Tres resultados recientes facilitan el uso de energía solar para la obtención de hidrógeno o hidrocarburos.
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Un consumo individual exponencial de una población en crecimiento exponencial sobre recursos finitos es la receta para un colapso total. Mantener nuestro estilo de vida derrochador es básicamente imposible.
Pero nuestro sistema económico adolece de numerosos problemas. Incluso cuando no derrochemos tanto como hacemos ahora, se necesitan fuentes de energía renovables y medios de transporte que no usen combustibles fósiles, de otro modo la sociedad se parará.
Una de las propuestas de transporte es el coche eléctrico, pero se empieza a ver que la energía necesaria para manufacturar uno de estos automóviles y las baterías que necesitará a lo largo de su vida útil es algo muy cercano a lo insostenible si se desea un parque automovilístico similar al actual.
Por esta razón se maneja la idea de usar el hidrógeno como vector de energía. Este gas no es una fuente de energía, pues no está libre en la Tierra, sino que está unido químicamente a otras sustancias, como, por ejemplo, al oxígeno para formar agua. Es verdad que se puede obtener de combustibles fósiles, pero esto es aún más insostenible que los sistemas de energía tradicionales.
Sin embargo, el hidrógeno se puede obtener por electrolisis del agua usando energía solar y transformarlo en electricidad en un coche eléctrico al combinarse con el oxigeno atmosférico en una pila de combustible.
En esta nota vamos a ver varios avances en este sentido. La primera se basa en una sustitución de los catalizadores tradicionales usados en las pilas de combustibles. Estas suelen hacen uso de metales raros y muy caros, como el platino. No habría suficiente platino en la corteza terrestre para tanto automóvil y estos serían muy caros, incluso contando con un suministro adecuado de hidrógeno y una forma segura y barata de almacenamiento.
Las pilas de combustible han sido usadas por la NASA profusamente, por lo que están muy probadas. Una pila de combustible produce electricidad dividiendo el hidrógeno en protones y electrones. Los protones fluyen a través de una membrana y se combinan con el oxígeno para formar agua. Los electrones fluyen hacia el polo cargado positivamente a través de un cable eléctrico, lo que constituye una corriente eléctrica que se puede aprovechar para generar trabajo, como, por ejemplo, mover el motor eléctrico de un coche. Pero el primer paso de división en protones y electrones requiere de un catalizador como el platino. Cuando más eficiente sea el catalizador, menos energía se perderá en esta división.
Los catalizadores de este tipo también se usan para obtener hidrógeno y oxígeno a partir de agua y electricidad. Cuando más efectivo sea el catalizador más hidrógeno se obtendrá con la misma cantidad de energía eléctrica.
Ahora mismo los catalizadores más efectivos son metales del grupo del platino, entre otras cosas porque mantienen su integridad pese a las duras condiciones ácidas que se dan en el medio en el que se encuentran. Pero estos metales son caros y encima escasos en la corteza terrestre, demasiado como para usarlos a la escala necesaria para la automoción.
Un equipo liderado por Bruce E. Koel (Princeton University) han conseguido abrir la puerta a alternativas más baratas que el platino en este tipo de dispositivos. En este caso el catalizador está basado en hafnio, que es un 60% tan efectivo como el platino, pero que cuesta una quinta parte.
En concreto se trata de hafnio oxihidróxido tratado con un plasma de nitrógeno para así incorporar nitrógeno dentro del material en una fina capa. Se descubrió que el tratamiento con nitrógeno no sólo mejora la catálisis, sino también la resistencia al ambiente ácido. Este tipo de materiales se habían rechazado en el pasado porque no eran buenos conductores. Aunque es un material con un rendimiento dos tercios al del platino, es mucho más barato que este.
El hallazgo abre las puertas a posibles nuevos materiales que funcionen mejor. Xiaofang Yang dice que esperan encontrar algo que sea más abundante y barato en estas reacciones de catálisis. Los investigadores planean probar el zirconio, que es incluso más barato. También esperan que se pueda usar el nuevo catalizador en la producción de hidrógeno.
Otro resultado similar viene de España, en concreto del Instituto de Química de Cataluña. En este caso los grupos de Galán Mascarós y López informan en Nature Energy sobre sus logros a la hora de producir hidrógeno por electrolisis en medio alcalino a costo muy bajo.
El resultado es sorprendente por lo sencillo del proceso y abre las puertas a que la aproximación magnética se emplee en otros casos.
La electrolisis es la tradicional, pero estos investigadores aplican un campo magnético potente generado por un imán de neodimio-hierro-boro. Como resultado, la producción de hidrógeno se dobla.
La razón parece ser que se debe a que el campo magnético alinea los spines de los átomos de oxígeno y esta polarización mejora la eficiencia del proceso.
«Esto demuestra que todavía queda un montón por aprender de los mecanismos íntimos de reacción que tienen lugar en la electrocatálisis y abre nuevas vías a superar las limitaciones de los sistemas tradicionales actuales», dice Nuria López.
Como catalizador usan una ferrita, en concreto NiZnFe4Ox, anclada a un soporte de níquel. Ambos son altamente magnéticos por lo que permanecen pegados sin necesidad de introducir otras sustancias. Al aplicar el campo magnético externo se incrementa fuertemente la producción de hidrógeno.
Según José Ramón Galán Mascarós, la economía del hidrógeno posee desafíos que no sólo son científicos y que las soluciones tecnológicas que se adopten pasan por la eliminación de metales nobles, como el platino o el iridio, en el proceso, pero que esto no es fácil. Estos metales son caros y escasos, por lo que su uso no es sostenible a gran escala en ese tipo de economía del hidrógeno.
Así que los investigadores ha vuelto la vista hacia otro tipos de materiales y están ensayando condiciones alcalinas en lugar de ácidas con la esperanza de que sea así rentable y posible.
Obviamente, todavía queda trabajo por realizar, incluso después de décadas de investigación sobre el tema.
El tercer avance lo ha realizado el grupo de Wang Feng (Academia China de Ciencias). Logran producir hidrógeno y gasóleo gracias a la luz solar y deshechos orgánicos.
La biomasa, que incluye la paja proveniente de los campos de cereales o la madera procedente de la limpia de los bosques, es una fuente de energía renovable. Desde hace tiempo se investiga la obtención de biocombustibles a partir de esa biomasa, generalmente mediante procesos fermentativos. Sin embargo, el rendimiento no es muy alto. Incluso se ha discutido si realmente merecer la pena la obtención de ese bioetanol. En todo caso, la biomasa es una fuente de carbono.
Desde hace un tiempo se sabe que la plantación de cultivos para la producción de biocombustibles es una ruina ecológica. Pese a ello se sigue usando aceite de palma en el gasóleo de automoción.
Una alternativa a la obtención de hidrógeno obtenido mediante fotocatálisis de luz solar, es producir compuestos que reemplacen en alguna medida los provenientes de la industria petroquímica usando biomasa y luz solar, que, a la vez, produce hidrógeno.
Una de las ventajas de este tipo de procesos es que se reducen los subproductos derivados de la oxidación de la biomasa, compuestos no deseados que además son inútiles y que pueden contaminar el medio ambiente.
En este caso se ha usado luz solar para transformar compuestos procedentes de la biomasa en una mezcla de hidrógeno y precursores de gasóleo. La reacción es provocada a temperatura y presión normales.
Los precursores del combustible diésel contienen oxigeno en sus moléculas que debe ser eliminado en un segundo proceso gracias al hidrógeno para producir gasóleo que se pueden emplear en cualquier motor de explosión interna. El hidrógeno producido también se puede usar tal cual como vector energético, tanto en pilas de combustible como para otros fines.
Obviamente, este proceso no puede suplir la tremenda demanda mundial de hidrógeno y gasóleo, pues no habría suficiente biomasa para ello. No obstante, puede ser un buen complemento. Además, se necesita gasóleo para mantener la cadena de suministros de bienes, servicios y alimentos en el mundo moderno, que es lo que está realmente detrás de las recientes restricciones impuestas al uso del automóvil diésel privado.
Sobre todas estas tecnologías prometedoras habría que añadir que necesitan de más apoyos, al igual que cualquier otra alternativa al uso de combustibles fósiles. No está claro que el hidrógeno o que determinada tecnología de batería sea la solución definitiva, por lo que hay que poner los huevos en distintas cestas. Por otro lado, una reducción de la tasa de natalidad y una reducción en el consumo desaforado y derrochador son absolutamente imprescindibles.
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Fuentes y referencias:
Artículo original 1. [2]
Artículo original 2. [3]
Artículo original 3. [4]
Foto: Princeton University.