Energía
El hidrógeno acaba de volverse más atractivo como fuente de energía gracias a un avance en su contención
El hidrógeno, el elemento más ligero del universo, está representado por el símbolo H. Tiene un número atómico de 1 y es el elemento más abundante. Es el elemento químico más simple, con solo un protón y un electrón, y es incoloro, insípido e inodoro.
Curiosamente, se estima que el hidrógeno aporta alrededor del 75 % de la masa del universo. Sin embargo, solo constituye aproximadamente el 0,14 % de la corteza terrestre por peso. Se encuentra de forma natural en compuestos con otros elementos en sólidos, líquidos y gases. Y cuando se combina con oxígeno, esta sustancia inflamable forma agua (H2O), y en combinación con carbono forma hidrocarburos, que se encuentran en el petróleo y el carbón. Por lo tanto, el hidrógeno puede producirse a partir de diversos recursos, incluyendo energía renovable como la solar y eólica, energía nuclear y gas natural.
Cabe destacar, se han realizado múltiples descubrimientos de bolsas de gas hidrógeno que se forman de forma natural en países como Australia, Nueva Zelanda, Canadá, Francia, Alemania, Japón y Rusia. Actualmente, los científicos están explorando la magnitud de estas reservas en dichos países, así como sus orígenes y los posibles efectos en los entornos circundantes si se extraen.
Hidrógeno como fuente de energía
Los métodos más comunes para producir combustible de hidrógeno incluyen procesos térmicos, electrólisis, electrólisis impulsada por energía fotovoltaica, procesos impulsados por energía solar y procesos biológicos.
Térmico
En el proceso térmico, el vapor reacciona con un combustible hidrocarburo como diésel, gas natural, carbón gasificado o biomasa gasificada para producir H. Cabe destacar que la mayor parte (aproximadamente el 95 %) de todo el hidrógeno se produce a partir del reformado con vapor de gas natural.
Electrólisis
La electrólisis, por su parte, consiste en separar el agua en oxígeno e hidrógeno. Este proceso se lleva a cabo en un electrolizador y genera hidrógeno a partir de moléculas de agua.
Biológico
Los procesos biológicos utilizan microbios que no pueden verse a simple vista, como bacterias, para producir hidrógeno.
Solar
El proceso impulsado por energía solar, como su nombre indica, utiliza la luz para la generación de H mediante diversas vías como la fotoelectroquímica (emplea semiconductores especializados para separar el agua en H y O), la fotobiológica (utiliza la actividad fotosintética natural de bacterias y algas verdes) y la termoquímica solar (usa energía solar concentrada para impulsar reacciones de separación del agua).
Además de todas sus cualidades, el hidrógeno también es un combustible limpio, lo que significa que solo produce agua, calor y electricidad cuando se consume en una pila de combustible. Esto lo convierte en una opción atractiva para la generación de electricidad y el transporte, incluidos automóviles y cohetes. La sustancia densa en energía y almacenable que no produce gases de efecto invernadero se utilizó de hecho para impulsar motores de combustión interna hace más de dos siglos.
Esto demuestra que el hidrógeno es una de las principales opciones para almacenar energía renovable y también se está utilizando en muchas industrias. Sin embargo, su verdadero potencial aún está por realizarse. Para ello, el hidrógeno debe producirse a escala de manera económica. Además, la infraestructura actual necesita adaptarse al hidrógeno, aunque puede transportarse a través de tuberías de gas.
Aunque aún no hemos explotado completamente las maravillas de usar hidrógeno como combustible, el gasto global en investigación y desarrollo para explorar el potencial completo del hidrógeno como fuente de energía ha ido en aumento a lo largo de los años. De hecho, un estudio reciente ha logrado un gran avance en este sentido, permitiendo el almacenamiento de hidrógeno de alta densidad para los sistemas energéticos futuros.
Marco para almacenar hidrógeno densamente empaquetado
Publicado en la revista Nature Chemistry el mes pasado, el estudio, “Estructuras hidrídicas de poros pequeños almacenan hidrógeno densamente empaquetado”, fue financiado en parte por la National Research Foundation of Korea (NRF) y la German Research Foundation (DFG).
Aunque los materiales nanoporous han generado mucha atención para el almacenamiento de gases, el estudio señaló que lograr una alta capacidad de almacenamiento volumétrico sigue siendo un desafío. Por ello, varios investigadores de diferentes universidades se unieron para abordar este problema.
Michael Hirscher, del Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) de la Universidad de Tohoku en Japón y del Max Planck Institute for Intelligent Systems de Alemania, concibió las ideas originales y supervisó el proyecto. Mientras tanto, Hyunchul Oh del Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) de Corea lideró este proyecto.
Curiosamente, en 2022, un equipo de científicos del Max Planck Institute for Intelligent Systems, del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE), de la Technische Universität Dresden y de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg demostraron que el hidrógeno se condensa en una superficie a una temperatura muy baja cercana al punto de ebullición del H2. Este proceso forma una monocapa superdensa, superando la densidad del hidrógeno líquido en 3 veces, lo que reduce el volumen a solo 5 litros por kilogramo de H2.
Ahora, el último estudio investigó una estructura de borohidruro de magnesio utilizando difracción de polvo de neutrones, dispersión inelástica de neutrones, adsorción volumétrica de gas y cálculos de primeros principios. La estructura tiene poros pequeños y un interior parcialmente cargado negativamente y no plano para la absorción de hidrógeno (H) y nitrógeno (N).
Tanto el nitrógeno como el hidrógeno ocupan sitios de adsorción notablemente diferentes en los poros. Además, presentan capacidades límite muy distintas de 0,66 N2 y 2,33 H2 por Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, descubierto por primera vez en 1950, es conocido como un material de almacenamiento de hidrógeno de alta capacidad que existe tanto como polimorfos cristalinos con estructuras tipo MOF nanoporous como polimorfos muy densos con una densidad volumétrica de hidrógeno extrema y una alta capacidad gravimétrica de hidrógeno.
Así, en lo que respecta al hidrógeno molecular, está empaquetado extremadamente denso, con una densidad aproximadamente doble que la del hidrógeno líquido.
El equipo luego utilizó difracción de polvo de neutrones (NPD) para determinar la posición de los átomos de hidrógeno en la estructura junto con los sitios de adsorción de las moléculas.
El estudio señaló que se encontró un clúster pentadihidrógenu (el dihidrógeno consiste en dos hidrógenos unidos por un enlace simple) donde las moléculas de H2 en una posición tienen libertad rotacional. En contraste, las moléculas de H2 en otra posición tienen una orientación bien definida y una interacción direccional con la estructura. Esto revela que el hidrógeno densamente empaquetado puede estabilizarse en materiales de poros pequeños bajo presiones atmosféricas normales.
Con esta revelación, el equipo ha abordado con éxito el desafío de la capacidad limitada de almacenamiento de hidrógeno mediante el uso de tecnología avanzada de adsorción de alta densidad.
Este desarrollo revolucionario fue reportado por el Profesor Oh del Departamento de Química de UNIST. La investigación innovadora marca un avance significativo en los sistemas energéticos futuros.
Facilitando el almacenamiento de hidrógeno a gran escala
En lo que respecta al uso del hidrógeno en transporte, energía estacionaria y energía portátil, el almacenamiento juega un papel clave. Aunque el elemento tiene la mayor energía por masa, su baja densidad a temperatura ambiente resulta en una menor energía por unidad de volumen. Por lo tanto, se necesitan métodos de almacenamiento avanzados para lograr una mayor densidad energética.
Actualmente, la tecnología de almacenamiento se centra principalmente en el almacenamiento de hidrógeno molecular en forma líquida o gaseosa. Pero, por supuesto, existen límites en esta tecnología actual en términos de densidad de almacenamiento volumétrica y gravimétrica (cuánta energía por gramo o kilogramo puede almacenarse).
Almacenar hidrógeno como gas requiere tanques de alta presión, mientras que como líquido se necesitan temperaturas criogénicas. También puede almacenarse en la superficie o dentro de un sólido mediante absorción.
Como molécula, el hidrógeno puede adsorberse físicamente en un material que contiene poros (vacíos) mediante interacciones débiles de Van der Waals (que son relativamente débiles y no iónicas) a través de la fisorción. Se refiere a un proceso donde las moléculas de gas se adhieren a una superficie sólida. Sin embargo, aunque los materiales altamente porosos ofrecen una alta captación gravimétrica de hidrógeno, se necesitan mejoras en la capacidad de almacenamiento volumétrico.
Aquí es donde el borohidruro de magnesio cúbico nanoporous, γ‑Mg(BH4)2, ofrece excelentes resultados. Tiene una densidad de ρ = 0,550 g cm⁻³ y un 33 % de volumen de poros libre. Un diámetro de poro de aproximadamente 9 Å permite que este compuesto adsorba moléculas pequeñas como hidrógeno o nitrógeno. Es a través de la superficie interna parcialmente cargada negativamente de este hidruro poroso que los átomos hidrídicos quedan expuestos a los poros.
Posible gracias al Programa de Investigación de Carrera Media del NFR y el Ministerio de Ciencia e ICT (MSIT), el estudio sintetizó este hidruro complejo nanoporous que comprende el catión magnesio (Mg+) y el hidruro de magnesio, y el hidruro sólido de boro (BH4)2.
El material resultante permite el almacenamiento de cinco moléculas de hidrógeno en una disposición 3D, logrando un notable almacenamiento de hidrógeno de alta densidad. Además muestra una capacidad de almacenamiento de hidrógeno de 144 g/L por volumen de poros, superando con creces los métodos tradicionales. Impresionantemente, la densidad de las moléculas de hidrógeno dentro del material incluso supera la del estado sólido.
Describiendo el material como un “cambio de paradigma” en el mundo del almacenamiento de hidrógeno, el Profesor Oh dijo que ofrece “una alternativa convincente a los enfoques tradicionales.”
Este desarrollo mejora significativamente la productividad y la eficiencia económica de la utilización del hidrógeno como fuente de energía. Además aborda los desafíos de almacenar hidrógeno a gran escala para su uso generalizado en aplicaciones de transporte público y personal.
Empresas que se beneficiarán de este desarrollo
Si hablamos de las industrias que pueden beneficiarse de esta investigación, que está transformando el almacenamiento de hidrógeno, se nos ocurre una amplia gama de sectores, incluidos químico, energético, automotriz, de ingeniería y de construcción. Así que veamos algunas de las empresas que pueden beneficiarse de esto:
#1. Honda Motor Co., Ltd.
La empresa automotriz con sede en Japón ha prometido reducir sus emisiones de CO₂ y afirma ser una de las primeras compañías en centrarse en el potencial de la energía del hidrógeno.
Para lograr estos objetivos, Honda Motor Company ha estado investigando tecnologías de pilas de combustible desde la década de 1980 para una variedad de aplicaciones.
A principios de este año, la compañía anunció que había comenzado la producción de soluciones de energía de pilas de combustible de hidrógeno en colaboración con General Motors (GM) para diversas aplicaciones de productos y lo que llaman “el comienzo de la era del hidrógeno”.
(HMC )
Con una capitalización de mercado de $64.85 mil millones, las acciones de la compañía cotizan a $36.93, un 19.22 % más año hasta la fecha (YTD). Honda Motor ha reportado ingresos (TTM) de $128.49 mil millones y tiene un EPS (TTM) de 7.73 y un P/E (TTM) de 4.77. La compañía también paga un rendimiento de dividendo del 2.77 %.
#2. Dow Chemical Company
The Dow Chemical Company está involucrada en varios sectores, incluidos Hidrocarburos y Energía. Recientemente, se asoció con Linde (NYSE: LIN) para suministrar hidrógeno y nitrógeno limpios para su sitio integrado de craqueo de etileno y derivados con emisiones netas de carbono cero en Canadá. El acuerdo se finalizó a finales del año pasado para el proyecto de $6.5 mil millones. Como parte del acuerdo, desplegará la tecnología de separación de aire y reformador autotérmico de Linde para convertir el gas residual del craqueador del sitio en hidrógeno.
(DOW )
Con una capitalización de mercado de más de $39.9 mil millones, las acciones de Dow Chemical cotizan a $56.76, un 3.5 % YTD. Dow Chemical ha reportado ingresos (TTM) de $44.62 mil millones, un EPS (TTM) de 0.81 y un P/E (TTM) de 69.67. La compañía también paga un rendimiento de dividendo del 4.93 %.
#3. McPhy Energy SA
La empresa con sede en Francia desarrolla soluciones de producción y almacenamiento de hidrógeno. El año pasado, McPhy amplió su acuerdo comercial con Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), bajo el cual esta última proporcionará procesos y equipos relacionados con el hidrógeno para la compresión y licuefacción del hidrógeno.
Más recientemente, la empresa líder en tecnología y fabricación de electrolizadores ganó un contrato de AAK AB de Suecia para suministrar su electrolizador 800‑30 con una capacidad de 4 MW y piezas de repuesto relacionadas que permitirán a la empresa sueca usar hidrógeno bajo en carbono como gas de proceso.
Con una capitalización de mercado de 47.18 mil millones, las acciones de la compañía (MCPHY-FR: Euronext Paris) cotizan a EUR 1.69, una caída del 49.97 % YTD. Tiene un EPS (TTM) de -0.69 y un P/E (TTM) de -1. El mes pasado, McPhy informó los resultados del ejercicio financiero 2023, en el que vio un crecimiento de ingresos anual del +17 % a €18.8 millones y un crecimiento aún mayor del +25 % para su negocio de electrolizadores. También informó una posición de efectivo de alrededor de €62 millones a finales de diciembre.
Conclusión
Se espera que el mercado de almacenamiento de energía de hidrógeno experimente un rápido crecimiento, proyectándose que supere la valoración de $17.6 mil millones en los próximos ocho años, según Global Market Insights, a medida que los gobiernos invierten fuertemente en infraestructura basada en hidrógeno. Cabe destacar que se anticipa que el segmento de transporte impulse un crecimiento significativo, con una tasa compuesta anual proyectada del 10 %, impulsada por el papel del hidrógeno en la reducción sustancial de las emisiones de carbono dentro de la industria.
Dado el potencial del hidrógeno como una fuente de energía más limpia y eficiente, continuará adoptándose no solo en el transporte sino también en otras industrias. Con la investigación continua y nuevos hallazgos, finalmente podremos ver una adopción mucho más amplia, ayudándonos a lograr emisiones netas de carbono cero.
