Evalúan la viabilidad de la producción ecológica “directa” de hidrógeno combustible

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El hidrógeno “verde” es la producción de combustibles de hidrógeno utilizando fuentes de generación libres de emisiones, como la energía solar y eólica. Aunque se espera que los vehículos y las centrales eléctricas alimentados por baterías cargadas con energías renovables constituyan una gran parte de la transición energética, el hidrógeno verde ha despertado interés en los casos de uso industrial y de camiones pesados debido a su capacidad para suministrar grandes cantidades de energía.

La producción de hidrógeno verde suele ser “indirecta”, utilizando energía solar y eólica para alimentar los electrolizadores. Estos electrolizadores han alcanzado eficiencias en torno al 30%.

Un equipo de investigadores del Instituto de Combustibles Solares del Centro Helmholtz de Berlín (HZB) está estudiando otra vía para producir hidrógeno sin emisiones mediante un proceso que denominan “directo”. El método se describe en un reciente artículo, “Life cycle net energy assessment of sustainable H2 production and hydrogenation of chemicals in a coupled photoelectrochemical device” (Evaluación energética neta del ciclo de vida de la producción sostenible de H2 y la hidrogenación de sustancias químicas en un dispositivo fotoelectroquímico acoplado), publicado en Nature Communications.

El equipo está desarrollando fotoelectrodos que convierten la luz solar en energía eléctrica, son estables en soluciones acuosas y dividen catalíticamente el agua en hidrógeno. Los fotoelectrodos se combinan con materiales catalizadores para crear el componente activo de una célula fotoelectroquímica (PEC).

En la actualidad, las mejores células PEC son capaces de alcanzar eficiencias cercanas al 10% y están fabricadas con absorbentes de óxido metálico de bajo coste y relativamente estables. Aunque son bastante menos eficientes que sus homólogas de hidrógeno verde indirecto, las pilas PEC tienen algunas ventajas. El calor de la luz solar directa puede utilizarse para acelerar aún más las reacciones. Además, como las densidades son entre diez y cien veces menores con este método, se pueden utilizar materiales más abundantes y baratos como catalizadores, señalan los investigadores.

A pesar de estos elementos prometedores del enfoque PEC, los análisis tecnoeconómicos y de energía neta han demostrado que aún no es competitivo con el enfoque convencional de producción de hidrógeno ecológico. El hidrógeno combustible de los sistemas PEC cuesta unos 10 dólares por kilogramo, unas seis veces más que el hidrógeno “azul” procedente del reformado al vapor de metano fósil, a 1,50 dólares por kilogramo. Además, se calcula que la demanda acumulada de energía para la división del agua PEC es de cuatro a 20 veces superior a la de la producción de hidrógeno con energías renovables y electrolizadores.

A pesar de esta diferencia de coste-eficacia entre ambos métodos, el equipo de investigación del Instituto HZB está probando otras posibles ventajas de la PEC. El grupo probó los efectos de cómo el hidrógeno producido reacciona posteriormente con ácido itacónico en el mismo reactor para formar ácido metil succínico (MSA). El MSA es otro combustible químico que puede utilizarse para despachar grandes cantidades de energía como el hidrógeno.

La tecnología PEC permite producir MSA con sólo una séptima parte de las necesidades energéticas típicas de los procesos de producción de combustible MSA.

Para ello, los investigadores calcularon cuánta energía se necesita para producir la célula PEC a partir de absorbedores de luz, materiales catalizadores y otros materiales como el vidrio, y cuánto tiempo debe funcionar el sistema para producir esta energía en forma de energía química como hidrógeno o MSA.

Sólo en el caso del hidrógeno, el periodo de recuperación de la energía es de unos 17 años, suponiendo un modesto 5% de eficiencia de la energía solar sobre el hidrógeno. Si sólo el 2% del hidrógeno producido se utiliza para convertir el ácido itatónico en MSA, el plazo de amortización energética se reduce a la mitad. Si el 30% del hidrógeno se convierte en MSA, la energía de producción puede recuperarse al cabo de sólo 2 años.

“Esto hace que el proceso sea mucho más sostenible y competitivo”, afirma Fatwa Abdi, del Instituto HZB de Combustibles Solares. “Este enfoque ofrece una forma de reducir significativamente el coste de producción del hidrógeno verde y aumenta la viabilidad económica de la tecnología PEC. Hemos estudiado cuidadosamente el proceso, y el siguiente paso es probar en el laboratorio lo bien que funciona en la práctica la producción simultánea de hidrógeno y MSA.”

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