Investigadores del Instituto de Tecnología Technion de Israel desarrollaron una tecnología innovadora, limpia, económica y segura para producir hidrógeno. Ésta mejora significativamente la eficiencia de la producción de hidrógeno, desde ~75% utilizando los métodos actuales hasta una eficiencia energética de 98.7% sin precedentes. Los investigadores crearon un proceso único basado en un proceso cíclico en el que la composición química del ánodo (el electrodo donde tiene lugar el proceso de oxidación) cambia de forma intermitente.
En la primera etapa, el cátodo (el electrodo donde tiene lugar la reducción) produce hidrógeno al reducir las moléculas de agua mientras que el ánodo cambia su composición química sin producir oxígeno. En la segunda etapa, el cátodo es pasivo mientras que el ánodo produce oxígeno oxidando las moléculas de agua. Al final de la segunda etapa, el ánodo vuelve a su estado original y el ciclo comienza nuevamente. Este innovador proceso, llamado división de agua E-TAC (división de agua electroquímica térmicamente activada y química), desacopla las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno. Con base en esta tecnología, los investigadores fundaron H2Pro, una empresa startup que trabaja para convertir la tecnología en una aplicación comercial.
La investigación fue realizada por el Profesor Avner Rothschild del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Profesor Gideon Grader de la Facultad de Ingeniería Química, junto con el Dr. Hen Dotan y Avigail Landman.
Anualmente se producen enormes cantidades de hidrógeno en todo el mundo: ~65 millones de toneladas valoradas en ~130 mil millones de dólares, con una energía total de ~9 exajulios (EJ), el equivalente a ~2.600 teraWatts por hora (TWh). Estas cantidades aumentan constantemente y se espera que se tripliquen en los próximos 20 años. Se estima que el consumo de hidrógeno alcanzará 14 exajulios para 2030 y 28 exajulios para 2040.
En el futuro, se espera que el hidrógeno sirva para varias aplicaciones, algunas de las cuales se encuentran en etapas aceleradas de desarrollo: el hidrógeno como combustible para vehículos con celdas de combustible, como combustible para almacenar energía de fuentes de energía renovables para aplicaciones de equilibrio de la red y power-to-gas (P2G), calefacción industrial y doméstica, y más.
Alrededor del 99% del hidrógeno producido hoy se origina de combustibles fósiles, principalmente por extracción de gas natural (SMR). Actualmente, la alternativa principal para la producción de hidrógeno limpio sin emisiones de CO2 es la electrólisis del agua. Esta producción conlleva una serie de desafíos tecnológicos. Una de ellas es la pérdida significativa de energía. Hoy en día, la eficiencia energética de los procesos de electrólisis es solo del 75%, y esto significa un alto consumo de electricidad. Otra dificultad está relacionada con la membrana que divide la célula electrolítica en dos.
La tecnología E-TAC tiene varias ventajas significativas sobre la electrólisis:
1. Separación cronológica absoluta entre la producción de hidrógeno y la producción de oxígeno, con los dos procesos ocurriendo en diferentes momentos. Por consiguiente:
a. La membrana que separa el ánodo del cátodo en la celda electrolítica ya no es necesaria. Esto representa un ahorro sustancial con respecto a la electrólisis: la membrana es costosa, complica el proceso de producción y requiere agua de alta pureza y continuo mantenimiento para evitar que se ensucie.
b. Elimina el riesgo de un encuentro volátil entre oxígeno e hidrógeno. Tal encuentro puede ocurrir en la electrólisis ordinaria si la membrana se rompe o se rompe su sello.
c. Actualmente, el uso de membranas limita la presión en la producción de hidrógeno. La tecnología desarrollada en Technion hace que la membrana sea innecesaria, lo que facilita la producción de hidrógeno bajo una presión mucho más alta, eliminando así algunos de los altos costos de comprimir el hidrógeno más tarde.
2. En el nuevo proceso, el oxígeno se produce a través de una reacción química espontánea entre el ánodo cargado y el agua, sin utilizar una corriente eléctrica en ese punto. Esta reacción elimina la necesidad de electricidad durante la producción de oxígeno y aumenta la eficiencia energética del 75% utilizando métodos habituales a una eficiencia sin precedentes del 98,7%.
3. Se espera que la tecnología E-TAC no solo reduzca los costos operativos sino también los costos de los equipos. H2Pro estima que el costo del equipo para producir hidrógeno utilizando E-TAC será aproximadamente la mitad del costo del equipo utilizado en las tecnologías existentes.
La electrólisis se descubrió hace más de 200 años y desde entonces ha sufrido una serie acumulativa de mejoras individuales. Actualmente, los investigadores de Technion están proponiendo un cambio disruptivo en el concepto que conducirá a una producción de hidrógeno menos costosa, limpia y segura. También consideran que es probable que el nuevo proceso genere una revolución en la producción de hidrógeno basada en energía limpia y renovable, como la energía solar o eólica.
Los desarrolladores de la tecnología se unieron a los fundadores de la compañía Viber para establecer H2Pro. Ubicada en el Parque Industrial de Cesarea, la empresa recibió una licencia exclusiva de Technion para comercializar el producto y hasta la fecha ha recaudado ~5 millones de dólares en una campaña dirigida por Hyundai. H2Pro tiene más de 20 empleados, la mayoría de ellos graduados de Technion.
La investigación cuenta con el apoyo del Programa de Energía Nancy y Stephen Grand Technion (GTEP), del premio Ed Satell para Combustibles Alternativos de Nitrógeno-Hidrógeno (NHAF), de la Fundación Adelis, del Ministerio de Energía y de la Comisión Europea (Programa Marco Horizonte 2020 de la UE)
Fuente: Technion
