ENERGÍA. Producción de hidrógeno y captura de carbono en un solo paso

hidrógeno, captura CO2

 

Esta figura muestra los principios detrás de la nueva membrana cerámica utilizada en la producción de hidrógeno. Fuente: CoorsTek Membrane Sciences

La producción de hidrógeno se realiza utilizando gas natural como materia prima, combinado con una membrana cerámica muy especial. 

29 julio 2022.- Tanto la producción de hidrógeno como la captura de CO 2 se logran en un solo paso, lo que hace que el método sea muy eficiente energéticamente. Es por esto que la tecnología ha sido objeto de un artículo en la revista de investigación Science .

Los métodos establecidos actualmente tienen calificaciones de eficiencia energética de entre el 70 y el 75 por ciento, pero el nuevo enfoque tiene una eficiencia potencial del 90 por ciento, según afirman los autores del estudio. El producto final es hidrógeno comprimido con un alto grado de pureza. 

El reactor de membrana cerámica también separa el dióxido de carbono de manera más eficiente, lo que permite que el gas de efecto invernadero sea fácilmente transportado y secuestrado.

Este es un paso importante en el camino para hacer que el hidrógeno sea mucho más práctico como combustible. El proceso también tiene una baja huella de carbono.

Relevancia a corto y largo plazo

La investigación se lleva a cabo en las instalaciones y laboratorios de SINTEF en Oslo, que comparten el mismo lugar que las instalaciones de CoorsTek Membrane Sciences. El científico investigador sénior Thijs Peters de SINTEF es uno de los coautores del artículo de Science sobre el nuevo proyecto.

"Lo interesante de esta tecnología es que tiene relevancia tanto a corto como a largo plazo", dice Peters. "Se puede usar no solo para la producción de hidrógeno azul a partir de gas natural, sino también para hidrógeno verde a partir de biogás o amoníaco como parte de un 'futuro más sostenible'", dice.

Harald Malerød-Fjeld sostiene una celda de combustible electroquímica que se encuentra en el corazón de la nueva tecnología que no solo genera hidrógeno, sino que también captura CO 2 . Fuente: SINTEF

La diferencia entre el hidrógeno azul y el verde:

El dióxido de carbono es un subproducto natural de la producción de hidrógeno. Si logra capturar y secuestrar este CO 2 , el hidrógeno producido se denomina hidrógeno "azul".

El hidrógeno también se puede fabricar con la ayuda de la electrólisis del agua. Sin embargo, en este proceso no se produce CO 2 y, si además se impulsa con energías renovables, el hidrógeno producido se califica de "verde".

Genera su propio calor

La tecnología utilizada para producir hidrógeno a partir de gas natural es bien conocida y se denomina reformado con vapor. El gas natural está compuesto mayoritariamente por metano y cuando este reacciona con el vapor se obtienen cuatro moléculas de hidrógeno por cada molécula de metano. Para que esta reacción funcione, el vapor debe suministrarse a altas temperaturas.

Un problema importante asociado con el reformado con vapor es que el proceso requiere energía y tiene lugar en varias etapasTambién tiene CO 2 como subproducto. La nueva tecnología, por otro lado, no requiere calor externo para impulsar el proceso de reformado con vapor. Una clave del nuevo proceso es que el calor se produce automáticamente cuando el hidrógeno se bombea a través de la membrana cerámica. De esta manera, el calor se genera exactamente donde se necesita.

De una celda a un reactor de membrana

El bloque de construcción más pequeño utilizado en el nuevo método es una celda de combustible electroquímica que consta de un cilindro cerámico de seis centímetros de largo. El reactor de membrana ampliado, que se describe en el artículo de Science , mide 4 por 40 centímetros. Está compuesto por 36 celdas de este tipo que están conectadas para formar un circuito eléctrico continuo.

El material que conecta las celdas consiste en una vitrocerámica que, como su nombre indica, es un compuesto de materiales de vidrio y cerámica, como la porcelana. Luego, este material se mezcla con un polvo de metal conductor de electricidad.

Los investigadores lograron ampliar el proceso de producción de hidrógeno conectando 36 celdas de vitrocerámica. Un proceso de ampliación aún mayor también ha tenido éxito, lo que ofrece la esperanza de que pronto se haga realidad un nuevo tipo de producción de hidrógeno con captura de carbono incorporada. Fuente: SINTEF

Según CoorsTek Membrane Sciences, el desarrollo de este material ha sido clave para hacer posible el proceso de ampliación. Luego, la membrana del reactor se coloca en un tubo de acero que mantiene los gases a alta presión. El secreto detrás de la nueva tecnología radica en el material, llamado cerámica conductora de protones, que forma la membrana que elimina el hidrógeno de la mezcla de gases.

Al encontrar metano (CH4), las moléculas de hidrógeno se dividen y la membrana descompone los átomos individuales en sus protones y electrones constituyentes. Los protones cargados positivamente atraviesan la membrana, mientras que los electrones son capturados en los electrodos y transportados alrededor de la membrana a través de un circuito eléctrico externo. Cuando los protones y electrones se reúnen en el otro lado de la membrana, el producto es hidrógeno comprimido puro.

La tecnología detrás de este nuevo reactor de membrana cerámica para la producción de hidrógeno ha sido desarrollada por investigadores de CoorsTek Membrane Sciences, la Universidad de Oslo y el Instituto de Tecnología Química en Valencia, España. El papel de SINTEF en el proyecto ha sido probar los reactores y estudiar cómo se puede integrar este nuevo concepto de producción de hidrógeno en un sistema energético más grande.

Comercialización en los próximos dos años

La siguiente etapa en el desarrollo de esta tecnología ya está en marcha. Se ha establecido una instalación piloto en Dhahran en Arabia Saudita. También se ha demostrado que funciona el generador instalado en esta instalación, que es cinco veces más grande que el descrito en el artículo de Science.

"Estamos seguros de que esta tecnología se puede ampliar aún más", dice Harald Malerød-Fjeld. "Nuestra esperanza es que la primera instalación industrial de un sistema comercial de producción de hidrógeno pueda tener lugar en los próximos dos o tres años", dice.

SINTEF continúa colaborando con CoorsTek Membrane Sciences en el desarrollo de reactores de membrana más grandes, y ambas organizaciones están trabajando en otros proyectos relacionados con la tecnología de materiales .

Más información: Daniel Clark et al, Single-step hydrogen production from NH 3 , CH 4 , and biogas in stacked proton ceramic reactors, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abj3951

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