Un equipo internacional donde participan el Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), ha desarrollado un nuevo reactor electrificado para obtener hidrógeno de forma más sostenible y eficiente energéticamente. Este equipo ha combinado con éxito 36 membranas cerámicas individuales en un generador escalable y modular que produce hidrógeno a partir de electricidad y diversos combustibles, con una pérdida de energía casi nula. Es la primera vez que se demuestra que esta tecnología permite obtener hidrógeno de forma industrial.

El hidrógeno es el elemento químico más abundante del planeta, pero no se encuentra disponible en ningún yacimiento. Hay que obtenerlo de otros elementos que lo contienen. La producción de hidrógeno con fines energéticos se clasifica por colores según la limpieza de su obtención. El más limpio es el hidrógeno verde, que se produce mediante fuentes renovables de energía. El más común es el azul, que se extrae del gas natural. Los resultados del trabajo son prometedores para la competitividad de ambos tipos en el transporte terrestre y marítimo, así como para otros mercados y su uso industrial.

Los reactores electroquímicos cerámicos protónicos empleados en este estudio utilizan energía eléctrica para extraer hidrógeno de otras moléculas con una eficiencia energética excepcional. El combustible puede ser amoníaco, gas natural, biogás u otras moléculas con hidrógeno. El proyecto ha permitido escalar un reactor electrificado hasta alcanzar una producción de alrededor de medio kilo de hidrógeno presurizado al día mediante electrocompresión, con una muy elevada pureza y máxima eficiencia energética, por encima del 90%.

El grupo de conversión y almacenamiento de energía del ITQ ha demostrado que es posible trabajar con este tipo de tecnología a 150 bares de presión, uno de los hitos más destacables de este trabajo. Además, con este sistema el dióxido de carbono (CO2) que se produce en el proceso no se emite a la atmósfera, se transforma en una corriente presurizada para su licuación y transporte para su posterior utilización o almacenamiento, permitiendo así la descarbonización.

Los resultados obtenidos en este trabajo muestran que la tecnología cerámica protónica se puede utilizar para crear dispositivos escalables de hidrógeno que allanan el camino para la fabricación industrial en masa. Mientras que otras energías limpias como la solar o la eólica son intermitentes, el hidrógeno tiene la ventaja de poder almacenar y distribuir energía. “Este sistema permitirá almacenar energía en forma de moléculas de alta densidad energética con contenido en hidrógeno, dando respuesta al problema de la intermitencia de las fuentes renovables”, indica Sonia Remiro Buenamañana, investigadora postdoctoral del ITQ.

Obtener hidrógeno con la máxima eficiencia

“Cuando la energía se transforma de una forma a otra hay una pérdida de energía”, explica José Manuel Serra, profesor de investigación del CSIC en el ITQ y coautor principal del trabajo. “Con nuestras membranas cerámicas protónicas podemos combinar pasos distintos de la producción de hidrógeno en una sola etapa donde el calor para la producción catalítica de hidrógeno es suministrado por la separación electroquímica de gases para formar un proceso térmicamente equilibrado. El resultado es hidrógeno hecho con una pérdida de energía casi nula”, destaca.

Las membranas cerámicas protónicas son convertidores de energía electroquímica, al igual que las baterías, las pilas de combustible y los electrolizadores. Una de las claves del avance es un nuevo componente desarrollado por la compañía CoorsTek Membrane Sciences a partir de materiales vitrocerámicos y metálicos, que combina la robustez a altas temperaturas de una cerámica y la conductividad electrónica de un metal.

Estas membranas operan a temperaturas elevadas, entre 400 y 800 grados centígrados, descomponiendo el hidrógeno en sus partículas subatómicas (protones y electrones), y transportando los protones a través de un electrolito cerámico sólido.

Para la obtención de estos resultados, se ha seguido una estrategia de lo que se conoce como Open innovation, con el fin de generar conocimiento libre. El siguiente paso en el programa de desarrollo es instalar un prototipo de generador de hidrógeno independiente en el campus de la sede de Saudi Aramco en Dhahran (Arabia Saudí).