En un mundo con temperaturas cada vez más cálidas, existe un consenso creciente de que las fuentes de energía deben tener cero emisiones de carbono o casi nulas. Esto significa alejarse del carbón, el petróleo y el gas natural, y obtener más energía de fuentes renovables.
Uno de los portadores de energía renovable más prometedores es el hidrógeno verde, que se produce sin combustibles fósiles.
Es una idea prometedora porque el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, presente en el 75% de toda la materia. El potencial combustible del hidrógeno lo convierte en un tema atractivo para los investigadores de energía en todo el mundo.
En el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), un equipo está investigando el hidrógeno como medio para almacenar y liberar energía, principalmente mediante la ruptura de sus enlaces químicos. Gran parte de su trabajo está vinculado al consorcio de investigación avanzada de materiales de hidrógeno (HyMARC) del Departamento de Energía (DOE).
Almacenamiento de hidrógeno aún no optimizado.
Uno de los enfoques de investigación del PNNL se relaciona con la optimización del almacenamiento de hidrógeno, un problema persistente. Hasta la fecha, no existe una forma completamente segura, rentable y eficiente en términos energéticos de almacenar hidrógeno a gran escala.
Investigadores del PNNL recientemente han coescrito un artículo que investiga una solución de bicarbonato de sodio como medio de almacenamiento de hidrógeno. El estudio ya ha sido calificado como un «artículo destacado» por la revista Green Chemistry. Esto significa que ha generado mucho interés y ha recibido numerosas visitas.
Los dos autores principales del nuevo artículo son el químico y miembro del laboratorio del PNNL, Thomas Autrey, y su colega Oliver Gutiérrez, un experto en acelerar y hacer más económicas las reacciones químicas.
Se necesita un poco de creatividad, quien se divierte con lo común, barato y suave que es el bicarbonato de sodio como una posible respuesta a un gran problema. No todos los productos químicos serán eficientes para almacenar hidrógeno. Debes trabajar con lo que la Madre Naturaleza te da.
Thomas Autrey
Hidrógeno limpio para las necesidades energéticas a largo plazo.
Autrey, Gutiérrez y otros en el PNNL ven el almacenamiento de energía a largo plazo como la clave del futuro del hidrógeno como portador de energía renovable.
La tecnología actual de las baterías está diseñada para almacenar energía durante varias horas. En una red de energía renovable, las baterías pueden manejar aproximadamente el 80% de las necesidades de almacenamiento.
Sin embargo, el último 20% requerirá enfoques únicos. Querremos almacenar el exceso de energía para estar preparados para las condiciones de ‘Dunkelflaute’.
Thomas Autrey
Esa es una palabra en alemán que describe condiciones sin suficiente energía solar y eólica. Durante los periodos oscuros y sin viento de Dunkelflaute, las redes eléctricas necesitan una forma de almacenar energía durante más que solo varias horas.
La capacidad de almacenamiento estacional como esta es una de las ventajas del hidrógeno.
También es cierto que el almacenamiento de hidrógeno puede ocurrir en cualquier lugar, es «geográficamente agnóstico», como dicen los expertos. Por ejemplo, la energía hidroeléctrica requiere diferencias de elevación para almacenar agua adicional y generar energía. El almacenamiento de hidrógeno no requiere condiciones especiales relacionadas con la geografía.
Además, según Autrey, a medida que las escalas se vuelven más grandes, el hidrógeno se vuelve más económico. Es más barato comprar algunos tanques de almacenamiento de hidrógeno adicionales que comprar muchas baterías.
Encontrar la mejor forma de almacenar hidrógeno.
El hidrógeno verde tiene un gran potencial como fuente de energía. Por ejemplo, un proceso llamado electrólisis puede separar el agua en hidrógeno y oxígeno. En el mejor de los casos, la energía para la electrólisis provendría de fuentes de energía renovable, como la solar, eólica y geotérmica.
Sin embargo, hay un desafío persistente: producir hidrógeno de manera más económica.
Para abordar este problema, en 2021, el DOE anunció su iniciativa Energy Earthshots, una serie de seis pasos para respaldar avances en tecnología de energía limpia. El primero en ser presentado fue el Hydrogen Shot, una búsqueda para reducir el costo del hidrógeno de $5 a $1 por kilogramo en una década, una reducción del 80%.
Además de reducir los costes de producción de hidrógeno limpio, «también hay que averiguar cómo transportarlo y almacenarlo«, dijo Autrey, lo que puede elevar los precios.
Pero encontrar el medio ideal para el almacenamiento de hidrógeno ha sido un problema.
El hidrógeno se puede comprimir en gas, pero eso requiere presiones muy altas, de hasta 10,000 libras por pulgada cuadrada. Un tanque de almacenamiento seguro requeriría paredes de acero muy gruesas o fibra de carbono de calidad espacial costosa.
¿Y qué tal el hidrógeno líquido criogénico? Este es un medio de almacenamiento comprobado, pero requiere mantener algo tan frío (-471 F, o -279.4ºC) que los costes de energía periférica son significativos.
Lo que parece ser más prometedor son moléculas que son líquidas y están optimizadas para almacenar y liberar hidrógeno. Jamie Holladay, un experto en energía sostenible, recientemente dirigió una investigación liderada por PNNL sobre estrategias más simples y eficientes para licuar el hidrógeno.
Usar líquidos como medio de almacenamiento tiene la ventaja de mantener la infraestructura de energía existente, incluyendo tuberías, camiones, trenes y barcos cisterna, dijo Gutiérrez.
El ciclo bicarbonato-formiato ¿Quieres hornear galletas? ¿O almacenar energía de hidrógeno? El bicarbonato de sodio podría ser la solución. Esta sal de sodio suave y económica, no tóxica y abundante en la Tierra.
No exactamente bicarbonato de sodio.
El equipo del PNNL está investigando las propiedades de almacenamiento de energía de hidrógeno del ciclo bicarbonato-formiato, que ha sido estudiado durante mucho tiempo. (El formiato es una molécula líquida orgánica suave y segura).
Así es como funciona: soluciones de iones de formiato (hidrógeno y dióxido de carbono) en agua transportan hidrógeno basado en el formiato de metal alcalino no corrosivo. Los iones reaccionan con el agua en presencia de un catalizador. Esa reacción produce hidrógeno y bicarbonatos, el «bicarbonato de sodio» que Autrey admira por su falta de impacto ambiental.
Con los ajustes adecuados de presión, el ciclo bicarbonato-formiato puede ser revertido. Esto proporciona un interruptor de encendido y apagado para una solución acuosa que puede almacenar o liberar hidrógeno alternativamente.
Antes del bicarbonato de sodio, el equipo de almacenamiento de hidrógeno del PNNL consideró el etanol como un portador líquido orgánico de hidrógeno, el término general de la industria para medios de almacenamiento y transporte. Al mismo tiempo, desarrollaron un catalizador que libera el hidrógeno.
Los catalizadores son aditivos diseñados que aceleran los procesos utilizados para hacer y romper enlaces químicos de manera eficiente en términos energéticos.
En mayo de 2023, como parte del esfuerzo del PNNL, EERE otorgó a OCOchem de Richland, Washington, $2.5 millones en financiamiento durante dos años para desarrollar un proceso electroquímico que produce formiato y ácido fórmico a partir de dióxido de carbono. El proceso uniría el dióxido de carbono con el hidrógeno presente en el enlace químico icónico del agua, H2O.
En una asociación que recién comienza, el PNNL desarrollará formas de liberar hidrógeno a partir de los productos de OCOchem.
Almacenamiento de hidrógeno que ‘se parece al agua’.
En el mundo de la investigación sobre almacenamiento de hidrógeno, el ciclo bicarbonato-formiato ha generado un gran interés desde hace bastante tiempo. Después de todo, se basa en materiales abundantes, no inflamables y no tóxicos.
El ciclo se basa en una solución acuosa de almacenamiento tan suave que «se parece al agua«, dijo Autrey. «Puedes apagar un fuego con ella«.
Pero para que las sales de formiato-bicarbonato se conviertan en un medio viable para almacenar energía de hidrógeno, los investigadores aún deben desarrollar escenarios económicamente viables. Hasta ahora, la tecnología solo almacena hidrógeno a 20 kg por m3, en comparación con el estándar de la industria del hidrógeno líquido de 70.
Además, según Autrey, los investigadores necesitan una comprensión a nivel de sistemas de la electroquímica y la catálisis necesarias. En términos de ingeniería, hasta ahora, la idea de un ciclo bicarbonato-formiato funcional tiene un nivel de preparación técnica bajo.
Si resolvemos los problemas de la catálisis, podríamos generar un gran interés.
Thomas Autrey
Por otro lado, las soluciones de sales en consideración en el PNNL liberan hidrógeno al reaccionar con agua. También operan a temperaturas moderadas y bajas presiones.
En teoría, al menos, como Autrey y Gutiérrez describen en su artículo de 2023, el ciclo bicarbonato-formiato representa «una alternativa verde factible para almacenar y transportar energía» a partir de hidrógeno.
La idea del bicarbonato de sodio también está en el núcleo de lo que el artículo de 2023 llama «varios desafíos científicos urgentes«.
Entre ellos, cómo crear un medio de almacenamiento de hidrógeno a partir de la captura de dióxido de carbono en exceso. Incluso utilizar el mismo medio para almacenar electrones, lo que ofrece la promesa de celdas de combustible directas de formiato.
Además, el trabajo del PNNL podría proporcionar conocimientos sobre la catálisis en la fase acuosa. Por ahora, el equipo del PNNL está utilizando paladio como su catalizador candidato. Sus esfuerzos incluyen encontrar formas de hacer que el metal raro sea más estable, reutilizable y duradero.
En resumen, la idea del bicarbonato de sodio «es esta cosa brillante y asombrosa» para el almacenamiento de hidrógeno, dijo Autrey. «Lo emocionante son las posibilidades».
Vía www.pnnl.gov
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