Investigadores de Stanford desarrollan un método mejorado para producir hidrógeno sostenible
Este método multiplica por diez la eficiencia energética en comparación con los métodos convencionales de calefacción externa
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La producción de hidrógeno es esencial para satisfacer algunas de las mayores necesidades industriales y agrícolas del mundo, pero también conlleva un elevado coste medioambiental: la mayor parte del hidrógeno que se produce hoy en día se genera mediante procesos que liberan grandes cantidades de CO₂. Esto se debe a una combinación de los elevados requisitos de calor y las emisiones directas derivadas del proceso. Ahora, investigadores de Stanford han desarrollado una nueva forma altamente eficiente de producir hidrógeno que reduce drásticamente las emisiones de CO₂ y genera un subproducto inesperado y potencialmente valioso.
El método, descrito en un nuevo estudio publicado en la revista *Science*, utiliza un proceso denominado pirólisis del metano, que descompone el metano en hidrógeno gaseoso y carbono sólido, en lugar del CO₂ gaseoso que se libera en la producción convencional de hidrógeno.
«Hoy en día tomamos gas natural y producimos hidrógeno a partir de él, pero también se produce CO₂», explicó el coautor principal Henry Moise, investigador del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de Stanford. «La pirólisis es un proceso similar, pero en lugar de producir CO₂, se produce carbono sólido».
Retos de escalabilidad
La pirólisis del metano se lleva estudiando desde hace años, pero los investigadores han tenido dificultades para llevarla más allá del laboratorio debido a dos obstáculos principales: la eliminación del carbono sólido del reactor y la obtención de suficiente calor en el reactor para llevar a cabo el proceso. El nuevo artículo, del que Moise y el estudiante visitante alemán Sebastian Moll son coautores principales, se centra en resolver este último reto.
«Si se quiere llevar a cabo la pirólisis a la escala necesaria para satisfacer las demandas de los mercados de hidrógeno, hay que construir reactores muy grandes», afirma el autor principal, Matteo Cargnello, profesor asociado de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de Stanford. «Para calentar estos reactores a temperaturas muy elevadas, como 1 000 grados Celsius, los métodos de calentamiento deben ser muy eficientes».
Los reactores industriales actuales se calientan desde el exterior, lo que se convierte en un problema a gran escala. «Como puedes imaginar, cuando se calienta algo realmente grande desde el exterior, es difícil que el calor penetre hasta el centro del reactor», explicó Cargnello.
Para abordar este problema, Moise y sus colegas desarrollaron una forma de calentar el reactor desde el interior. En lugar de quemar gas natural, que produce CO₂, el equipo descubrió que colocar un quemador dentro del reactor para quemar selectivamente una parte del hidrógeno produce principalmente agua, lo que evita las emisiones directas de carbono al tiempo que impulsa la reacción de manera eficiente.
La ventaja, según Moise, es un aumento de la eficiencia de aproximadamente diez veces. En otras palabras, utilizando la misma cantidad de energía, un reactor que emplee este nuevo método de calentamiento autotérmico produce la misma cantidad de material que otros diez reactores que utilicen métodos convencionales de calentamiento externo.
«Todo se reduce a esta idea de eficiencia. Se pueden reducir las emisiones de CO₂ evitando generarlas desde el principio, pero también se pueden reducir siendo más eficientes en el uso de la energía», afirmó Moise. «Así pues, hay múltiples formas de lograr un proceso más sostenible».
Beneficios inesperados
Más allá de las mejoras en la eficiencia, los investigadores descubrieron un beneficio inesperado del nuevo proceso: el carbono sólido producido por la reacción resultó ser grafito de alta calidad, un material utilizado en baterías, electrodos y otras tecnologías.
«No es que no esperáramos obtener carbono de mayor calidad, pero el grado de grafitización y la calidad del carbono resultaron ser realmente muy elevados», señaló Moise, calificándolo como la mayor sorpresa del proyecto.
Cargnello subrayó que la calidad inesperada del subproducto de carbono podría abrir el camino hacia la producción nacional de un material que Estados Unidos importa actualmente del extranjero. Al mismo tiempo, advirtió que el grafito producido aún no es lo suficientemente puro para aplicaciones exigentes, como los materiales para baterías. «Es un gran paso adelante», afirmó, «pero aún quedan otros pasos por dar y más investigación por realizar».
Una molécula fundamental
Los investigadores subrayaron la importancia de desarrollar procesos sostenibles para la producción de hidrógeno, una molécula fundamental de la que la mayoría de la gente no se da cuenta de que depende. «Al menos unos pocos puntos porcentuales del PIB dependen del hidrógeno, y vamos a seguir produciéndolo, sea contaminante o no», añadió Moise.
Puso como ejemplo los fertilizantes: la producción de amoníaco depende del hidrógeno, y se estima que los fertilizantes a base de amoníaco contribuyen a alimentar aproximadamente a la mitad de la población mundial. El hidrógeno también ayuda a eliminar el azufre de la gasolina durante el refinado y contribuye a la fabricación de productos importantes como el metanol. «Es tan omnipresente que, en cierto modo, se vuelve invisible», señaló.
Los investigadores esperan que el nuevo proceso abra la posibilidad de una producción de hidrógeno barata y limpia y aporte sostenibilidad a un producto que sustenta muchos productos importantes utilizados en la vida cotidiana.
Cargnello hizo hincapié en que el proyecto fue un esfuerzo colaborativo, destacando las aportaciones del equipo de Eric McFarland de la Universidad de California en Santa Bárbara, que proporcionó datos sobre reactores a mayor escala; del coautor Arun Majumdar, por animar al equipo a abordar el problema; y de Moll, que pasó seis meses en el laboratorio trabajando junto a Moise. Además, las múltiples fuentes de financiación fueron fundamentales para el éxito del proyecto, entre ellas la Fundación Kavli, el Carbon Hub de la Universidad de Rice, la Iniciativa del Gas Natural de Stanford y el Centro de Investigación del CO₂ de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca.
La necesidad de colaboración —y de financiación— continúa, añadió Cargnello, ya que los próximos pasos serán importantes, entre ellos ampliar la investigación y verificar su aplicación para la producción de hidrógeno a gran escala.
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 Inglés se puede encontrar aquí.
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