Avances en la Producción de Hidrógeno con Electrólisis Basada en Níquel

Avanzando con la Electrólisis para la Producción de Hidrógeno

El hidrógeno se considera un candidato serio para reemplazar los combustibles fósiles. Esto es cierto en el transporte, gracias a las pilas de combustible, y en procesos industriales donde la alta temperatura de combustión del hidrógeno puede sustituir al carbón y al gas natural cuando la electrificación no es una opción.

Un problema es que el hidrógeno no se encuentra a menudo en depósitos naturales de fácil acceso como el gas natural. En su lugar, debe generarse artificialmente, siendo la electrólisis el método más utilizado.

La electrólisis es la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno. Entre los problemas de la forma en que se realiza actualmente la electrólisis se encuentran la baja eficiencia (desperdicio de energía) y los altos costos, principalmente debido a catalizadores costosos como el platino.

Un equipo de investigación de Corea podría haber encontrado una manera de aumentar la eficiencia y reemplazar los catalizadores costosos con níquel mucho más asequible y abundante.

Nanoarreglos de Níquel que Impulsan la Producción de Hidrógeno

Los investigadores del equipo del Profesor Jong Kyu Kim en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de POSTECH (Universidad de Pohang, Corea) han estado buscando resolver un problema importante con la electrólisis del hidrógeno.

Fuente: POSTECH

El problema es que, una vez producido, el hidrógeno se queda “pegado” al catalizador, impidiendo que llegue a más agua y continúe funcionando. Esto disminuye la eficiencia, aumenta la energía necesaria y, en última instancia, requiere catalizadores más costosos de lo necesario.

En su lugar, el Prof. Jong Kyu Kim y su equipo han creado protrusiones de nanobarras de níquel finamente elaboradas, no completamente alineadas verticalmente. La nanostructura y el ángulo inclinado de las barras de níquel presentan lo que se denomina “superaerofobicidad”, lo que hace que las burbujas de hidrógeno se desprendan más fácilmente.

Esto, a su vez, libera espacio para que el agua llegue al catalizador y permite una electrólisis más eficiente.

Fuente: POSTECH

Esto puede impulsar dramáticamente la eficiencia del proceso, con una notable mejora de 55 veces en la eficiencia de producción de hidrógeno en comparación con una cantidad equivalente de níquel en una estructura tradicional de película delgada.

Ampliando Más Allá de los Catalizadores de Níquel

La tecnología utilizó nanobarras de níquel, pero no tiene por qué limitarse a este metal. De hecho, este metal con nanobarras oblicuas que reducen la adhesión del hidrógeno puede, en teoría, usarse con cualquier otro catalizador. Entonces, ¿qué significa esto para las perspectivas del hidrógeno?

Mejor Electrólisis

Actualmente, la mayor parte del hidrógeno producido en el mundo se obtiene a partir de gas natural. Esto es económicamente más rentable, pero contradice el objetivo de producir hidrógeno para reducir las emisiones de carbono.

Para obtener hidrógeno verdaderamente neutro en carbono, producirlo a partir de electricidad generada por fuentes renovables es el camino, generalmente llamado “hidrógeno verde”.

Cualquier método que pueda reducir el costo total de la cadena de suministro del hidrógeno verde nos acerca un paso más a convertirlo en una alternativa viable a los combustibles fósiles.

Esto podría ser cierto para los catalizadores “clásicos” de alta eficiencia y alto costo basados en platino, quizá en combinación con las barras de níquel.

También podría ser posible aplicarlo a otros catalizadores de electrólisis recientemente descubiertos y rentables, como el rutenio, el silicio y el tungsteno (RuSiW) que cubrimos en nuestro artículo “Hidrógeno Verde Listo para Reemplazar al Gris a medida que Nuevos Electrocatalizadores Hacen la Producción Rentable”.

Mejor Cadena de Suministro de Hidrógeno

La electrólisis es también solo uno de los pasos que pueden mejorarse para convertir al hidrógeno en una pieza clave de nuestros sistemas energéticos.

Por ejemplo, mejores pilas de combustible podrían hacer que los vehículos de hidrógeno sean fuertes competidores de los vehículos eléctricos, algo que discutimos en nuestro artículo “¿Son las Celdas de Batería Solo un Precursor de las Pilas de Hidrógeno? La Verdadera Próxima Generación de Vehículos Eléctricos?”.

Y soluciones de almacenamiento a gran escala más eficientes pueden hacer que el hidrógeno sea mucho más fácil de manejar y distribuir, algo que discutimos en nuestro artículo “El Hidrógeno Acaba de Volverse Más Atractivo como Fuente de Energía Gracias a un Avance en Contención”.

Posibles Otras Aplicaciones

El uso de nanobarras inclinadas para crear superaerofobicidad podría tener aplicaciones más allá del hidrógeno.

El primer efecto es que, con una producción de hidrógeno barata y eficiente, también se logra una producción de amoníaco igualmente eficiente. El amoníaco tiene algunas ventajas significativas sobre el hidrógeno para aplicaciones como combustible para el transporte marítimo, algo que discutimos en “Descarbonizando las Rutas Marítimas Globales a través del Amoníaco Verde”.

El Profesor Jong Kyu Kim también mencionó que la tecnología de nanobarras podría beneficiar a otros procesos químicos que involucren gases.

“Al mejorar la eficiencia del proceso de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno verde, estamos avanzando hacia una economía del hidrógeno y una sociedad neutra en carbono.

Este avance beneficia la electrólisis del agua y promete diversas otras aplicaciones de energía renovable donde las reacciones superficiales juegan un papel crucial, como la reducción de dióxido de carbono y los sistemas de conversión de energía lumínica.”

Así que esta innovación podría ir más allá del hidrógeno y tener un impacto serio en la captura de carbono y la fotosíntesis artificial, una idea que comenzamos a explorar en “Fotosíntesis Artificial y Biodegradabilidad: Combatiendo la Amenaza del Plástico con la Sostenibilidad en Mente”.

Empresas de Soluciones de Hidrógeno

1. Aker Horizons ASA

El descubrimiento de cómo usar nanobarras de níquel es solo el último de una serie de innovaciones que impulsan las perspectivas del hidrógeno como combustible alternativo y soluciones de almacenamiento de energía. Por lo tanto, podría ser rentable tener una exposición diversificada a todas las etapas de la cadena de suministro de hidrógeno.

Aker Horizons es una subsidiaria del grupo Aker, que está centrado en la energía verde. El grupo Aker es un importante conglomerado noruego que se enfoca en renovables y negocios marinos/offshore. Aker Horizons es la empresa holding de varias subsidiarias, incluyendo captura de carbono, hidrógeno verde y energías renovables.

Fuente: Aker

La empresa es notablemente muy activa en la generación de hidrógeno y amoníaco verde, con el objetivo de descarbonizar el transporte marítimo del Ártico, especialmente en Noruega.

Aker Horizons puede gestionar toda la integración vertical del hidrógeno verde y el amoníaco, desde turbinas eólicas offshore hasta la generación de hidrógeno y la producción de amoníaco verde.

También está trabajando en proyectos como residuos a energía en Francia, una planta de biomasa en Alemania y captura de carbono en Oriente Medio (Arabia Saudita y Emiratos Árabes Unidos).

Esto la convierte en una buena acción para inversores que buscan exposición al sector de energía verde en general, con una fuerte posición en amoníaco verde y transporte marítimo, pero también en otras energías verdes y cierta diversificación geográfica.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Aún no estamos seguros de cuál será el mercado principal para el hidrógeno. Podría ser la generación de energía y el combustible para automóviles, pero también podría permanecer limitado a tareas más pesadas que son más difíciles de electrificar.

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

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

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 cables catenarios para ferrocarriles y autobuses eléctricos con catenaria.

Fuente: Ballard

La empresa tampoco es ajena al amoníaco, con, por ejemplo, un contrato reciente con Amogy para proporcionarle pilas de combustible para su “plataforma de amoníaco a energía que se basa en una tecnología única de craqueo de amoníaco”.

Mientras que los vehículos eléctricos tienen una probabilidad 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, así como de la rápida disminución del costo de producción de hidrógeno a partir de la electrólisis basada en níquel.