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Las mejores combinaciones electrolizadoras/fotovoltaicas demostradas en campos de pruebas

Una de las maneras más prometedoras de aumentar la disponibilidad de la energía solar es convertir el exceso de producción en hidrógeno. El proyecto PECSYS ha investigado las mejores combinaciones posibles de materiales y tecnología para facilitar esta operación.

Energía

Todo depende de la electrolisis. Al combinar módulos fotovoltaicos (FV) con sistemas electrolizadores, es posible convertir el exceso de electricidad en hidrógeno y utilizarlo más tarde cuando la demanda comienza a superar a la oferta. Ya no es necesario utilizar baterías de reserva ni convertidores CC-CC. El hidrógeno se puede utilizar en multitud de procesos industriales y los usuarios cuentan con un ciclo energético del carbono con cero emisiones netas desde la producción hasta el almacenamiento y uso. El proyecto PECSYS (Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production) tenía como objetivo hacer avanzar esta tecnología por medio del estudio de diversas combinaciones de electrolizadores y celdas FV. «Inicialmente, el plan era probar los distintos materiales y luego seleccionar los mejores para su aplicación final en un demostrador. Sin embargo, pronto nos dimos cuenta de que enfoques diferentes proporcionan beneficios diferentes. En lugar de rechazar varias opciones y quedarnos solo una, decidimos investigar varias tecnologías», comenta Sonya Calnan, jefa de grupo (tecnología de paso de energía fotovoltaica a combustible) en el Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) y coordinadora del proyecto.

¿Acoplar o integrar?

En lo que respecta al electrolizador, el consorcio se centró en el acoplamiento directo y en electrolizadores con módulos FV integrados. El acoplamiento directo de módulos FV y electrolizadores no es algo nuevo, pero el equipo descubrió que todavía había margen para optimizar su diseño. Según explica Calnan: «Nuestros compañeros en el Forschungszentrum Jülich desarrollaron unas pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM, por sus siglas en inglés) cuya membrana es de electrolito polimérico y que poseen carga y sistemas de catalizadores de elementos del grupo del platino reducidos. En estas pilas, el agua solo entra por la parte del cátodo. De este modo, reducimos la complejidad y el coste de nuestra solución en comparación con los electrolizadores convencionales». Por otro lado, se eligieron los electrolizadores con módulos FV integrados para llenar un vacío de investigación que había. Nunca ningún estudio había probado su funcionamiento a largo plazo al aire libre en un tamaño superior a la escala de laboratorio. El HZB y la Universidad de Uppsala llenaron este vacío a la vez que evitaban el uso de metales del grupo del platino como catalizadores y utilizaban tecnologías FV demostradas para capturar la energía solar. En cuanto a los aspectos FV, el consorcio optó respectivamente por celdas FV de heterounión de silicio y celdas FV CIGS. Eligieron estas últimas debido a su elevada eficiencia en la conversión de la energía solar en electricidad, su bajo coeficiente de temperatura, su elevado voltaje de circuito abierto y su capacidad bifacial intrínseca. Por último, la decisión estaba justificada por los planes existentes de construir una o varias instalaciones grandes de fabricación en Europa. «Por otro lado, se eligieron celdas FV CIGS porque la banda prohibida es fácil de ajustar. Podemos optimizar la combinación del voltaje de las celdas FV y de electrolisis en función de las condiciones climáticas locales y el lugar de las operaciones», añade Calnan.

Campos de pruebas

Los dos resultados destacados del proyecto se dieron sin lugar a dudas en sus demostraciones en campos de pruebas. En Jülich (Alemania), los socios del proyecto establecieron un área de captación de 8,2 m2. Esta contiene módulos de heterounión de silicio de tamaño normal y módulos CIGS conectados a electrolizadores PEM. La instalación generó una media de 42,9 g/h de hidrógeno con una eficiencia de conversión media de energía solar a hidrógeno del 10 % durante un mes de funcionamiento continuo al aire libre. Una segunda demostración, realizada por el Consejo italiano de investigación en Catania (Italia), utilizó un área de captación de 730 cm2 y utilizó módulos FV de heterounión de silicio en operaciones bifaciales. «La bifacialidad representa una solución innovadora para aumentar el rendimiento de la producción de hidrógeno sin aumentar el coste. Pudimos demostrar una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 13,5 % y una tasa de producción de hidrógeno de 307 mg/h con un nivel de radiación solar de 1 000 W/m2 y una temperatura ambiente de 25 °C. Se trata de un aumento del 14 % en comparación con una operación monofacial», explican Calnan y sus compañeros. Está previsto que el proyecto llegue a su fin en diciembre de 2020. Mientras tanto, el equipo completará el montaje final de los demostradores integrados, así como el cálculo de los beneficios de sus soluciones. A largo plazo, esperan que el proyecto contribuya a la generación de ideas nuevas para la implantación de sistemas energéticos renovables, autónomos y de bajo coste.

Palabras clave

PECSYS, electrolizador, energía fotovoltaica, acoplamiento directo, hidrógeno, demostrador, CIGS

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