Energía
El Hidrógeno Se Vuelve Más Atractivo Como Fuente de Energía a Través de un Avance en el Almacenamiento
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 comúnmente encontrado. Es el elemento químico más simple, con solo un protón y un electrón, y es incoloro, insípido y sin olor.
Interesantemente, el hidrógeno contribuye con un estimado del 75% de la masa del universo. Sin embargo, constituye solo alrededor del 0,14% de la corteza terrestre en peso. Se encuentra naturalmente en forma de compuesto 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 hidrocarburo, que se encuentra en el petróleo y el carbón. Así, el hidrógeno se puede producir a partir de una variedad de recursos, incluyendo energía renovable como la solar y la eólica, energía nuclear y gas natural.
Destacablemente, se han realizado varios descubrimientos de bolsillos de gas de hidrógeno que se forman naturalmente en países como Australia, Nueva Zelanda, Canadá, Francia, Alemania, Japón y Rusia. Actualmente, los científicos están explorando la extensión de estos yacimientos en estos países, junto con 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, electrolisis, electrolisis impulsada por fotovoltaica, procesos solares y biológicos.
Térmico
En el proceso térmico, el vapor reacciona con un combustible de hidrocarburo como diésel, gas natural, carbón gasificado o biomasa gasificada para producir H. Destacablemente, la mayoría (alrededor del 95%) de todo el hidrógeno se produce a partir de la reforma de vapor del gas natural.
Electrolisis
La electrolisis, mientras tanto, incluye la separación del agua en oxígeno e hidrógeno. Este proceso tiene lugar en un electrolizador y crea hidrógeno a partir de moléculas de agua.
Biológico
Los procesos biológicos utilizan microbios que no se pueden ver a simple vista, como bacterias, para producir hidrógeno.
Solar
El proceso impulsado por la energía solar, como sugiere su nombre, utiliza la luz para la reproducción de H a través de various métodos como fotoelectroquímico (utiliza semiconductores especializados para separar el agua en H y O), fotobiológico (utiliza la actividad fotosintética natural de bacterias y algas verdes) y solar termoquímico (utiliza la energía solar concentrada para impulsar las reacciones de división 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 celda de combustible. Esto lo convierte en una opción atractiva para la generación de electricidad y el transporte, incluyendo automóviles y cohetes. La sustancia energéticamente densa y almacenada que no produce gases de efecto invernadero se utilizó en realidad para alimentar motores de combustión interna hace más de dos siglos.
Estos ejemplos muestran 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 no se ha realizado. Para ello, el hidrógeno debe producirse a gran escala de manera económica. Además, la infraestructura actual necesita adaptarse al hidrógeno, aunque puede transportarse a través de gasoductos.
Aunque no hemos aprovechado completamente las maravillas de utilizar el hidrógeno como combustible, el gasto global en investigación y desarrollo para explorar el verdadero potencial del hidrógeno como fuente de energía ha aumentado en los últimos años. Un estudio reciente, de hecho, ha logrado un avance importante en este sentido, permitiendo el almacenamiento de hidrógeno a alta densidad para sistemas energéticos futuros.
Marco para Almacenar Hidrógeno Densamente Empaquetado
Publicado en la revista Nature Chemistry el mes pasado, el estudio, “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen,” fue financiado en parte por la National Research Foundation of Korea (NRF) y la German Research Foundation (DFG).
Mientras que los materiales nanoporosos han estado generando mucha atención para el almacenamiento de gas, el estudio señaló que lograr una alta capacidad de almacenamiento volumétrico sigue siendo un desafío. Así, 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 en 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.
Interesantemente, en 2022, un equipo de científicos del Max Planck Institute for Intelligent Systems, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE), la Technische Universität Dresden y la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg mostró que el hidrógeno se condensa en una superficie a una temperatura muy baja cerca del punto de ebullición del H2. Este proceso forma una capa monomolecular 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 estudio en cuestión investigó un marco de borohidruro de magnesio por medio de difracción de polvo de neutrones, dispersión inelástica de neutrones, adsorción de gas volumétrica y cálculos de primeros principios. El marco tiene pequeños poros y una superficie interior parcialmente cargada negativamente para la absorción de hidrógeno (H) y nitrógeno (N).
Tanto el nitrógeno como el hidrógeno ocupan sitios de adsorción notablemente diferentes en los poros. Ambos también tienen capacidades límite muy diferentes 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 similares a MOF como polimorfos densos con densidad volumétrica de hidrógeno extrema y alta capacidad de hidrógeno gravimétrica.
Así, cuando se trata de hidrógeno molecular, está empaquetado extremadamente denso, con una densidad de aproximadamente el doble que la del hidrógeno líquido.
El equipo utilizó entonces la 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 cluster de penta-dihidrógeno (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 el marco. Esto revela que el hidrógeno densamente empaquetado en realidad puede estabilizarse en materiales de poro pequeño bajo presiones atmosféricas normales.
Con esta revelación, el equipo ha abordado con éxito el desafío de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno limitada mediante el uso de tecnología de adsorción de alta densidad avanzada.
Este desarrollo innovador fue informado por el profesor Oh en el Departamento de Química de la UNIST. La investigación innovadora marca un avance significativo en los sistemas energéticos futuros.
Habilitar el Almacenamiento de Hidrógeno a Gran Escala
Cuando se trata de utilizar 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 de energía.
Actualmente, la tecnología de almacenamiento se centra principalmente en el almacenamiento de hidrógeno molecular en forma líquida o gaseosa. Pero, por supuesto, hay límites en esta tecnología actual en términos de densidad de almacenamiento volumétrica y gravimétrica.
Almacenar hidrógeno como gas requiere tanques de alta presión, mientras que como líquido, se necesitan temperaturas criogénicas. También se puede almacenar en la superficie o dentro de un sólido a través de absorción.
Como molécula, el hidrógeno se puede adsorber físicamente en un material que contiene poros (vacíos) por interacciones de van der Waals débiles y no iónicas a través de la fisoadsorción. Se refiere a un proceso en el que las moléculas de gas se adhieren a una superficie sólida. Sin embargo, aunque los materiales altamente porosos ofrecen una alta absorción gravimétrica de hidrógeno, se necesitan mejoras en la capacidad de almacenamiento volumétrico.
Es aquí donde el borohidruro de magnesio cúbico nanoporoso, γ-Mg(BH4)2, ofrece grandes resultados. Tiene una densidad de ρ = 0,550 g cm−3 y 33% de volumen de poro libre. Un diámetro de poro de ∼9 Å permite que este compuesto adsorba moléculas pequeñas como hidrógeno o nitrógeno. Es a través de la superficie interior parcialmente cargada negativamente de este hidruro poroso que los átomos híbridos se exponen a los poros.
Hacerlo posible a través del Programa de Investigación de Carrera Media por NFR y el Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT), el estudio sintetizó este hidruro complejo nanoporoso que comprende un catión de magnesio (Mg+) y hidruro de magnesio, y borohidruro de boro (BH4)2 sólido.
El material resultante permite el almacenamiento de cinco moléculas de hidrógeno en una disposición tridimensional, logrando un almacenamiento de hidrógeno de alta densidad notable. También muestra una capacidad de almacenamiento de hidrógeno de 144 g/L por volumen de poros, muy superior a los métodos tradicionales. Impresionantemente, la densidad de las moléculas de hidrógeno dentro del material incluso supera la del estado sólido.
Al describir 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 del uso del hidrógeno como fuente de energía. También aborda los desafíos del almacenamiento de 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, una amplia gama de sectores viene a la mente, incluyendo química, energía, automotriz, ingeniería y construcción. Así que, veamos algunas de las empresas que pueden ganar con 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 empresas en centrarse en el potencial de la energía de hidrógeno.
Para lograr estos objetivos, Honda Motor Company ha estado investigando tecnologías de celda de combustible desde la década de 1980 para una variedad de aplicaciones.
A principios de este año, la empresa anunció que había comenzado la producción de soluciones de energía de celda 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 empresa se negocian a $36.93, subiendo un 19.22% desde el inicio del año. Honda Motor ha registrado ingresos (TTM) de $128.49 mil millones y tiene un EPS (TTM) de 7.73 y un P/E (TTM) de 4.77. La empresa también paga un rendimiento de dividendos del 2.77%.
#2. Dow Chemical Company
La Dow Chemical Company participa en varios sectores, incluyendo Hidrocarburos y Energía. Recientemente, se asoció con Linde (NYSE: LIN) para suministrar hidrógeno limpio y nitrógeno para su sitio de craqueo de etileno integrado y derivados con emisiones de carbono netas cero en Canadá. El trato se finalizó a fines del año pasado para el proyecto de $6.5 mil millones. Como parte del trato, se implementará la tecnología de separación de aire y reformador auto-thermal de Linde para convertir el gas de craqueo del sitio en hidrógeno.
(DOW )
Con una capitalización de mercado de más de $39.9 mil millones, las acciones de Dow Chemical se negocian a $56.76, subiendo un 3.5% desde el inicio del año. Dow Chemical ha registrado ingresos (TTM) de $44.62 mil millones, un EPS (TTM) de 0.81 y un P/E (TTM) de 69.67. La empresa también paga un rendimiento de dividendos 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 de hidrógeno y la licuefacción de hidrógeno.
Muy recientemente, la empresa líder en tecnología de electrolizador y fabricación ganó un contrato con 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 utilizar hidrógeno de baja huella de carbono como gas de proceso.
Con una capitalización de mercado de 47.18 mil millones, las acciones de la empresa (MCPHY-FR: Euronext Paris) se negocian a EUR 1.69, bajando un 49.97% desde el inicio del año. Tiene un EPS (TTM) de -0.69 y un P/E (TTM) de -1. El mes pasado, McPhy informó los resultados del año fiscal 2023, en el que vio un crecimiento anual del 17% en los ingresos hasta $18.8 millones y un crecimiento aún mayor del 25% para su negocio de electrolizador. También informó una posición de efectivo de alrededor de $62 millones a fines de diciembre.
Conclusión
El mercado de almacenamiento de energía de hidrógeno está listo para un crecimiento rápido, proyectado para superar la valoración de $17.6 mil millones en los próximos ocho años, ya que los gobiernos invierten fuertemente en infraestructura basada en hidrógeno, según Global Market Insights. Destacablemente, el segmento de transporte se espera que impulse un crecimiento significativo, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) 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, seguirá siendo adoptado no solo en el transporte, sino también en otras industrias. Con la investigación en curso y nuevos hallazgos, finalmente podremos ver una adopción mucho más amplia, lo que nos ayudará a lograr emisiones netas de carbono cero.
