Aconsegueixen per primera vegada produir hidrogen a través de la ceràmica en quantitats industrials

Un equip internacional on participa l'Institut de Tecnologia Química (ITQ), centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat Politècnica de València (UPV), ha desenvolupat un nou reactor electrificat per a obtindre hidrogen de forma més sostenible i eficient energèticament. Aquest equip ha combinat amb èxit 36 membranes ceràmiques individuals en un generador escalable i modular que produeix hidrogen a partir d'electricitat i diversos combustibles amb una pèrdua d'energia quasi nul·la. És la primera vegada que es demostra que aquesta tecnologia permet obtindre hidrogen de manera industrial.

L'hidrogen és l'element químic més abundant del planeta, però no es troba disponible en cap jaciment. Cal obtindre'l d'altres elements que el contenen. La producció d'hidrogen amb finalitats energètics es classifica per colors segons la ‘neteja’ de la seua obtenció. El més net és l'hidrogen verd, que es produeix mitjançant fonts renovables d'energia. El més comú és el blau, que s'extrau del gas natural. Els resultats del treball on participa l'ITQ, publicats en Science, són prometedors per a la competitivitat tots dos tipus en el transport terrestre i marítim, així com per a altres mercats i el seu ús industrial.

Els reactors electroquímics ceràmics protònics empleats en aquest estudi utilitzen energia elèctrica per a extraure hidrogen d'altres molècules amb una eficiència energètica excepcional. El combustible pot ser amoníac, gas natural, biogàs o altres molècules amb hidrogen. El projecte ha permés escalar un reactor electrificat fins a aconseguir una producció d'al voltant de mig quilo d'hidrogen pressuritzat al dia mitjançant electrocompressió, amb una molt elevada puresa i màxima eficiència energètica, per damunt del 90%.

El grup de conversió i emmagatzematge d'energia de l'ITQ ha demostrat que és possible treballar amb aquesta mena de tecnologia a 150 bars de pressió, un de les fites més destacables d'aquest treball. A més, amb aquest sistema el diòxid de carboni (CO₂) que es produeix en el procés no s'emet a l'atmosfera, es transforma en un corrent pressuritzat per a la seua liquació i transport per a la seua posterior utilització o emmagatzematge, permetent així la descarbonització.

Els resultats obtinguts en aquest treball mostren per primera vegada que la tecnologia ceràmica protònica es pot utilitzar per a crear dispositius escalables d'hidrogen que aplanen el camí per a la fabricació industrial en massa. Mentre que altres energies netes com la solar o l'eòlica són intermitents, l'hidrogen té l'avantatge de poder emmagatzemar i distribuir energia. “Aquest sistema permetrà emmagatzemar energia en forma de molècules d'alta densitat energètica amb contingut en hidrogen, donant resposta al problema de la intermitència de les fonts renovables”, indica Sonia Remiro Buenamañana, investigadora postdoctoral de l'ITQ.

Ademés de l'ITQ, l'equip d'investigació inclou personal científic i enginyers de la Universitat d'Oslo i l'institut d'investigació SINTEF (Noruega), així com de CoorsTek Membrane Sciences, el departament d'investigació de la companyia CoorsTek. “L'eficiència energètica és clau per al futur de l'hidrogen”, sosté Irene Yuste, enginyera química de CoorsTek Membrane Sciences i estudiant de doctorat en la Universitat d'Oslo, coautora de l'estudi.

Obtindre hidrogen amb la màxima eficiència

“Quan l'energia es transforma d'una forma a una altra hi ha una pèrdua d'energia”, explica José Manuel Serra, professor d'investigació del CSIC a l'ITQ i coautor principal del treball. “Amb les nostres membranes ceràmiques protòniques podem combinar passos diferents de la producció d'hidrogen en una sola etapa on la calor per a la producció catalítica d'hidrogen és subministrat per la separació electroquímica de gasos per a formar un procés tèrmicament equilibrat. El resultat és hidrogen fet amb una pèrdua d'energia quasi nul·la”, destaca.

Les membranes ceràmiques protòniques són convertidors d'energia electroquímica, igual que les bateries, les piles de combustible i els electrolitzadors. Una de les claus de l'avanç és un nou component desenvolupat per la companyia CoorsTek Membrane Sciences a partir de materials vitroceràmics i metàl·lics, que combina la robustesa a altes temperatures d'una ceràmica i la conductivitat electrònica d'un metall.

Aquestes membranes operen a temperatures elevades, entre 400 i 800 graus centígrads, descomponent l'hidrogen en les seues partícules subatòmiques (protons i electrons), i transportant els protons a través d'un electròlit ceràmic sòlid. “El nostre grup d'investigació ha realitzat un extens estudi de les velocitats de les reaccions que tenen lloc, així com dels mecanismes implicats en elles per a millorar les condicions d'operació d'aquests sistemes”, comenta María I. Valls Esteve, investigadora de l'ITQ.

El treball de recerca que va conduir a la publicació en Science ha comptat amb el suport d'experts en tecnologia i recursos financers de les principals companyies energètiques: Shell, ExxonMobil, TotalEnergies, Equinor, ENGIE i Saudi Aramco. L'empresa estatal noruega per a la captura, emmagatzematge i transport de carboni, Gassnova, i el Consell d'Investigació de Noruega, també van contribuir amb fons.

Per a l'obtenció d'aquests resultats, s'ha seguit una estratègia del que es coneix com OPEN INNOVATION, amb la finalitat de generar coneixement lliure i impulsar la maduresa d'aquesta tecnologia disruptiva. El següent pas en el programa de desenvolupament és instal·lar un prototip de generador d'hidrogen independent al campus de la seu de Saudi Aramco en Dhahran (l'Aràbia Saudita).