aislamiento térmico adicional al electrolizador. Como resultado, la temperatura del electrolito aumentó durante la iluminación de -20 a +13.5 grados Celsius», dice Kölbach.

Los resultados de este estudio confirman que los sistemas acoplados térmicamente tienen una eficiencia potencialmente mayor que los desacoplados térmicamente. Sin embargo, queda por ver si estas ventajas pueden aprovecharse económicamente. «Por lo tanto, en la próxima fase queremos probar los prototipos en condiciones realistas. Sin duda será emocionante y actualmente estamos buscando socios para esto», dice May.

El hidrógeno solar generado localmente podría ser una opción para reemplazar los combustibles fósiles y eliminar el riesgo de contaminación asociado al medio ambiente y al CO2 emisiones, no solo en el Polo Sur, sino también en otras regiones del mundo extremadamente frías y escasamente pobladas. Esto podría incluir los altos Alpes, Canadá y Alaska, los Andes y otras regiones montañosas como el Himalaya.

«Quizás el hidrógeno generado por el sol sea económicamente viable inicialmente en este tipo de regiones remotas del mundo», dice May, recordando el avance triunfal de la energía fotovoltaica, que comenzó a impulsar satélites en el espacio hace unos 60 años.

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