Hidrógeno verde: la coproducción de sustancias químicas valiosas aumenta la eficiencia económica
El concepto de coproducción es muy flexible; se pueden fabricar diferentes productos en la misma planta en función de la demanda
Está claro que funciona: hoy en día ya existen planteamientos para utilizar la energía solar en la electrólisis del agua y producir hidrógeno. Por desgracia, este hidrógeno "verde" ha sido hasta ahora más caro que el hidrógeno "gris" procedente del gas natural. Pero la producción de hidrógeno verde con luz solar puede llegar a ser rentable, según muestra un estudio del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y la Technische Universität Berlin: parte del hidrógeno se utiliza para transformar productos químicos brutos procedentes de la biomasa en productos químicos de alta calidad para la industria. Este concepto de coproducción es muy flexible; en la misma planta pueden fabricarse distintos productos en función de la demanda.
Tenemos que prescindir cuanto antes de los combustibles fósiles para limitar el calentamiento global. Por ello, en el sistema energético del futuro, el hidrógeno "verde" desempeñará un papel importante en el almacenamiento de energía, como combustible y como materia prima renovable para la producción de productos químicos. En la actualidad, sin embargo, el hidrógeno se produce principalmente a partir de gas natural fósil (hidrógeno gris). El hidrógeno "verde", en cambio, se produce por electrólisis del agua utilizando energías renovables. Un enfoque prometedor es el uso de plantas fotoelectroquímicas (PEC) para producir hidrógeno utilizando energía solar. Sin embargo, el hidrógeno de las plantas PEC sigue siendo mucho más caro que el hidrógeno de metano (fósil).
Control total de las reacciones
Un equipo dirigido por el químico Fatwa Abdi (en HZB hasta mediados de 2023, ahora en la City University de Hong Kong) y Reinhard Schomäcker (UniSysCat, TU Berlín) ha investigado ahora cómo cambia el equilibrio cuando parte del hidrógeno se utiliza para producir ácido metil succínico (MSA) con ácido itacónico (IA), dentro de la misma planta PEC. En este caso, la materia prima del ácido itacónico procede de la biomasa y se alimenta. El ácido metilsuccínico es un producto químico de alto valor requerido por las industrias química y farmacéutica.
En el estudio, el equipo describe cómo pueden controlarse las reacciones químicas en la planta PEC: Para ello, variaron los parámetros del proceso y la concentración del catalizador homogéneo a base de rodio, que es soluble en agua y ya está activo a temperatura ambiente. De este modo, pudieron utilizar distintas proporciones de hidrógeno para la hidrogenación del ácido itacónico y regular específicamente al alza o a la baja la producción de ácido metilsuccínico.
A partir de un 11% de hidrógeno para el MSA, la planta resulta económica
Con una eficiencia realista de la planta PEC del 10% y teniendo en cuenta los costes primarios, así como los de funcionamiento, mantenimiento y desmantelamiento, la producción de hidrógeno PEC puro sigue siendo demasiado cara en comparación con la producción a partir de metano fósil. Esto es cierto incluso si se supone que la vida útil de la planta PEC es de 40 años.
Este equilibrio cambia si la electrólisis PEC se acopla al proceso de hidrogenación. Aunque sólo el 11 % del hidrógeno producido se convierta en MSA, los costes descienden a 1,5 euros por kilogramo de hidrógeno y se sitúan así al mismo nivel que para el hidrógeno procedente del reformado con vapor de metano. Esto ya se aplica a partir de una vida útil de la planta de PEC de sólo 5 años. Dado que el precio de mercado del MSA es significativamente superior al del hidrógeno, una mayor cantidad de MSA aumenta aún más la rentabilidad. En el experimento, fue posible utilizar selectivamente entre el 11% y hasta el 60% del hidrógeno para la producción de MSA.
Además, como demostraron los equipos de investigación en un estudio anterior, la coproducción de MSA también reduce el llamado tiempo de amortización energética, es decir, el tiempo que tiene que funcionar la planta para recuperar la energía que costó su producción.
La coproducción puede conmutarse con flexibilidad
Una gran ventaja de la tecnología aquí presentada es que, en lugar de MSA, en la planta también pueden producirse en principio otros compuestos como coproductos si se utilizan otros materiales de partida y catalizadores; por ejemplo, la acetona podría hidrogenarse a isopropanol. "Hemos descubierto una forma prometedora de hacer económicamente viable la producción de hidrógeno solar", afirma Fatwa Abdi.
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 Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Keisuke Obata, Michael Schwarze, Tabea A. Thiel, Xinyi Zhang, Babu Radhakrishnan, Ibbi Y. Ahmet, Roel van de Krol, Reinhard Schomäcker, Fatwa F. Abdi; "Solar-driven upgrading of biomass by coupled hydrogenation using in situ (photo)electrochemically generated H2"; Nature Communications, Volume 14, 2023-9-27
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