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2022-04-22Membranas cerámicas protónicas para producir hidrógeno de forma industrial

SINC |Investigadores del Instituto de Tecnología Química (CSIC-UPV) y otros centros europeos han desarrollado un nuevo sistema para producir hidrógeno, en un solo paso, a partir de amoniaco, metano y biogás utilizando reactores cerámicos electroquímicos. El sistema apenas genera residuos y ofrece una solución al problema de la intermitencia de las fuentes renovables.

Un equipo internacional de científicos, en el que participa el Instituto de Tecnología Química (ITQ, centro mixto del CSIC y la Universidad Politécnica de Valencia), ha desarrollado un nuevo reactor electrificado para obtener hidrógeno de forma más sostenible y eficiente energéticamente. El avance se publica en la revista Science. 

Los autores 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. 

Se presenta un nuevo reactor electrificado para obtener hidrógeno, de forma más sostenible y eficiente energéticamente, a partir de amoniaco, metano y biogás

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. La producción de este combustible con fines energéticos se clasifica por colores según la ‘limpieza’ de su obtención. 

El más limpio es el hidrógeno verde, que se produce mediante fuentes renovables de energía, pero el más común es el azul, que se extrae del gas natural. Los resultados del nuevo trabajo son prometedores para la competitividad de ambos tipos en el transporte terrestre y marítimo, así como para otros mercados y usos industriales. 

Los reactores electroquímicos cerámicos protónicos empleados en este estudio utilizan energía eléctrica para extraer hidrógeno de otras moléculas con una eficiencia energética excepcional. El combustible puede ser amoníaco, gas natural (metano básicamente), 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 elevada pureza y máxima eficiencia energética, por encima del 90 %.

El grupo de conversión y almacenamiento de energía del ITQ ha demostrado que es posible trabajar con este tipo de tecnología a 150 bares de presión, uno de los hitos más destacables del estudio. Además, 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 resultados 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. 

Con esta tecnología se puede trabajar a 150 bares de presión, uno de los hitos más destacables del estudio, y además el CO2 que se produce en el proceso no se emite a la atmósfera, se puede reutilizar

“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 la coautora Sonia Remiro Buenamañana, investigadora del ITQ. 

Además de este instituto, el equipo de investigación incluye personal científico e ingenieros de la Universidad de Oslo, el centro SINTEF (Noruega), así como del departamento de investigación CoorsTek Membrane Sciences de la compañía CoorsTek. 

“La eficiencia energética es clave para el futuro del hidrógeno”, sostiene otra de las autoras, Irene Yuste, ingeniera química de CoorsTek Membrane Sciences y estudiante de doctorado en la Universidad de Oslo. 

Obtener hidrógeno con máxima eficiencia 

“Cuando la energía se transforma de una forma a otra hay una pérdida de energía”, explica José Manuel Serra, profesor de investigación del CSIC en el ITQ y coautor principal del trabajo. “Con nuestras membranas cerámicas protónicas podemos combinar pasos distintos de la producción de hidrógeno en una sola etapa –un solo paso– 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. 

Las membranas cerámicas protónicas son convertidores de energía electroquímica, al igual que las baterías, las pilas de combustible y los electrolizadores. Una de las claves del avance es un nuevo componente desarrollado por el departamento CoorsTek Membrane Sciences a partir de materiales vitrocerámicos y metálicos, que combina la robustez a altas temperaturas de una cerámica y la conductividad electrónica de un metal. 

Con estas membranas cerámicas protónicas podemos combinar varios pasos en uno, donde el calor 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.
José Manuel Serra (ITQ, CSIC-UPV)

Estas 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. “Nuestro grupo ha realizado un extenso estudio de las velocidades de las reacciones que tienen lugar, así como de los mecanismos implicados en ellas para mejorar las condiciones de operación de estos sistemas”, comenta María I. Valls Esteve, otra de las investigadora del ITQ. 

Este trabajo 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 para la captura, almacenamiento y transporte de carbono, Gassnova, y el Consejo de Investigación de Noruega, también contribuyeron con fondos. 

Para la obtención de estos resultados, se ha seguido una estrategia de lo que se conoce como open innovation, con el fin de generar 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 independiente en el campus de la sede de la compañia Saudi Aramco en Dhahran (Arabia Saudí). 


Referencia:

Daniel Clark et al. “Single-step hydrogen production from NH3, CH4, and biogas in stacked proton ceramic reactors”. Science, 2022

SINC
Autor
SINC

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