El papel creciente del hidrógeno para la energía limpia

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El potencial del hidrógeno para desempeñar un papel importante en la búsqueda global de energía limpia y segura está cobrando impulso a medida que más industrias y gobiernos invierten en proyectos para lograr ese objetivo. Impulsados ​​por las preocupaciones sobre el cambio climático, tanto los inversores como los responsables políticos están presionando para lograr reducciones agresivas de carbono. Si bien el hidrógeno ha recibido atención como fuente de energía limpia en el pasado, el impulso actual impulsado por los objetivos de descarbonización y las tecnologías mejoradas muestra una mayor promesa para la realización de su potencial.

Como combustible, el hidrógeno ofrece la ventaja de no producir dióxido de carbono en la combustión. Sin embargo, la mayor parte del suministro mundial de hidrógeno se produce actualmente a partir de combustibles fósiles y se utiliza industrialmente principalmente para las industrias de refinación de petróleo y fertilizantes. Según la Agencia Internacional de Energía (IEA; The Future of Hydrogen: Aprovechando las oportunidades de hoy, junio de 2019, www.iea.org), la producción de hidrógeno genera alrededor de 830 millones de toneladas métricas por año de emisiones de CO2. Sin embargo, hay un aumento en los proyectos para crear hidrógeno "verde" a través de la electrólisis, a partir del agua.

El hidrógeno producido por la electrólisis del agua genera únicamente hidrógeno y oxígeno y, por lo tanto, no contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Las fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar, se pueden utilizar para generar hidrógeno, lo que la convierte en una opción atractiva para almacenar la producción variable de estas fuentes. Según el informe de la AIE, "Es el momento adecuado para aprovechar el potencial del hidrógeno para desempeñar un papel clave en un futuro energético limpio, seguro y asequible".

Los siguientes dos artículos examinan algunas de las actividades centradas en el avance de la producción de hidrógeno "verde" como combustible de próxima generación, así como para uso industrial. El primer artículo se centra en las tecnologías de electrolizadores, mientras que el segundo artículo ofrece una instantánea de las actividades en torno a la producción de hidrógeno, su uso en el transporte y más.

- Dorothy Lozowski, Directora Editorial, Ingeniería Química y POWER

FIGURA 1. Los fabricantes de electrolizadores están ampliando su capacidad para satisfacer la creciente demanda mundial

FIGURA 1. Los fabricantes de electrolizadores están ampliando su capacidad para satisfacer la creciente demanda mundial

Los avances tecnológicos y económicos han llevado al hidrógeno al frente de las estrategias de sostenibilidad en muchas industrias, y los usuarios finales esperan capitalizar la promesa de reducir significativamente, o eliminar por completo, las emisiones de CO2.

Gran parte de la actividad que rodea al hidrógeno en la actualidad implica electrolizadores, que son unidades de procesamiento modulares en las que se aplica corriente eléctrica para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Cuando funcionan con fuentes de electricidad renovables, como la energía eólica o solar, los electrolizadores producen H2 libre de emisiones o "verde".

En los últimos años, la producción de electrolizadores se ha incrementado significativamente para satisfacer la demanda mundial de H2 verde. En junio de 2020, thyssenkrupp Industrial Solutions AG (Essen, Alemania; www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com), en asociación con De Nora SpA (Milán, Italia; www.denora.com), amplió su capacidad de fabricación de unidades de electrolizadores ( Figura 1). "Ahora tenemos la capacidad de construir plantas de electrólisis con una capacidad anual de 1 gigavatio y ampliaremos aún más nuestras capacidades", explica Christoph Noeres, director de almacenamiento de energía e hidrógeno de thyssenkrupp. Estos electrolizadores se ofrecen como módulos prefabricados montados en patines (Figura 2), que se pueden combinar para ampliar fácilmente la capacidad de producción. El aumento de la capacidad de los electrolizadores, dice Noeres, ayudará a realizar cadenas de valor económicamente prometedoras, no solo para la producción a gran escala de H2 verde, sino también para la posterior fabricación de productos químicos sostenibles, como el amoníaco y el metanol. "El H2 verde desempeñará un papel central en el logro de la neutralidad de los gases de efecto invernadero, así como en el establecimiento de una economía de ciclo cerrado", agrega Noeres. En el horizonte, thyssenkrupp está centrando sus proyectos de desarrollo en regiones con condiciones favorables para las aplicaciones power-to-x. A principios de este año, la empresa anunció que sus plantas de electrólisis podrán conectarse con el mercado eléctrico alemán a través de la planta de energía virtual de E.ON, actuando efectivamente como amortiguadores a gran escala para estabilizar la red eléctrica. Para este ambicioso hito, los electrolizadores debían cumplir con varios criterios de calificación de cambio de carga detallados en los códigos de red de los operadores de transmisión, lo que demuestra que muestran suficiente velocidad de respuesta y flexibilidad para participar en el mercado de equilibrio de energía.

Hay dos tipos principales de electrolizadores en el mercado: alcalinos y de membrana de intercambio de protones (PEM). Otras tecnologías emergentes de electrólisis, que aún se encuentran principalmente en la fase de desarrollo, incluyen la membrana de intercambio aniónico (AEM), la celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC) y la división de agua fotoelectroquímica (PEC). En un electrolizador alcalino, el agua se divide en sus componentes en presencia de una solución electrolítica cáustica, frecuentemente hidróxido de potasio (KOH). La reacción de división del agua en un electrolizador PEM extrae sus electrolitos de un catalizador que se aplica a una membrana polimérica.

La electrólisis alcalina es la tecnología más establecida, y los electrolizadores alcalinos suelen ser más asequibles, pero los electrolizadores PEM aportan cierto valor añadido a través de una respuesta más rápida a los cambios de potencia. Además, los PEM a menudo se consideran una opción más segura, ya que la membrana proporciona una barrera física entre el H2 y el O2 producidos.

FIGURA 2. Su naturaleza modular hace que los electrolizadores sean adecuados para instalaciones tanto grandes como pequeñas

FIGURA 2. Su naturaleza modular hace que los electrolizadores sean adecuados para instalaciones tanto grandes como pequeñas

Aunque los electrolizadores no son nuevos, el trabajo de desarrollo reciente y las tendencias de la industria los han hecho mucho más atractivos en comparación con la producción convencional de H2 a partir de gas natural a través del reformado de metano con vapor (SMR), dice David Bow, vicepresidente senior de estrategia y desarrollo de negocios corporativos. Nel Hydrogen (Wallingford, Connecticut; www.nelhydrogen.com). "La industria de los electrolizadores ha reducido sus costos de capital hasta en un 75 % en los últimos 2 o 3 años, lo que ha sido impulsado principalmente por la necesidad del mercado de sistemas más grandes y la innovación en el diseño y la fabricación de sistemas", explica Bow. La proliferación de energías renovables de bajo costo también es una enorme fuerza impulsora, junto con la presión para cumplir con los objetivos de sustentabilidad corporativos y gubernamentales. "Un SMR producirá de 10 a 12 toneladas de CO2 por tonelada de H2 producido. Ahora, se puede suministrar electricidad renovable de bajo costo para producir H2 verde con cero emisiones de CO2", dice Bow. Un objetivo importante para los proveedores de electrolizadores es lograr la "paridad fósil", lo que significa que el electrolizador puede producir H2 verde por el mismo precio que usar un SMR con gas natural (hidrógeno "gris").

FIGURA 4. Los electrolizadores AEM están preparados para combinar los beneficios de los electrolizadores alcalinos y PEM, que actualmente son las tecnologías dominantes en el mercado

FIGURA 4. Los electrolizadores AEM están preparados para combinar los beneficios de los electrolizadores alcalinos y PEM, que actualmente son las tecnologías dominantes en el mercado

Después de lograr reducciones de costos considerables, Nel ahora está enfocando más sus esfuerzos de desarrollo en mejorar la eficiencia y el rendimiento del electrolizador, incluido el trabajo para disminuir la cantidad de metales preciosos (como platino e iridio) en los catalizadores PEM y avances en tecnología de electrodos para sistemas alcalinos.

La geografía es un factor importante cuando se compara la economía de los SMR con los electrolizadores. En algunas áreas, donde la materia prima de gas natural para las unidades SMR es escasa, es necesario enviar gas natural; o H2 transportado a través de camiones de tubo o en forma líquida en camiones cisterna, que es muy ineficiente y CO2 intensivo. "Dado que el H2 es una molécula tan liviana, un camión de remolque de tubo completo puede transportar solo alrededor de 350 kg. Además, existen pérdidas considerables al almacenar hidrógeno como líquido, ya que se libera cuando cambia la temperatura", explica Bow. Esto hace que la generación in situ de H2 sea una propuesta mucho más atractiva para los principales consumidores de hidrógeno, como las plantas de amoníaco, las plantas de metanol y las refinerías de petróleo.

Si bien los SMR son, con mucho, la tecnología dominante, muchos sitios de procesamiento químico están recurriendo a electrolizadores para ayudar a aumentar la capacidad de SMR y aumentar la flexibilidad de la planta, ya que los electrolizadores pueden operar de manera eficiente con una gran relación de reducción y son fácilmente escalables. Bow menciona un ejemplo de un gran fabricante de productos químicos que estaba comprando H2 de una unidad SMR cercana y descubrió que su demanda había superado la capacidad del SMR. "Analizaron la compra de otra unidad SMR en lugar de la transición a electrolizadores o el transporte de H2 líquido en camiones cisterna y descubrieron que los electrolizadores en serie brindan más eficiencia a un costo menor", dice Bow.

Nel ha llevado a cabo una variedad de pruebas a escala piloto para diferentes aplicaciones de H2, ayudando a los sitios a hacer la transición de H2 gris a verde. "Muchos, si no todos, los principales productores de amoníaco están buscando algún nivel de prueba de electrólisis. Tenemos un proyecto de viento a amoníaco en Minnesota que ha estado funcionando durante varios años y muchos más en preparación. También hemos vendido un número de electrolizadores alcalinos a gran escala para la producción de etileno y alcoholes de azúcar, los cuales consumen grandes cantidades de H2 en el proceso", dice Bow.

Nel Hydrogen es uno de varios destinatarios de fondos bajo la iniciativa [email protected] financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE; Washington, DC; www.doe.gov), a través de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) Hydrogen y Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible (HFTO). En julio, se otorgaron $64 millones en financiamiento a 18 proyectos que respaldan los objetivos de [email protected] de promover la economía del hidrógeno en EE. UU. Casi $ 15 millones de la ronda de financiación más reciente se destinaron a proyectos centrados específicamente en la fabricación de electrolizadores. "Una ventaja de los electrolizadores es su idoneidad con fuentes de energía renovable intermitentes, como la eólica y la solar. En lugar de reducir la energía, los electrolizadores se pueden usar para producir H2 para el almacenamiento de energía o para otras aplicaciones de uso final de valor agregado, como fabricar productos químicos o acero", explica Sunita Satyapal, directora de HFTO.

Para los electrolizadores, los principales objetivos de [email protected] implican mejorar la eficiencia y la durabilidad al mismo tiempo que se reducen los costos generales. A medida que las tecnologías de electrolizadores han progresado, Satyapal señala una tendencia hacia proyectos de desarrollo más holísticos y colaborativos. "En lugar de buscar componentes específicos, como catalizadores o membranas, gran parte del trabajo actual se ocupa de la integración de materiales y procesos de fabricación, y cómo podríamos integrarlos para que se puedan fabricar a escala", dice. "Un ejemplo de un área única que hemos estado financiando son los métodos de control de calidad. Idealmente, si vamos a aumentar los electrolizadores a escala de gigavatios, los componentes no se fabricarían en procesos por lotes, por lo que buscamos un mayor rendimiento procesos continuos, como rollo a rollo, así como inspección de alta velocidad sobre componentes de gran superficie para encontrar defectos que podrían afectar la durabilidad". Algunas de las otras áreas principales de desarrollo incluyen: técnicas de revestimiento de membranas y simplificación de la fabricación de membranas; optimizar la capa de transporte porosa; y reducir el contenido de metales preciosos. Además, [email protected] está trabajando en dos proyectos de conversión de hidrógeno a H2, los primeros de su tipo, en los EE. UU.

[email protected] se está enfocando en múltiples necesidades de producción, almacenamiento, distribución y utilización de hidrógeno, incluidos los electrolizadores PEM, que están ganando terreno en el mercado, pero aún tienen potencial para importantes reducciones de costos. La calidad del agua de alimentación es otra área emergente de investigación para el proyecto, dice Satyapal. "Tenemos algunos proyectos en etapa inicial que investigan la capacidad de usar agua sucia o agua salada, en lugar de requerir agua de alta pureza para la electrólisis", agrega. "También tenemos un proyecto único en su tipo en los EE. UU. donde estamos produciendo H2 con un electrolizador y utilizando un sistema biológico para producir metano renovable con H2 y CO2", dice Satyapal.

La sinergia con el gas natural es otra área de gran interés, concretamente en la mezcla de H2 y gas natural, con potencial para inyectar hidrógeno en los gasoductos de gas natural. Sin embargo, con la mezcla de H2, la compatibilidad de los materiales puede ser una preocupación importante según los materiales utilizados, y gran parte de la actividad de investigación involucra los efectos del hidrógeno en la fragilización y su impacto tanto en los metales como en los polímeros, como lo aborda el consorcio H-Mat del DOE.

Un hito significativo en la mezcla de H2 tuvo lugar en julio de 2020, cuando Baker Hughes (Houston; www.bakerhughes.com) y Snam (San Donato Milanese, Italia; www.snam.it) completaron las pruebas de la primera turbina de hidrógeno "híbrida" del mundo. diseñado para una red de gas, con el objetivo final de inyectar H2 mezclado con gas natural en la infraestructura de transmisión actual de Snam.

FIGURA 3. Estas unidades electrolizadoras compactas están diseñadas para instalarse en lugares difíciles, como la cabeza de una turbina eólica, para optimizar el almacenamiento de energía.

FIGURA 3. Estas unidades electrolizadoras compactas están diseñadas para instalarse en lugares difíciles, como la cabeza de una turbina eólica, para optimizar el almacenamiento de energía.

Hoeller Electrolyzer GmbH (Wismar, Alemania; www.hoeller-electrolyzer.com) ha desarrollado una tecnología de superficie celular optimizada para electrolizadores PEM compactos (Figura 3) que reduce la cantidad de metales preciosos requeridos y aumenta la presión operativa. Hoeller está diseñando sus pilas de celdas PEM teniendo en cuenta las instalaciones exigentes, como la integración de la pila directamente en la cabeza de una turbina eólica. "La ventaja clave de la electrólisis PEM es que la producción de H2 cambia casi instantáneamente con la energía proporcionada, por lo que los procesos con una necesidad cambiante de H2 son una combinación ideal", dice Matthias Kramer, director financiero de Hoeller. Según Hoeller, sus pilas pueden manejar cambios de carga de 0 a 100 % de la carga nominal en segundos. Si bien PEM es versátil frente a la demanda cambiante, Kramer también enfatiza su capacidad para operar de manera continua. Además, la pila es capaz de presurizarse a 50 bares o más, lo que hace que el almacenamiento directo sea más conveniente. La tecnología PEM patentada de Hoeller se demostró en una prueba de concepto en el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE; Freiburg im Breisgau, Alemania; www.ise.fraunhofer.de), y Kramer dice que la empresa espera instalar un prototipo unidad para fines de 2020. También se están discutiendo sobre un proyecto piloto para las nuevas pilas de PEM en un parque eólico en Schleswig-Holstein, Alemania.

FIGURA 5. Se puede instalar una unidad de tamiz molecular aguas abajo de un electrolizador con fines de deshidratación.

FIGURA 5. Se puede instalar una unidad de tamiz molecular aguas abajo de un electrolizador con fines de deshidratación.

Una tecnología emergente para la producción de H2 es la electrólisis de membrana de intercambio aniónico (AEM) (Figura 4). AEM es algo así como una solución híbrida que combina los beneficios de PEM y la electrólisis alcalina basada en diafragma tradicional, explica Oliver Conradi, quien se especializa en investigación de membranas en Evonik Industries AG (Essen, Alemania; www.evonik.com). "La electrólisis alcalina obviamente involucra condiciones muy básicas, mientras que PEM involucra un ambiente ácido. Estos valores de pH respectivos requieren ciertos materiales. En condiciones alcalinas, puede usar materiales más baratos, como acero inoxidable y níquel, mientras que con PEM, debe usar platino o otros metales preciosos para el catalizador, y la celda electroquímica debe estar basada en titanio, por lo que el costo de inversión para PEM es mucho mayor", explica Conradi. Sin embargo, los sistemas PEM superan algunas de las limitaciones fundamentales de la electrólisis alcalina tradicional: debido al diseño específico de la celda en los sistemas alcalinos, la densidad de corriente y la eficiencia son limitadas, y es más difícil presurizar un sistema alcalino, lo que significa que se necesita un paso de compresión adicional. típicamente requerida. "En las unidades PEM, la membrana densa facilita la presurización de todo el sistema. Con AEM, puede combinar fundamentalmente las ventajas de ambas tecnologías de vanguardia, mientras compensa sus inconvenientes", dice Conradi, señalando que El principal obstáculo para desarrollar un sistema AEM efectivo es desarrollar un material de membrana polimérica adecuado que pueda soportar condiciones alcalinas.

Un área particular de atención es la fracción catiónica, que es responsable de transportar los iones de hidróxido del cátodo al ánodo. Además de la estabilidad en un entorno alcalino, el polímero también debe proporcionar alta conductividad iónica y estabilidad en condiciones de electrolizador presurizado. Inspirándose en una tecnología de membrana existente para la separación de gases, Evonik ha desarrollado una nueva química de polímeros que presenta un resto catiónico conductor de iones patentado. Como parte del consorcio Channel enfocado en AEM, Evonik está expandiendo la producción del polímero y también ampliando la fabricación de membranas en una línea de recubrimiento piloto. "El consorcio está construyendo un electrolizador AEM para demostrar que la membrana y otros componentes funcionan en condiciones difíciles", explica Conradi. La primera unidad de demostración AEM del grupo está a escala de laboratorio, donde se ejecutan protocolos de prueba para reflejar las condiciones del mundo real. "Los próximos hitos serán probar la confiabilidad del sistema y aumentar los tamaños de las pilas, además de aumentar el procesamiento de membranas", continúa.

Aunque los electrolizadores han avanzado en eficiencia y costo, el H2 producido todavía requiere pasos de procesamiento posterior, como compresión, deshidratación o purificación. "Las pilas de electrólisis generalmente no producen hidrógeno que sea directamente adecuado para su uso. Si desea almacenar, distribuir o utilizar el hidrógeno producido, es necesario eliminar los contaminantes", dice Jordi Zonneveld, gerente de la cartera de hidrógeno de Frames Group (Alphen aan den Rijn, Países Bajos; www.frames-group.com). "Dado que la tecnología PEM usa solo agua ultrapura, el único contaminante es el agua y, potencialmente, una cantidad muy pequeña de oxígeno. La electrólisis alcalina usa una solución de KOH como fluido del proceso y, por lo tanto, es necesario eliminar los rastros de KOH en el hidrógeno producido. , también."

Dependiendo de los requisitos de pureza y flujo de gas, existen varios pasos que pueden ser necesarios para preparar el H2 para sus aplicaciones de uso final. Por ejemplo, dice Zonneveld, los tambores ciegos con partes internas de desempañado y equipo de enfriamiento de gas opcional se usan generalmente como un primer paso para llevar la pureza del hidrógeno hasta el 99,9 %. Luego, si se requiere una mayor pureza, es posible que se requiera una unidad de tamiz molecular (Figura 5). También menciona que la deshidratación con trietilenglicol, una tecnología común para el procesamiento de gas natural, ha mostrado potencial para la purificación de H2, pero aún no ha habido aplicaciones de H2 a gran escala.

La compresión de H2 también presenta desafíos únicos. "El H2 tiene una densidad de energía por masa muy alta, pero una densidad muy baja, por lo que se necesitan compresores aguas abajo de los electrolizadores para comprimir el H2 para un almacenamiento y transporte eficientes", dice Stefanie Peters, socia gerente de Neuman & Esser Group (NEA; Übach -Palenberg, Alemania; www.neuman-esser.de). El bajo peso molecular del H2 también plantea problemas. "La turbomaquinaria se enfrenta a problemas importantes para capturar el H2 en la cámara de compresión, y solo la maquinaria de desplazamiento positivo, como los compresores de pistón y de diafragma, es adecuada para una compresión eficiente a las presiones de descarga de H2 requeridas", añade Peters. Por ejemplo, los compresores de pistón de funcionamiento en seco pueden alcanzar presiones de descarga de hasta 300 bar. Cuando están equipados con cilindros lubricados, las presiones de descarga son potencialmente tan altas como 700 bar, pero esta opción introduce trazas de contaminación por aceite, por lo que en los casos en que no se acepta contaminación, los compresores de diafragma sin aceite son la opción de alta presión preferida, ya que pueden alcanzar más de 5.000 bar de presión de descarga.

A medida que la demanda de electrolizadores y H2 verde continúa creciendo, las mejoras tecnológicas, no solo en los electrolizadores en sí, sino también en el posprocesamiento, seguirán siendo áreas vitales de trabajo de investigación y desarrollo.

El mundo tiene una importante oportunidad de aprovechar el vasto potencial del hidrógeno para convertirse en una parte fundamental de un futuro energético más sostenible y seguro", según un estudio en profundidad lanzado por la Agencia Internacional de Energía (AIE; París, Francia; www.iea .org) con motivo de la reunión de ministros de energía y medio ambiente del G20 en Karuizawa, Japón, los días 15 y 16 de junio de 2019.

"El hidrógeno limpio actualmente recibe un fuerte apoyo de los gobiernos y las empresas de todo el mundo, y la cantidad de políticas y proyectos se está expandiendo rápidamente", dice el estudio. Titulado El futuro del hidrógeno: aprovechando las oportunidades de hoy, y lanzado por el director ejecutivo de la AIE, Fatih Birol, y el ministro de economía, comercio e industria de Japón, Hiroshige Seko, el estudio dice que el hidrógeno ofrece formas de descarbonizar una variedad de sectores, incluida la fabricación de productos químicos y el hierro. y la producción de acero, y puede transformarse en combustibles para automóviles, camiones, trenes, barcos y aviones.

"El mundo no debería perderse esta oportunidad única de hacer del hidrógeno una parte importante de nuestro futuro energético limpio y seguro", dice Birol.

Sin embargo, hay personas que creen que las celdas de combustible H2 nunca se usarán ampliamente, porque presentan costos altos y eficiencias bajas en comparación con las baterías, como las baterías de iones de litio (LIB), y tomaría demasiado tiempo superar los problemas técnicos. asuntos involucrados. Sin embargo, se están realizando esfuerzos para mejorar la tecnología y la economía de una economía basada en el hidrógeno.

Como sistema de combustible para automóviles, autobuses, trenes, etc., el hidrógeno se almacena en un tanque dentro del vehículo. El H2 se alimenta a una celda de combustible, que produce electricidad para un motor eléctrico que mueve el vehículo. A diferencia de los combustibles fósiles, la combustión del hidrógeno no produce CO2 ni otros contaminantes, solo vapor de agua. En lo que respecta a un sistema de combustible para automóviles, el principal competidor de las pilas de combustible H2 son las LIB. Hoy en día, la mayoría de los vehículos eléctricos utilizan baterías, a menudo basadas en la química de iones de litio o plomo-ácido. Cada celda de combustible individual produce corrientes y voltajes bajos y, al igual que las LIB, las celdas deben apilarse para alcanzar el voltaje objetivo y la corriente máxima requerida por el vehículo. Una de las ventajas del H2 utilizado en las pilas de combustible es que tiene una relación energía-peso (energía específica) mucho mayor que la de las LIB. La energía específica de los LIB es de 0,36 a 0,875 MJ/kg y la energía específica del hidrógeno es de 120 a 142 MJ/kg. El H2 en las celdas de combustible permite un rango mucho mayor mientras es más liviano y ocupa volúmenes más pequeños. Otra gran ventaja de las pilas de combustible H2 es que se pueden recargar en pocos minutos. Por el contrario, los tiempos de carga completa de los vehículos eléctricos LIB normalmente se miden en horas. Sin embargo, el H2 también presenta serios inconvenientes. Uno de ellos es que se combina bien con otros elementos y por lo tanto tiene que ser aislado, antes de ser utilizable como combustible, mediante procesos que son costosos y consumen mucha energía. Además, el almacenamiento de H2 es costoso y consume mucha energía, ya sea cuando se almacena como gas a alta presión o, más aún, como líquido a temperaturas criogénicas. El H2, que también es altamente inflamable, es difícil, peligroso y costoso de producir, almacenar y transportar. A pesar de los problemas que presentan las pilas de combustible H2 y de las predicciones negativas de algunos expertos, hay un gran número de proyectos en curso y se está invirtiendo una cantidad significativa de dólares en I+D en pilas de combustible H2 en todo el mundo. Ya hay muchos vehículos que funcionan con pilas de combustible de hidrógeno, incluidos automóviles, autobuses y trenes, aunque aún no han logrado una amplia aceptación en el mercado. Según la AIE, actualmente hay alrededor de 11.200 automóviles con motor H2 en las carreteras de todo el mundo. Los autos de hidrógeno más antiguos comercialmente disponibles en mercados seleccionados son: el Toyota Mirai, el Hyundai Nexo y el Honda Clarity. En 2013, el vehículo eléctrico de celda de combustible (FCEV) Hyundai Tucson fue el primer H2 FCEV comercialmente producido en masa en el mundo. Tenía una autonomía de casi 600 km. Hyundai Nexo (Figura 1) lo sucedió en 2018. Toyota lanzó su Mirai a finales de 2014. Tiene una autonomía de unos 500 km y tarda unos 5 minutos en rellenar su depósito de H2. Aunque muchas empresas de automóviles han introducido modelos de demostración en cantidades limitadas, muchas de esas empresas han cambiado a vehículos eléctricos de batería. A fines del año pasado, el primer tren de pasajeros del mundo propulsado por celdas de combustible H2 comenzó a operar en Alemania (Figura 2). Llamado Coradia iLint, fue desarrollado por Alstom (París, Francia; www.alstom.com). El tren es capaz de alcanzar velocidades máximas de 140 km/h.

FIGURA 1. Uno de los últimos automóviles impulsados ​​por hidrógeno es el Hyundai Nexo

FIGURA 1. Uno de los últimos automóviles impulsados ​​por hidrógeno es el Hyundai Nexo

FIGURA 2. El primer tren de pasajeros del mundo impulsado por hidrógeno comenzó a operar en septiembre pasado en Baja Sajonia, Alemania

FIGURA 2. El primer tren de pasajeros del mundo impulsado por hidrógeno comenzó a operar en septiembre pasado en Baja Sajonia, Alemania

FIGURA 3. Basado en una tecnología bien establecida en el sector de cloro-álcali, este sistema de electrolisis de agua se puede escalar hasta 10 MW

FIGURA 3. Basado en una tecnología bien establecida en el sector de cloro-álcali, este sistema de electrolisis de agua se puede escalar hasta 10 MW

Actualmente, casi todo el H2 del mundo proviene de materias primas fósiles en procesos que emiten CO2, a menos que el CO2 se capture y almacene adecuadamente. La producción de H2 limpio se logra mediante la electrólisis del agua utilizando electricidad obtenida de fuentes renovables, como la solar y la eólica. Actualmente, sin embargo, solo alrededor del 5% del H2 del mundo se produce a través de la división del agua. El proceso dentro de la celda de combustible es esencialmente el inverso del proceso electrolítico para producir H2 a partir del agua.

Recientemente, thyssenkrupp AG (Essen, Alemania; www.thyssenkrupp.com; Figura 3) y Siemens AG (Erlangen, Alemania; www.siemens.com) han desarrollado nuevos electrolizadores a gran escala para descarbonizar la producción de H2 (Chem . Ing., enero de 2019, págs. 14–17).

Los electrolizadores de Siemens fueron inicialmente capaces de convertir kilovatios de energía renovable en H2 limpio, y la empresa ahora está construyendo dispositivos a mayor escala. Siemens pronto entregará una unidad de 1,25 MW al distrito de innovación de Tonsley en el sur de Australia. También ofrece una unidad capaz de escalar hasta 10 MW, con planes de escalar aún más en otro orden de magnitud.

La planta de hidrógeno verde con energía solar más grande del mundo está planificada para la Península de Burrup en Australia Occidental por Yara Pilbara. Más recientemente, la compañía ha desarrollado lo que afirma ser el primer reabastecimiento de H2 todo en uno del mundo.

En octubre pasado, un consorcio japonés comenzó la construcción del campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima (FH2R; Chem. Eng., octubre de 2018, p. 10). FH2R producirá (usando energía renovable) y almacenará hasta 900 ton/año de H2. Utilizará un nuevo sistema de control para coordinar la operación general del sistema de energía H2, el sistema de control de la red eléctrica y el sistema de pronóstico de demanda de H2, a fin de optimizar la producción de H2, la generación de electricidad basada en H2 y el suministro de gas H2.

El sistema utilizará H2 para compensar las cargas de la red y entregar H2 a ubicaciones en Tohoku y más allá, y buscará demostrar las ventajas del H2 como una solución en el equilibrio de la red y como suministro de gas H2. El H2 comprimido se transportará en remolques y se suministrará a los usuarios.

El Programa de Pilas de Combustible e Hidrógeno del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE; Washington, DC; www.energy.gov) lleva a cabo investigaciones y desarrollos en la producción, entrega, almacenamiento y pilas de combustible de H2. Sus objetivos técnicos son: reformado de líquidos derivados de biomasa, electrólisis, gasificación de biomasa, separación termoquímica del agua, separación fotoelectroquímica del agua, procesos fotobiológicos y conversión de biomasa microbiana. Mientras tanto, se está realizando una investigación en una planta de purificación de agua en Sendai, Prefectura de Miyagi, Japón, para incorporar H2 en los sistemas de energía renovable. La ciudad de Fukuoka está inmersa en un proyecto para producir H2 con biogás extraído de lodos de depuradora. El H2 producido se utilizará para vehículos de pila de combustible.

"Las plantas de tratamiento de aguas residuales en todo el país tienen el potencial de impulsar hasta 1,86 millones de vehículos de celdas de combustible con hidrógeno", dice Masaki Tajima, profesor de energía ambiental en la Universidad de Tottori (Tottori City, Japón; www.tottori-u.ac.jp ).

También en Japón, Toshiba Corp. (Tokio; www.toshiba.com) ha desarrollado sus celdas de combustible en cascada de hidrógeno puro H2 Rex de 100 kW, lo que aumenta la tasa de utilización de hidrógeno. Las celdas de combustible pueden generar energía a una temperatura de 80 °C, que es mucho más baja que la temperatura de funcionamiento de otros tipos de celdas de combustible, lo que elimina la necesidad de un proceso de calentamiento.

Investigadores del Centro de Tecnologías Químicas Sostenibles de la Universidad de Bath (Reino Unido; www.bath.ac.uk) han desarrollado un método mejorado para usar la luz solar para dividir el agua. Utilizaron células solares de perovskita. Dado que estas celdas son inestables en el agua, lo que limita su uso para la generación directa de combustibles H2 limpios, los investigadores utilizaron una capa impermeable de grafito. Si bien las células solares de perovskita producen un voltaje más alto que las células de silicio, el voltaje aún no es suficiente para dividir el agua. Para resolver este problema, los investigadores agregaron catalizadores.

Un equipo del Instituto de Investigaciones Químicas de Cataluña (Tarragona, España; www.iciq.org), dirigido por José Ramón Galón-Mascarós, descubrió recientemente otra forma de impulsar la producción de H2 a partir de la electrólisis. Los investigadores lograron la producción de H2 a bajos voltajes simplemente acercando un imán permanente al ánodo, lo que se traduce en ahorros de energía inmediatos. El equipo también utilizó catalizadores basados ​​en metales abundantes en la tierra como el níquel y el hierro. El equipo afirma que puede aumentar la eficiencia de producción de H2 utilizando un electrolizador en un 100%. En un entorno industrial, el equipo esperaría ganancias de eficiencia del 30 al 40 % (Chem. Eng., julio de 2019, p. 12).

Investigadores del Instituto Indio de Ciencias (Bengaluru, India; www.iisc.ac.in), dirigidos por el profesor Prabeer Barpanda, han desarrollado un catalizador de bajo costo para acelerar la división del agua para producir H2.

Una de las dos reacciones principales involucradas en este proceso, la reacción de evolución de oxígeno, es lenta, lo que limita la eficiencia general del proceso. Los catalizadores más eficientes que se utilizan normalmente están hechos de metales caros, como Pt y Ru. Los investigadores indios han desarrollado un catalizador combinando óxido de cobalto con sales de fosfato de sodio (metafosfatos). Los investigadores afirman que este catalizador es más de doscientas veces menos costoso que el actual catalizador RuO2 de última generación, y la velocidad de reacción también es más rápida.

Para hacer el catalizador, los investigadores asaron metafosfato de sodio y óxido de cobalto en una atmósfera de argón. Esto crea una lámina de carbono parcialmente quemado sobre la que se extienden cristales hechos de óxido de cobalto enmarcados por metafosfato de sodio. Los metafosfatos forman un marco fuerte para mantener intactos los óxidos de cobalto, mostrando una alta estabilidad. Este tratamiento permite que el catalizador retenga su actividad durante múltiples ciclos.

Un equipo de la Universidad de Michigan (Ann Arbor; www.umich.edu), dirigido por el profesor Don Siegel, ha identificado formas de introducir más H2 que nunca en estructuras metalorgánicas (MOF), aumentando la densidad de energía y, por lo tanto, la autonomía prevista de los vehículos de pila de combustible.

El equipo creó una base de datos sobre MOF y utilizó simulaciones por computadora para examinar casi 500 000 MOF en busca de los más adecuados para almacenar H2. Se identificaron tres MOF que superarían los récords anteriores de almacenamiento de H2. Siegel dice que al aumentar la cantidad de H2 que se puede almacenar en un adsorbente MOF, se puede reducir la presión necesaria para almacenarlo y también se puede reducir el tamaño del tanque.

En otra forma de almacenar y transportar H2, Chiyoda Corp. (Yokohama, Japón; www.chiyodacorp.com), en asociación con JXTG Nippon Oil & Energy Corp., la Universidad de Tokio y la Universidad Tecnológica de Queensland, ha desarrollado el SPERA Hydrogen sistema. Este sistema se mantiene en estado líquido a temperatura y presión ambiente y, por lo tanto, puede almacenarse en tanques existentes durante mucho tiempo y transportarse en camiones cisterna existentes. El sistema es un líquido llamado metilciclohexano (MCH). Se produce utilizando el método de hidruro químico orgánico (OCH), mediante el cual el tolueno y el hidrógeno reaccionan catalíticamente. El volumen de MCH es una pequeña fracción del volumen de H2 gaseoso. Aunque el método OCH que utiliza MCH se conoce desde hace mucho tiempo, no se ha desarrollado ningún catalizador comercial para producir H2 a partir de MCH en el proceso de deshidrogenación. Chiyoda desarrolló un catalizador de deshidrogenación que ofrece un alto rendimiento estable durante más de 10 000 horas a escala de laboratorio. En otro enfoque más, un equipo de la Universidad de Newcastle (Newcastle-upon-Tyne, Reino Unido; www.ncl.ac.uk), dirigido por el profesor Ian Metcalfe, ha desarrollado lo que afirma es el primer reactor químico termodinámicamente reversible capaz de produciendo H2 como una corriente de producto puro.

El reactor evita la mezcla de gases reactivos mediante la transferencia de oxígeno entre las corrientes de reactivos a través de un depósito de oxígeno en estado sólido. El yacimiento está diseñado para permanecer cerca del equilibrio con las corrientes de gas que reaccionan mientras siguen su trayectoria de reacción y, por lo tanto, retiene una "memoria química" de las condiciones a las que estuvo expuesto. El H2 se produce así como un flujo de producto puro, eliminando la necesidad de una costosa separación de los productos finales. "Mientras que la producción convencional de H2 requiere dos reactores y una separación, nuestro reactor realiza todos los pasos en una sola unidad", dice Metcalfe.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (Pohang, Corea del Sur; www.postech.ac.kr) y la Escuela de Minas de Colorado (Golden, Colorado; www.mines.edu), dirigidos por Kun-Hong Lee y Bo Ram de Pohang Lee, han introducido un nuevo concepto para mejorar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno dentro de la estructura formada por moléculas de agua llamadas hidratos de gas. Los hidratos de gas son compuestos sólidos similares al hielo, incluido el gas. El principal problema en el almacenamiento de hidrógeno en hidratos de gas ha sido la reducción de la energía requerida. Los investigadores estudiaron la metaestabilidad de los hidratos de gas, que está determinada por un estado estable que se puede cambiar mediante la adición de una pequeña cantidad de energía. Lograron mantener los hidratos de hidrógeno estables a una presión muy suave (0,5 a 1 MPa) y demostraron un mayor almacenamiento de H2 en los hidratos (hasta un 52 % más).

"Si se diseña un proceso apropiado para atrapar el sistema en este estado metaestable con una alta concentración de gas, junto con los beneficios de la autoconservación de hidratos, nacerá un nuevo paradigma para el almacenamiento de gas en hidratos de clatrato", dice Kun-Hong. Sotavento. Mientras tanto, CSIRO (Melbourne, Australia; www.csiro.au) realizó un estudio sobre la "Eficiencia de ida y vuelta del amoníaco como medio de transporte de energía renovable". El estudio dice que NH3 es una excelente propuesta para convertir energía renovable en H2, transportarla a lugares con baja intensidad de energía renovable y convertir el NH3 nuevamente en H2 para el consumo local. La eficiencia de ida y vuelta del almacenamiento de energía eléctrica puede ser superior al 80%, dice el estudio.