Diseñan un electrolizador fotovoltaico con paneles solares laminados y membrana de intercambio aniónico

Investigadores del Imec en Bélgica han desarrollado la electrólisis del agua con membranas de intercambio aniónico (AEM) para la generación de hidrógeno. Afirmaron que su enfoque se puede combinar con la generación solar en una configuración fotovoltaica-electrolizador (PV-EC).

“La novedad de nuestro planteamiento consiste en utilizar energía fotovoltaica de silicio de gran superficie y tamaño estándar para proporcionar más de 1,23 V para la división del agua combinada con electrólisis de agua de intercambio aniónico de bajo coste, que combina las mayores densidades de corriente operativa de la membrana electrolítica polimérica (PEM) con materiales de bajo coste de la electrólisis alcalina”, declaró la investigadora Nina Plankensteiner a pv magazine.

Los científicos presentaron sus hallazgos en “Photovoltaic-Electrolyzer System Operated at >50 mA cm-2 by Combining Large-Area Shingled Silicon Photovoltaic Module with High Surface Area Nickel Electrodes for Low-Cost Green H2 Generation”  (Sistema fotovoltaico-electrolizador que funciona a >50 mA cm-2 combinando un módulo fotovoltaico de silicio laminado de gran superficie con electrodos de níquel de gran superficie para la generación ecológica de H2 de bajo coste), publicado recientemente en RRL Solar. Explicaron que los PV-EC ofrecen el mayor nivel de preparación tecnológica y las mayores eficiencias de conversión de energía solar en hidrógeno entre todas las tecnologías de electrolizadores.

“En los sistemas PV-EC, la tecnología fotovoltaica elegida, que suministra electricidad de bajo coste con eficiencias estables del 20-25% a 30-40 mA/cm2, son las células solares de silicio conectadas en serie, que proporcionan >1,23 V para la división del agua”, explica el investigador Joachim John. “En la próxima década, las configuraciones en tándem de silicio con células superiores de perovskita podrían desempeñar un papel adicional con eficiencias de conversión cercanas al 30%”.

Describieron el sistema propuesto como de “configuración comercialmente relevante”. Afirmaron que el electrolizador AEM cuenta con electrodos de nanomalla con una enorme superficie de 26 m2/cm3 fabricados con níquel abundante en tierra, tal y como informaron previamente los investigadores.

El “laminado en serie de células solares de silicio es un enfoque especialmente atractivo para las aplicaciones de división solar del agua, ya que se puede conseguir un voltaje suficientemente alto por área de célula estándar”, dijeron, en referencia a los paneles laminados.

Los módulos son estructuras sin barras, con sólo una pequeña proporción de células no expuestas a la luz solar. Las células se unen para formar una cadena de alta densidad en forma de teja y las tiras resultantes se conectan mediante un adhesivo conductor. El reducido número de barras conductoras reduce las pérdidas por sombras.

El electrolizador unicelular a escala de laboratorio desarrollado por los académicos cuenta con dos electrodos de níquel nanomalla de 4 micrómetros de grosor y alta superficie. También cuenta con seis células de heterounión de silicio con tejas de 38,5 cm2 cortadas a partir de células estándar de 15,6 cm2 x 15,6 cm2.

“Las células se conectaron en serie y abarcan un rango variable de tensión en circuito abierto de 0,7 V a 4,3 V, en función del número de células conectadas”, explican los científicos, que señalan que las células alcanzaron una eficiencia media de alrededor del 20% y un factor de llenado de aproximadamente el 80%. “Las características de corriente-tensión del electrolizador mostraron que se necesitan de 1,8 V a 2,2 V para igualar una densidad de corriente del electrolizador de entre 20 y 100 mA/cm2. Este requisito de voltaje mínimo puede alcanzarse conectando tres o cuatro células de silicio en serie”.

Probado en condiciones de iluminación estándar, el sistema FV-CE fue capaz de producir hidrógeno durante unas 20 horas y alcanzó una eficiencia solar-hidrógeno del 10% a densidades de corriente del electrolizador de aproximadamente 60 mA cm-2, que el equipo describió como la mayor densidad de corriente registrada para sistemas FV-CE en la bibliografía.

La eficiencia solar-hidrógeno se determinó mediante la monitorización in situ de los parámetros más importantes del sistema, como la corriente de funcionamiento, el voltaje y el flujo de gas hidrógeno. Los investigadores afirmaron que la determinación precisa de esta cifra de mérito es importante a la hora de comparar sistemas FV-CE entre sí. Señalaron que las mediciones de estabilidad más prolongadas deben ensayarse con densidades de corriente suficientemente altas para someter el sistema a tensión.

Los investigadores también realizaron una serie de pruebas de carga dinámica de rendimiento con cambios graduales y bruscos de la potencia de entrada a lo largo de medio año de radiación solar. Afirman que las pruebas demostraron que los cambios de voltaje de las células son insignificantes y tienen un impacto muy pequeño en el funcionamiento de la EC-FV y en la producción de hidrógeno.

“Los próximos pasos hacia la comercialización del sistema PV-EC presentado son las pruebas de estabilidad a largo plazo en exteriores junto con protocolos de medición de carga dinámica más prolongados”, concluyen.