¿Quieres hornear galletas? ¿O almacenar energía de hidrógeno?

Uno de los portadores de energía renovable más prometedores es el hidrógeno limpio, que se produce sin combustibles fósiles.

Es una idea prometedora porque el elemento más abundante en el universo es el hidrógeno, que se encuentra en el 75% de toda la materia. Además, una molécula de hidrógeno tiene dos átomos emparejados, gemelos Gemini, que no son tóxicos y son altamente combustibles.

El potencial comburente del hidrógeno lo convierte en un tema atractivo para los investigadores energéticos de todo el mundo.

En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), un equipo investiga el hidrógeno como medio para almacenar y liberar energía, principalmente rompiendo sus enlaces químicos. Gran parte de su trabajo está vinculado al consorcio Hydrogen Materials-Advanced Research (HyMARC) del Departamento de Energía (DOE).

El almacenamiento de hidrógeno aún no está optimizado

Uno de los focos de investigación del PNNL está relacionado con la optimización del almacenamiento de hidrógeno, una cuestión obstinada. Hasta la fecha, no existe una forma completamente segura, rentable y energéticamente eficiente de almacenar hidrógeno a gran escala.

Los investigadores del PNNL han publicado recientemente un artículo en el que se estudia una solución de bicarbonato sódico como medio de almacenamiento de hidrógeno. La propia revista Green Chemistry, publicada por la Royal Society of Chemistry, ya ha calificado el estudio de "artículo de actualidad". Eso significa que ha suscitado mucho interés.

Los esfuerzos de almacenamiento basados en hidrógeno en el PNNL están financiados por la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible del DOE en la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables (EERE). La investigación hace avanzar la iniciativa H2@Scale del DOE, así como el Hydrogen Shot de la agencia.

Los dos autores principales del nuevo trabajo son el químico y becario de laboratorio del PNNL Thomas Autrey y su colega Oliver Gutiérrez, experto en hacer que las reacciones químicas sean rápidas y rentables.

"Hay que ser un poco creativo", dijo Autrey, a quien le divierte lo común, barato y suave que es el bicarbonato de sodio como posible respuesta a un gran problema. "No todos los productos químicos van a ser eficaces para almacenar hidrógeno. Tienes que trabajar con lo que te da la Madre Naturaleza".

Hidrógeno limpio para necesidades energéticas a largo plazo

Autrey, Gutiérrez y otras personas del PNNL consideran que el almacenamiento de energía a largo plazo es la clave del futuro del hidrógeno como portador de energía renovable.

La tecnología actual de baterías está diseñada para varias horas de almacenamiento. En una red de energía renovable, las baterías pueden cubrir aproximadamente el 80% de las necesidades de almacenamiento.

Pero "el último 20% requerirá enfoques únicos", afirma Autrey. "Querremos almacenar el exceso de energía para estar preparados para el Dunkelflaute".

Esa es una palabra alemana que describe condiciones sin suficiente potencial de energía solar y eólica. Durante los periodos oscuros y sin viento de "Dunkelflaute", las redes necesitan una forma de almacenar energía durante más de varias horas.

Esta capacidad de almacenamiento estacional es uno de los atractivos del hidrógeno. También lo es el hecho de que el hidrógeno pueda almacenarse en cualquier lugar, que sea "geográficamente agnóstico", como dicen los expertos. La energía hidroeléctrica, por ejemplo, requiere diferencias de altitud para almacenar el exceso de agua y producir electricidad. El almacenamiento de hidrógeno no requiere condiciones geográficas especiales.

Además, según Autrey, a medida que aumenta la escala, el hidrógeno resulta más económico. Es más barato comprar unos cuantos depósitos de hidrógeno adicionales que muchas pilas.

Encontrar la mejor forma de almacenar hidrógeno

El hidrógeno limpio es una fuente de energía muy prometedora. Un proceso llamado electrólisis, por ejemplo, puede dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. En el mejor de los mundos, la energía para la electrólisis procedería de fuentes renovables, como la solar, la eólica y la geotérmica.

Sin embargo, hay un reto obstinado: producir hidrógeno de forma más barata.

Para afrontarlo, el DOE anunció en 2021 su iniciativa Energy Earthshots, una serie de seis pasos para financiar avances en tecnología de energías limpias. En primer lugar, se presentó la iniciativa Hydrogen Shot, cuyo objetivo es reducir el coste del hidrógeno de 5 a 1 dólar por kilogramo en una década, lo que supone una reducción del 80%.

Además de reducir los costes de producción del hidrógeno limpio, "hay que encontrar la forma de transportarlo y almacenarlo", afirma Autrey, pasos que pueden hacer que los precios vuelvan a subir.

Pero hasta ahora ha sido difícil encontrar el medio ideal para almacenar el hidrógeno.

El hidrógeno puede comprimirse en forma de gas, pero para ello se necesitan presiones muy altas, de hasta 10.000 libras por pulgada cuadrada. Un tanque de almacenamiento seguro necesitaría paredes de acero muy grueso o de costosa fibra de carbono espacial.

¿Y el hidrógeno líquido criogénico? Se trata de un medio de almacenamiento probado, pero requiere conseguir y mantener algo tan frío (< 252°C) que los costes de energía periférica son significativos.

Lo que parece más prometedor son las moléculas líquidas, optimizadas para almacenar y liberar hidrógeno. Jamie Holladay, experto en energía sostenible, ha dirigido recientemente una investigación dirigida por el PNNL sobre estrategias más sencillas y eficientes para licuar el hidrógeno.

El uso de tales líquidos como medio de almacenamiento tiene la ventaja de mantener in situ las infraestructuras energéticas existentes, incluidos gasoductos, camiones, trenes y buques de transporte, explicó Gutiérrez.

El ciclo bicarbonato-formiato

¿Quieres hornear galletas? ¿O almacenar energía de hidrógeno? El bicarbonato podría ser la solución. Esta suave y barata sal sódica de bicarbonato no es tóxica y abunda en la Tierra.

No es bicarbonato exactamente. El equipo del PNNL está investigando las propiedades de almacenamiento de energía de hidrógeno del ciclo bicarbonato-formiato, estudiado desde hace tiempo. (El formiato es una molécula orgánica líquida suave y segura).

Funciona de la siguiente manera: Las soluciones de iones de formiato (hidrógeno y dióxido de carbono) en agua transportan hidrógeno a base de formiato de metales alcalinos no corrosivos. Los iones reaccionan con el agua en presencia de un catalizador. Esa reacción produce hidrógeno y bicarbonatos, el "bicarbonato de sodio" que Autrey admira por su ausencia de impacto ambiental.

Con ligeros ajustes de presión, el ciclo bicarbonato-formiato puede invertirse. Así se consigue un interruptor de encendido y apagado para una solución acuosa que puede almacenar o liberar hidrógeno alternativamente.

Antes del bicarbonato de sodio, el equipo de almacenamiento de hidrógeno del PNNL estudió el etanol como portador orgánico líquido de hidrógeno, el término general del sector para los medios de almacenamiento y transporte. Paralelamente, desarrollaron un catalizador que libera el hidrógeno.

Los catalizadores son aditivos de diseño que aceleran los procesos utilizados para crear y romper enlaces químicos de forma energéticamente eficiente.

En mayo de 2023, para un proyecto relacionado con el del PNNL, la EERE concedió a OCOchem de Richland (Washington) 2,5 millones de dólares de financiación en dos años para desarrollar un proceso electroquímico que produzca formiato y ácido fórmico a partir de dióxido de carbono. El proceso uniría el dióxido de carbono con el hidrógeno situado en el enlace químico emblemático del agua, el _H2O.

En una colaboración que acaba de comenzar, el PNNL desarrollará formas de liberar hidrógeno a partir de los productos de OCOchem.

Almacenamiento de hidrógeno que "parece agua

En el mundo de la investigación sobre el almacenamiento de hidrógeno, el ciclo bicarbonato-formiato ha creado expectación durante bastante tiempo. Al fin y al cabo, se basa en materiales abundantes, no inflamables y no tóxicos.

El ciclo se basa en una solución acuosa de almacenamiento tan suave que "parece agua", explica Autrey. "Se puede apagar un incendio con ella".

Pero para que las sales de formiato-bicarbonato se conviertan en un medio viable de almacenar la energía del hidrógeno, los investigadores aún deben desarrollar escenarios económicamente viables. Hasta ahora, la tecnología almacena hidrógeno a sólo 20 kilogramos por metro cúbico, en comparación con el estándar industrial de hidrógeno líquido de 70.

Y lo que es más importante, según Autrey, los investigadores necesitan comprender los sistemas electroquímicos y catalíticos necesarios. En términos de ingeniería, hasta la fecha, la idea de un ciclo viable de bicarbonato-formiato tiene un bajo nivel de preparación técnica.

"Si resolvemos los problemas de catálisis", añadió, "podríamos despertar verdadero interés".

Una cosa brillante y sorprendente

En el lado positivo, las soluciones salinas que se estudian en el PNNL liberan hidrógeno al reaccionar con el agua. También funcionan a temperaturas moderadas y bajas presiones.

Al menos en teoría, como describen Autrey y Gutiérrez en su artículo de 2023, el ciclo del bicarbonato-formiato representa "una alternativa ecológica viable para almacenar y transportar energía" a partir del hidrógeno.

La idea del bicarbonato de sodio también está en el nexo de lo que el documento 2023 llama "varios retos científicos urgentes".

Entre ellos, cómo fabricar un medio de almacenamiento de hidrógeno a partir del dióxido de carbono capturado en exceso. E incluso utilizar el mismo medio para almacenar electrones, lo que ofrece la promesa de las pilas de combustible de formiato directo.

Además, el trabajo del PNNL podría aportar ideas para la catálisis en fase acuosa (agua). Por ahora, el equipo del PNNL utiliza paladio como catalizador candidato. Sus esfuerzos incluyen la búsqueda de formas de hacer que este metal raro sea más estable, reutilizable y duradero.

En resumen, la idea del bicarbonato de sodio "es algo increíble y brillante" para el almacenamiento de hidrógeno, afirma Autrey. "Lo emocionante son las posibilidades".