La separación de agua: Una manera para almacenar energía solar

Escrito en inglés por Jimmy Brancho, traducido al español por Jean Carlos Rodriguez-Díaz y editado por Thibaut R. Pardo-García

La fuente de energía del futuro puede ser mucho más familiar de lo que piensas.

Muchas personas están emocionadas por el remplazo de combustibles fósiles por energía solar.
La recolección, tratamiento y quema de combustibles fósiles es uno de los mayores contribuyentes a la contaminación ambiental y conflictos políticos. ¿Podremos reducir estos problemas al usar energía solar? Al parecer, eso es lo que piensa la industria. La estadística más reciente del National Renewable Energy Laboratory Data Book demuestra que la cantidad de energía producida por instalaciones solares ha estado creciendo continuamente en la última década- casi un 75% de 2011 a 2012.

¿Qué se hace cuando el sol se acuesta? ¿Se supone que dejemos de ver Netflix por la noche?

Una respuesta a esta pregunta podría ser la separación solar del agua. Este método recolecta hidrógeno del agua líquida para utilizarse como combustible.

La energía solar, como todas las fuentes de energía intermitentes, es un “aprovechalo o piérdelo.”  Tu calculadora solar funciona cuando la luz le da, pero en la oscuridad tienes que recurrir a hacer cálculos mentales. El almacenaje de energía solar se refiere a cualquier proceso en el que la energía solar es convertida a otro tipo de fuente de energía que se pueda utilizar en cualquier momento. El ejemplo clásico sería el uso de placas solares para cargar una batería.

Otro buen ejemplo es el uso de la luz solar para llevar a cabo una reacción química y generar “combustible solar.” Esto puede sonar algo familiar ya que las plantas lo han estado haciendo por más de mil millones de años mediante la fotosíntesis. La fotosíntesis artificial, el almacenaje de energía solar en un combustible químico fuera de una hoja, es un término general que puede referirse a una gran variedad de reacciones.

Miremos detalladamente la separación solar del agua como un ejemplo de fotosíntesis artificial. El agua no es tóxica, es abundante, barata y segura para el ambiente. ¿Pudiese ser una fuente de energía práctica?

De primera instancia, la separación del agua parece ser sencilla. Las moléculas de agua están compuestas de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Durante la separación del agua, dos moléculas de agua son divididas en sus componentes elementales, así produciendo dos moléculas de hidrógeno (H₂) y una de oxígeno (O₂). Es importante reconocer que esto es una reacción de reducción-oxidación, también conocidas como reacción redox, en la que hay transferencia de electrones de una molécula a otra. Mientras se separa el agua, la formación del O₂ resulta en la perdida de electrones. Estos electrones son almacenados en el hidrógeno, el cual ahora sirve como fuente de energía. La quema del hidrógeno es una reacción redox en la que se hace lo opuesto a la separación del agua. Al involucrar la transferencia de electrones, estas reacciones redox pueden ser utilizadas para almacenar energía química y luego liberarla cuando se necesite.

Lamentablemente, la separación del agua no es tan fácil como lo aparenta ser. El agua es una molécula muy estable, algo muy bueno para los organismos vivos. Sin embargo, esta característica hace que la separación del agua requiera mucha energía. El obtener todo el hidrógeno del agua en un vaso de shot drenaría la batería de tu iPhone 5 más de 30 veces, casi la energía de un mes de uso. Pero, no se llegaría a ningún lado separando el agua solamente con electricidad. Al usar la energía producida por la combustión de combustibles fósiles – como la electricidad – para separar el agua, solo se logra transferir la energía del combustible fósil al hidrógeno. Esto no logra resolver nuestra dependencia de combustibles fósiles. ¿Y si pudiéramos hacerlo con energía solar?

¿Cómo podría la separación del agua almacenar energía solar? Para llevar a cabo la separación solar de agua se utilizan dos métodos comunes. En el primero, una célula solar fotovoltaica similar a las que son utilizadas en las calculadoras solares se conecta a un electrolizador, un dispositivo electrónico que utiliza el voltaje de la célula solar para separar el agua. En el segundo método, separación fotoquímica del agua, se expone un material catalítico a luz solar. La luz solar excita el material, dándole suficiente energía para generar hidrógeno y oxígeno. Estos dos métodos se pueden combinar para obtener un método conocido como la separación fotoelectroquímica del agua, así, la separación fotoquímica del agua es facilitada aún más con un poco de electricidad.

En estas tres configuraciones, la energía solar ayuda a llevar a cabo la reacción que requiere de mucha energía. Cuando recolectamos el hidrógeno producido por esta reacción, obtenemos la energía solar que ahora está almacenada en los enlaces químico del hidrógeno. Así, podemos empacar el hidrógeno, procesarlo y luego utilizarlo como combustible o como un ingrediente para otras reacciones químicas. Cuando se necesite, el hidrógeno se quema, libera la energía que tiene almacenada y genera agua. ¡Voila! ¡Energía solar a cualquier hora!

Ninguno de estos tres métodos es necesariamente mejor que los demás. Una de estas alternativas para almacenar energía solar sería mejor para tu automóvil y la otra mejor para una fábrica enorme que le da energía a toda una cuidad. Por ejemplo, un problema para obtener carros que utilizan hidrógeno como combustible, es que el hidrógeno comprimido no almacena mucha energía para el espacio que ocupa. Utilizar energía solar para cargar una batería recargable probablemente sería mucho mejor. Al contrario, para una planta eléctrica estacionaria, el espacio es menos importante y por tal, es posible que le sea más costo efectivo utilizar la separación solar del agua para generar hidrógeno que utilizar una batería.

La separación solar del agua es un área muy interesante de la ciencia. No solo por que puede proveer energía de manera conveniente sin producir gases de efecto invernadero, sino porque además está en la intersección de la química, física y ciencia de materiales. Esto, la predispone a ser un área de investigación muy divertida y desafiante.  Ya se han hecho unos grandes avances pero todavía falta tiempo para comenzar a ver dispositivos energizados por hidrógeno siendo utilizados comúnmente por el público. Como toda industria, al final lo más importante es cuán costo efectivo puede ser. Aunque no se ha logrado encontrar un dispositivo barato que pueda llevar a cabo la separación solar del agua y que funcione por mucho tiempo, ya hay investigadores trabajando en su desarrollo.

Pendiente a mi próximo articulo en donde presento algunas de las personas que trabajan en la investigación de separación del agua aquí en la Universidad de Michigan.

Lea la segunda parte de “Separación de agua” aquí..

Acerca del autor

Jimmy es un estudiante de 5to año en el departamento de química de la Universidad de Michigan. Él está explorando nuevas reacciones químicas para llevar acabo la fotocatálisis para almacenar la energía solar. Jimmy proviene del suroeste de Pennsylvania y se graduó de la Universidad de Duquesne en Pittsburg en el 2011. En su tiempo libre, Jimmy pasa su tiempo en la pista de patinaje de hockey, jugando juegos de mesa y molestando a su gato. También, tiene un blog de química y de asuntos estudiantiles en Tree Town Chemistry.

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