¿Cómo producir hidrógeno a partir de CeO2? Simplemente usa un microondas para obtener resultados rápidos

Los combustibles fósiles dañan nuestro clima. Como sabemos, el mundo se está inclinando rápidamente hacia fuentes de energía renovables, sostenibles y verdes. En esta búsqueda de combustibles respetuosos con el clima, el hidrógeno ha surgido como una fuente potencial de descarbonización.

La tecnología ha hecho posible producir hidrógeno con cero o muy pocas emisiones de gases de efecto invernadero. El interés en el hidrógeno es tan alto que el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha establecido metas nacionales para aumentar la producción anual de ‘hidrógeno limpio’ de casi cero a 10 millones de toneladas métricas para 2030 y a 50 millones de toneladas métricas para 2050. 

Sin embargo, existe un cuello de botella crítico en el proceso. Los métodos termoeléctricos tradicionales, que dependen de la oxidación‑reducción de óxidos metálicos, requieren operaciones a temperaturas extremadamente altas. La temperatura puede alcanzar hasta 1500 grados centígrados. 

Recientemente, un equipo de investigadores de POSTECH, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, Corea, ha encontrado una manera de eludir este cuello de botella.

El proceso implica una fuente de energía familiar pero subutilizada: la energía de “microondas”. ¡Sí! No te equivocas. Es la misma fuente que se usa en los hornos microondas domésticos. La investigación se titula ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction.¹‘ 

En el siguiente segmento, discutimos las implicaciones de esta investigación. 

Una tecnología revolucionaria que aborda limitaciones clave en la producción de hidrógeno limpio usando microondas

El equipo estaba formado por investigadores interdisciplinarios que trabajaban en POSTECH y fue liderado por el profesor Gunsu S. Yun. Incluía al candidato a doctorado Jaemin Yoo (Departamento de Física, División de Ingeniería Nuclear Avanzada), al profesor Hyungyu Jin y al candidato a doctorado Dongkyu Lee (Departamento de Ingeniería Mecánica). Reconocida como un avance en la búsqueda de energía sostenible, la investigación apareció en la portada interior de la Journal of Materials Chemistry A.

Los investigadores partieron de la premisa de que, aunque las microondas pueden calentar alimentos de manera eficiente, también pueden impulsar reacciones químicas. Introdujeron esta idea para reducir la temperatura de reducción de la ceria dopada con Gd (CeO2). La ceria dopada con Gd (CeO2) es un material de referencia para la producción de hidrógeno, y la energía de microondas podría reducir la temperatura de reducción de este material en más del 60 por ciento, a menos de 600 grados centígrados. 

La energía de microondas podría reemplazar el 75 por ciento de la energía térmica necesaria para la reacción. Este hallazgo es justificadamente un avance para la producción sostenible de hidrógeno.

Al explicar por qué la investigación y sus hallazgos podrían considerarse revolucionarios, el profesor Hyungyu Jin dijo lo siguiente:

“Esta investigación tiene el potencial de revolucionar la viabilidad comercial de las tecnologías de producción de hidrógeno termoquímico. También allanará el camino para el desarrollo de nuevos materiales optimizados para procesos químicos impulsados por microondas.”

El profesor Gunsu Yun calificó la introducción de este nuevo mecanismo y su superación de las limitaciones del proceso existente como ‘logros importantes’ que solo pudieron hacerse posibles gracias a la estrecha colaboración interdisciplinaria del equipo de investigación. 

Otro avance logrado por el equipo se encontró en la creación de Vacantes de Oxígeno. Estas son defectos en la estructura del material que ayudan a dividir el agua en hidrógeno. Mientras que los métodos tradicionales pueden tardar horas a temperaturas muy altas, el equipo de POSTECH demostró cómo los mismos resultados pueden lograrse en solo minutos a temperaturas por debajo de 600 °C aprovechando la tecnología de microondas.

Aunque la investigación de POSTECH ofreció un avance significativo, hay muchas otras organizaciones de investigación en todo el mundo que han estado activas en la producción de métodos innovadores para la producción de hidrógeno limpio. Una de las organizaciones a la vanguardia de dicha investigación es el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, operado por la Alianza para la Energía Sostenible LLC.

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Producción de hidrógeno de bajo costo: Otros esfuerzos

Desarrollado en colaboración con Xcel Energy (XEL ), el proyecto de demostración de viento a hidrógeno (Wind2H2) del NREL vincula turbinas eólicas y paneles fotovoltaicos (PV) a pilas de electrolizadores, que pasan la electricidad generada a través del agua para dividirla en hidrógeno y oxígeno. El proyecto está actualmente activo en el Centro Nacional de Tecnología Eólica cerca de Boulder, Colorado. El objetivo principal del proyecto es mejorar la eficiencia del sistema de producción de hidrógeno a partir de recursos renovables en cantidades suficientemente grandes y a costos lo suficientemente bajos como para competir con fuentes de energía tradicionales como el carbón, el petróleo y el gas natural.

Otra forma de producir hidrógeno limpio es utilizando la luz solar para dividir directamente el agua en hidrógeno y oxígeno. La industria fotovoltaica ya ha desarrollado tecnologías sofisticadas de celdas multijunción para sistemas fotoelectroquímicos (PEC) que generan suficiente voltaje para dividir el agua y son estables en un entorno de agua/electrolito. El NREL tiene su propio sistema PEC que ha desarrollado.

El sistema del NREL puede generar hidrógeno a partir de la luz solar sin el costo y la complejidad de los electrolizadores, logrando una eficiencia de conversión solar a hidrógeno del 12,4 % (valor calorífico inferior) usando luz capturada. La investigación adicional en el NREL se centra en desarrollar materiales y sistemas más eficientes, de menor costo y que sean duraderos y resistentes a la corrosión en entornos acuosos.

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Hidrógeno biológico

Otro camino emocionante que el NREL ha estado explorando se ocupa del ‘hidrógeno biológico’. Los científicos del NREL están desarrollando tecnologías de pretratamiento para convertir biomasa lignocelulósica en materias primas ricas en azúcares que pueden fermentar directamente para producir hidrógeno, etanol y productos químicos de alto valor.

Además, se están llevando a cabo esfuerzos para identificar un consorcio de Clostridium que pueda fermentar directamente la hemicelulosa en hidrógeno.

Otras áreas de investigación en el dominio del hidrógeno biológico involucran lo siguiente:

• Biosondeo de microbios celulolíticos eficientes, como Clostridium thermocellum, que pueden fermentar directamente la celulosa cristalina en hidrógeno para reducir los costos de la materia prima.
• Identificación de una bacteria celulolítica modelo.
• Explorar el potencial de la bacteria celulolítica modelo para manipulaciones genéticas, incluida la sensibilidad a antibióticos y la facilidad de transformación genética.
• Desarrollar estrategias para generar mutantes que estén bloqueados selectivamente de producir ácidos y solventes residuales para maximizar el rendimiento de hidrógeno.

Mientras organizaciones, institutos de investigación y laboratorios están activos en todo el mundo, también lo están las empresas privadas. 

1. Linde 

Una de las empresas que ha estado a la vanguardia de la producción de hidrógeno limpio durante años es Linde. La compañía afirma que sustecnologías innovadoras, incluida la compresión eficiente y el repostaje seguro de hidrógeno, combinadas con décadas de experiencia, hacen que su infraestructura sea inigualable. 

Las operaciones de la empresa, que están orientadas a la producción de hidrógeno limpio, involucran varios métodos y estrategias. La electrólisis para la producción de hidrógeno verde, por ejemplo, implica electrolizadores alimentados con energía renovable.

En la electrólisis, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad generada íntegramente a partir de fuentes de energía renovable. Este proceso tiene lugar dentro de unidades llamadas electrolizadores. Aunque los electrolizadores varían en tamaño, capacidad y tecnología, la química fundamental sigue siendo la misma.

Actualmente, existen dos tecnologías principales de electrólisis: alkaline and PEM (Proton Exchange Membrane)—ambas, según Linde, pueden producir hidrógeno de alta pureza in situ y bajo demanda.

 La electrólisis alcalina utiliza dos electrodos separados por un diafragma poroso y una solución alcalina líquida como electrolito. La solución electrolítica permite que los iones hidróxido se transporten entre los electrodos para formar oxígeno e hidrógeno, pero no se consumen durante la reacción. La tecnología podría ser fiable y a la vez rentable.

Por otro lado, la electrólisis PEM utiliza agua pura y un electrolito de polímero sólido en lugar de una solución líquida para permitir que la electricidad divida el agua en hidrógeno y oxígeno. Los protones de hidrógeno atraviesan la membrana, combinándose con electrones para formar gas H2 en el lado del cátodo.

Linde también ofrece tecnologías efectivas de Captura de Carbono para Uso y Almacenamiento (CCUS) para una variedad de estrategias. Cuenta con soluciones de entrega innovadoras para inyectar hidrógeno en los gasoductos de gas natural existentes, sirviendo a una amplia variedad de aplicaciones finales. 

Linde gestiona operaciones de almacenamiento de hidrógeno altamente avanzadas, que se almacena en cavernas subterráneas de sal. Además de ser un socio experimentado en el desarrollo de parques energéticos, Linde ha operado la primera caverna comercial de hidrógeno de alta pureza durante más de una década. También cuenta con décadas de experiencia en la construcción de sistemas de licuefacción de hidrógeno para producir hidrógeno líquido y facilitar su almacenamiento y transporte. 

Según los últimos datos financieros disponibles, Linde registró ventas por US$8.356 mil millones para el trimestre que finalizó el 30 de septiembre de 2024. 

2. Air Products

Otra empresa que contribuye significativamente al sector de producción de hidrógeno limpio es Air Products. La compañía cree que la producción de hidrógeno limpio a partir de fuentes de energía renovable será esencial para descarbonizar procesos industriales difíciles de electrificar, como la fabricación de acero y el procesamiento químico.

La empresa ya ha comprometido US$15 mil millones a proyectos que impulsarán la producción de hidrógeno bajo en carbono y acelerarán la transición energética. 

Las aplicaciones de hidrógeno limpio de la compañía incluyen el suministro de hidrógeno para automóviles, autobuses, montacargas, barcos, trenes y camiones. El transporte por carretera representa casi el 12 % de las emisiones globales. Convertir autobuses diésel en autobuses de celda de combustible de hidrógeno sin emisiones puede reducir las emisiones globales de gases de efecto invernadero y mejorar la calidad del aire. Air Products es líder en el suministro de hidrógeno para autobuses y está involucrado en proyectos en todo el mundo. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), una empresa conjunta de producción igualitaria de ACWA Power, Air Products y NEOM, está estableciendo la mayor instalación de producción de amoníaco basada en hidrógeno verde del mundo para funcionar con energía renovable. Esta planta producirá hasta 600 toneladas diarias de hidrógeno libre de carbono en forma de amoníaco verde como una solución rentable para los sectores de transporte e industrial a nivel mundial.

El nuevo complejo de energía de hidrógeno net-zero de Air Products está destinado a convertir a Edmonton, Alberta, en el centro de la economía del hidrógeno del oeste de Canadá. Mientras la construcción avanza en Edmonton en la nueva instalación transformadora de hidrógeno de Air Products, conectar esta instalación a la red de tuberías existente de la compañía ayudará a sus clientes de refinación y petroquímica a reducir la intensidad de carbono de sus productos energéticos y mejorar su desempeño de sostenibilidad. Además, la instalación de licuefacción de clase mundial ayudará a acelerar el uso del hidrógeno como combustible de transporte sin emisiones en el oeste de Canadá. 

El Complejo de Energía Limpia de Luisiana de Air Products producirá hidrógeno bajo en carbono para impulsar la movilidad y los mercados industriales en la región de la Costa del Golfo y más allá. Se estima que la instalación capturará y secuestrará el 95 % de sus emisiones de dióxido de carbono (más de 5 millones de toneladas al año), secuestrando permanentemente el CO₂ en el espacio poroso geológico ideal en Luisiana. 

Este proyecto es la mayor inversión de EE. UU. de Air Products, construida con la intención de ayudar al estado de Luisiana a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero a cero neto para 2050. 

Air Products también planea invertir aproximadamente $500 millones para construir, poseer y operar una instalación de 35 toneladas métricas por día para producir hidrógeno líquido verde en un sitio de campo verde en Massena, Nueva York, junto con la puesta en marcha de operaciones de distribución y dispensado de hidrógeno líquido. El proyecto evitará 6 millones de toneladas de CO₂ durante la vida útil del proyecto. Utilizará energía hidroeléctrica del río San Lorenzo para alimentar la producción de hidrógeno líquido libre de carbono.

Para el año fiscal que terminó el 30 de septiembre de 2024, la compañía registró una cifra de ventas de más de US$12 mil millones. 

Hacia el futuro con hidrógeno limpio

Existe suficiente estímulo para que empresas y organizaciones de investigación sigan desarrollando nuevas formas de producción de hidrógeno fiable y rentable. El Departamento de Energía de EE. UU., por ejemplo, seleccionó a siete ganadores en 2023 para su financiación colectiva de US$7 mil millones asignada por la Ley de Infraestructura Bipartista para poner en marcha una serie de “centros de hidrógeno”. Para calificar, cada centro debía demostrar de manera convincente que podía “producir al menos 50–100 toneladas métricas de hidrógeno limpio por día y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero”.

Los participantes más activos nombrados en los centros de hidrógeno elegidos por el DOE incluyeron a empresas como AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), y (TRP ). 

Las tecnologías de vanguardia también pueden estar involucradas en avanzar la producción y distribución de hidrógeno. El NREL, por ejemplo, realiza pruebas aceleradas y ciclos de mangueras de dispensado de hidrógeno a 700 bar en el Energy Systems Integration Facility utilizando robótica automatizada para simular condiciones de campo. Aquí, los robots imitan el estrés repetitivo de una persona doblando y torciendo una manguera para dispensar hidrógeno en el tanque de almacenamiento a bordo de un vehículo de pila de combustible. Los investigadores analizan la eficiencia mecánica, térmica y de presión de mangueras de dispensado de hidrógeno nuevas y usadas.

El hidrógeno está teniendo su momento, y el impulso solo puede crecer a partir de aquí. Según organizaciones que rastrean laexpansión global de proyectos de hidrógeno, se anunciaron 680 proyectos de producción de hidrógeno a gran escala solo en 2022, lo que resultó en una inversión directa de 240 mil millones de dólares. REL también realiza análisis a nivel de sistemas de forma regular sobre una variedad de rutas sostenibles de producción y entrega de hidrógeno para ayudar a determinar mejoras de estado resultantes de avances tecnológicos, costos en función del volumen de producción y el potencial de reducción de costos.

No hay duda de que la inversión en hidrógeno hasta 2030, mientras firmas de capital privado y de riesgoinvirtieron cantidades récord en empresas de hidrógeno en diferentes etapas de desarrollo en 2022, ofreciendo 3,1 mil millones de dólares en capital privado a empresas relacionadas con el hidrógeno y 2,6 mil millones de dólares en inversión de capital de riesgo en 192 startups del sector.

Al hablar de la importancia de este impulso, Adria Wilson, directora del equipo de Política y Defensa de EE. UU. de Breakthrough Energy, dijo que los recientes logros políticos significan que el hidrógeno limpio y asequible será una herramienta de descarbonización que tendremos a nuestra disposición en la próxima década, si no antes.

Sin embargo, aunque se sea totalmente optimista, también hay que recordar que aún queda un largo camino por recorrer. Según cifras proporcionadas por el World Resources Institute, el 95 % del hidrógeno se produce a partir de combustibles fósiles, típicamente mediante un proceso conocido como reformado de metano con vapor (SMR), en el que el agua se calienta a altas temperaturas para producir vapor que reacciona con gas natural y produce hidrógeno y dióxido de carbono (CO₂). El proceso sigue emitiendo significativamente gases de efecto invernadero, liberando entre 10 y 14 kilogramos de CO₂ equivalente por kilogramo de hidrógeno, una cantidad similar a las emisiones de carbono de producir y quemar un galón de gasolina.

Los métodos de producción de hidrógeno limpio tendrían que ayudarnos a eliminar dichos métodos. La transición tendría que ser rápida pero a través de métodos sostenibles.

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