Varios científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU. y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han creado una guía para los investigadores que les permite medir de manera estandarizada la eficiencia de producir hidrógeno directamente a partir de la energía solar. Esta guía es aplicable a las técnicas de división fotoelectroquímica del agua (PEC), una alternativa a la electrolisis que no requiere energía eléctrica.
La electrolisis es el proceso convencional para obtener hidrógeno a partir del agua. La división fotoelectroquímica del agua (PEC) apareció por primera vez en las publicaciones científicas en 1972. Desde entonces, las investigaciones han continuado para refinar y mejorar el proceso, pero hasta ahora no se han establecido procedimientos estandarizados de medición de su eficiencia.
La técnica PEC que utiliza la luz solar para separarla en sus dos componentes, oxígeno e hidrógeno, es una de las vías potencialmente más sostenibles para obtener energía limpia. Sin embargo, las mediciones de la eficiencia de los procesos PEC que emplean la misma tecnología pueden variar enormemente en diferentes laboratorios debido a la falta de métodos estandarizados.
Si bien la investigación ha permitido una certificación de la eficiencia de las celdas fotovoltaicas, las mediciones de eficiencia de división de agua mediante PEC aún no tienen un protocolo ampliamente aceptado. La guía de mejores prácticas desarrollada recientemente y publicada en Frontiers in Energy Research tiene como objetivo ofrecer un sistema confiable para comparar los resultados obtenidos en diferentes lugares y por diferentes grupos. La guía proporciona una hoja de ruta para la comunidad PEC, que sirva de base para que los investigadores continúen refinando la tecnología. Estas prácticas fueron verificadas por ambos laboratorios utilizando el mismo hardware de prueba, fotoelectrodos PEC y procedimientos de medición.
"Es realmente difícil comparar los resultados de eficiencia de división de agua PEC entre laboratorios, porque las mediciones se realizan en diferentes condiciones", explica Todd Deutsch, del NREL y coautor del artículo "Mejores prácticas en PEC: Cómo medir de manera confiable la eficiencia de energía solar a hidrógeno de los fotocátodos". Según Deutsch, "el Departamento de Energía reconoció esto hace un tiempo, por lo que ha habido bastantes esfuerzos para establecer estándares en los que hemos estado involucrados: esfuerzos de colaboración de múltiples laboratorios y también esfuerzos específicos de NREL".
El artículo detalla el camino para que todos los laboratorios puedan seguir una misma dirección en sus prácticas experimentales, comenzando por los materiales necesarios para la fabricación de fotoelectrodos. Los autores detallan el procedimiento de fabricación, la configuración experimental y el proceso para medir la eficiencia de energía solar a hidrógeno (STH). Se requiere la medición directa de la cantidad de hidrógeno generado por la división del agua PEC para una caracterización precisa de la eficiencia de STH.
NREL estableció el primer récord de eficiencia STH superior al 10 % (12,4 % STH) en 1998. Sin embargo, en 2016 revisó esa cifra a la baja en una publicación que describía las "trampas" comunes que se deben evitar al realizar mediciones de eficiencia, después de darse cuenta de que el experimento original había sido sobreiluminado. En 2017, el equipo diseñó absorbedores de luz más optimizados para utilizar el espectro solar, lo que resultó en un STH más alto del 16,2 %, lo que supuso un nuevo récord mundial en ese momento.
La Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible de Hidrógeno del Departamento de Energía de EE.UU. ha fijado el 25% como objetivo final para STH a través de la división de agua PEC, aunque el análisis preliminar sugiere que se podría lograr hidrógeno a un coste competitivo con eficiencias más bajas. Los fotoelectrodos han demostrado eficiencias del 10% al 20%. Los investigadores de PEC también continúan trabajando en mejorar la durabilidad. El semiconductor utilizado para capturar la luz solar se sumerge en un electrolito acuoso (a base de agua). Pero con un pH del electrolito que varía de ácido a alcalino, el electrolito corroe el semiconductor y acorta su vida útil.
