La sustancia química solar se refiere a una serie de posibles procesos que aprovechan la energía solar al absorber la luz solar en una reacción química . La idea es conceptualmente similar a la fotosíntesis en plantas, que convierte la energía solar en los enlaces químicos de las moléculas de glucosa, pero sin utilizar organismos vivos, razón por la cual también se le llama fotosíntesis artificial . [1]
Un enfoque prometedor es utilizar la luz solar enfocada para proporcionar la energía necesaria para dividir el agua en sus constituyentes hidrógeno y oxígeno en presencia de un catalizador metálico como el zinc.. Esto se hace normalmente en un proceso de dos pasos para que el hidrógeno y el oxígeno no se produzcan en la misma cámara, lo que crea un peligro de explosión. Otro enfoque implica tomar el hidrógeno creado en este proceso y combinarlo con dióxido de carbono para crear metano. El beneficio de este enfoque es que existe una infraestructura establecida para transportar y quemar metano para la generación de energía, lo que no es cierto para el hidrógeno. Un inconveniente principal de ambos enfoques es común a la mayoría de los métodos de almacenamiento de energía: agregar un paso adicional entre la recolección de energía y la producción de electricidad disminuye drásticamente la eficiencia del proceso general.
Fondo
Ya en 1909, se investigó la dimerización del antraceno en diantraceno como un medio para almacenar energía solar, así como la fotodimerización de la serie de naftaleno. [2] En los años 70 y 80 se había fabricado un combustible a partir de otro químico reversible, el ciclo de transformación de norbornadieno a cuadriciclano, pero esto falló porque el proceso de reversión tenía un potencial bajo. También se intentaron moléculas a base de rutenio, pero esto se descartó porque el rutenio es un material raro y demasiado pesado. [3] En la última década, se teorizó una nueva nanoestructura híbrida como un nuevo enfoque a este concepto previamente conocido de almacenamiento de energía solar.
Almacenamiento de productos químicos
La fotodimerización es la formación de dímeros inducida por la luz y la fotoisomerización es la formación de isómeros inducida por la luz . Mientras que la fotodimerización almacena la energía de la luz solar en nuevos enlaces químicos, la fotoisomerización almacena energía solar reorientando los enlaces químicos existentes en una configuración de energía superior.
Entonces, para que un isómero almacene energía, debe ser metaestable como se muestra arriba. Esto da como resultado una compensación entre la estabilidad del isómero del combustible y la cantidad de energía que se debe poner para revertir la reacción cuando llega el momento de usar el combustible. El isómero almacena energía como energía de deformación en sus enlaces. Cuanto más tensos están los enlaces, más energía pueden almacenar, pero menos estable es la molécula. La energía de activación, Ea, se utiliza para caracterizar qué tan fácil o difícil es que la reacción continúe. Si la energía de activación es demasiado pequeña, el combustible tenderá a moverse espontáneamente al estado más estable, proporcionando una utilidad limitada como medio de almacenamiento. Sin embargo, si la energía de activación es muy grande, la energía gastada para extraer la energía del combustible reducirá efectivamente la cantidad de energía que el combustible puede almacenar. Encontrar una molécula útil para un combustible solar requiere encontrar el equilibrio adecuado entre el rendimiento, la absorción de luz de la molécula, la estabilidad de la molécula en el estado metaestable y cuántas veces la molécula se puede ciclar sin degradarse.
Se han investigado varias cetonas, azepinas y norbornadienos, entre otros compuestos, como el azobenceno y sus derivados, como isómeros de almacenamiento de energía potencial. [4] El par norbornadieno - cuadriciclano y sus derivados se han investigado exhaustivamente para los procesos de almacenamiento de energía solar. El norbornadieno se convierte en cuadriciclano utilizando energía extraída de la luz solar y la liberación controlada de la energía de deformación almacenada en el cuadriciclano (aproximadamente 110 kJ / mol ) a medida que se relaja de nuevo a norbornadieno permite que la energía se extraiga nuevamente para su uso posterior.
La investigación de los sistemas azobenceno y norbonadieno-cuadriciclano se abandonó en la década de 1980 por ser poco práctica debido a problemas de degradación, inestabilidad, baja densidad de energía y costo. [5] Sin embargo, con los avances recientes en el poder de la computación, ha habido un renovado interés en encontrar materiales para combustibles térmicos solares. En 2011, los investigadores del MIT utilizaron la teoría funcional de densidad dependiente del tiempo, que modela sistemas a nivel atómico, para diseñar un sistema compuesto por moléculas de azobenceno unidas a plantillas de nanotubos de carbono (CNT). Los sustratos de CNT permitirán interacciones personalizables entre moléculas vecinas, lo que ayuda en gran medida a ajustar las propiedades del combustible, por ejemplo, un aumento en la cantidad de energía almacenada. [3] A través de procedimientos experimentales, los investigadores pudieron obtener la primera prueba de principio de que la nanoestructura híbrida funciona como un combustible térmico funcional. Los azobencenos tienen la ventaja de absorber longitudes de onda que son muy abundantes en la luz solar, cuando esto sucede, la molécula se transforma de un isómero trans en un isómero cis que tiene un estado de energía superior de aproximadamente 0,6 eV. [5] Para devolver la molécula a su estado original, es decir, liberar la energía que había acumulado, existen algunas opciones. La primera es aplicar calor, pero eso está asociado con un costo que, en relación con la cantidad de calor que se producirá a partir de la liberación, no es rentable. La segunda opción, más efectiva, es usar un catalizador que baje la barrera térmica y permita que se libere el calor, casi como un interruptor. [6] La transición de vuelta de cis a trans también puede ser provocada por la luz azul visible.
Este sistema proporciona una densidad de energía comparable a las baterías de iones de litio, mientras que simultáneamente aumenta la estabilidad del combustible activado de varios minutos a más de un año y permite una gran cantidad de ciclos sin degradación significativa. [3] Se están realizando más investigaciones en busca de aún más mejoras al examinar diferentes combinaciones posibles de sustratos y moléculas fotoactivas.
Aplicaciones
Existe una amplia variedad de aplicaciones actuales y potenciales para los combustibles químicos solares. Una de las principales ventajas de esta tecnología es su escalabilidad. Dado que la energía se puede almacenar y luego convertir en calor cuando sea necesario, es ideal para unidades móviles más pequeñas. Estos van desde estufas portátiles o pequeños calentadores personales que se pueden cargar al sol hasta proporcionar saneamiento médico en áreas fuera de la red, e incluso se está planificando utilizar el sistema desarrollado en el MIT como un sistema de deshielo de ventanas en automóviles. También tiene la capacidad de ampliarse y calentar casas o edificios más grandes o incluso calentar cuerpos de agua. Idealmente, un combustible solar térmico podría circular indefinidamente sin degradarse, lo que lo hace ideal para implementaciones a mayor escala que generalmente necesitarían más reemplazos de otras formas de almacenamiento.
Referencias
- ^ Magnuson, A; et al. (2009). "Enfoques biomiméticos y microbianos para la generación de combustible solar". Cuentas de Investigación Química . 42 (12): 1899-1908. doi : 10.1021 / ar900127h . PMID 19757805 .
- ^ Bolton, James (1977). Energía solar y combustibles . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-112350-5., pag. 235-237
- ^ a b c Kolpak, Alexie; Jeffrey Grossman (2011). "Nanotubos de carbono funcionalizados con azobenceno como combustibles térmicos solares de alta densidad de energía". Nano Letras . 11 (8): 3156–3162. Código bibliográfico : 2011NanoL..11.3156K . doi : 10.1021 / nl201357n . PMID 21688811 .
- ^ Bolton, James (1977). Energía solar y combustibles . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-112350-5., pag. 238-240
- ^ a b Durgan, E .; Jeffrey Grossman (4 de marzo de 2013). "Anillos moleculares fotoconmutables para almacenamiento de energía solar térmica". Revista de Letras de Química Física . 4 (6): 854–860. CiteSeerX 10.1.1.707.1787 . doi : 10.1021 / jz301877n . PMID 26291346 .
- ^ "Centro de procesamiento de materiales" . Consultado el 9 de agosto de 2017 .
enlaces externos
- Sistema de almacenamiento de energía termoquímica ANU - Universidad Nacional de Australia, Canberra.
- Laboratorio de Tecnología Solar - Instituto Paul Scherrer, Villigen, Suiza.
- Revista Power & Energy , artículo de marzo de 2004 sobre el trabajo del Instituto Paul Scherrer
- Proyecto de Química Solar Plataforma Solar de Almería, España,
- Isracast - Israel,
- Hydrogen Solar - Reino Unido.