Generando Hidrógeno al Dividir Agua con Swarf Incorporado

Hidrógeno y Costos de la Electrólisis

Hydrogen is a promising fuel for a green economy, from transportation to energy storage, and may be the only realistic carbon-free alternative fuel for many industries like shipping and air flight.

El hidrógeno es un combustible prometedor para una economía verde, desde el transporte hasta el almacenamiento de energía, y puede ser la única alternativa realista sin carbono para muchas industrias como el transporte marítimo y la aviación.

Un factor clave que ha frenado la aparición de la economía del hidrógeno es el costo, especialmente el costo de producción del hidrógeno.

El hidrógeno verde (producido a partir de energía renovable) se fabrica principalmente mediante electrólisis, que requiere mucha energía y catalizadores. Estos catalizadores tienden a ser costosos, ya que en la mayoría de los casos dependen de metales como el platino. Cuanto más platino se use, más caro será el electrolizador.

No solo los metales como el platino son caros, sino que también son extremadamente raros y estarían en escasez si el hidrógeno se adoptara masivamente como fuente de energía.

Por lo tanto, fue una noticia importante que los investigadores anunciaran una reducción drástica en la necesidad de catalizador para la electrólisis.

“Podemos producir hidrógeno a partir del agua usando solo una décima parte de la carga de platino en comparación con los catalizadores comerciales de última generación.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Electrólisis Económica con Swarf (Metal de Descarte)

This discovery was made by researchers at the University of Nottingham, UK, and published in the Journal of Material Chemistry, under the title “De metal de desecho a electrodos altamente eficientes: aprovechando la superficie nanotexturizada del swarf para la utilización eficaz de Pt y Co en la producción de hidrógeno”.

Los hallazgos iniciales surgieron del análisis del swarf a escala nanométrica. Swarf son espirales de metal de desecho generadas como residuos al mecanizar metales como acero inoxidable, titanio o aleación de níquel. Las industrias en el Reino Unido por sí solas generan millones de toneladas de residuos metálicos anualmente.

Fuente: Nottingham University

Al analizar estos swarf con un microscopio electrónico, los investigadores descubrieron que, lejos de ser lisos, estos productos de desecho metálico tenían ranuras y crestas de apenas decenas de nanómetros de ancho.

Estas estructuras muy complejas y superficies de contacto masivas serían sustratos ideales para electrocatalizadores usados en la electrólisis para la producción de hidrógeno.

Fuente: Journal Of Material Chemistry

Lluvia Magnética de Platino sobre los Swarf

To add platinum atoms to the swarf, the researchers used a technique called magnetron sputtering. This is a technique used in semiconductor production to deposit an ultra-thin film of metal, thanks to powerful magnetic fields.

Fuente: Korvus Tech

This method “rains” platinum atoms upon the swarf, and deposits them in the nanometer-sized grooves and ridges.

“Al distribuir solo 28 microgramos del metal precioso sobre 1 cm² del swarf, pudimos crear un electrolizador a escala de laboratorio que funciona con 100 % de eficiencia y produce 0,5 litros de gas hidrógeno por minuto solo a partir de una pieza única de swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

This method allowed for the creation of 2 types of hydrogen-generating electrocatalysts:

• Swarf de titanio con átomos de platino como catalizador, para la reacción de evolución de hidrógeno (HER).
• Swarf de níquel con átomos de cobalto como catalizador, para la reacción de evolución de oxígeno (OER)

Fuente: Journal Of Material Chemistry

The Nottingham researchers are now working with the company AqSorption to scale up the technology.

Unificando Innovaciones del Hidrógeno

Nuevos Paradigmas de Catalizadores

The building of the hydrogen economy will require that every step of the hydrogen production and distribution chain become as efficient as possible.

Hasta hace poco, la rareza y el alto costo de los catalizadores basados en platino y cobalto obligaban a buscar catalizadores alternativos. Por ejemplo, discutimos la posibilidad de usar nanorodillos de níquel en “Avances en la Producción de Hidrógeno con Electrólisis Basada en Níquel” y catalizadores alternativos como rutenio, silicio y tungsteno (RuSiW) en “El Hidrógeno Verde Está Listo para Reemplazar al Gris a Medida que Nuevos Electrocatalizadores Hacen la Producción Rentable”.

El descubrimiento del uso de swarf podría eliminar la necesidad de dichos nuevos catalizadores.

Tal vez estas innovaciones podrían combinarse para crear tipos de catalizadores nuevos y aún más eficientes. Alternativamente, ahora que la cantidad de platino requerida puede reducirse diez veces, usar nanorodillos de platino para alcanzar niveles ultra‑altos de eficiencia catalítica podría ser una opción.

Tecnología del Hidrógeno Mejorando & Amoníaco

This will likely combined with other innovations, like more efficient storage of hydrogen as discussed in “El Hidrógeno Acaba de Volverse Más Atractivo como Fuente de Energía Gracias a un Avance en Contención“. Efficient conversion of hydrogen into power as discussed in “¿Son las Celdas de Batería Solo un Precursor de las Pilas de Hidrógeno? La Verdadera Próxima Generación de Vehículos Eléctricos”.

Finally, the high-efficiency, low-cost hydrogen electrolysis, storage, and utilization could be combined with mass usage of ammonia as a fuel, transport, and long-term storage form of hydrogen, as discussed in “Descarbonizando Rutas Marítimas Globales mediante Amoníaco Verde” and “La Producción de Amoníaco es Enormemente Detrimental para el Medio Ambiente – Ingenieros Acaban de Desarrollar un Método Más Limpio“.

Empresas Enfocadas en el Hidrógeno

1. Sibanye Stillwater

El uso de swarf para la producción de hidrógeno podría aumentar drásticamente la viabilidad de la adopción masiva del hidrógeno verde al hacer que la electrólisis basada en platino sea económicamente viable.

Esto podría ser un impulso masivo para el mercado del platino, que ha estado bajo presión en los últimos años.

Una parte clave del bajo rendimiento del platino se debía a su fuerte dependencia de la demanda de convertidores catalíticos en automóviles y camiones de combustible. Con el mundo orientándose hacia los vehículos eléctricos, esto ponía en duda la viabilidad de la demanda de este metal.

Fuente: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

Alternativamente, si la electrólisis basada en platino usando metal de desecho de la industria aeroespacial se convierte en un eje de la economía del hidrógeno, la demanda de platino para las próximas décadas está asegurada.

South African Sibanye Stillwater es uno de los mayores productores de platino del mundo. El país produce el 80 % del platino mundial, y Sibanye Stillwater es responsable de una cuarta parte de esa producción.

Fuente: Mining Technology

También es productor de elementos del grupo del platino como paladio, rodio y rutenio. Actualmente se está diversificando para entrar en los mercados de oro y metales para baterías.

Fuente: Sibanye Stillwater

El mercado del platino ha sido controlado por el debate sobre la adopción de vehículos eléctricos versus ICE (Motor de Combustión Interna). Con la rápida innovación en el uso de la electrólisis de hidrógeno con platino y otros elementos del grupo del platino, esto podría cambiar.

El platino también es necesario en la mayoría de los diseños de pilas de combustible que convierten hidrógeno en electricidad. Por lo tanto, en conjunto, los avances logrados en la tecnología del hidrógeno, incluida la electrólisis basada en swarf pero no solo, deberían beneficiar a los mineros enfocados en el platino como Sibanye Stillwater.

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard es un fabricante de pilas de combustible y pionero de la tecnología con su primer autobús de pila de combustible producido en 1993.

La compañía se centra en mercados de alta demanda: autobuses, camiones, trenes/tranvías, barcos, minería/construcción y energía. Mientras los autobuses han sido el núcleo del negocio, la empresa espera que para 2025 los camiones sean un segmento importante. También prevé que Europa siga siendo su principal mercado (50‑60 %), seguida de Norteamérica (25 %).

Se espera que las pilas de combustible para camiones sigan creciendo y representen un mercado de 7,5 mil millones de dólares en 2030 (de un TAM de 195 mil millones), casi tan grande como todas las demás aplicaciones de hidrógeno/pilas de combustible combinadas. Este crecimiento podría acelerarse si los precios de producción de hidrógeno disminuyen gracias a nuevas tecnologías.

Fuente: Ballard

Debido a la mayor potencia requerida y la necesidad de carga rápida, los vehículos de alta demanda han sido un buen mercado para el hidrógeno y las pilas de combustible frente a vehículos más ligeros como los automóviles. También reduce la necesidad de catenarias para ferrocarriles y autobuses eléctricos, y permite recargas rápidas para transporte de larga distancia.

Fuente: Ballard

La compañía tampoco es ajena al amoníaco, con, por ejemplo, un contrato reciente con Amogy para proveerle pilas de combustible para su “plataforma de amoníaco a energía que depende de una tecnología única de craqueo de amoníaco”.

Mientras los vehículos eléctricos tienen una oportunidad razonable de apoderarse rápidamente del mercado de automóviles, los vehículos más pesados son más difíciles de descarbonizar. Con su liderazgo establecido en el sector, Ballard sería un beneficiario principal de un impulso político hacia una economía del hidrógeno.

La producción de hidrógeno está volviéndose rápidamente más barata gracias a los avances en catalizadores que reducen mecánicamente el costo de los combustibles de los vehículos impulsados por hidrógeno. Con el aumento de los precios del petróleo debido a tensiones geopolíticas y al crecimiento de los impuestos al carbono, esto podría inclinar la balanza a favor del hidrógeno, especialmente para vehículos que requieren mucha potencia y recorren muchos kilómetros (camiones, autobuses, etc.).