Hidrógeno verde: cómo la separación fotoelectroquímica del agua puede llegar a ser competitiva

22.03.2023 - Alemania

La luz solar puede utilizarse para producir hidrógeno verde directamente a partir del agua en células fotoelectroquímicas (PEC). Hasta ahora, los sistemas basados en este "enfoque directo" no han sido competitivos desde el punto de vista energético. Sin embargo, la balanza cambia en cuanto parte del hidrógeno de esas células PEC se utiliza in situ para una reacción catalítica de hidrogenación, lo que da lugar a la coproducción de sustancias químicas utilizadas en las industrias química y farmacéutica. Según el estudio, el tiempo de amortización energética de la producción fotoelectroquímica de hidrógeno "verde" puede reducirse drásticamente.

El hidrógeno puede producirse por electrólisis del agua, idealmente con células solares o energía eólica que proporcionen la energía eléctrica necesaria. Se espera que este hidrógeno "verde" desempeñe un papel importante en el sistema energético del futuro. En la última década, la división solar del agua ha progresado considerablemente: los mejores electrolizadores, que obtienen la tensión necesaria de módulos fotovoltaicos o energía eólica, ya alcanzan eficiencias de hasta el 30%. Este es el enfoque indirecto.

El enfoque directo

En el Instituto HZB de Combustibles Solares, varios equipos trabajan en un enfoque directo de la división del agua solar: están desarrollando fotoelectrodos que convierten la luz solar en energía eléctrica, son estables en soluciones acuosas y promueven catalíticamente la división del agua. Estos fotoelectrodos consisten en absorbedores de luz íntimamente acoplados a materiales catalizadores para formar el componente activo de una célula fotoelectroquímica (PEC). Las mejores células PEC basadas en absorbedores de óxido metálico estables y de bajo coste ya alcanzan eficiencias cercanas al 10%. Aunque las células PEC siguen siendo menos eficientes que los electrolizadores fotovoltaicos, también tienen importantes ventajas: en las células PEC, por ejemplo, el calor de la luz solar puede utilizarse para acelerar aún más las reacciones. Y como las densidades de corriente son entre diez y cien veces menores con este método, es posible utilizar materiales abundantes y muy baratos como catalizadores.

Aún no es competitivo

Hasta ahora, los análisis tecnoeconómicos (TEA) y las evaluaciones de energía neta (NEA) han demostrado que el enfoque PEC aún no es competitivo para su aplicación a gran escala. Actualmente, el hidrógeno de los sistemas PEC cuesta unos 10 USD/kg, unas 6 veces más que el hidrógeno procedente del reformado con vapor de metano fósil (1,5 USD/kg). Además, se calcula que la demanda acumulada de energía para la división del agua PEC es entre 4 y 20 veces superior a la de la producción de hidrógeno con turbinas eólicas y electrolizadores.

La idea: coproducir sustancias químicas valiosas

"Aquí es donde queríamos aportar un nuevo enfoque", afirma el Dr. Fatwa Abdi, del Instituto HZB de Combustibles Solares. En el marco de la colaboración de la red de excelencia UniSysCat entre el profesor Reinhard Schomäcker y el profesor Roel van de Krol, el grupo de Abdi investigó cómo cambia el equilibrio cuando parte del hidrógeno producido reacciona además con ácido itacónico (IA) en el mismo reactor(in situ) para formar ácido metil succínico (MSA).

Tiempos de amortización energética

Primero calcularon cuánta energía se necesita para producir la célula PEC a partir de los absorbedores de luz, los materiales catalizadores y otros materiales como el vidrio, y cuánto tiempo tiene que funcionar para producir esta energía en forma de energía química como hidrógeno o MSA. Sólo para el hidrógeno, este "tiempo de amortización de la energía" es de unos 17 años, suponiendo una modesta eficiencia del 5% de solar a hidrógeno. Si sólo el 2% del hidrógeno producido se utiliza para convertir IA en MSA, el tiempo de amortización energética se reduce a la mitad, y si el 30% del hidrógeno se convierte en MSA, la energía de producción puede recuperarse al cabo de sólo 2 años. "Esto hace que el proceso sea mucho más sostenible y competitivo", afirma Abdi. Una de las razones: la energía necesaria para sintetizar MSA en una célula PEC de este tipo es sólo una séptima parte de la que se necesita en los procesos convencionales de producción de MSA.

Un sistema flexible

"El sistema es flexible y también puede producir otros productos químicos valiosos que se necesiten en el lugar", explica Abdi. La ventaja es que los componentes fijos de la unidad PEC, que suponen la mayor parte de los costes de inversión, siguen siendo los mismos; sólo hay que cambiar el catalizador de hidrogenación y la materia prima. "Este método permite reducir considerablemente el coste de producción del hidrógeno verde y aumenta la viabilidad económica de la tecnología PEC", afirma Abdi. "Hemos pensado cuidadosamente el proceso, y el siguiente paso es probar en el laboratorio lo bien que funciona en la práctica la producción simultánea de hidrógeno y MSA".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

Nature communications (2023): Sustainable H2 production and hydrogenation of chemicals in a coupled photoelectrochemical device – a life cycle net energy assessment; Xinyi Zhang, Michael Schwarze, Reinhard Schomäcker, Roel van de Krol, and Fatwa F. Abdi.

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