Un método barato ha logrado el triplete de la tecnología de sostenibilidad: produce hidrógeno ‘verde’ libre de carbono mediante electrólisis de agua de mar con energía solar y genera agua potable.
El dispositivo híbrido de destilación solar-electrólisis de agua (HSD-WE) de un equipo liderado por la Universidad de Cornell y publicado en Energy and Environmental Science, produce actualmente 200 mililitros de hidrógeno por hora con una eficiencia energética del 12,6 % directamente a partir de agua de mar bajo la luz solar natural. Los investigadores estiman que, en 15 años, esta tecnología podría reducir el coste de la producción de hidrógeno verde a 1 dólar por kilogramo, un paso clave para alcanzar cero emisiones netas para 2050.
«Tanto el agua como la energía son esenciales para nuestra vida diaria, pero, por lo general, para producir más energía, es necesario consumir más agua», afirmó en un comunicado Lenan Zhang, profesor adjunto de la Escuela Sibley de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de Cornell, quien dirigió el proyecto. Por otro lado, necesitamos agua potable, ya que dos tercios de la población mundial se enfrentan a la escasez de agua. Por lo tanto, existe un cuello de botella en la producción de hidrógeno verde, que se refleja en el coste.
El hidrógeno verde se produce dividiendo moléculas de agua de alta pureza (es decir, desionizada) en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis. El elevado coste se debe a la enorme cantidad de agua limpia que requiere el proceso; el coste de fabricación del hidrógeno verde puede ser aproximadamente diez veces superior al del hidrógeno convencional.
Sol y agua de mar, abundantes y gratuitos
«Por eso ideamos esta tecnología», explicó Zhang. «Pensamos: ‘Bien, ¿cuál es el recurso más abundante de la Tierra?’. El sol y el agua de mar son básicamente recursos infinitos y, además, gratuitos».
Como investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Zhang comenzó a explorar maneras de utilizar la energía solar para convertir el agua de mar en agua potable mediante la desalinización térmica, una iniciativa que la revista Time anunció como uno de los «Mejores Inventos de 2023». Para cuando Zhang llegó a Cornell en 2024, ya contaba con apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias para expandir la tecnología de producción de hidrógeno verde.
En colaboración con investigadores del MIT, la Universidad Johns Hopkins y la Universidad Estatal de Michigan, el equipo de Zhang diseñó un prototipo de dispositivo de 10 x 10 centímetros que aprovecha una de las desventajas de la energía fotovoltaica: su relativamente baja eficiencia. La mayoría de las células fotovoltaicas solo pueden convertir aproximadamente el 30 % de la energía solar en electricidad, y el resto se disipa como calor residual. Sin embargo, el dispositivo del equipo logra aprovechar la mayor parte de ese calor residual y lo utiliza para calentar el agua de mar hasta que se evapora.
«Básicamente, la luz solar de longitud de onda corta interactúa con la célula solar para generar electricidad, y la luz de longitud de onda más larga genera el calor residual para alimentar la destilación del agua de mar», explicó Zhang. «De esta manera, se puede aprovechar al máximo toda la energía solar. No se desperdicia nada».
Para que se produzca la evaporación térmica interfacial, existe un componente crucial, llamado mecha capilar, que atrapa el agua en una fina película que está en contacto directo con el panel solar. De esta manera, solo es necesario calentar la fina película, en lugar de un gran volumen de agua, y la eficiencia de evaporación se incrementa a más del 90 %. Una vez que el agua de mar se evapora, la sal se queda atrás y el vapor desalinizado se condensa en agua limpia, que pasa a través de un electrolizador que divide las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
«Se trata de una tecnología altamente integrada. El diseño fue un desafío debido a la compleja interacción: desalinización con electrólisis, electrólisis con el panel solar, y el panel solar con la desalinización mediante la conversión y el transporte de energía solar, eléctrica, química y térmica», explicó Zhang.
«Ahora, por primera vez, podemos producir una cantidad suficiente de agua para satisfacer la demanda de hidrógeno. Y también tenemos agua potable adicional. Dos pájaros de un tiro», añadió.
Reducción de costes al 10 por ciento
El costo actual de la producción de hidrógeno verde es de aproximadamente 10 dólares por kilogramo, según Zhang, pero dada la abundancia de luz solar y agua de mar, en 15 años el dispositivo de su equipo podría reducir el costo a 1 dólar por kilogramo. Zhang también ve el potencial de incorporar la tecnología en parques solares para refrigerar paneles fotovoltaicos, lo que mejoraría su eficiencia y prolongaría su vida útil.
«Queremos evitar las emisiones de carbono y la contaminación. Pero, al mismo tiempo, también nos preocupa el costo, ya que a menor costo, mayor potencial de mercado para su adopción a gran escala», afirmó. «Creemos que existe un enorme potencial para futuras instalaciones».