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Una tecnología novedosa, barata y ecológica para producir hidrógeno

Los investigadores del Technion crearon una tecnología innovadora limpia, económica y segura de producción de hidrógeno. La tecnología mejora de manera considerable la eficiencia de la producción de hidrógeno, llevándola de alrededor del 75% hasta una eficacia energética sin precedentes del 98,7%.

Los autores de la investigación -que se llevó a cabo en el marco del Programa de Energía Nancy y Steven Grand del Technion (GTEP, según la sigla en inglés), fueron los profesores Avner Rothschild, de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Gideon Grader, de la Facultad de Ingeniería Química, junto con el Dr. Hen Dotan y la estudiante Avigail Landman. Los resultados de la investigación se publicaron el fin de semana en la revista Nature Energy.

La electrólisis se descubrió hace más de 200 años, y desde entonces hubo una serie de mejoras concretas. Ahora, los investigadores del Technion están presentando un adelanto importante que consideran que permitirá la producción económica, limpia y segura de hidrógeno. Y consideran que este nuevo método podría revolucionar la producción de este elemento, con el aprovechamiento de la energía limpia y renovable como la solar o la eólica.

Los investigadores crearon un método novedoso y único: la descomposición del agua por medio de una Tomografía axial computarizada Electroquímica (E-TAC, según la sigla en inglés), basada en una acción cíclica en la que se altera la composición química del ánodo (el electrodo en el que se produce el proceso de oxidación).

En una primera fase, el cátodo (el electrodo en el que tiene lugar el proceso de reducción) produce hidrógeno, y el ánodo transforma la composición química sin producir oxígeno.

En la segunda fase, el cátodo es pasivo mientras que el ánodo produce oxígeno. Al final de esta fase, el ánodo vuelve a su estado inicial y el ciclo comienza de nuevo. En base a esta tecnología, los investigadores crearon una startup a la que dieron el nombre de H2Pro, que se dedica a traducir el método en un emprendimiento comercial.

Cantidades enormes de hidrógeno se producen anualmente a nivel mundial: alrededor de 65 millones de toneladas valuadas en 130.000 millones de dólares, lo cual equivale desde el punto de vista energético a unos 9 exajulios, unos 2.600 teravatios.

Estas cantidades están aumentando de manera constante, y se cree que se van a triplicar en los próximos 20 años. Se prevé que para el 2030 el consumo de hidrógeno será de 14 exajulios, y de 28 en el año 2040.

Alrededor del 53% del hidrógeno que se produce en la actualidad se utiliza en la producción de amoniaco para fertilizantes y otros productos, un 20% se usa en refinerías, un 7% en la producción de metanol y el 20% restante para otros usos.

Se prevé que en el futuro el hidrógeno tenga otras aplicaciones, algunas de las cuales se encuentran en estados avanzados de desarrollo: como combustible de coches eléctricos con celdas de combustible (FCEV, según la sigla en inglés) o de almacenamiento de energía de fuentes renovables (P2G), para la calefacción industrial y doméstica, y otros. Alrededor del 99% del hidrógeno que se produce en la actualidad proviene de combustibles fósiles, y su producción involucra procesos que emiten dióxido de carbono (CO2), un gas cuya presencia excesiva en la atmósfera acelera el calentamiento global.

El hidrógeno se extrae sobre todo a partir del gas natural (SMR) en un proceso que libera unas 10 toneladas de CO2 por cada tonelada de hidrógeno, por lo que es responsable de alrededor del 2% del total de las emisiones de CO2 a la atmósfera debido a la actividad humana. Este es el motivo de la necesidad urgente de alternativas limpias, y más ecológicas, de producción de hidrógeno.

La alternativa principal disponible para producir hidrógeno de manera limpia y sin emisiones de CO2 es la electrólisis del agua. En este proceso, dos electrodos -un ánodo y un cátodo- se colocan en agua enriquecida o en ácido, lo que aumenta la conductividad. Como reacción a la transmisión de corriente eléctrica entre los electrodos, las moléculas de agua (H2O) se separan en sus componentes químicos básicos y liberan hidrógeno (H2) cerca del cátodo, y oxígeno (O2) cerca del ánodo.

El proceso en su totalidad tiene lugar en la célula del átomo, dividida en dos: en una parte se recoge el hidrógeno y en la otra el oxígeno. Fuentes del Technion dijeron que la producción de hidrógeno de manera limpia, a diferencia de su producción en base a gas natural en el proceso de SMR, implica una serie de desafíos tecnológicos.

Uno de ellos es una pérdida significativa de energía, ya que la eficacia energética de los procesos de electrólisis hoy en día es de solamente un 75%. Eso supone un mayor consumo de electricidad.

Otra dificultad está relacionada a la membrana que divide en dos la célula de la electrólisis. Esta membrana, necesaria para recoger el hidrógeno por un lado y el oxígeno por el otro, limita la presión en la cámara de la electrólisis de 10 a 30 atmósferas, mientras en la mayoría de las aplicaciones se requiere la presión de cientos de atmósferas. Por ejemplo, los coches eléctricos que contienen celdas de combustible requieren una compresión del hidrógeno a una presión de 700 atmósferas.

En la actualidad se aumenta la presión por medio de compresoras grandes y costosas que dificultan la operación e incrementan los costos por la instalación y mantenimiento del sistema. A esto se suma que la presencia de la membrana complica la instalación del aparato de producción y en consecuencia incrementa sustancialmente su costo. Además, la membrana requiere un mantenimiento y un reemplazo periódicos.

Desde el Technion explicaron que la tecnología de la E-TAC tiene una serie de ventajas importantes en comparación con la electrólisis:

1- La separación absoluta en el tiempo entre la producción de hidrógeno y la de oxígeno. Estos dos procesos se producen tienen lugar en momentos diferentes. Y eso implica la eliminación de la necesidad de la membrana que separa el ánodo y el cátodo en la cámara de la electrólisis, la seguridad del proceso al evitar el peligro de explosión, y la compresión del hidrógeno en la fase de producción.

2- En el nuevo proceso se genera oxígeno como reacción química espontánea entre el ánodo cargado y el agua, sin necesidad de corriente eléctrica en esta fase. Dicha reacción ahorra la necesidad de electricidad en la fase de generación de oxígeno, y aumenta la eficacia del proceso desde alrededor de un 75% con los métodos convencionales hasta una eficacia energética sin precedentes de un 98,7%.

3- Se prevé que la tecnología E-TAC abarate no sólo los costos operativos, sino también el costo de los equipos.

En la empresa H2Pro calculan que el costo de los equipos para la producción de hidrógeno por medio del proceso de E-TAC se reducirá a alrededor de la mitad del costo del equipo basado en las tecnologías existentes. Las primeras estimaciones apuntan a la posibilidad de producir hidrógeno a escala industrial con costos competitivos si se lo compara con la producción a partir de gas natural en el proceso SMR. Y esto, como se ha dicho, sin emisiones de CO2 a la atmósfera.

El equipo que creó la tecnología se unió a los fundadores de la empresa Viber y juntos crearon H2Pro, que se dedica a la comercialización de la nueva tecnología.

La compañía, que funciona en el parque industrial de la ciudad de Cesarea, obtuvo un permiso exclusivo para comercializar la tecnología desde el Technion, que recaudó un capital inicial con Hyundai a la cabeza.

La empresa emplea a más de 20 personas, en su mayoría graduados del Technion.

Fuente: Unidos por Israel

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