Nuevo método para producir hidrógeno con agua y microondas

Ciudad de México, 9 de noviembre de 2020 (SINC).- Abastecer la demanda mundial de energía con tecnologías libres de CO2 se está convirtiendo en realidad gracias a la cada vez mayor accesibilidad de los recursos renovables. Una de las fuentes más prometedoras para descarbonizar los sistemas energéticos es el hidrógeno, pero se necesita producirlo de forma más eficiente y a gran escala.

En este contexto, investigadores del Instituto de Tecnología Química (ITQ, centro mixto de Universidad Politécnica de Valencia –UPV– y el CSIC) y el Instituto de Aplicaciones de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones Avanzadas (ITACA, UPV) han desarrollado una tecnología que permite transformar la electricidad y el agua en hidrógeno, aplicando exclusivamente microondas de potencia, sin cables y sin contacto alguno con electrodos. 

En concreto, las moléculas de hidrógeno (H2) se producen a través de una electrólisis de agua (H2O) mediada por una activación redox (oxidación-reducción) con microondas de materiales iónicos en estado sólido (óxido de cerio dopado con galio) a temperaturas relativamente bajas (inferiores a 250 °C). También se libera oxígeno (O2) y se puede generar metano (CH4) con un reactor. Los detalles de este complejo proceso se publican en la revista Nature Energy. 

La reducción por microondas de materiales sólidos permite realizar procesos electroquímicos directamente en un volumen sin usar electrodos, lo que simplifica y abarata sustancialmente su aplicación práctica al tener mucha más libertad en el diseño de la arquitectura del dispositivo y en la elección de las condiciones de operación, principalmente la temperatura.

Historia del descubrimiento

Inicialmente el equipo observó que cuando se estaban procesando materiales iónicos con microondas, estos mostraban variaciones inusuales en sus propiedades, especialmente en su conductividad electrónica, cambios que no sucedían cuando se calentaban de manera convencional.

“Nuestra curiosidad por entender estos cambios bruscos de sus propiedades eléctricas nos hizo seguir profundizando, diseñar nuevos experimentos, nuevos reactores microondas y aplicar otras técnicas analíticas”, explica José Manuel Catalá del ITACA.

Los investigadores comprobaron que las microondas interactúan con los materiales acelerando los electrones y dando lugar a la liberación de moléculas de oxígeno de su estructura (reducción). Este cambio se manifestaba precisamente con alteraciones bruscas de la conductividad a temperaturas relativamente bajas (unos 300 °C).

“Este estado de semiequilibrio se mantiene mientras se aplican microondas, pero tiende a revertirse a través de la reoxigenación (reoxidación) cuando dejan de aplicarse las microondas”, apunta José Manuel Serra, profesor de investigación del CSIC en el ITQ, “así que enseguida nos dimos cuenta del enorme potencial práctico que tenía este descubrimiento”. 

Tecnología revolucionaria para descarbonizar la industria

Según los autores, su estudio supone una revolución en el campo de la investigación energética y un avance clave para el proceso de descarbonización industrial, necesaria para alcanzar el objetivo de una Unión Europea climáticamente neutra en 2050, con cero emisiones netas de gases de efecto invernadero. 

“Es una tecnología con un potencial práctico enorme, especialmente para su uso en el almacenamiento de energía y producción de combustibles sintéticos, así como productos químicos verdes”, subraya Serra.

“Este aspecto tiene ahora mismo una relevancia trascendental –añade–, pues tanto el transporte como la industria están envueltos en una transición para descarbonizarse, es decir, deben cumplir unos objetivos muy exigentes entre 2030 y 2040 para reducir el consumo de energía y de materias procedentes de fuentes fósiles, principalmente de gas natural y petróleo”.

La aplicación principal de esta “revolucionaria” tecnología es la producción de hidrógeno verde (generado sin emitir gases de efecto invernadero) a partir de agua, para su uso industrial y en el transporte.

En el sector de la automoción se podría aplicar para los coches alimentados por pilas de combustible e híbridos o grandes medios de transporte como trenes o barcos. Pero también para la industria química, la metalurgia, el sector cerámico o la producción de fertilizantes, entre otros sectores. 

“Este método hará posible la transformación de electricidad renovable, típicamente de origen solar o eólica, en productos de valor añadido y combustibles verdes. Sus aplicaciones son innumerables y esperamos que surjan nuevos usos en almacenamiento de energía, desarrollo de nuevos materiales y producción química”, destaca Catalá.

En el artículo, los investigadores ofrecen un estudio técnico y económico que demuestra que con esta tecnología se pueden alcanzar eficiencias energéticas elevadas y que los costes de las instalaciones para desarrollar el proceso de producción de hidrógeno son muy competitivos con respecto a los de las tecnologías convencionales. 

Recarga ultrarrápida de baterías y exploración espacial

El equipo de la UPV y el CSIC estudia ahora otras aplicaciones futuras de esta tecnología y centra sus esfuerzos en su uso para la recarga ultrarrápida de baterías.

“Nuestra tecnología podría hacer posible la reducción prácticamente instantánea de todo el volumen del electrodo (ánodo metálico) en el que se almacena la energía. En otras palabras, pasaríamos de un proceso de carga progresivo capa a capa, que puede llevar horas, a un proceso simultáneo en todo el volumen del electrolito, lo que permitiría cargar una batería en pocos segundos”, apunta Catalá.

Otra aplicación sería la generación directa de oxígeno con microondas, lo que abre un amplio campo de nuevas aplicaciones. “Un uso específico sería la producción directa de oxígeno con rocas extraterrestres, pudiendo tener un papel importante en la futura exploración y colonización de la Luna, Marte u otros cuerpos rocosos del sistema solar”, adelanta Serra.

Agencia SINC