Hacer más asequible el hidrógeno verde
Nuevos materiales para electrólisis
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El hidrógeno verde -producido a partir del agua mediante energías renovables- es un importante combustible sostenible y medio de almacenamiento de energía. Sin embargo, su producción industrial es significativamente más cara que la producción convencional de hidrógeno a partir de fuentes fósiles. Los investigadores de Empa y sus socios están desarrollando materiales para la electrólisis del agua que no sólo son eficientes y más rentables, sino que también pueden ampliarse a escala industrial.
Konstantin Egorov, investigador de Empa, recubre componentes de acero inoxidable con óxido de titanio resistente a la corrosión para hacer más rentable la producción de hidrógeno verde.
Empa
El hidrógeno puede sustituir parcialmente a los combustibles fósiles, lo que lo convierte en una piedra angular de la transición energética. La idea es sencilla: electricidad procedente de fuentes renovables más agua es igual a hidrógeno y oxígeno. Si el hidrógeno se quema como combustible, reacciona con el oxígeno atmosférico para formar agua, y el ciclo se completa - sin emisiones de gases de efecto invernadero.
Al menos ese es el escenario ideal. En realidad, la producción de hidrógeno "verde" mediante electrólisis se enfrenta a una fuerte competencia. Más del 90% de este hidrógeno se obtiene actualmente de fuentes fósiles, principalmente del gas natural. La razón principal es que la producción de hidrógeno por electrólisis, más sostenible, es aproximadamente el doble de cara.
En un proyecto financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) y la Agencia Nacional Francesa de Investigación (ANR), investigadores de Empa del laboratorio de Materiales para la Conversión de Energía quieren cambiar esta situación. Los materiales utilizados en los electrolizadores son uno de los factores de coste de la electrólisis. Junto con investigadores de los institutos de investigación franceses Instituto Francés de la Corrosión de Brest y LEMTA de Nancy, los investigadores del Empa están trabajando en alternativas más asequibles para dos componentes clave de los dispositivos de electrólisis.
Resistencia a la corrosión
Los investigadores se centran en la electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones, abreviada PEMWE. Los electrolizadores PEMWE son eficientes y compatibles con las fluctuaciones energéticas que cabe esperar de las fuentes renovables. Sin embargo, el ambiente en el interior del electrolizador es corrosivo. En el núcleo del electrolizador, el acero simplemente se disuelve "como el azúcar en una taza de té", dice Konstantin Egorov, investigador de Empa. E incluso las piezas que no entran en contacto con el núcleo altamente ácido se corroen. Incluso pequeñas cantidades de metales disueltos en el agua ultrapura que fluye hacia el dispositivo para ser electrolizada merman su rendimiento y durabilidad.
Por ello, los componentes para transportar el agua y los gases resultantes dentro del electrolizador se fabrican con titanio, que es caro y difícil de procesar. Pero ni siquiera eso basta: Para evitar que el titanio se oxide y reduzca la eficacia del dispositivo, los componentes deben recubrirse con el metal precioso platino, lo que aumenta aún más los costes.
El científico de materiales Egorov está buscando una forma de sustituir el costoso recubrimiento de platino sin dejar de ofrecer la protección necesaria contra la corrosión. Para ello, utiliza una forma especial de óxido de titanio conocida como rutilo altamente cristalino con deficiencia de oxígeno. Este óxido carece de átomos de oxígeno en determinados lugares, lo que le confiere una buena conductividad, mientras que su estructura altamente cristalina se traduce en una alta resistencia a la corrosión, exactamente los requisitos previos adecuados para la electrólisis PEMWE. Los investigadores también están sustituyendo el material portador de titanio por acero. "Además de ser más rentables, los componentes de acero son mucho más fáciles de fabricar, lo que permite a los ingenieros crear diseños más avanzados que mejoran el rendimiento de la célula", explica Egorov. Gracias al robusto revestimiento, el entorno corrosivo ya no debería poder dañar el material.
Pensar en la producción industrial desde el principio
Los primeros resultados demuestran la gran resistencia a la corrosión del innovador recubrimiento. "Hemos podido desarrollar un método para recubrir con óxido de titanio el primer componente del electrolizador PEMWE, la denominada placa bipolar", explica Egorov. El método que utiliza el científico de Empa se denomina deposición física de vapor (PVD) y se utiliza ampliamente en la industria. "Para nosotros es importante desarrollar algo que la industria pueda utilizar realmente", subraya el investigador.
Los componentes que Egorov fabrica en Empa son sometidos a exhaustivas pruebas de corrosión por sus socios, primero en condiciones de laboratorio y luego en un electrolizador en funcionamiento. La placa bipolar ya ha superado con éxito las pruebas. A continuación, los investigadores quieren recubrir otro componente clave con óxido de titanio, la llamada capa porosa de transporte.
"El recubrimiento de materiales porosos plantea muchos retos", explica Egorov. Los poros deben recubrirse uniformemente para que el material subyacente no se corroa, pero al mismo tiempo no deben obstruirse". El experto en recubrimientos confía en que se pueda conseguir. El proyecto se prolongará hasta 2026, tras lo cual los investigadores del Empa esperan contar con socios industriales para desarrollar la innovadora tecnología con vistas a su comercialización.
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