Los reactores electroquímicos cerámicos protónicos empleados en un novedoso estudio utilizan energía eléctrica para extraer hidrógeno de otras moléculas con una eficiencia energética excepcional. El combustible puede ser amoníaco, gas natural, biogás u otras moléculas con hidrógeno. El proyecto ha permitido escalar un reactor electrificado hasta alcanzar una producción de alrededor de medio kilo de hidrógeno presurizado al día mediante electrocompresión, con una muy elevada pureza y máxima eficiencia energética, por encima del 90%.
La investigación la ha desarrollado un equipo internacional de científicos. La eficiencia energética es clave para el futuro del hidrógeno.
Los científicos de Instituto de Tecnología Química han demostrado que es posible trabajar con este tipo de tecnología a 150 bares de presión. Este es uno de los grandes avances de la investigación. Con este sistema el dióxido de carbono (CO2) que se produce en el proceso no se emite a la atmósfera. Se transforma en una corriente presurizada para su licuación y transporte para su posterior utilización o almacenamiento, permitiendo así la descarbonización
Los investigadores han combinado con éxito 36 membranas cerámicas individuales en un generador escalable y modular que produce hidrógeno a partir de electricidad y diversos combustibles, con una pérdida de energía casi nula. Es la primera vez que se demuestra que esta tecnología permite obtener hidrógeno de forma industrial.
¿Qué es un reactor de hidrógeno?
Un reactor de hidrógeno es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones químicas para producir hidrógeno en estado puro. Este hidrógeno se emplea como El reactor de hidrógeno dispone de los medios adecuados para separar el elemento de otras moléculas y ser almacenado en condiciones adecuadas que le permitan ofrecer sus propiedades de vector energético, es decir, una vez obtenido el hidrógeno con un elevado índice de pureza se puede almacenar y transportar hasta el momento de consumo.
Tipos de reactores de hidrógeno
Existen diversos tipos de reactores para producir energía de hidrógeno. Tradicionalmente se han empleado de reactores de membrana. En su momento, un gran avance fue emplear nanocatalizadores de alta actividad y estabilidad, ya que facilitó trabajar a temperaturas más bajas y empleando menos catalizador, en comparación con los reactores de lecho fijo convencionales.
Estos reactores permiten los procesos de generación y separación de hidrógeno en un solo paso. En general las membranas usadas en reactores de hidrógeno están basadas en paladio. Sin embargo, el alto precio de los dos componentes de la membrana, sustrato y Pd, es un cuello de botella para su empleo a gran escala. Por tanto, la futura aplicación industrial de los reactores de membrana depende de su desarrollo a precios competitivos. Deben ser diseñados nuevos componentes con menor precio. Además sería recomendable reducir significativamente la cantidad de paladio empleada en la construcción de estas membranas.
Aplicación del Open innovation en el reactor de hidrógeno
Para la obtención de estos resultados, se ha seguido una estrategia de lo que se conoce como Open innovation. El objetivo es crear conocimiento libre e impulsar la madurez de esta tecnología disruptiva. El siguiente paso en el programa de desarrollo es instalar un prototipo de generador de hidrógeno en el campus de Saudi Aramco en Dhahran (Arabia Saudí).
En esta ocasión esta estrategia persigue diseñar un nuevo reactor electrificado para obtener hidrógeno de forma más sostenible y eficiente energéticamente. El informe está publicado en la revista cientifica Science.
Un equipo de investigación numeroso
Los participantes son: el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) con el Instituto de Tecnología Química (ITQ), la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), Universidad de Oslo y el instituto de investigación SINTEF (Noruega), así como de CoorsTek Membrane Sciences
El trabajo de investigación ha contado con el apoyo de expertos en tecnología y recursos financieros de las principales compañías energéticas: Shell, ExxonMobil, TotalEnergies, Equinor, ENGIE y Saudi Aramco. La empresa estatal noruega Gassnova, y el Consejo de Investigación de Noruega, también contribuyeron al ainvestigación con un aporte económico.
Los resultados
Los resultados obtenidos en este trabajo muestran por primera vez que la tecnología cerámica protónica se puede utilizar para crear dispositivos escalables de hidrógeno que allanan el camino para la fabricación industrial en masa. Mientras que otras energías limpias como la solar o la eólica son intermitentes, el hidrógeno tiene la ventaja de poder almacenar y distribuir energía.
“Este sistema permitirá almacenar energía en forma de moléculas de alta densidad energética con contenido en hidrógeno, dando respuesta al problema de la intermitencia de las fuentes renovables”, indica Sonia Remiro, investigadora en el Instituto Tecnológico de Química.
“Con nuestras membranas cerámicas protónicas podemos combinar pasos distintos de la producción de hidrógeno en una sola etapa donde el calor para la producción catalítica de hidrógeno es suministrado por la separación electroquímica de gases para formar un proceso térmicamente equilibrado. El resultado es hidrógeno hecho con una pérdida de energía casi nula”, destaca José Manuel Serra, profesor de investigación del CSIC en el ITQ y coautor principal del trabajo.
Las membranas cerámicas en el reactor de hidrógeno
Las membranas operan a temperaturas elevadas, entre 400 y 800 grados centígrados, descomponiendo el hidrógeno en sus partículas subatómicas (protones y electrones), y transportando los protones a través de un electrolito cerámico sólido
Estas membranas cerámicas protónicas son convertidores de energía electroquímica. Funcionan de forma similar a los electrolizadores, las pilas de combustible y o las baterias. Una de las claves del avance es un nuevo componente desarrollado por la compañía CoorsTek Membrane Sciences a partir de materiales vitrocerámicos y metálicos. Esta combina la robustez a altas temperaturas de una cerámica y la conductividad electrónica de un metal.
El hidrógeno es el elemento químico más abundante del planeta, pero no se encuentra disponible en ningún yacimiento. Hay que obtenerlo de otros elementos que lo contienen. Estos avances facilitan la producción de hidrógeno con fines energéticos.
La contaminación generada en el proceso se diferencia dando colores al hidrógeno. El más limpio es el hidrógeno verde, que se produce mediante fuentes renovables de energía. Los resultados del informe son prometedores.
