¿Podemos obtener hidrógeno verde ilimitado dividiendo el agua de mar?

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El 97 por ciento del agua de la Tierra se encuentra en el océano. Si se pudiera aprovechar incluso una pequeña cantidad de eso para producir hidrógeno utilizando energía limpia, se proporcionaría una fuente prácticamente ilimitada de combustible de combustión limpia que aceleraría la transición hacia los combustibles fósiles. Pero hay un problema.

Los dispositivos que se utilizan actualmente para dividir las moléculas de agua para producir hidrógeno (llamados electrolizadores) requieren agua ultrapura para funcionar. Y el agua de mar está llena de sal disuelta, otros minerales, metales y microorganismos que degradan los componentes y engoman las obras.

Recientemente, los investigadores han avanzado en la solución de estos problemas. Algunos siguen adelante con planes para producir hidrógeno a partir de agua de mar desalinizada, mientras que otros han desarrollado nuevos diseños de electrolizadores que podrían conectarse a turbinas eólicas marinas para producir hidrógeno directamente del océano.

El éxito aquí no sólo reduciría la demanda de agua dulce para producir el combustible, sino que también ampliaría la variedad de lugares donde tiene sentido producir hidrógeno.

Algo en el agua

Hidrógeno desempeñará un papel cada vez más importante en la descarbonización de nuestros sistemas energéticos en el camino hacia el cero neto para mediados de siglo. El gas de combustión limpia se puede utilizar para almacenar y transportar energía, y Puede alimentar cosas que son difíciles de alimentar directamente con electricidad. Lo último proyecciones Los datos de la Agencia Internacional de Energía prevén un rápido aumento de la producción mundial de hidrógeno de bajas emisiones, con proyectos previstos que ascenderán a 38 millones de toneladas al año de aquí a 2030.

Hay un Variedad de fuentes de hidrógeno de bajas emisiones, pero la mayor parte se producirá dividiendo moléculas de agua utilizando electricidad renovable, generando lo que se conoce como “hidrógeno verde”. La principal limitación actual para la producción de hidrógeno verde es el acceso a electricidad renovable barata. Pero a medida que aumenta la producción de hidrógeno, el acceso al agua también podría convertirse en un problema.

“Debemos evitar crear una situación en la que exista competencia entre el agua que necesitamos para beber y el agua que necesitamos para producir combustible”, afirma. Pau Farrás en la Universidad de Galway en Irlanda. Las estimaciones varían sobre cuánta agua podría ser necesaria para la producción de hidrógeno, y algunas argumentar que el problema está exagerado – pero Farras dice que la producción de hidrógeno podría eventualmente representar hasta el 20 por ciento del uso de agua en algunos lugares, especialmente donde hay escasez de agua dulce.

Utilizar abundante agua de mar evitaría este problema. Dividir el agua de mar también podría permitir nuevas formas de combinar la energía renovable marina con la producción de hidrógeno, ampliando el alcance geográfico de ambas. Esta posibilidad en particular ha despertado un nuevo interés en dividir el agua de mar.

Por ejemplo, en marzo los Países Bajos Anunciado un plan para construir un gran electrolizador marino en combinación con un parque eólico marino en el Mar del Norte. El hidrógeno producido allí se enviaría de regreso a la costa a través de un gasoducto existente, evitando la necesidad de instalar nuevas y costosas líneas de transmisión submarinas.

Al menos Otros 10 proyectos importantes Se están trabajando en la combinación de energía eólica marina e hidrógeno en otros lugares, incluido varios frente a la costa del Reino Unido. Para parques eólicos construidos más de 50 kilómetros En alta mar, en realidad podría ser más barato transportar la energía que producen de regreso a la costa en forma de hidrógeno a través de barcos o tuberías que como electricidad a través de cables de cobre.

Investigadores de la empresa tecnológica Siemens, que está invirtiendo grandes sumas de dinero en tecnología de energía eólica e hidrógeno, incluso Visualizar “islas de producción” automatizadas que utilizan agua de mar y energía eólica marina para producir continuamente hidrógeno y otros productos químicos como el amoníaco para repostar los barcos que navegan.

Quitar sal

Sin embargo, un gran problema para estas visiones futuristas es que el agua de mar no se adapta bien a la delicada química de la electrólisis. Incluso el agua potable normal requiere pasos de purificación adicionales antes de poder usarse en un electrolizador convencional, dice Alejandro Cowan en la Universidad de Liverpool en el Reino Unido. “El agua de mar es el extremo”.

En un electrolizador, agua – H₂O – pasa por dos electrodos. Los átomos de hidrógeno se mueven hacia el cátodo cargado negativamente, mientras que los átomos de oxígeno permanecen cerca del ánodo cargado positivamente y se liberan a la atmósfera. Normalmente, en este proceso se utiliza agua desionizada ultrapura.

Usar agua de mar, con todas sus impurezas, causa problemas. Las sales y minerales disueltos degradan muchos de los catalizadores y otros componentes utilizados en los dispositivos, por lo que se desgastan muy rápidamente. La electricidad corriente pensó que el agua también puede oxidar el cloruro para producir productos de cloro corrosivos. La bioincrustación causada por microbios que crecen en el agua es otro problema. “Si tienes una biopelícula encima de los electrodos, tu reacción está muerta”, dice Farras.

Una forma de solucionar estos problemas es desalinizar el agua de mar antes de enviarla al electrolizador. En Tenerife, una de las Islas Canarias de España, Farras y sus colegas han instalado un sistema autónomo que utiliza agua de mar desalinizada y energía solar para producir hidrógeno utilizando un electrolizador de membrana de electrolito polimérico (PEM) convencional. Farras dice que los funcionarios estaban interesados ​​en el proyecto para reducir la dependencia de la isla de los combustibles fósiles importados.

El sistema, que tiene el tamaño de un contenedor de transporte de 12 metros, ahora puede producir hasta 65 kilogramos de hidrógeno cada día, lo que, según Farras, sería suficiente para abastecer de dos a tres autobuses propulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno y varios automóviles. Su equipo está ahora en conversaciones con la administración de transporte de Tenerife para alimentar los autobuses públicos con hidrógeno el próximo año en un esfuerzo por “impulsar” la demanda de hidrógeno en la isla.

Usar agua de mar desalinizada para la producción de hidrógeno tiene sentido, especialmente donde ya existe una capacidad de desalinización sustancial, dice Farras. El Ciudad hiperfuturista de Arabia Saudita, Neompor ejemplo, es se supone que incluye una instalación que podría producir 600 toneladas de hidrógeno verde al día utilizando agua desalinizada de una planta que también abastecerá de agua potable a la ciudad.

Yendo directo

Sin embargo, la desalinización no es una solución ideal. Se suma a los requisitos energéticos para producir hidrógeno y puede no ser adecuado para sistemas más pequeños y más distribuidos, dice. Zongping Shao en la Universidad Curtin en Australia.

Otro enfoque es diseñar electrolizadores que puedan funcionar directamente con agua de mar, evitando así la necesidad de un paso de desalinización separado. Ha habido una gran cantidad de investigaciones sobre cómo podrían funcionar estos dispositivos resistentes al agua de mar, con una variedad de diseños. Según Cowan, se dividen en dos grandes categorías: algunos implican el uso de membranas para purificar el agua de mar antes de que fluya a través del electrolizador, y otros utilizan diferentes Componentes o diseños más robustos. al agua de mar.

En un diseño, Shao y sus colegas intercalaron un electrolizador entre membranas especiales de teflón y luego hicieron correr agua de mar por el exterior. Las membranas permitieron que el vapor de agua se difundiera en el electrolizador dejando afuera los componentes impuros. en un estudiar publicado el año pasado, este sistema producía continuamente hidrógeno usando agua de mar en pruebas durante al menos 3200 horas sin ningún cambio notable en su función. “Eso podría cambiar el cálculo”, dice Cowan. “Si se pudiera hacer funcionar algo durante años sin mucho mantenimiento, sería interesante”.

Otro acercarse, tomada por Daniel Nocera de la Universidad de Harvard y sus colegas, purifica de manera similar el agua antes de que llegue al electrolizador haciéndola pasar a través de una membrana. A medida que las moléculas de agua se dividen en un lado de la membrana, se mantiene un gradiente de concentración que atrae más agua por ósmosis.

Daniel Esposito en la Universidad de Columbia en Nueva York y sus colegas han eliminado con membranas en un esfuerzo por fabricar electrolizadores más baratos y robustos. Una empresa que él cofundó llamada sHYp tiene como objetivo comercializar estos electrolizadores sin membrana combinándolos con un paso de procesamiento de agua salada patentado que produce otros subproductos valiosos, como hidróxidos de magnesio que podría usarse para fabricar cemento con carbono negativo.

Según el director general de la empresa carl fischer, la unidad de procesamiento funciona aumentando la alcalinidad del agua de mar antes de que llegue al electrolizador, lo que, según él, evita la bioincrustación y reacciones no deseadas con el cloro. Dice que la empresa tiene proyecto de piloto planeado para el próximo año en EE.UU., el Reino Unido y Europa, incluidos planes para instalar electrolizadores en turbinas eólicas marinas y en puertos.

Caballos de carreras

Cowan dice que si bien muchos de estos métodos de electrólisis directa del agua de mar son prometedores, a escala es probable que sufran algunos de los mismos problemas que los electrolizadores convencionales que intentan gestionar las complejidades del agua de mar, como la bioincrustación del microbios ubicuos que viven en el océano.

Farras también tiene dudas sobre este planteamiento. “Se pueden solucionar estos problemas en la química. Pero no creo que se pueda evitar la biología”, afirma. “La electrólisis directa del agua de mar es una fantasía”.

Incluso si se pudiera hacer que el enfoque directo funcionara a escala, dice Farras puede ser innecesario en contextos donde ya se dispone de desalinización a gran escala. La desalinización aumenta las necesidades de energía, pero sólo una pequeña cantidad en comparación con la demanda de energía de la propia electrólisis.

Sin embargo, Cowan cree que la electrólisis directa podría tener su utilidad, especialmente en lugares remotos donde la desalinización a gran escala podría resultar poco práctica. También podría ser clave para los numerosos proyectos que apuntan a integrar la electrólisis con la producción de energía marina, abriendo un espacio valioso en plataformas marinas que sería ocupado por una voluminosa operación de desalinización.

Además, afirma que la investigación sobre el uso directo de agua de mar podría conducir a electrolizadores más robustos en general. Estos podrían usar aguas residualeso simplemente resistir mejor las inevitables impurezas del agua en su camino para convertirse en combustible.