El ciclo del hidrógeno solar y los nuevos materiales


Elena Vigil.
Cátedra de Energía Solar, Instituto de Materiales y Reactivos,
Facultad de Física, Universidad de La Habana.

 

 

Resumen
Se calcula que las reservas conocidas y estimadas de petróleo y gas natural serán suficientes sólo para una primera parte de este siglo considerando el actual ritmo de crecimiento en su uso, por lo que también los precios deben ir en aumento. Por otra parte, la explotación de los combustibles fósiles debe frenarse con urgencia por las afectaciones que origina al planeta. Por estas razones, grandes cambios en la infraestructura del sistema energético están llamados a ocurrir en el futuro no tan distante.

Dentro de este contexto, la energía solar debe desempeña un papel preponderante.
Para el aprovechamiento de la energía solar de forma directa se utilizan las conversiones térmica y fotovoltaica. Dado el carácter no permanente de la radiación solar originado por las noches y otros fenómenos climáticos no periódicos, se hace indispensable contar con formas eficientes de almacenamiento y transporte de la energía. En este sentido, el almacenamiento y uso del hidrógeno como portador energético se avisora como solución óptima. El perfeccionamiento y creación de sistemas para aprovechar la energía solar, almacenarla y transportarla en forma de hidrógeno pasa en todos los casos por el desarrollo de nuevos materiales. Con éstos se logrará llevar a la práctica tecnologías hasta hoy no rentables o desarrollos aún inexistentes.

En este trabajo se fundamenta la necesidad imperiosa de modificar nuestro sistema energético basado en las energías fósiles y se argumenta que es la energía solar la llamada a sustituirlas. Después se analiza la importancia de los nuevos materiales para llegar a lograr este objetivo y su "estado del arte", fundamentalmente de los materiales para la utilización del hidrógeno como portador energético.

I. Necesidad del uso de la energía solar. Energías fósiles vs. energía solar
Entre las ventajas de las llamadas "energías duras" están su fácil almacenamiento y transportación, así como las tecnologías ya maduras para su explotación. No por gusto la utilización de combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón) cubre más del 80 % de la demanda mundial, y la energía nuclear alrededor de 5 % [David, 1990]. Sin embargo, todas ellas son extinguibles, fuertemente contaminantes, concentradas en pocas regiones de la Tierra, en las manos de multinacionales y utilizadas de forma ineficiente; su consumo se ha convertido en una fuerza destructiva. Ya hoy los daños ecológicos y sociales son de grandes dimensiones y están en continuo aumento [Bockris et al., 1991; Turrini, 1993].

Incremento en los últimos decenios de la acidez de las lluvias en más
de un 10 %
.
Los ácidos sulfúrico, nítrico y carbónico en la lluvia, formados a partir de los óxidos correpondientes presentes en la atmósfera producto de la combustión del petróleo, son responsables de daños considerables a lagos, ríos, océanos, bosques, plantaciones, edificaciones, animales, y humanos. Por ejemplo, catorce mil lagos en Suecia se han adicificado y de ellos cuatro mil ya no tienen peces. El costo anual para neutralizar la acidez de estos lagos en Suecia fue calculado en 40 millones de dólares en 1985.

En Canadá muchos ríos ya no permiten la reproducción del salmón. Se ha estimado que, de continuar el actual ritmo de crecimiento de la acidez de los océanos, a mitad del próximo siglo los sesenta metros superiores de agua no permitirán la vida de especies debido a su acidez. Un estudio europeo muestra que el 15 % de las reservas forestales están dañadas, daño seis veces mayor que la tala anual de bosques. Se estimó que en 1984 las pérdidas agrícolas en los Estados Unidos debidas a las lluvias ácidas fueron superior a los ocho mil millones de dólares. La lluvia ácida corroe la piedra de los edificios, incluyendo lugares como el Partenón en Grecia, el Coliseo en Roma, la Catedral de Nuestra Señora de París, etc. Alemania está gastando aproximadamente cuatro millones por año para reemplazar el trabajo en piedra de la Catedral de Colonia.

En 1984 se estimó en ciento cuarenta mil millones de dólares anuales el total de daños a edificios históricos, públicos y viviendas; cifra que se eleva cada año con los aumentos en el consumo de combustibles fósiles. Cientos de especies de animales y plantas desaparecen cada año por el aumento de la acidez del agua con que se alimentan. Esto también afecta a los humanos. Se ha calculado que en los Estados Unidos los efectos de las lluvias ácidas sobre la salud en 1985, fueron de ciento ochenta millones de dólares. Esto, desde luego, no incluye el sufrimiento humano que los acompaña.

Aumento de la temperatura media del planeta por el efecto invernadero.
Miles de millones de toneladas de CO2 se originan anualmente por la combustión de portadores energéticos fósiles y la cifra va en aumento. Su acumulación en la atmósfera ha provocado un incremento de la temperatura media de la Tierra de 0,6 oC desde la revolución industrial hasta hoy. De continuarse utilizando las energías fósiles, la temperatura media al final del próximo siglo habría aumentado en 5 oC, lo cual significaría una verdadera catástrofe por el incremento del nivel del mar, el aumento de la frecuencia y severidad de los huracanes, los cambios climáticos anormales que originarían sequías en algunos lugares e inundaciones en otros, y los efectos de esta variación de temperatura sobre todos los organismos vivos.

Ya hoy, a pesar de ser pequeño el incremento de la temperatura media, sufrimos cambios climáticos anormales que han causado grandes afectaciones económicas y sociales. La situación del efecto invernadero se agrava cada día debido a que la radiación ultravioleta que pasa a través del hueco en la capa de ozono en la estratosfera destruye el fitoplancton; éste y los bosques afectados por las lluvias ácidas son los mayores consumidores de CO2 de la atmósfera.

La contaminación ambiental.
Otros contaminantes presentes en el aire producto de la combustión del petróleo que afectan directamente la salud del hombre y otros seres vivos son el CO, el SO2, el NO, el NO2 , el benzopireno, el peroxiacilnitrato (PAN) y el "smog".
Otros daños ecológicos son producidos por los derrames de crudo y la existencia de valores altos de radioactividad en determinadas regiones.

Por otra parte, son graves los daños sociales derivados de la concentración y el monopolio de las energías fósiles, lo cual genera conflictos armados e injerencia extranjera. Todo esto obliga a volver la vista a las energías renovables con tecnologías que aún deben hacerse masivas y eficientes para que no resulten más costosas que las energías fósiles. Incluso, hoy serían más competitivas si se añadieran a los costos de las energías duras, el precio que todos pagamos a posteriori por daños ecológicos y sociales.

Para que los países menos desarrollados alcancen mejores niveles de vida deben aumentar el consumo energético. La figura 1 [Veziroglu, 1991] evidencia que existe una gran diferencia entre los consumos de los países menos desarrollados con respecto a los más desarrollados, por lo que evidentemente el desarrollo de los primeros, basado en las energías fósiles, incrementaría extraordinariamente los efectos nocivos mencionados.

En la figura 2 se muestran las reservas existentes de petróleo, gas natural y carbón [Fullerson et al., 1990]. Puede pronosticarse un aumento de sus precios debido a la disminución constante de las reservas, el incremento de las dificultades para extraer las que van quedando y los costos añadidos si se convirtiera el carbón en combustible líquido o gaseoso. Por otra parte, los países desarrollados se preparan para los cambios que se avecinan. Es de esperarse una variación de la infraestructura del consumo energético, tanto del sector poblacional como industrial, propiciando la generación de energía cerca de donde se consume, evitando la forma concentrada de producción de energía como en las termoeléctricas, que se origina por la economía de escala en la utilización de combustibles fósiles. Inversiones en estos momentos en grandes plantas generadoras de electricidad y redes de distribución por parte de los países en vías de desarrollo, pueden ser tardías y volverse obsoletas e incosteable su materia prima en un tiempo menor al necesario para recuperar dicha inversión. Todo lo anterior indica que se debe acelerar la introducción del uso de las energías renovables. Para los países iberoamericanos resulta particularmente importante la conversión directa de la energía solar por la potencialidad grande que todos poseen por su situación geográfica.

La energía irradiada por el Sol sobre la Tierra anualmente corresponde a 1,5.l018 kWh. Un cálculo sencillo, considerando un consumo por habitante igual al promedio actual de los países desarrollados y una eficiencia de conversión del 10 %, arroja que se necesita menos de la centésima parte del área terrestre para cubrir las necesidades de toda la humanidad, con un nivel de consumo promedio igual al actual de los países desarrollados; área que resulta inferior por cuanto las eficiencias de conversión son mayores. La energía solar es accesible a todos, es limpia, está descentralizada y es inagotable por millones de años. Resulta desventajoso su manifestación no constante (noches, nubes) y su aparente no rentabilidad hasta el momento, ya que tiene que competir con combustibles fósiles a los que no se les recarga el daño ecológico que ocasionan. Además, la adquisición de la instalación implica estar pagando por adelantado todo el combustible que se compraría en un período entre quince y veinte años, o sea, el gasto tiene un período largo de amortización. Es el desarrollo de los nuevos materiales y de sus tecnologías lo que solucionará las desventajas de su manifestación no constante y su relativo alto costo en el presente.

II. El desarrollo de materiales para el aprovechamiento de la energía solar
Las formas de aprovechar la energía solar son diversas: conversión fototérmica, fotovoltaica, arquitectura bioclimática, fotólisis, biofotólisis, efecto fotosintético (biomasa), gradiente de temperatura de los océanos, energía eólica, saltos y corrientes de los ríos (hidroenergía). El desarrollo de nuevos materiales tiene repercusión de una u otra forma en todas ellas; en algunas, de forma más esencial que en otras. Por ejemplo, para la conversión fototérmica se investiga tanto en las propiedades ópticas y durabilidad de los materiales para las ventanas transparentes de los colectores planos, como en materiales aislantes, como en los utilizados para la absorción de la radiación o para los espejos. La conversión térmica tiene gran importancia por su rentabilidad ya en estos momentos y su alta eficiencia (puede llegar a 60 %).

El desarrollo de la arquitectura bioclimática depende también de los nuevos materiales y sus tecnologías. Esto es de gran importancia para la solución de necesidades de los países iberoamericanos con materias primas diversas para la industria de la construcción [Justi, 1985]. No obstante, particularizaremos en los materiales de avanzada para la conversión fotovoltaica y aquellos que se utilizan en las distintas partes componentes del ciclo del hidrógeno solar. Los materiales de avanzada para estos dos objetivos son de extrema importancia, por cuanto garantizan la descentralización del sistema energético a partir de la autonomía de las instalaciones; inclusive, las de relativa baja potencia. El carácter modular, como se verá más adelante, de varias de las partes componentes del sistema "energía fotovoltaica-hidrógeno solar", hace que haya que cuestionarse el paradigma de las grandes plantas productoras de energía eléctrica con sus redes de distribución.

II.1 Materiales necesarios para la energía fotovoltaica
El efecto fotovoltaico permite la conversión directa a electricidad de la radiación solar de forma instantánea. Otras ventajas son:

* La ausencia de partes mecánicas articuladas en los colectores fotovoltaicos.
* Su carácter modular (los módulos de una instalación de 1 MW son los mismos que los de una instalación mucho menor; sólo varía el número de módulos).
* La fácil instalación.
* El corto tiempo de puesta en marcha, inclusive para centrales grandes.
* El muy bajo costo de mantenimiento.
* Su operación silenciosa.
* Su carácter no contaminante del medio ambiente.
* Su factibilidad de almacenamiento.

Los materiales necesarios para los paneles solares no sólo comprenden a los materiales fotovoltaicos, sino también capas delgadas para los contactos, capas antirreflectantes, materiales poliméricos para la elaboración y encapsulado de los paneles, etc. Sin embargo, el elemento clave donde se decide el costo del panel y la rentabilidad de la energía fotovoltaica es la celda solar.

Los materiales fotovoltaicos tradicionales son los semiconductores inorgánicos. El efecto fotovoltaico se reportó en 1839 por primera vez cuando Edmond Becquerel observó que la iluminación de un electrodo oxidado de platino, en un electrólito, provocaba un fotovoltaje. En 1877 se observaron efectos similares en barreras sólidas de selenio. En 1914, celdas solares basadas en selenio presentaban una eficiencia del 1 % [Fahrenbruch y Bube, 1983; Solar Cells..., 1995; Boschloo, 1996]. Las celdas solares de silicio monocristalino se fabricaron por primera vez en 1954, con una eficiencia del 6 % [Chaplin et al., 1954]. Actualmente las celdas de silicio monocristalino obtenidas a nivel de laboratorio han superado el 25 % de eficiencia sin concentración de la luz solar [Boschloo, 1996; Swanson et al., 1992]. Las eficiencias más altas a nivel comercial de los paneles, no obstante, están por debajo del 20 %. Para aumentar la eficiencia y disminuir los costos, se continúan las investigaciones en las celdas de silicio monocristalino en los siguientes aspectos [Swanson et al, 1992].

* Pasivación de la superficie con estabilidad mejorada y recombinación
superficial reducida.
* Reducción de la resistencia mejorando la metalización.
* Emisores de avanzada (SiC, polisilicio, etc.).
* Proceso de fabricación para reducir costos.
* Estructuras sobre sustratos de menor calidad o más delgados.
* Obtención de sustratos de bajo costo con mayor calidad.

El desarrollo de materiales ha permitido reducir los costos con las celdas solares de silicio policristalino de granos grandes (multisilicio) y de silicio amorfo, que también se comercializan. Presentan menores eficiencias que las de silicio monocristalino, pero esto se compensa por su menor costo. Las de silicio amorfo se degradan con la radiación fuerte de luz, por lo que se han utilizado relativamente muy poco para convertir la radiación solar, comparado con su uso en relojes, calculadoras, etc. Ya hoy en día se comercializan también para uso exterior. La lucha por aumentar la eficiencia y reducir los costos también abarca otros materiales, como los compuestos III-V (fundamentalmente el GaAs junto con la solución sólida AlxGa1-xAs), los II-VI (CdS, CuInSe2, CdTe).

Los valores más altos de eficiencia de conversión fotovoltaica reportados corresponden a las celdas basadas en GaAs y sus compuestos, pero también son las más costosas. Se han utilizado donde el factor relevante es la eficiencia y no los costos, por ejemplo, en satélites y naves espaciales. Las celdas de II-VI se basan en capas delgadas policristalinas que se obtienen con tecnologías muy baratas. Se han obtenido ya eficiencias superiores a 15 %. Se argumenta que desde el punto de vista ecológico no son una buena opción, por los componentes tóxicos que poseen [Moskowitz et al., 1990].

Por otra parte, las reservas de indio, selenio y teluro no abundan en la naturaleza, y esto puede ser una dificultad para un uso en gran escala de paneles fotovoltaicos [Alsena y Engelenburg, 1992]. Tienen gran interés en la actualidad las celdas de capas finas CIS (cobre-indio-selenio) y las CIGS (cobre-indio-galio y selenio o azufre).
Otra dirección de trabajo en el desarrollo de materiales para celdas solares es la utilización de uniones múltiples de distintos materiales, buscando un mejor aprovechamiento de la radiación en todo el espectro solar y por tanto una mayor eficiencia: las llamadas celdas tándem. En la tabla 1 se resumen algunos datos de las eficiencias más altas alcanzadas, según el material [Green et al., 1997].

Tabla 1. Eficiencias confirmadas para celdas solares terrestres medidas para el espectro global AM1,5 (1 kW/ m2) a 25oC (15).
Clasificación
Eficiencia (%)
Lugar de medición (fecha)
Silicio monocristalino
24
Sandia (9/94)
Silicio multicristalino
18,6
NREL (12/85)
Silicio amorfo
(resultados no estables)
12,7
Japan Quality Assurance (4/92)
Capa delgada de silicio
(60 mm de Si sobre SiO2)
14,2
Japan Quality Assurance (3/93)
GaAs monocristalino
25,1
NREL (3/90)
GaAs multicristalino
(sobre sustrato de Ge)
18,2
NREL (11/95)
Rtfgvb54 Capa
policristalina de CdTe
15,8
NREL (6/92)
Capa policristalina
de CuInGaSe2 (CIGS)
16,4
NREL (11/94)
GaInP/GaAs
30,3
Japan Quality Assurance (4/96)
GaAs/CuInSe (CIS),
(capa delgada)
25,8
NREL (11/89)

Todas las celdas anteriormente descritas se basan en una barrera de potencial originada por un campo eléctrico, que hace que no regresen a su estado inicial los electrones excitados por la luz en el semiconductor dado. Estas barreras están formadas por una unión p-n (semiconductor tipo p-semiconductor tipo n), o una barrera Schottky (metal-semiconductor) o una estructura MIS (metal-aislante-semiconductor). Se han reportado además las barreras sólido-líquido o electrólito-semiconductor, cuyo principio de funcionamiento también es la absorción de la radiación por el semiconductor y separación de carga por el campo eléctrico en la interfaz.

Estas son las llamadas celdas fotoelectroquímicas. Como se verá más adelante, esta interfaz se ha investigado no sólo con el objetivo de obtener un dispositivo fotovoltaico, sino también para generar hidrógeno. Se han estudiado muchas diferentes combinaciones de electrólito y semiconductor. Se han utilizado el silicio, el germanio, los semiconductores II-VI, los III-V, los óxidos semiconductores y otros compuestos [Chandra y Pendey, 1982]. Estas celdas presentan la dificultad de ser inestables ante el electrólito y aquellos semiconductores que son estables, como los óxidos, poseen una banda prohibida muy grande.

El valor de la energía de la banda prohibida que caracteriza a cada semiconductor determina la energía de los fotones que es capaz de absorber el semiconductor en cuestión. Así, los óxidos semiconductores sólo absorben la radiación solar en el ultravioleta y parte del azul; esto representa un porcentaje muy pequeño de la energía del espectro de radiación solar y hace que la eficiencia de conversión sea extremadamente baja. Por otra parte, algunos de estos óxidos además de ser estables son poco costosos.

Con el objetivo de extender la absorción de la radiación a la zona visible del espectro, se han investigado celdas fotoelectroquímicas sensibilizadas mediante la unión al óxido que actúa como fotoelectrodo de otro semiconductor, con una energía de la banda prohibida menor o con un colorante. En este último caso el colorante puede también estar disuelto en el electrólito. El principio de funcionamiento de estas celdas fotoelectroquímicas sensibilizadas se basa en la absorción de los fotones por la sustancia sensibilizadora. La energía de los fotones es tomada por electrones que van a un estado excitado.

La energía de este estado excitado coincide con la de algún estado vacío en la banda de conducción del óxido semiconductor, por lo que el electrón puede pasar sin dificultad al óxido semiconductor y después al circuito externo, donde su energía puede ser cedida y convertida en trabajo antes de regresar al otro electrodo de la celda. En el otro electrodo este electrón reduce especies oxidadas del electrólito. La sustancia sensibilizadora que cedió un electrón al semiconductor lo repone aceptando un electrón de las especies reducidas en el electrólito que pasan a oxidadas, completándose así el ciclo.

Lamentablemente pueden producirse otras reacciones que disminuyen la eficiencia de estas celdas: los electrones que se inyectan al semiconductor pueden reaccionar con especies oxidadas en el electrólito; pueden de nuevo ir al colorante; o puede que los electrones excitados en el colorante no lleguen a transferirse al semiconductor y se recombinen radiativa o no radiativamente. Como puede observarse, en este tipo de celda el efecto fotovoltaico se produce por una transferencia de carga y no por separación de carga por el campo eléctrico de la barrera [Bedja et al., 1990]. Se ha demostrado que éste no existe dadas las dimensiones nanométricas de los cristales. Para aumentar la eficiencia del proceso de transferencia de carga es necesario que la molécula de colorante esté próxima al semiconductor [Boschloo, 1996].

Producto de las estudios anteriores, ha surgido un nuevo tipo de celda solar basada en un fotoelectrodo de dióxido de titanio nanoestructurado como semiconductor, cuyo principio de funcionamiento es la transferencia de carga por una monocapa de la sustancia sensibilizadora del TiO2 [O'Reagan y Gratzel, 1991; Hagfeldt et al., 1994; Bard y Fox, 1995; Nazzeruddin et al., 1993]. Se utilizan monocapas para lograr una transferencia de carga más efectiva. Como la absorción de la radiación en el espesor de una monocapa es pequeña, ésta se ha depositado sobre el semiconductor nanoestructurado, que alcanza una superficie efectiva cientos de veces superior al área visible. La luz es atrapada en los poros del semiconductor y sufre reflexiones múltiples, aumentando así la absorción en la monocapa de la sustancia sensibilizadora que recubre el TiO2 nanocristalino. En estas celdas se han alcanzado eficiencias superiores al 8 %.

Se ha iniciado su comercialización en Europa y se ha firmado un acuerdo entre Sustainable Technologies Australia y la Academia de Ciencias de China para establecer una planta de fabricación de paneles en China [Photovoltaic..., 1997].

Como puede apreciarse de lo anterior, se investiga sostenidamente por encontrar el material y la tecnología de la celda solar que haga competitiva la energía fotovoltaica con los actuales precios de las energías fósiles. Ya habíamos mencionado que el elemento que decide el costo del sistema fotovoltaico es el de la celda solar. En la actualidad, para lugares remotos donde no llegue la red eléctrica, ya resulta más económica la alternativa fotovoltaica. El mercado fotovoltaico mundial ha ido en aumento [Photovoltaic..., 1997], incremento que no ha sido uniforme en los diferentes países, destacándose Japón.

Se pronostica por el Canadian Centre for Mineral and Energy Technology (CANMET), en "uno de los estudios de mercado más minuciosos de la industria fotovoltaica que se haya realizado", según [Photovoltaic..., 1997], que las ventas de módulos en el año 2010 estarán en el rango de 800 a 1 000 MW, o sea, del orden de diez veces mayor con respecto a 1996. Una parte apreciable de las ventas cubren necesidades en países subdesarrollados, donde las redes de sus sistemas energéticos no abarcan todo el territorio nacional. Sin embargo, los productores son los países más desarrollados. Se hace necesario cambiar esta situación si aspiramos a que los países en desarrollo no continúen siendo fundamentalmente exportadores de materia prima e importadores de productos elaborados con ellas. De no cambiarse, habría que comprar la energía fotovoltaica a pesar de tener el sol. Es evidente la necesidad de trabajar en los materiales para celdas solares.

II. 2. Almacenamiento de la energía solar
La energía fotovoltaica necesita almacenarse para tener disponibilidad de electricidad durante los períodos de "no sol". Puede almacenarse en aire comprimido, bombeando agua, en baterías, utilizando superconductividad o en forma de hidrógeno. Para los tres últimos, las investigaciones sobre materiales tienen gran importancia y actualidad. La utilización de almacenamiento de energía en superconductores posibilita eficiencias de almacenamiento por encima de 90 %, mucho mayor que las eficiencias de las restantes posibilidades mencionadas [Hubbard, 1989], pero las investigaciones en estos materiales aún no han logrado que esta posibilidad pueda materializarse en la práctica.

El almacenamiento en baterías es hoy el más común y frecuente. Existen las baterías secas a las que no se les repone el electrólito, y las conocidas como "acumuladores". El más conocido y utilizado es el de plomo ácido. Existen también diferentes tipos de baterías alcalinas con electrodos de Ni-Cd, Ni-Fe, Ag-Zn, Ag-Cd. Se trabaja en el desarrollo de los materiales de los electrodos con el objetivo de aumentar el número de watt-hora por unidad de peso de la batería (Wh/kg). Gran actualidad tienen los estudios de la batería de Zn-aire para los vehículos eléctricos. Estas alcanzan valores
de 200 Wh/kg, superiores a otras mencionadas, aunque no se recargan en el auto y necesitan cambiarse en las estaciones de servicio (en lugar de llenar el tanque con combustible). Las baterías basadas en elementos inorgánicos son las que se han utilizado ampliamente hasta el momento, pero se están desarrollando otras basadas en materiales poliméricos. Se han desarrollado los poliorganodisulfuros que pueden actuar como electrólito y electrodo redox al mismo tiempo, así como otros polímeros.

Hidrógeno solar
En general, el almacenamiento en baterías es adecuado para valores de potencia almacenada relativamente pequeños. Para poder lograr sistemas autónomos descentralizados, no obstante, se necesita almacenar cantidades superiores de energía; el almacenamiento en hidrógeno se tiene en la perspectiva como el más promisorio por ofrecer muchas ventajas:

* Se obtiene por descomposición del agua, que es abundante y asequible.
* No influye en el medio ambiente y sólo genera de nuevo agua cuando cede la energía almacenada. O sea, es limpio y renovable.
* Es adecuado para el uso doméstico e industrial.
* Se transporta y almacena con pocas pérdidas.
El llamado ciclo del hidrógeno solar comprende:
* La obtención de hidrógeno utilizando energía solar (fotovoltaica u otra).
* El almacenamiento de esta energía (que desde luego también puede utilizarse directamente).
* La distribución o transportación del H2 (lo que es de menor peso relativo donde se tenga abundante sol y se pueda descentralizar el sistema energético).
* La reconversión a otro tipo de energía útil (ya sea eléctrica o calor en distintas formas).

II. 2.1. Obtención de hidrógeno
El hidrógeno puede obtenerse de energía térmica, eléctrica (electrolíticamente) o directamente.

Obtención de hidrógeno utilizando energía térmica
Para la obtención de hidrógeno del agua utilizando energía solar térmica pueden emplearse la descomposición directa y el proceso termoquímico. En el primer caso se necesita del desarrollo de materiales que puedan soportar más de 2 000 oC de temperatura para disociar la molécula de agua por calor. En el segundo caso puede usarse la descomposición termoquímica. Se buscan materiales reciclables eficientes y que puedan soportar muchos ciclos de oxidación-reducción. Por ejemplo, vapor de agua a alta temperatura se hace circular a través de polvo de hierro; este se oxidará tomando el oxígeno del vapor y quedando libre el hidrógeno. Es necesario que el óxido de hierro pueda de nuevo reducirse para repetir el ciclo. La instrumentación práctica de estas posibilidades es lejana aún.

Obtención de hidrógeno utilizando electricidad
La electricidad para la electrólisis puede obtenerse por diversas vías a partir de la energía solar. Con la conversión térmica, la energía eólica, la hidroenergía y otras fuentes renovables puede producirse energía eléctrica.
Para convertir la energía eléctrica en hidrógeno se necesitan los electrolizadores, que son equipos modulares, cuya unidad es la celda electrolítica (un vaso). El escalado de sistemas modulares, o sea, de aquellos donde se logra una mayor potencia incorporando un número mayor de unidades, es más simple y constituye un factor importante. En cada celda los elementos constituyentes son los electrodos y el electrólito. Las reacciones que se producen en uno y otro electrodo son:

Reacciones en la electrólisis alcalina:

En el cátodo: 4H2O + 4 e- 2H2 + 4OH-
En el ánodo: 4OH- 2H2O + O2 + 4e-

Reacciones en la electrólisis ácida:
En el cátodo: 4H3O+ + 4 e- 4H2O + 2H2
En el ánodo: 6H2O 4H3O+ + O2 + 4e-

Como se puede observar, en una y otra electrólisis el hidrógeno se desprende en el cátodo y el oxígeno en el ánodo, invirtiéndose la formación de agua que ocurre en el ánodo en la alcalina y en el cátodo en la ácida.

En ambos casos ocurre la reacción neta:
2H2O + electricidad 2H2 + O2 + calor

Los electrolizadores ácidos trabajan en condiciones más agresivas y corrosivas para el cátodo, donde se desprende hidrógeno, que los alcalinos [Savadogo, 1996].

Materiales para celdas electrolíticas
Las celdas electrolíticas logran descomponer la molécula de agua cuando se aplica un voltaje mayor que el mínimo indispensable de 1,23 V. Se desarrollan materiales para electrodos con el objetivo de que el voltaje necesario sea lo más cercano a este valor. No sólo estos materiales son necesarios para la optimización de la celda, también se utilizan y prueban diferentes electrocatalizadores, así como los materiales de las membranas necesarias para mantener sin mezclarse, el oxígeno e hidrógeno que se forman. Se emplean tanto electrólitos ácidos como alcalinos y se trata de encontrar las mayores eficiencias y durabilidad a los menores costos. En la tabla 2 se muestran algunos materiales utilizados.

Tabla 2. Materiales utilizados en celdas electrolíticas [Savadogo,
1996; Podestá y Piatti, 1997].
Material
Electrólisis ácida
Electrólisis alcalina
Para cátodos

Platino; carbón con Pt; composites con Pt; Pd-P, Au-P y Co-P amorfos

Níquel brillante o poroso (níquel-Raney)
Para ánodos
RuO2 , IrO2 , óxido de Ru-Ir-Ta

Níquel brillante, CoNiO3, NiCo3O4 , espinelas con Co
Membranas separadoras
Acido sulfónico perfluorinado (polímero Nafion , polímeros sulfonados poliaromáticos
Asbestos, membranas orgánicas de polímeros (PTFE, FEP, PFA, PPS, PETFCE, PSP); BaTiO3 , CaTiO3
Electrólitos sólidos

Membranas poliméricas conductoras de protones (proton exchange membrane, PEM)*

*Hasta el momento, las membranas PEM desarrolladas que actúan como electrolito sólido no pueden trabajar a temperaturas superiores a 180 oC, lo cual sería una ventaja.

El lograr mayores eficiencias, estabilidad y durabilidad a menor costo depende del desarrollo futuro de los materiales necesarios para las partes componentes.

Obtención directa de hidrógeno
Aunque el hidrógeno puede obtenerse según las variantes analizadas, en la descomposición directa sólo hay una transformación de energía y por lo tanto energéticamente es el camino mejor. Se puede descomponer fotoquímicamente el agua utilizando biofotólisis y fotólisis.

Las plantas y bacterias han resuelto de manera eficiente la descomposición del agua; es el proceso denominado biofotólisis que forma parte de la fotosíntesis. La planta utiliza los cuantos de luz para obtener oxígeno e hidrógeno, aunque el último no se obtiene en su forma molecular sino que pasa por otras reacciones a formar parte de la biomasa que la planta sintetiza utilizando también CO2 del aire. La planta almacena la energía solar en la biomasa que produce. Algunas algas en condiciones especiales pueden producir hidrógeno molecular, y su cultivo es una vía de producir hidrógeno utilizando la biofotólisis [Podestá y Piatti].

La fotólisis es el procedimiento empleado por el hombre para descomponer directamente la molécula de agua mediante la radiación luminosa en lugar de la electricidad. Este procedimiento está en desarrollo, aún no se aplica en la práctica y se trabaja en los materiales para lograrlo. Los sistemas utilizados hasta el momento se basan en la interfase electrolito semiconductor al igual que las celdas fotovoltaicas electroquímicas descritas anteriormente. Al principio de la década del setenta, Fujishima y Honda [1971] demostraron el uso de fotoelectrodos semiconductores para la descomposición fotoasistida de la molécula de agua. Estos autores emplearon el dióxido de titanio como semiconductor. El elemento clave para poder introducir en la práctica este tipo de celda es el material para el fotoelectrodo. Su eficiencia de conversión fotoquímica de la energía del espectro solar y su estabilidad en el tiempo son factores críticos para determinar el buen comportamiento y eficiencia de la celda.

En general, los diseños reportados pueden clasificarse en dos grupos: aquellos en que tanto el cátodo como el ánodo están en el mismo electrólito (celdas homogéneas), y las llamadas celdas heterogéneas, que tienen compartimentos separados con diferentes electrolitos para el cátodo y el ánodo con el objetivo de producir una diferencia de voltaje adicional. Además, puede uno sólo de los electrodos recibir la luz o ambos actuar como fotoelectrodos. En estas celdas, como en las fotoelectroquímicas fotovoltaicas, existen fotoelectrodos que se descomponen o degradan con la luz, y fotoelectrodos estables pero poco eficientes, porque sólo absorben una pequeña parte del espectro solar. Para extender la zona de absorción se ha trabajado en dopar el semiconductor, así como en sensibilizar el semiconductor o la solución electrolítica [Savadogo, 1971; Kikkawa et al., 1991; Gurunathan et al., 1993].

Se han reportado celdas fotoelectrolíticas para la obtención de hidrógeno a partir de agua de mar [Goc y Tien, 1993; Ichikawa, 1997] Todas estas investigaciones están indisolublemente unidas al estudio de nuevos materiales. Recientemente, en el National Renewable Energy Laboratory de EE.UU. se ha obtenido una estructura en base a semiconductores III-V, con la cual han logrado una eficiencia para la producción fotolítica de hidrógeno superior al 10% por primera vez. Llegar a las soluciones con los materiales que permitan introducir en la práctica el proceso de fotólisis tendrá sin duda grandes implicaciones.

II.2.2. Almacenamiento de hidrógeno
El hidrógeno puede almacenarse como gas natural. La densidad energética (energía almacenada por unidad de volumen) del hidrógeno gaseoso, incluso comprimido, es baja. Por ello, esta forma de almacenamiento no es adecuada para usos en el transporte por el espacio que requiere. La mayor parte de las investigaciones en materiales para el almacenamiento de hidrógeno tienen como objetivo su uso en el transporte con el propósito de reducir las dimensiones del tanque de hidrógeno necesario para garantizar los recorridos que se alcanzan actualmente con la gasolina.

El hidrógeno puede combustionarse directamente; es posible convertir los motores de los vehículos actuales para ello. Sin embargo, la solución que parece más viable en la perspectiva es el uso de motores eléctricos, más eficientes que los de combustión interna, en los que la electricidad proviene de una celda de combustible que transforma en electricidad la energía almacenada en el hidrógeno. Este es un proceso limpio donde sólo se genera agua. Los materiales que se investigan deben ser capaces de retener y expulsar el hidrógeno con facilidad bajo la acción, por ejemplo, de variaciones de temperatura y/o presión. Se busca también aumentar la relación de masa de hidrógeno almacenada a volumen ocupado y disminuir el peso total del "depósito". Se han utilizado y estudian hidruros de compuestos intermetálicos, zeolitas y carbones superactivados [Kronberger, 1996; Weitkamp et al., 1995].

También se investigan materiales compositos para lograr depósitos de hidrógeno gaseoso a presión más ligeros que los empleados normalmente [Chahine y Bose, 1996].

II.2.3. Generación de energía a partir del hidrógeno
Del hidrógeno puede obtenerse energía térmica por combustión o electricidad utilizando las celdas de combustible. La conversión a energía térmica depende menos directamente de los materiales, por lo que revisaremos la situación de las celdas de combustible.

Las celdas de combustible se basan en el proceso inverso a la electrólisis del agua.
O sea, en ella el hidrógeno y el oxígeno se recombinan para dar agua. Esta es una reacción con desprendimiento de energía, lo que se hace en forma de electricidad en estas celdas. Al igual que en las celdas para la electrólisis del agua, los estudios para el desarrollo de estas celdas abarcan tanto los materiales de los electrodos y los electrólitos sólidos, como materiales y procesos catalizadores de la reacción. En la tabla 3 se resumen los diferentes tipos de celdas y sus características [Fuel Cell Sistems, 1993].

Tabla 3. Celdas de combustible
Tipo
Eficiencia
Uso
Potencia
Alcalinas, KOH 30 %
40-50 %
militar, espacio
10-100 kW
Ácidas, ácido fosfórico
40-45 %
cogeneración durante "picos"
1 kW-5MW
Carbonato fundido
45-60 %
gasificación de carbón
1-100 MW
Óxidos sólidos
45-60 %
cogeneración
0,1-100 MW
Polímero (PEM)
45-50 %
transporte, sistemas de energía autónomos
hasta 1 MW

Las celdas de combustible tienen las ventajas de:

* Ser modulares.
* No tener partes móviles.
* No contaminar.
* No hacer ruido.
* Ser seguras.
* Tener altas eficiencia y densidad de energía.
* Ser de fácil mantenimiento.

Como en otras partes componentes del sistema del hidrógeno solar, las investigaciones sobre los materiales están guiadas a reducir los costos y aumentar la eficiencia.
Dos objetivos fundamentales dependen del desarrollo futuro de las celdas de combustible y de los materiales que ellas utilizan: los sistemas de energía autónomos basados en el ciclo del hidrógeno y los vehículos eléctricos. En el caso de los vehículos eléctricos sobre la base de celdas de combustible que se están desarrollando por prácticamente todos los fabricantes de autos, se está tratando de utilizar un combustible fósil y de él obtener el hidrógeno. Por esta vía, por lo tanto, se siguen enviando grandes cantidades de CO2 al medio ambiente; aunque un poco menos dada la mayor eficiencia del motor eléctrico. La opción verdaderamente limpia sería desarrollar la utilización del hidrógeno; sin embargo, existen intereses de grandes consorcios en mantener las redes de producción, distribución y venta de combustibles fósiles.

Resumen y recomendaciones
De todo lo anterior se hace evidente la importancia para todos los países, y en particular para aquellos en desarrollo, de prepararse para cambios futuros en la infraestructura energética basados en una amplia explotación de la energía solar y en la utilización del hidrógeno como portador energético.

Los países desarrollados se preparan y tienen programas amplios de desarrollo en materiales encaminados al aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica y la utilización de sistemas autónomos basados en el ciclo del hidrógeno solar en los que participan numerosas universidades.

Por ejemplo, en Alemania, en la Universidad de Stuttgart, se creó el Centro SFB 270 para las investigaciones interdisciplinarias orientadas a la utilización del hidrógeno como portador energético; abarca doce institutos de la propia universidad además del Centro de Investigaciones Aeroespaciales Alemán, el Instituto Max-Planck de Investigaciones de Metales y el Instituto Gubernamental de Prueba de Materiales [Hydrogen..., 1996]. Pero existen muchos otros proyectos y grupos en ese país. Por ejemplo, el proyecto PHOEBUS de electrificación de la Biblioteca Central del Centro de Investigaciones Jülich basado en una instalación completamente autónoma que incluye energía fotovoltaica, hidrógeno electrolítico y celdas combustibles [Barthels et al., 1996]. Existe además el proyecto conjunto entre Alemania y Arabia Saudita HYSOLAR, para el desarrollo del ciclo del hidrógeno solar [Hug et al., 1996].

En Alemania se creó, en 1986, la empresa Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH (SWB) para probar a escala industrial las diferentes componentes del ciclo del hidrógeno solar. Esta lleva a cabo el proyecto de Newunburg vorm Wald que comprende un sistema fotovoltaico que es el segundo en Alemania, 371 KWp [Dietsch, 1996]. Lo mencionado es sólo una pequeña parte de las investigaciones en ese país, existen muchísimos más proyectos [Wurster, 1997].

La situación de Alemania no es única, millones de dólares se invierten en estas investigaciones también en Estados Unidos, Japón, Suiza, Suecia, Holanda, etc. Estos datos señalan la necesidad de priorizar también en los países menos desarrollados las investigaciones para el aprovechamiento de la energía solar, y en particular las de los materiales de avanzada necesarios, que como se ha visto son los que determinan su introducción amplia, los que pueden hacerla competitiva. Es fundamental crear conciencia de esta necesidad. Para ello, debe promoverse el acceso a información actualizada en estos temas por todas las vías. Es necesario fomentar proyectos multidisciplinarios para el desarrollo de materiales y partes componentes que los utilicen; que puedan incluso abarcar varios países promoviendo el intercambio científico y cooperación con objetivos bien definidos.

Debemos cuanto antes priorizar estos estudios y desarrollos para no tener que comprar en el futuro nuestra energía solar, es decir tener que importar los equipos y sistemas necesarios para su explotación. A la ciencia de los materiales, y por tanto a los profesionales que a ella se dedican, les cabe desempeñar un papel preponderante en esto.

Bibliografía
ALSEMA E. A., B. C. W. VAN ENGELENBURG. Proceedings of the Eleventh E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Switzerland, oct., 1992, pp.995-998.
BARD A. J., M. A. FOX. Accounts of Chemical Research, Vol. 28, 1995. p.141.1995.
BARTHELS H., W. A. BROCKE, K. BONHOFF, H. G. GROEHN, G. HEUTS, M. LENNARTZ, H. MAI, J. MERGEL, L. SCHMID, P. RITZENHOFF. Proceeding of the 11th World Hydrogen Energy Conference. Eds. T.N.Veziroglu, C.-J.Winter, I.P.Baselt, G.Kreysa, June 1996. pp.1005-1015.
BEDJA I., S. HOTCHANDANI, P. V. KAMAT. J. Phys. Chem., Vol.98, p.4133 (1994); B. O'Regan, J. MOSER M., M. ANDERSON, J. GRÄTZEL. J. Phys. Chem., Vol. 94, 1990. p. 8720.
BOCKRIS, J. O'M., T. N. VEZIROGLU, D.SMITH. Solar Hydrogen Energy: The Power to Save the Earth. London: Macdonald & Co. Ltd., 1991.
BOSCHLOO, G. Solar Energy Conversion by Porphyrin-Sensitized Titanium Dioxide, Tesis Doctoral, Univ. Técnica de Delft, Dic., 1996.
CHAHINE R., T. K. BOSE. Proceeding of the 11th World Hydrogen Energy Conference. Eds. T. N. Veziroglu, C.-J. Winter, I. P. Baselt, G. Kreysa, June, 1996. pp.1259-1263.
CHANDRA S., R. K. PANDEY. Phys. Stat. Sol. (a), Vol.72, pp.415-439 (1982).
CHAPLIN D. M., C. S. FUELLER, G. L. Pearson. J. Appl. Phys., Vol.25, pp.676-677, (1954).
DAVIS, G.R. "Energy for Planet Earth", Scientific American, Vol. 263, No.3, 1990. pp.55-62.
DIETSCH, T. Power Engineering J., Vol. 10, No. 1, 1996.
FAHRENBRUCH A. L., R.H. BUBE. Fundamentals of Solar Cells, New York: Academic Press, 1983.
Fuel Cell Systems. New York: Eds. L.J.M.Blomen, M.N.Mugerwa, Plenum Press, 1993.
FUJISHIMA A. Y K. HONDA. Bull. Chem. Soc. Japan, Vol. 44, p. 1148 (1971); A.Fujishima, K.Honda, Nature, Vol. 238, No. 37, 1972.
FULLERSON, W., R. J. JUDKINS, M. K. SANGHVI. "Energy from Fossil Fuels", Scientific American, Vol. 263, No. 3. 1990. pp.129-135.
GOC J., H. T. TIEN. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 18, 1993. pp.5-8.
GOLDSTEIN J. R., I. GEKTIN, B. KORETZ. "The 1995 Annual Meeting of the Applied Electrochemistry Division of the German Chemical Society", Duisburg, Germany, September, 1995.
GREEN M. A., K. EMERY, K. BÜCHER, D. L. KING, S. IGARI. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol. 5, 1997. pp. 51-54.
GURUNATHAN K., P. MARUTHAMUTHU, M. V. C. SASTRI. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 22, 1993. pp.57-62.
HAGFELDT A., S-E LINDQUIST, M. GRÄTZEL. Solar Energy Materials and Solar Cells, Vo.32, 1994. p. 245.
HUBBARD H. M. Science, Vol. 244, pp.297-304, Abril, 1989.
HUG W., P. MOHR, V. PEINECKE, W. SEEGE. Proceeding of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Eds. T. N. Veziroglu, C.-J. Winter, I. P. Baselt, G. Kreysa, June, 1996. pp. 775-780.
Hydrogen as an Energy Carrier-Fundamentals of Generation and Storage. Publicado por la Oficina Administrativa del Sonderforschungsbereich (SFB) 270, University of Stuttgart, Stuttgart, 1996.
ICHIKAWA S. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 22, 1997. pp.675-678.
JUSTI, E.W. Hidrógeno solar: Energía para el futuro. Marcombo Boixareu Ed., Barcelona-Méjico, 1985.
KIKKAWA H., B. O'REGAN, M. A. ANDERSON. J. Electrochem. Soc., Vol. 139, 1991.
KRONBERGER, H. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 21, 1996. pp.577-581.
MOSKOWITZ P., K. ZWEIBEL, V. FTHENAKIS. Health, Safety and Environmental Issues Relating to Cadmium Usage in Photovoltaic Energy Systems, SERI/TR-211-3621, 1990.
NAZEERUDDIN M., A. KAY, I. RODICIO, R. HUMPHRY-BAKER, E. MÜLLER, P. LISKA, N. VLACHOPOULOS, M. GRÄTZEL. J. Am. Chem. Soc., Vol. 115, 6382, 1993.
New and Advanced Materials, Emerging Technology Series, No. 3 , UNIDO, Vienna, 1996.
Photovoltaic Insider's Report, Vol. XVI, No. 2, Ed. R.Curry , Feb., 1997.
PODESTÁ J. J., R. C. V. PIATTI. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 22, pp.753-758, 1997.
REGAN B. O', M. GRÄTZEL. Nature. London: Vol.353, pp.737-738, 1991.
SAI RAMAN S. S, O. N. SRIVASTAVA. Proceeding of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Eds. T. N. Veziroglu, C.-J. Winter, I. P. Baselt, G. Kreysa, June, 1996. pp.2335-2348.
SAVADOGO O. Proceeding of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Eds. T.N.Veziroglu, C.-J.Winter, I.P.Baselt, G.Kreysa, June, 1996. pp. 2065-2091.
Solar Cells and Their Application. L.D. Partain, Editor, John Wiley and Sons, New York: 1995.
SWANSON R., P. VERLINDEN, R. CRANE, R. SINTON, C. TILFORD. Proceedings of the Eleventh E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Switzerland , October, 1992. pp.35-40.
TURRINI, E. O Caminho do Sol, Editora Vozes Ltda., Brasil: 1993.
VEZIROGLU, T.N. Hydrogen Energy Initiation in Developing Countries, Report prepared for UNIDO. Clean Energy Research Institute, University of Miami, Coral Gables, FL, 1991.
WEITKAMP J., M. FRITZ, S. ERNST. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 20, pp.967-970, 1995.
WURSTER, R. Hydrogen Projects and Conceptual Ideas in Germany, LBST, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn, Junio, 1997.