El hierro como medio barato de almacenamiento de hidrógeno

La energía fotovoltaica cubrirá más del 40% de las necesidades eléctricas de Suiza en 2050. Pero la energía solar no siempre está disponible cuando se necesita: hay demasiada en verano y muy poca en invierno, cuando el sol brilla con menos frecuencia y las bombas de calor funcionan a toda máquina. Según la Estrategia Energética del Gobierno federal suizo, Suiza quiere colmar el déficit de electricidad en invierno con una combinación de importaciones, energía eólica e hidroeléctrica, así como plantas solares alpinas y centrales de gas.

Una forma de minimizar la necesidad de importaciones y centrales de gas en invierno es producir hidrógeno a partir de energía solar barata en verano, que luego podría convertirse en electricidad en invierno. Sin embargo, el hidrógeno es muy inflamable, extremadamente volátil y fragiliza muchos materiales. Almacenar el gas desde el verano hasta el invierno requiere contenedores presurizados especiales y tecnología de refrigeración. Esto requiere mucha energía, y las numerosas precauciones de seguridad que hay que tomar hacen que la construcción de instalaciones de almacenamiento sea muy cara. Además, los depósitos de hidrógeno nunca son totalmente estancos, lo que perjudica al medio ambiente y encarece los costes.

Ahora, investigadores de la ETH de Zúrich dirigidos por Wendelin Stark, catedrático de Materiales Funcionales del Departamento de Química y Biociencias Aplicadas, han desarrollado una nueva tecnología para el almacenamiento estacional de hidrógeno que es mucho más segura y barata que las soluciones existentes. Los investigadores utilizan una tecnología bien conocida y el cuarto elemento más abundante en la Tierra: el hierro.

Almacenamiento químico

Para almacenar mejor el hidrógeno, Stark y su equipo se basan en el proceso vapor-hierro, conocido desde el siglo XIX. Si hay un excedente de energía solar disponible en los meses de verano, puede utilizarse para dividir el agua y producir hidrógeno. Este hidrógeno se introduce en un reactor de acero inoxidable lleno de mineral de hierro natural a 400 grados Celsius. Allí, el hidrógeno extrae el oxígeno del mineral de hierro -que en términos químicos es simplemente óxido de hierro- dando como resultado hierro elemental y agua.

"Este proceso químico es similar a la carga de una batería. Significa que la energía del hidrógeno puede almacenarse en forma de hierro y agua durante largos periodos sin apenas pérdidas", explica Stark. Cuando la energía vuelve a ser necesaria en invierno, los investigadores invierten el proceso: introducen vapor caliente en el reactor para volver a convertir el hierro y el agua en óxido de hierro e hidrógeno. El hidrógeno puede convertirse entonces en electricidad o calor en una turbina de gas o una pila de combustible. Para reducir al mínimo la energía necesaria para el proceso de descarga, el vapor se genera utilizando el calor residual de la reacción de descarga.

Mineral de hierro barato e hidrógeno caro

"La gran ventaja de esta tecnología es que la materia prima, el mineral de hierro, es fácil de obtener en grandes cantidades. Además, ni siquiera necesita procesarse antes de introducirlo en el reactor", afirma Stark. Además, los investigadores suponen que podrían construirse grandes instalaciones de almacenamiento de mineral de hierro en todo el mundo sin influir sustancialmente en el precio del hierro en el mercado mundial.

El reactor en el que tiene lugar la reacción tampoco tiene que cumplir ningún requisito de seguridad especial. Consta de paredes de acero inoxidable de sólo 6 milímetros de grosor. La reacción tiene lugar a presión normal y la capacidad de almacenamiento aumenta con cada ciclo. Una vez lleno de óxido de hierro, el reactor puede reutilizarse para cualquier número de ciclos de almacenamiento sin tener que sustituir su contenido. Otra ventaja de esta tecnología es que los investigadores pueden ampliar fácilmente la capacidad de almacenamiento. Basta con construir reactores más grandes y llenarlos con más mineral de hierro. Todas estas ventajas hacen que esta tecnología de almacenamiento sea unas diez veces más barata que los métodos existentes.

Sin embargo, el uso del hidrógeno también tiene un inconveniente: su producción y conversión son ineficaces en comparación con otras fuentes de energía, ya que hasta el 60% de su energía se pierde en el proceso. Esto significa que, como medio de almacenamiento, el hidrógeno resulta más atractivo cuando se dispone de suficiente energía eólica o solar y las demás opciones quedan descartadas. Es el caso, sobre todo, de los procesos industriales que no pueden electrificarse.

Planta piloto en el campus de Hönggerberg

Los investigadores han demostrado la viabilidad técnica de su tecnología de almacenamiento en una planta piloto situada en el campus de Hönggerberg. Consta de tres reactores de acero inoxidable con una capacidad de 1,4 metros cúbicos, cada uno de los cuales los investigadores han llenado con 2-3 toneladas de mineral de hierro sin tratar disponible en el mercado.

"La planta piloto puede almacenar unos 10 megavatios hora de hidrógeno durante largos periodos. Dependiendo de cómo conviertas el hidrógeno en electricidad, eso te dará entre 4 y 6 megavatios hora de energía", explica Samuel Heiniger, estudiante de doctorado del grupo de investigación de Stark. Esto corresponde a la demanda de electricidad de tres a cinco viviendas unifamiliares suizas en los meses de invierno. De momento, el sistema funciona con electricidad de la red y no con la energía solar generada en el campus de Hönggerberg.

Esto va a cambiar pronto: los investigadores quieren ampliar el sistema de modo que en 2026 el campus de la ETH de Hönggerberg pueda cubrir una quinta parte de sus necesidades de electricidad en invierno con su propia energía solar del verano. Para ello se necesitarían reactores con un volumen de 2.000 metros cúbicos, que podrían almacenar unos 4 gigavatios hora (GWh) de hidrógeno verde. Una vez convertido en electricidad, el hidrógeno almacenado suministraría unos 2 GWh de energía. "Esta planta podría sustituir a un pequeño embalse en los Alpes como instalación estacional de almacenamiento de energía. Para ponerlo en perspectiva, equivale aproximadamente a una décima parte de la capacidad de la central de acumulación por bombeo de Nate de Drance", afirma Stark. Además, el proceso de descarga generaría 2 GWh de calor, que los investigadores quieren integrar en el sistema de calefacción del campus.

Buena escalabilidad

Pero, ¿podría aprovecharse esta tecnología para proporcionar almacenamiento de energía estacional a toda Suiza? Los investigadores han hecho algunos cálculos iniciales: para suministrar a Suiza en el futuro unos 10 teravatios hora (TWh) de electricidad a partir de sistemas estacionales de almacenamiento de hidrógeno cada año -lo cual sería mucho, hay que reconocerlo- se necesitarían unos 15-20 TWh de hidrógeno verde y aproximadamente 10.000.000 de metros cúbicos de mineral de hierro. "Eso equivale aproximadamente al 2% de lo que extrae cada año Australia, el mayor productor de mineral de hierro", afirma Stark. A modo de comparación, en sus Perspectivas Energéticas 2050+, la Oficina Federal de Energía suiza prevé un consumo total de electricidad de unos 84 TWh en 2050.

Si se construyeran reactores capaces de almacenar alrededor de 1 GWh de electricidad cada uno, tendrían un volumen aproximado de 1.000 metros cúbicos. Para ello se necesitarían unos 100 metros cuadrados de terreno edificable. Suiza tendría que construir unos 10.000 de estos sistemas de almacenamiento para obtener 10 TWh de electricidad en invierno, lo que corresponde a una superficie de alrededor de 1 metro cuadrado por habitante.