Investigadores estadounidenses evalúan la viabilidad de la producción de combustible de hidrógeno verde ‘directo’

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Fuente: https://www.pv-magazine.com

En lugar de usar energía solar o eólica para impulsar la electrólisis, los investigadores están probando la competitividad de las celdas fotoelectroquímicas para producir combustibles de hidrógeno libres de emisiones.

Imagen: Brenda Ahearn, Michigan Ingeniería, Comunicaciones y Marketing

El hidrógeno «verde» es la producción de combustibles de hidrógeno utilizando fuentes de generación libres de emisiones como la energía solar y eólica. Si bien se espera que los vehículos y las centrales eléctricas que funcionan con baterías cargadas con energías renovables representen una gran parte de la transición energética, el hidrógeno verde ha ganado interés para los casos de uso industrial y de camiones pesados ​​debido a su capacidad para enviar grandes cantidades de energía. 

La producción de hidrógeno verde generalmente adopta el enfoque «indirecto» utilizando energía solar y eólica para alimentar electrolizadores. Estos electrolizadores han alcanzado eficiencias en torno al 30%.

Un equipo de investigación del Instituto de Combustibles Solares Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) está investigando otra vía para la producción de hidrógeno libre de emisiones a través de un proceso que denominan enfoque «directo». El enfoque se describe en un artículo reciente de Nature Communications . 

El equipo está desarrollando fotoelectrodos que convierten la luz solar en energía eléctrica, son estables en soluciones acuosas y catalíticamente dividen el agua en hidrógeno. Los fotoelectrodos se acoplan con materiales catalizadores, creando el componente activo en una celda fotoelectroquímica (PEC).

Hoy en día, las mejores celdas PEC pueden lograr eficiencias cercanas al 10% y están hechas de absorbentes de óxido de metal de bajo costo y relativamente estables. Aunque son significativamente menos eficientes que sus contrapartes indirectas de hidrógeno verde, las celdas PEC tienen algunas ventajas. El calor de la luz solar directa se puede utilizar para acelerar aún más las reacciones. Y, dado que las densidades varían de diez a 100 veces más bajas con este enfoque, se pueden usar como catalizadores materiales más abundantes y económicos, dijeron los investigadores.

A pesar de estos elementos prometedores del enfoque PEC, el análisis tecnoeconómico y el análisis de energía neta han demostrado que aún no es competitivo con el enfoque convencional de producción de hidrógeno verde. El combustible de hidrógeno de los sistemas PEC cuesta alrededor de $ 10 por kg, aproximadamente seis veces más que el hidrógeno «azul» del reformado con vapor de metano fósil a $ 1,50 por kg. Además, se estima que la demanda de energía acumulada para la división del agua de PEC es de cuatro a 20 veces mayor que la de la producción de hidrógeno con energía renovable y electrolizadores.

A pesar de esta brecha en la rentabilidad entre los enfoques, el equipo de investigación del Instituto HZB está probando otros beneficios potenciales de PEC. El grupo probó los efectos de cómo el hidrógeno producido reacciona más con el ácido itacónico en el mismo reactor para formar ácido metil succínico (MSA). MSA es otro combustible químico que se puede utilizar para enviar grandes cantidades de energía como el hidrógeno. 

La tecnología PEC permite producir MSA con solo una séptima parte del requisito de energía típico de los procesos de producción de combustible de MSA.

Para encontrar esto, los investigadores calcularon cuánta energía se necesita para producir la celda PEC a partir de absorbentes de luz, materiales catalizadores y otros materiales como el vidrio, y cuánto tiempo debe funcionar el sistema para producir esta energía en forma de energía química como hidrógeno o MSA. . 

Solo para el hidrógeno, el período de amortización de la energía es de unos 17 años si se supone una modesta eficiencia de energía solar a hidrógeno del 5 %. Si solo se utiliza el 2 % del hidrógeno producido para convertir el ácido itatónico en MSA, el tiempo de amortización de la energía se reduce a la mitad. Si el 30% del hidrógeno se convierte en MSA, la energía de producción se puede recuperar después de solo 2 años.

“Esto hace que el proceso sea mucho más sostenible y competitivo”, dijo la Dra. Fatwa Abdi, del Instituto HZB para Combustibles Solares. “Este enfoque ofrece una forma de reducir significativamente el costo de producción del hidrógeno verde y aumenta la viabilidad económica de la tecnología PEC. Hemos pensado cuidadosamente en el proceso, y el siguiente paso es probar en el laboratorio qué tan bien funciona en la práctica la producción simultánea de hidrógeno y MSA”. 

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