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Uno de los principales incentivos para establecer un sistema energético basado en las fuentes de energía renovables es el desarrollo de nuevos procedimientos para acumular la energía, y el hidrógeno se postula como uno de los vectores energéticos del futuro. En este ámbito, un equipo de investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) lleva trabajando 25 años para desarrollar materiales para la acumulación y conversión de la energía.
Cuando se descompone el agua mediante radiación luminosa (fotólisis), energía eléctrica (electrólisis), térmica (termólisis) o de cualquier otra forma, se obtienen hidrógeno y oxígeno (H2 y O2). La energía empleada en este proceso queda almacenada en los nuevos enlaces químicos creados en estas moléculas y puede volver a recuperarse mediante su combustión para formar, de nuevo, agua. Este esquema es lo que conocemos con el nombre de Sistema Energético Renovables-Hidrógeno.
Otro aspecto fundamental dentro del problema energético actual reside en aumentar la eficiencia de los sistemas de producción y uso de la energía, lo que implica el aprovechamiento de los calores residuales generados en algunos sistemas, tales como los motores de combustión interna. La conversión de la energía térmica en energía eléctrica (y viceversa) mediante dispositivos termoeléctricos de estado sólido (Seebeck y Peltier) es una respuesta adecuada a esa necesidad.
En el Laboratorio de materiales de Interés en Energías Renovables (MIRE por sus siglas en inglés) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), dirigido por el Profesor Carlos Sánchez, hace veinticinco años que se investiga en materiales para la acumulación y conversión de energía. Durante este tiempo se han desarrollado dos líneas principales de investigación: la acumulación de hidrógeno en estado sólido en hidruros metálicos y la utilización de calcogenuros metálicos en aplicaciones energéticas, termoeléctricas, fotovoltáicas y para la fotogeneración de hidrógeno.
Calcogenuros metálicos para conversión de energía
Dentro de esta línea de trabajo, dirigida por la Profesora Isabel Jiménez Ferrer, en el grupo MIRE se investigan las propiedades de distintos calcogenuros metálicos, principalmente en lámina delgada, para aplicaciones energéticas. La investigación estuvo inicialmente centrada en el disulfuro de Fe (pirita, FeS2) y se ha extendido a otros sulfuros metálicos: PdS, TiS2, TiS3, CoS2,…Una parte importante de esta investigación está dirigida al estudio de la difusión de algunos metales a través de las láminas de sulfuros metálicos, con el objeto de dopar eficientemente dicho material y controlar sus propiedades.
Por un lado, la pirita ha mostrado ser un material barato de obtener, no tóxico y con unas buenas propiedades físicas tanto para aplicaciones fotovoltáicas como termoeléctricas (energía de la banda prohibida en torno a 1eV, alto coeficiente de absorción óptica en la zona visible del espectro solar, alto coeficiente termoeléctrico, etc) y se puede dopar fácilmente para conseguir que el material sea tipo n o tipo p, lo que resulta muy útil para la fabricación de dispositivos p-n.
Por su parte, los sulfuros de titanio (TiS3) y de paladio (PdS), semiconductores muy poco estudiados hasta la fecha, muestran un alto valor del coeficiente termoeléctrico, similar al de los materiales utilizados comercialmente en estas aplicaciones. Actualmente se está investigando el efecto de la dimensionalidad, muy ligado a la conductividad térmica del material, que es un factor determinante en el caso de las aplicaciones termoeléctricas.
En los últimos años, se ha ampliado el estudio de estos materiales a otras aplicaciones: como electrodos para la fotogeneración de hidrógeno en celdas fotoelectroquímicas. En general, los sulfuros semiconductores muestran niveles energéticos de su banda de conducción suficientemente negativos como para reducir el agua a hidrógeno.
Esto hace que incluso compuestos con una banda prohibida de baja energía puedan producir hidrógeno bajo iluminación visible de forma eficiente usando, por ejemplo, disoluciones que contengan un donador electrónico. Este es el caso del PdS. El PdS tiene, además, un alto coeficiente de absorción óptica en la zona del visible de espectro solar y una energía de banda prohibida en torno a 1.7 eV, propiedades muy adecuadas para la generación de hidrógeno solar.
En todos los materiales investigados se busca la optimización de sus características variando la morfología (tamaño cristalino, espesor, etc.) y la composición mediante dopaje con otros metales y en ambos casos, mediante el control de los parámetros de preparación. Es por ello que se estudia el proceso de preparación del material y la influencia de los distintos parámetros en las propiedades de las láminas.
Hidruros metálicos para acumular hidrógeno sólido
La acumulación de hidrógeno en estado sólido, es decir, en hidruros, ofrece ciertas ventajas frente a la acumulación de hidrógeno en forma líquida y gaseosa (sistemas presurizados). La primera es la reducción de la presión de trabajo del sistema acumulador, con la consiguiente mejora en la seguridad en el uso. En segundo lugar, los hidruros poseen mayores capacidades de acumulación de hidrógeno por unidad de volumen, lo que permitiría desarrollar sistemas de almacenamiento más compactos.
Como contrapartida, los sistemas de almacenamiento en estado sólido presentan, en general, menores capacidades de almacenamiento por unidad de masa, lo cual hace que sean sistemas más pesados, algo muy desventajoso desde el punto de vista de las aplicaciones móviles. Por este motivo, la investigación en el campo del almacenamiento de hidrógeno se dirige fundamentalmente hacia los denominados hidruros ligeros, es decir, hidruros de elementos ligeros que presentan elevadas capacidades de almacenamiento por unidad de masa.
En este grupo se encuentran el hidruro de magnesio (MgH2), el de aluminio (AlH3) o los denominados hidruros complejos, como los alanatos (LiAlH4) o los borohidruros (LiBH4). La investigación en este campo está orientada a conocer las variables que afectan a las reacciones de absorción/desorción de hidrógeno, tales como la composición química, la microestructura, la dimensionalidad (escala nanométrica) o la adición de ciertos catalizadores. Estos conocimientos permitirán optimizar los procesos de absorción/desorción reversible de hidrógeno y desarrollar así sistemas de almacenamiento más eficientes.
En el grupo MIRE, los Profesores Jose Francisco Fernández y Jose Ramón Ares dirigen una línea de investigación orientada a modificar la estabilidad del hidruro de magnesio mediante la adición de ciertos elementos capaces de formar compuestos intermetálicos ricos en magnesio, así como a investigar el efecto de la dimensionalidad de los hidruros en sus propiedades.
El efecto de la dimensionalidad se investiga mediante la síntesis y caracterización de láminas delgadas de hidruros de espesor nanométrico. Estos sistemas representan buenos modelos para conocer la interacción del hidrógeno con los metales de baja dimensionalidad y permiten obtener concepciones que guíen el diseño de nuevos sistemas.
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Más información:
Visite el Laboratorio de Materiales de Interés en Energías Renovables (MIRE) de la UAM
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