La agencia nacional de ciencia de Australia, CSIRO, ha inaugurado el primer reactor solar “beam-down” del país, una innovación que representa un paso decisivo hacia la producción de hidrógeno verde a gran escala y sin uso de combustibles fósiles. El proyecto, desarrollado en el Newcastle Energy Centre, posiciona a Australia como referente tecnológico en el campo de la energía solar concentrada (CSP) aplicada a procesos termoquímicos de alta temperatura.

Tecnología beam-down: una evolución en la CSP

A diferencia de los tradicionales sistemas de torre central de la CSP, donde la energía solar se concentra hacia un receptor en la cima, el sistema beam-down utiliza un campo de heliostatos que redirige los rayos solares hacia una torre central y luego hacia un punto focal descendente ubicado en un reactor terrestre. Este diseño no solo permite una mayor flexibilidad en el desarrollo de procesos termoquímicos, sino que reduce pérdidas térmicas y facilita el mantenimiento de los sistemas.

El reactor utiliza materiales avanzados –específicamente óxidos metálicos dopados, como ceria modificada– que reaccionan con el calor solar para liberar oxígeno y luego captar vapor de agua y producir hidrógeno en un ciclo redox. Este proceso no requiere electricidad, lo que permite una conversión directa de la energía solar en combustible limpio.

Aunque los paneles solares son algo habitual en los tejados australianos, alrededor del 75 % del consumo energético nacional sigue procediendo de fuentes basadas en combustibles, especialmente en la industria pesada y el transporte.
Estos sectores son difíciles de electrificar, pero los investigadores del CSIRO están trabajando en una nueva forma de suministrarles energía utilizando la luz solar.

Michael Rae, informático e investigador en energía solar térmica del CSIRO, afirma que el hidrógeno verde tiene el potencial de desempeñar un papel clave en la transición de Australia hacia las cero emisiones netas. «La mayor parte del hidrógeno actual se produce a partir del metano, un proceso que genera emisiones, conocido como hidrógeno gris.  Para producir hidrógeno verde, necesitamos métodos que puedan producirlo en grandes cantidades, de forma fiable y rentable, sin depender de los combustibles fósiles », explica Michael.

El método más común para producir hidrógeno verde es la electrólisis, que utiliza electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, actualmente es un proceso que consume mucha energía y es caro. Por eso, los investigadores del CSIRO están explorando alternativas más sencillas y que consumen menos energía y que puedan funcionar a escala industrial.

Un avance solar en Newcastle
Con financiación de la Agencia Australiana de Energía Renovable (ARENA), el CSIRO ha demostrado una nueva forma de producir hidrógeno verde utilizando energía solar concentrada y partículas metálicas.

Desarrollado en el Centro de Energía de Newcastle del CSIRO, el sistema se denomina reactor solar de haz descendente. A diferencia de los sistemas solares térmicos tradicionales que concentran la luz solar en la parte superior de una torre, este diseño la dirige hacia abajo, sobre una plataforma.
Es un poco como usar una lupa para concentrar la luz solar, pero a una escala mucho mayor.

Así es como funciona:

Un campo de espejos que siguen el movimiento del sol, o heliostatos, refleja la luz solar sobre la parte superior de una torre central.
La torre redirige la luz solar hacia abajo, hacia un reactor solar situado en la plataforma. Dentro del reactor, el calor concentrado provoca una reacción química que divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Esta es la primera vez que la tecnología de concentración de rayos se ha demostrado con éxito en Australia.

Cómo las partículas de óxido metálico liberan hidrógeno verde
La clave de este proceso está en el reactor solar, un óxido metálico llamado ceria dopada, una forma modificada de ceria (un mineral natural) diseñada para mejorar su capacidad de absorber y liberar oxígeno a una temperatura mucho más baja. Este intercambio de oxígeno es lo que impulsa la producción de hidrógeno en el reactor solar:

Cuando se calienta con energía solar, la ceria dopada libera algunos átomos de oxígeno. Cuando se expone al vapor, absorbe el oxígeno del agua, dejando hidrógeno gaseoso que puede capturarse, almacenarse y utilizarse como combustible o para procesos industriales.
La ceria dopada está entonces lista para ser reutilizada una y otra vez.
Las partículas de ceria dopada fueron desarrolladas por investigadores de la Universidad de Niigata, en Japón. Esta fue la primera vez que se utilizaron en una prueba a escala de demostración.

El profesor Tatsuya Kodama, de la Universidad de Niigata, afirmó que las partículas tienen un rendimiento excelente como catalizador. «Podemos producir más del triple de hidrógeno que lo que se consigue normalmente con materiales estándar en una reacción similar. Esto es muy prometedor para mejorar la eficiencia en futuros diseños”, explicó.

Por qué el diseño «beam-down» supone un cambio revolucionario
Los receptores solares térmicos tradicionales están orientados hacia abajo, lo que limita su uso como reactores. En el diseño «beam-down», el receptor está orientado hacia arriba, lo que ofrece más flexibilidad para la investigación y las pruebas, especialmente para procesos sólidos o químicos.

El Dr. Noel Duffy, director de CSIRO Solar Technologies, afirmó que el sistema abre nuevas posibilidades para la investigación y el desarrollo de la energía solar concentrada.  «Se trata de un importante avance para la capacidad de investigación solar térmica de Australia. Ahora podemos probar más fácilmente las reacciones a alta temperatura, no solo para el hidrógeno, sino también para otras aplicaciones, como el refinado de metale», afirmó Noel.

El proyecto demostró el ciclo completo de producción termoquímica de hidrógeno, desde la entrada de energía solar hasta la salida de hidrógeno, que tiene el potencial de alcanzar una eficiencia solar-hidrógeno superior al 20 %. Esto es superior a muchos sistemas existentes, que suelen funcionar en torno al 15 %.

Imagen de Portada: The field of heliostats at CSIRO’s Newcastle Energy Centre tracks the sun and reflects light onto a central tower – powering Australia’s first beam-down solar reactor.

Imagen en el texto: CSIRO’s beam-down reactor opens new possibilities for concentrated solar research and development